ОРТОГОНАЛЬНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С НАКЛОННЫМИ СКЛАДНЫМИ ЛОПАСТЯМИ
ORTHOGONAL WIND MOTOR WITH INCLINED FOLDED BLADES

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано в качестве автономного источника электроснабжения. Известен наиболее близкий аналог (прототип) - ветродвигатель (1), а также ветродвигатель (2), номера которых приведены в конце описания. Однако конструктивные и схемные решения прототипа не позволяют в полной мере реализовать свое функциональное назначение и менее пригодны для создания ряда модификаций перспективных мобильных энергоустановок разной мощности.
Целью изобретения является возможность повышения вырабатываемой мощности ветродвигателя в сезонные периоды с пониженными скоростями ветра без его конструктивных доработок, обеспечение противобуревой защиты ветряного колеса, а также возможность дополнительного использования опорной мачты в качестве ударопрочной тары для транспортирования в ней комплекта ветродвигателя в сложенном виде без разборки.
Заявленный технический результат достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем ветряное колесо, установленное на корпусе шестеренчатого планетарного редуктора, размещенного на полом валу отбора мощности с посаженными на нем силовым зубчатым колесом и четырехконтактным коллекторным токосъемником, центральную заторможенную ось с закрепленными на ней на нижнем конце реверсивным червячным приводом и на верхнем конце флюгерным узлом самоориентации лопастей на ветер, муфты и толкатели для размыкания кинематических связей складывающихся лопастей, ролики для разворота плоскостей сложенных лопастей перпендикулярно центральной оси вращения, устройство отбора мощности и опорную мачту, полый вал отбора мощности в сборе, нижняя часть центральной заторможенной оси с реверсивным червячным приводом и устройство отбора мощности в виде генераторного узла размещены в автономном неподвижном закрытом корпусе вне опорной мачты, при этом над реверсивным червячным приводом на заторможенной центральной оси дополнительно установлен шестиконтактный коллекторный токосъемник, а все узлы и привод для перемещения подъемной платформы расположены снаружи полого несущего вала, толкатели для размыкания кинематических связей складывающихся лопастей выполнены в виде дугообразных пластин и закреплены на поворотных рамках, разворачивающие ролики установлены на наружных кромках подъемной платформы напротив осей лопастей, а на верхнем конце заторможенной центральной оси под флюгерным узлом дополнительно размещен подпружиненный поворотный противобуревый флажок с нажимным контактным замыкателем цепи самопроизвольной остановки ветряного колеса и складывания лопастей во время бури или шторма. Лопасти на концах дополнительно снабжены съемными удлинительными секциями с выступающими в местах стыковки штифтами жесткости и стяжными двухсторонними накладными планками, при этом обеспечивается возможность установки или снятия секций без разрыва кинематических связей осей лопастей с планетарным редуктором путем отсоединения от лопастей поворотных рамок и опускания концов лопастей вниз к основанию опорной мачты. Опорная мачта имеет прямоугольную форму и выполнена двухсекционной с открытым верхним каркасом и закрытым от атмосферных осадков нижним техническим помещением с дверью для размещения внутри (при необходимости) буферных накопительных аккумуляторных батарей большой емкости, силовых трехфазных преобразователей и выпрямителей напряжения, а потолочный щит помещения выполнен секционным и съемным для дополнительной возможности использования опорной мачты в качестве ударопрочной тары во время транспортирования или хранения полного комплекта энергоустановки в сложенном виде без разборки.
Отсутствие в симметричных слабовыпуклых небыстроходных лопастях сложных аэродинамических профилей, обязательных для всех типов наиболее распространенных высокоскоростных крыльчатых ВЭУ, существенно упрощает технологию их изготовления и в целом значительно снижает стоимость таких энергоустановок. Низкий уровень шума дополнительно позволяет размещать ветроустановки этого типа в непосредственной близости от жилых зданий, в том числе (без мачты) - на крышах домов и любых других сооружений.
Из научно-технической и патентной информации автору не известны источники, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих сходные признаки с заявляемым решением.
Изобретение поясняется схематическими изображениями, где:
Фиг. 1 - вид на ветродвигатель в рабочем положении.
Фиг. 2 - вид снизу на фрагмент подъемной платформы и положения плоскости лопасти при ее складывании.
Фиг. 3 - вид сбоку на корневую часть оси лопасти и положения относительно нее поворотной рамки: в рабочей I, промежуточной II и сложенной III позициях (а); то же, вид сверху (в).
Фиг. 4 - схематическое изображение ветродвигателя в рабочем I, сложенном II и монтажном III положениях лопастей (а); распределение моментов вращения лопастей в зависимости от их положений относительно набегающего воздушного потока (в).
Фиг. 5 - элементы сочленения удлинительной секции с базовой лопастью.
Фиг. 6 - вид сверху на ветродвигатель в рабочем положении лопастей.
Фиг. 7 - транспортное размещение ветродвигателя в сложенном виде внутри опорной мачты: вид сбоку (а); вид в торец со стороны лопастей (в). Предварительно снятые расположенные внутри удлинительные секции и энергетические узлы не показаны.
Фиг. 8 - электрическая схема коммутации узлов самоориентации лопастей на ветер, вертикального перемещения подъемной каретки и противоаварийной защиты ветряного колеса во время бури или шторма. ДП - дистанционный пульт.
/
/
Ветродвигатель содержит ветряное колесо с поворотными наклонными лопастями 1 с закрылками 1, кинематически связанными осями с корпусом 2 шестеренчатого планетарного редуктора, вертикальный полый вал 3 с направляющей рейкой 4, концевыми выключателями 5, 6 и верхним шкивом 7, реверсивный привод 8 с фрикционной муфтой 8 и нижним шкивом 9, кольцевой трос 10 с демпфирующей пружиной 11. На валу 3 размещена подъемная платформа 12, кинематически связанная посредством поворотных рамок 13 с втулками 14, размещенными на осях лопастей 1 непосредственно под их плоскостями. Размещенные на втулках 14 подпружиненные кронштейны 15 контактируют с подвижными втулками 16 с ограничительными пазами 17, отжимными пружинами 18 и буртами 19, соприкасающимися с кронштейнами 15.
На концах (в корневой части) осей 20 лопастей 1 посажены переходные цапфы 21, входящие во втулки 16 и подвижно связанные с ними посредством болтов 22. Нижняя часть каждой втулки 16 подвижно размещена на переходном валике 23 и имеет сквозной паз, входящий в зацепление с выступом втулки 24, закрепленной неподвижно на валике 23 и образующей совместно с втулкой 16 разъемную однопазовую муфту. С другой стороны валик 23 жестко связан с карданным шарниром 25, посаженным второй частью 26 на выходную ось шестеренчатого планетарного редуктора (не показан), размещенного внутри корпуса 2. На нижних перемычках поворотных рамок 13 закреплены дугообразные толкатели 27, обеспечивающие одновременный разрыв взаимных кинематических связей лопастей 1.
Поворотные рамки 13 с внешней стороны связаны с втулками 14 посредством подшипников 28, а с внутренней - подшипников 29 с уголками 30 подъемной платформы 12, на которой напротив осей лопастей 1 размещены ролики 31 для разворота плоскостей поднятых вверх лопастей 1 перпендикулярно центральной оси вращения ветряного колеса и образования ими противобуревого квадратного короба. Конец валика 23 в области отжимной пружины 18 имеет проточку меньшего диаметра с буртом 32 (фиг. 3а, сноска), входящим в углубление переходной цапфы 21.
В генераторном корпусе 34 размещен на упорных подшипниках полый вал отбора мощности 35 с посаженными на нем силовым зубчатым колесом 36 и четырехконтактным коллекторным токосъемником 37в. Внутри вала 35 установлена на подшипниках (без механического контакта с ним) флюгерная центральная ось 38, заторможенная внизу реверсивным червячным приводом 39, над которым дополнительно посажен на ней восьмиконтактный коллекторный токосъемник 37н. На верхнем конце оси 38 размещен узел самоориентации лопастей 1 на ветер 40 с флюгером 41, а под ним - поворотный подпружиненный противобуревый флажок 42 с нажимным контактным замыкателем 43.
Малая цилиндрическая шестерня 44 посредством мультипликатора 45 и обгонной муфты 46 связана с валом многополюсного низкооборотного генератора 47. В генераторном корпусе 34 (со съемной дверцей 34а) размещены также аккумуляторная батарея 48 с выключателем напряжения 48а, преобразователь напряжения 49 и выпрямитель 50.
Каждая базовая лопасть 1 может быть дополнительно снабжена (при необходимости) удлинительной секцией 51, содержащей два штифта жесткости 52 и двухсторонние накладные планки 53. Лопасти 1 на концевых торцах содержат втулки 54 со сквозными отверстиями для соосной стыковки их со штифтами 52. В отсутствие удлинительных секций 51 отверстия втулок 54 закрываются уплотнительными заглушками 55 (фиг. 5).
Опорная мачта выполнена прямоугольной и состоит из двух состыкованных секций - верхней 56а с открытым каркасом и нижней 56в в виде закрытого технического помещения с дверью 57 для возможности дополнительного размещения внутри нее блоков буферных накопительных аккумуляторных батарей большой емкости, силовых трехфазных преобразователей и выпрямителей напряжения (не показаны). Верхняя секция 56а снабжена четырьмя угловыми тросовыми растяжками 58 с натяжными талрепами 59, соединяемыми с уголковыми бетонными блоками 60, расположенными вокруг горизонтально установленной бетонной фундаментной плиты 61. Внутренний потолочный составной щит нижней секции 56в выполнен съемным для дополнительной возможности использования опорной мачты в качестве ударопрочной тары для транспортирования ветродвигателя в сложенном виде без разборки (фиг. 7а, в).
↑
↓
Дистанционный пульт (ДП, фиг. 8) соединен с ветродвигателем протяженным гибким электрическим кабелем и содержит выносной выключатель питания 62, сдвоенный переключатель 63 для реверса подъемной платформы 12, а также кнопочные замыкатели цепи для начала ее движения: вверх - 64 и вниз 65.
Ветродвигатель работает следующим образом.
На ровной горизонтальной площадке, по предварительной разметке, устанавливается бетонная фундаментная плита 61 и заглубляются по месту четыре уголковых бетонных блока 60. Ветродвигатель в сложенном виде и горизонтальном положении соединяется с платформой верхней открытой секции 56а опорной мачты (в сборе) и с присоединенными к ней тросовыми растяжками 58 с талрепами 59. При необходимости, к концам лопастей 1 присоединяются удлинительные секции 51. Затем основание нижней секции 56в опорной мачты располагается в центре плиты 61, с помощью по меньшей мере одной строительной лебедки или автокрана вся конструкция устанавливается в вертикальном положении с ориентацией боковых ребер опорной мачты на рым-болты блоков 60, закрепляется болтовыми соединениями и посредством талрепов 59 осуществляется равномерное натяжение тросовых растяжек 58.
↓
↓
/
После монтажа ветродвигателя установка лопастей 1 ветряного колеса в рабочем положении осуществляется с помощью дистанционного пульта ДП путем замыкания выключателя 62, перевода рукоятки сдвоенного переключателя 63 в указанное стрелкой () положение и кратковременного нажатия на кнопочный замыкатель 65 для сдвига вниз платформы 12 и замыкания дублирующего его верхнего концевого выключателя 5. После дальнейшего самостоятельного опускания платформы 12 до фиксированного рабочего положения размыкаются контакты нижнего концевого выключателя 6 и платформа останавливается. Плоскости лопастей 1 самостоятельно, под воздействием набегающего воздушного потока и с помощью закрылков 1, развернутся вокруг своих осей и посредством замыкания однопазовых муфт кинематически соединятся с планетарным редуктором.
в.к.
л.
Последующая самоориентация плоскостей лопастей 1 на ветер осуществляется при первом обороте ветряного колеса с помощью флюгера 41 без участия оператора, после которой ветродвигатель готов к работе. При вращении ветряного колеса вокруг центральной вертикальной оси самоориентация лопастей 1 на ветер осуществляется с помощью планетарного редуктора, дополнительно поворачивающего их вокруг своих наклонных осей в два раза медленней относительно угловой скорости вращения ветряного колеса, т.е. ω=2,0ω, при этом плоскости лопастей 1 постоянно ориентируются на ось развернутой по потоку лопасти (фиг. 4в, точка А). Эта взаимная ориентация сохраняется постоянной и не зависит от изменения направления ветра, а также от эпизодических размыканий кинематических связей осей лопастей при их складывании.
↑
↑
1
2
3
Принудительная остановка ветряного колеса оператором осуществляется в двух основных случаях - для выполнения плановых профилактических работ и при необходимости снятия (или установки) удлинительных секций лопастей. В обоих случаях это осуществляется посредством подъема платформы 12 с помощью дистанционного пульта ДП. Рукоятка сдвоенного переключателя 63 переводится в верхнее () положение, кратковременным нажатием на кнопочный замыкатель 64 включается реверсивный червячный привод 8 и подъемная платформа начинает двигаться вверх. При достижении осями лопастей 1 условных точек 0 (фиг. 1) путем нажатия дугообразных толкателей 27 на подпружиненные кронштейны 15 происходит размыкание их кинематических связей с планетарным редуктором. Далее в точках 0 с помощью роликов 31 начинается разворот свободно поворачивающихся лопастей 1 (в любую сторону) вокруг своих осей и в точках 0 все их плоскости развернутся перпендикулярно центральной оси вращения ветряного колеса, образовав таким образом вертикальный квадратный короб, наиболее устойчивый к буревым воздушным потокам.
в
в
Самопроизвольный подъем платформы 12 и складывание лопастей 1 осуществляется в начале бури, например - при v>20 м/с, замыканием наклонившимся под давлением избыточного воздушного потока противоаварийным флажком 42 контактов 43 и включением напрямую (без оператора) электрической цепи подъема платформы 12. Последующий запуск ветродвигателя, при v<20 м/с, осуществляется оператором только после внешнего визуального осмотра состояния ветряного колеса и при отсутствии видимых повреждений лопастей 1 или других узлов.
Источники информации
1. RU 1270408, кл. F03D 7/06.
2. RU 1747745, кл. F03D 7/06.