УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОВОРОТОМ ЛОПАСТЕЙ ГИДРО- И ВЕТРОКОЛЕСА

Изобретение относится к устройствам, использующих энергию потока воды или воздуха и может быть использовано в гидроэнергетике и ветроэнергетике для управления работой гидро- и ветродвигателей.
Известно энергетическое устройство, представляющее собой ветровую карусель в виде рельсового кольцевого пути с установленными на нем несколькими соединенными между собой тележками. На каждой из тележек установлен парус и электрогенератор. Когда тележка движется по ветру, парус разворачивается таким образом, чтобы максимально использовать его силу. Поворотом паруса управляет ЭВМ /Драгун В.Л., Конев С.В. В мире тепла. -М.: Наука и техника, 1993, с. 60/.
Аналогичный принцип управления поворотом лопастей лежит в основе другой кольцевой ветроэнергетической установки, состоящей из кольцевого железнодорожного пути с размещенным на нем замкнутым поездом из электрофицированных платформ, на каждой из которых установлена жесткая лопасть, создающая при взаимодействии с ветровым потоком усилие, преобразуемое в движение платформы. При этом электрогенераторы, расположенные на платформах, работая в режиме рекуперативного торможения, выдают в сеть электроэнергию /Некрасов В.Г, О вовлечении альтернативных источников энергии в электроснабжение городов. Промышленная энергетика, 1993, № 5 с. 40/.
Недостатком данных установок является то, что при движении тележек по кольцевому пути требуется постоянно корректировать положение лопасти по отношению к направлению воздушного потока с помощью направляющего аппарата, взаимодействующего с железнодорожными путями.
Общим признаком указанных устройств является то, что тележки перемещаются вокруг центра вращения, а лопасти, установленные на тележках, помимо движения по окружности поворачиваются еще и вокруг собственной оси, чем достигается их корректировка по отношению к направлению потока воздуха.
Недостатками устройств, служащих для управления положением лопастей является в первом случае сложность /ЭВМ/, и во втором - ненадежность.
Наиболее близким устройством к заявленному является устройство, предназначенное для автоматического управления поворотом лопастей гидроколеса в зависимости от их положения по отношению к направлению потока воздуха.
Устройство содержит корпус, центральный вас с водилами, на которых укреплены валики с жестко установленными на них лопастями. При этом на концах валиков установлены шестерни, а на центральном валу установлен блок шестерен с количеством венцов, равным количеству лопастей. Каждая шестерня на валике соединена с соответствующим венцом на блоке шестерен цепной передачей с передаточным отношением 2:1, то есть количество зубьев на шестерне валика в два раза больше количества зубьев на соответствующем венце блока шестерен. Такое передаточное отношение обеспечивает стабильное положение каждой лопасти гидроколеса к направлению движения потока воды или воздуха. При изменении направления движения потока он воздействует на киль и поворачивает посредством его блок шестерен, тем самым снова ориентируя лопасти в соответствии с новым направлением потока. Описание изобретения к патенту Российской Федерации № 2030628 F 03 В 13/10, 7/00/.
Устройство для управления поворотом лопастей, использующее цепную передачу, имеет недостаток, заключающийся в том, что оси звеньев цепи изнашиваются, а сама цепь из-за этого удлиняется. Поэтому цепное устройство требует установки натяжителя и успокоителя цепи, что снижает его эксплуатационную надежность. Кроме того, наличие цепной передачи в механизме управления лопастями ограничивает увеличение расстояния между центральным валом и валиками, на которых установлены лопасти, поскольку это удлиняет цепную передачу, делает ее ненадежной в работе, а также не позволяет увеличивать ширину лопастей и создавать гидро- или ветроколесо большой мощности.
Целью изобретения является:
- повышение эксплуатационной надежности устройства управляющего поворотом лопастей гидро- и ветроколеса;
- упрощение конструкции устройства управляющего поворотом лопастей гидро- и ветроколеса;
- возможность создания надежно работающего гидро- и ветроколеса большой мощности;
- увеличение устойчивости конструкции гидро- и ветроустановок на воздействие потоков воды или воздуха за счет увеличении расстояния между центральным валом и валиками при увеличении мощности установок.
Указанная цель достигается тем, что гидро- или ветроколесо содержащее корпус, центральный вал с водилами, на которых укреплены валики с жестко установленными на них лопастями, установлены на центральном валу и на валиках конические шестерни. При этом каждая коническая шестерня на валике связана посредством промежуточного вала через коническую передачу с конической шестерней на главном центральном валу с передаточным отношением 2:1, обеспечивающим количество
оборотов каждой лопасти вокруг валика в два раза меньше, чем количество оборотов, совершаемое лопастями вокруг центрального вала.
Предлагаемое устройство для управления поворотом лопастей гидро- ветроколеса представлено на фиг. 1, 2, 3.
На фиг. 1 изображено гидроколесо и его соединение с устройством для управления поворотом лопастями. На фиг. 2 представлено устройство и его взаимодействие с центральным валом, килем и валиками, на которых укреплены лопасти. На фиг. 3 отдельно показан узел управления поворотом одной лопасти.
Гидроколесо состоит из нижней 1 и верхней 2 платформ, соединенных опорами 3. Между опорами установлен центральный вал 4 с водилами 3. Между опорами установлен центральный вал 4 с водилами 5 и 6, в которых установлены валики 7 с лопастями 8. На концах валиков 7 с одной их стороны жестко установлены конические шестерни 9, а на центральном валу 4 установлена свободно коническая шестерня 10 со ступицей 11, на которой жестко закреплен киль 12. С коническими шестернями 9, установленными на валиках 7, входят в зацепление конические шестерни 13, жестко соединенные с промежуточными валами 14. На другом конце промежуточных валов 14 жестко установлены конические шестерни 15, входящие в зацепление с шестерней 10 на центральном валу 4. Промежуточные валы 14 укреплены в подшипниковых опорах 16 на соответствующих водилах 6.
Работает устройство (см. фиг. 1, 2, 3) следующим образом. Поток воды или воздуха, воздействуя на лопасти 8, заставляет их вместе с валиками 7 перемещаться и поворачивать посредством водил 5 и 6 центральный вал 4. Одновременно поток воздействует и на киль 12, ориентируя его в направлении своего движения и удерживает в этом положении. Следовательно ступица 11 и имеющаяся на ней коническая шестерня 10 всегда занимают определенное положение в зависимости от направления потока и удерживаются килем 12 от вращения. При вращательном движении водила 6, а вместе с ним и промежуточного вала 14, коническая шестерня 15 обкатывается по шестерне 10, вращая промежуточный вал 14 и установленную на другом его конце коническую шестерню 13, которая в свою очередь вращает шестерню 9, установленную на валике 7 и сам валик с лопастью 8 в противоположном направлении. Поскольку общее передаточное отношение из двух пар конических шестерен, то есть шестерен 9и 13, 15,и 10 составляет 2:1, то валики вращаются вокруг собственной оси с числом оборотов в два раза меньшим, чем вокруг центрального вала и при этом их вращение направлено в противоположную сторону. В результате этого лопасти 8 при своем вращении вокруг центрального вала 4 всегда ориентированы на создание положительного крутящего момента, изменяющегося за один оборот от максимального значения до нуля, и никогда
не создают отрицательного вращающего момента. Таким образом, очевидно, что предложное устройство с конической передачей полностью выполняет функции цепной передачи, имеет перед ним ряд преимуществ и не имеет его недостатков.
О целесообразности использования предложенной конструкции устройства для управления поворотом лопастей свидетельствуют следующие аргументы:
- цепь состоит из многих шарнирных звеньев, при изнашивании которых она удлиняется. При небольшом расстоянии между осями валиков 7 и центральным валом 4 удлинение цепи компенсируется натяжителем. При увеличении этого расстояния помимо натяжителя требуется еще и успокоитель цепи. При значительных межосевых расстояниях возникающие трудности не могут быть устранены этими дополнительными устройствами. Следовательно, создание гидро- и ветроколеса больших размеров и большой мощности с цепным устройством для управления поворотом лопастей затруднительно;
- применение для этой цели зубчатого ремня не избавляет от тех же недостатков;
- устройство с шестеренчатой передачей полностью исключает выше перечисленные недостатки и позволяет изготавливать гидро- и ветроколесо любых требуемых размеров для создания гидро- или ветросилового агрегата большой мощности;
- известно, что чем меньше деталей содержит механизм, тем он надежнее работает. Поэтому предлагаемое устройство управления поворотом лопастей с шестеренчатой передачей будет надежнее в работе;
- не требуется устанавливать никаких дополнительных устройств в виде натяжителей и успокоителей;
- по металлоемкости предложенное устройство безусловно меньше, особенно для гидро- и ветроагрегатов большой мощности.
Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод о том, что по сравнению с прототипом заявленное устройство содержит значительно меньше подвижных изнашивающихся деталей, оно проще в изготовлении, более долговечно и надежнее в эксплуатации, увеличение размеров гидро- или ветроколеса не влекут за собой увеличение количества промежуточных звеньев и наличия дополнительных устройств.
Анализ известных технических решений в исследуемой области и в смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками заявленного устройства, выполняющими те же функции.
Экономическая эффективность от использования изобретения заключается в том, что:
- повышается надежность работы агрегата в целом;
- снижается металлоемкость;
- изготовление предложенного устройства проще, а следовательно дешевле;
- появляется возможность строить агрегаты большой мощности, экономическую выгоду от которых на данном этапе определить затруднительно.