МНОГОСЕКЦИОННАЯ МАШУЩАЯ ВЕТРОВАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области ветроэнергетической техники и может быть использована в ветряных энергетических установках, рабочие органы которых совершают машущие автоколебательные движения и не требуют флюгерного отслеживания направления ветра.
Из уровня техники известен машущий ветродвигатель, содержащий стойку с шарнирно установленной на ней поворотной рамой, внутри которой установлено в вертикальном положении поворотное крыло с возможностью его поворота на оси в заданном секторе, верхнюю и нижнюю горизонтальные поперечные балки и кинематическую связь передачи периодического крутящего момента от поворотной рамы к нагрузке [Патент RU 118368, МПК F03D 5/06, 2012,]. При этом концы верхней и нижней горизонтальных поперечных балок соединены по диагонали расчалками с противоположными углами поворотной рамы и между собой, образуя жесткую объемную конструкцию для удержания в ней поворотного крыла.
Недостаток известного машущего ветродвигателя состоит в том, что для выполнения технологических операций по обслуживанию машущего ветродвигателя (остановка перед штормовыми порывами ветра, изменение сектора поворота рамы с учетом изменения направления ветра, очистка конструкции от наледи и др.) требуется отторжение большой земной поверхности, охранные мероприятия, поддерживание подъездных путей в постоянной готовности, что увеличивает эксплуатационные расходы.
Наиболее близким к предлагаемому известным техническим решением является многосекционный машущий ветродвигатель [патент RU 127829, МПК F03D 5/06, 2012], содержащий первую и вторую стойки с поворотной относительно вертикальной оси рамой в каждой стойке, внутри каждой поворотной рамы установлено в вертикальном положении поворотное крыло с возможностью его поворота относительно вертикальной составляющей поворотной рамы в секторе, заданном зоной действия ограничительных упоров, расположенных на поворотных рамах, растяжки, удерживающие вертикальную ось в вертикальном положении, и кинематическую связь передачи периодического крутящего момента от поворотных рам к нагрузке, кроме того содержит верхнюю и нижнюю горизонтальные поперечные балки, которые шарнирно связаны с поворотными рамами каждой стойки с возможностью передачи общего крутящего момента нагрузке. За счет параллельного размещения стоек с поворотными рамами на земной поверхности уменьшаются эксплуатационные затраты многосекционного машущего ветродвигателя.
Недостаток прототипа состоит в том, что поворачивающиеся рамы с крылом в каждой поворотной раме формируют крутящий момент, ось направления вращения которого стремится сохранить свое неизменное положение в мировом пространстве. Поэтому по причине суточного вращения Земли возникает выламывающая сила Кориолиса, которая сокращает срок работоспособного состояния ветровой установки. Другие недостатки многосекционного машущего ветродвигателя заключаются в том, что отторгается дополнительными секциями большая площадь земной поверхности и требуются дополнительные механизмы и энергия для начального раскачивания (раскручивания) поворотных рам с крыльями в моменты времени перерыва ветра. Кроме того, требуются большие трудозатраты на изменение местоположения удерживающих растяжек при изменении направления ветра с учетом диаграммы розы ветров.
Технической задачей полезной модели является повышение энергетической эффективности многосекционной машущей ветровой установки.
Технический результат полезной модели состоит в том, что увеличивается срок службы и сокращаются эксплуатационные расходы многосекционной машущей ветровой установки.
Сущность полезной модели заключается в том, что, кроме известных и общих существенных отличительных признаков, которые характеризуются тем, что многосекционный машущий ветродвигатель содержит первую и вторую стойки с поворотной относительно вертикальной оси рамой в каждой стойке, внутри каждой поворотной рамы установлено в вертикальном положении поворотное крыло с возможностью его поворота относительно вертикальной составляющей поворотной рамы в секторе, заданном зоной действия ограничительных упоров, расположенных на поворотных рамах, растяжки, удерживающие вертикальную ось в вертикальном положении, и кинематическую связь передачи периодического крутящего момента от поворотных рам к нагрузке, предлагаемая многосекционная машущая ветровая установка содержит пружинный элемент, первая и вторая стойки с поворотными рамами установлены вертикально одна над другой, оси вращения первой и второй стоек с поворотными рамами расположены коаксиально с зубчатыми коническими соединениями между собой и с возможностью поворота поворотных рам в противоположные друг другу направления, концы пружинного элемента соединены с нижней и верхней горизонтальными составляющими поворотных рам в точках наибольшего сближения с возможностью их подпружиненного раздвижения при отсутствии ветра, кинематическая связь передачи периодического крутящего момента от поворотных рам к нагрузке выполнена в виде зубчатого конического сателлита коаксиального зубчатого дифференциала соединения осей вращения первой и второй стоек.
Новизна полезной модели состоит в том, что многосекционная машущая ветровая установка содержит пружинный элемент, первая и вторая стойки с поворотными рамами установлены вертикально одна над другой, оси вращения первой и второй стоек с поворотными рамами расположены коаксиально с зубчатыми коническими соединениями между собой и с возможностью поворота поворотных рам в противоположные друг другу направления, концы пружинного элемента соединены с нижней и верхней горизонтальными составляющими поворотных рам в точках наибольшего сближения с возможностью их подпружиненного раздвижения при отсутствии ветра, кинематическая связь передачи периодического крутящего момента от поворотных рам к нагрузке выполнена в виде зубчатого конического сателлита коаксиального зубчатого дифференциала соединения осей вращения первой и второй стоек, что обеспечивает увеличение срока службы и сокращение эксплуатационных расходов.
Схематичное изображение многосекционной машущей ветровой установки представлено на чертеже, где обозначено:
1 и 2 - первая (верхняя) и вторая (нижняя) поворотные рамы;
3 и 4 - шарниры;
5 и 6 - крылья;
7 и 8 - ограничительные упоры;
9 - пружина;
10 - зубчатое коаксиальное коническое соединение осей вращения первой и второй поворотных рам (механический дифференциал);
11 и 12 - растяжка;
13 - силовой вал нагрузки (сателлит дифференциала);
14 - направление ветра.
На чертеже показано, что первая (верхняя) поворотная рама 1 с упором 7 с помощью шарниров 3 удерживает внутри себя крыло 5 с возможностью совершать верхней поворотной рамой 1 периодическое
колебательное движение под действием ветра. Ограничивающий упор 9 установлен на второй (нижней) поворотной раме 2. С помощью шарниров 4 крыло 6 поворачивается относительно вертикальной составляющей нижней поворотной рамы 2 под действием ветра и поворачивает нижнюю поворотную раму 2 относительно шарниров 4 вместе с крылом 6. Концы пружины 9 закреплены на горизонтальных составляющих первой (верхней) 1 и второй (нижней) 2 поворотных рам для их подпружиненного раздвижения друг от друга при отсутствии ветра. Зубчатое коаксиальное коническое соединение осей 10 поворота первой (верхней) 1 и второй (нижней) 2 поворотных рам (механический дифференциал) удерживается растяжками 11 и 12. С помощью силового вала нагрузки 13 в виде сателлита механического дифференциала реализована кинематическая связь поворотных рам 1 и 2 с известной в прототипе нагрузкой, которая на чертеже не показана. Направление ветра 14 может менять свое положение в диапазоне 0…360°, что выгодно обеспечивает работоспособность ветровой установки при круговой диаграмме розы ветров без флюгерного отслеживания направления ветра. Растяжки, перпендикулярные растяжкам 11 и 12 на чертеже не показаны.
Предлагаемая многосекционная машущая ветровая установка работает следующим образом.
Под действием ветра 14 крылья 5 и 6 поворачиваются на своих шарнирах 3 и 4 в противоположные друг другу направления в пределах зон действия их ограничительных упоров 7 и 8. Противоположные направления поворотов крыльев 5 и 6 достигаются выбором их аэродинамического профиля, центра тяжести и/или эксцентриситета поворота шарниров 3 и 4 соответственно. Находясь на ограничительных упорах 7 и 8 крылья 5 и 6 под действием ветра увлекают за собой первую (верхнюю) 1 и вторую (нижнюю) 2 поворотные рамы, которые тоже поворачиваются в зубчатом коаксиальном коническом соединении
осей 10 в противоположные друг другу направления. Противоположное друг другу вращение поворотных рам 1 и 2 с одинаковыми скоростями обеспечивает сателлит 13 механического дифференциала, что позволяет полностью скомпенсировать гороскопические моменты этих вращающихся тел, при котором возникает нежелательная выламывающая сила Кориолиса в случае появления каких-либо возмущающих воздействий. Известно [Бороздин В.Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления: Учеб. пособие для втузов. - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.], что направление вектора гироскопического момента стремится сохранить свое неизменное положение в мировом пространстве. Поэтому даже суточное вращение Земли вызывает выламывающую силу Кориолиса и известные ветровые энергоустановки долго не работают. В предлагаемой многосекционной ветровой установке выламывающая сила Кориолиса не формируется за счет взаимной компенсации гироскопических моментов поворотных рам 1 и 2 с помощью зубчатого коаксиального конического соединения осей 10 их вращения. Зубчатое соединение [Гулиа Н. В., Клоков В.Г., Юрков С.А. Детали машин. - М.: Издательский центр «Академия», -2004. - С. 416.] обеспечивает максимальный коэффициент передачи крутящего момента.
При повороте поворотных рам 1 и 2 вместе с их крыльями 5 и 6 под действием ветра 14 более чем на 100…120° эти крылья 5 и 6 начинают подвергаться аэродинамическому давлению с другой (противоположной) стороны своих рабочих поверхностей. Под действием этого, вновь сформированного, аэродинамического давления крылья 5 и 6 поворачиваются на шарнирах 3 и 4 и занимают другое предельное положение, определяемое другими концами ограничительных упоров 7 и 8. Под действием этого, вновь сформированного, аэродинамического давления крылья 5 и 6 увлекают свои поворотные рамы 1 и 2 для совершения ими автоколебательных движений в противоположных
друг другу направлениях. Сформированный крутящий момент спаренных поворотных рам 1 и 2 передается с помощью зубчатого коаксиального конического соединения осей 10 их вращения силовому валу нагрузки 13. Вертикальное положение осей вращения спаренных поворотных рам 1 и 2 удерживается с помощью растяжек 11 и 12, что позволяет уменьшить площадь отторгаемой земной поверхности машущей ветровой установкой в сравнении с прототипом.
При отсутствии ветра поворотные рамы 1 и 2 автоматически под действием пружины 9 раздвигаются, подставляя максимально большую рабочую поверхность крыльев 5 и 6 в ожидании появления ветра, под действием которого происходит автоматический запуск автоколебательных движений спаренных поворотных рам 1 и 2.
Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней использованы известные детали и механизмы в аналоге и прототипе по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе изготовлен действующий макет ветровой установки в 2015 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что увеличивается не менее чем на 20…30% срок службы и сокращаются эксплуатационные расходы многосекционной машущей ветровой установки за счет вертикального расположения поворотных рам 1 и 2 с крыльями 5 и 6 внутри них с возможностью передачи крутящего момента нагрузке 13 посредством зубчатого коаксиального конического соединения 10 их осей вращения, что устраняет появление нежелательной выламывающей силы Кориолиса и обеспечивает работоспособность ветровой установки с машущими рабочими органами при изменении направления ветра от 0° до 360° без флюгерного отслеживания направления воздушного потока.