ВЕТРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к транспортным средствам, использующим для движения энергию ветра.
Парус в качестве движителя, использующего энергию ветра, известен на протяжении тысячелетий, но его развитие продолжается. В ряде случаев целесообразна замена традиционного мягкого паруса на жесткий, причем наиболее эффективным является жесткий парус, представляющий собой несимметричный авиационный крыльевой профиль.
При использовании несимметричных крыльевых профилей в качестве паруса основной технической проблемой является перемена кривизны сторон профиля, необходимая при каждой смене галса. Эта проблема настолько существенна, что до настоящего времени именно она сдерживает применение таких парусов в практических целях.
Попытки использовать симметричные авиационные профили (а.с. №1065297) оказались неудачными, т.к. по коэффициенту подъемной силы жесткие паруса с симметричным профилем уступают даже мягким парусам.
Парус-крыло по а.с. №1024362 сложен по конструкции, а получаемый профиль с переменной кривизной далек от оптимального.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является ветросиловая установка, содержащая выполненную с возможностью поворота мачту, перемещающиеся вдоль нее тележки с установленными на них жесткими поворотными парусами с несимметричным крыльевым профилем с утолщенной передней и острой задней кромками, при этом каждый парус состоит из двух секций, выполненных с возможностью поворота на 180° вокруг их общей горизонтальной оси, проходящей через плоскость симметрии мачты, боковые поверхности которой, сопрягаемые с парусными секциями, параллельны друг другу (а.с. СССР №1382740, МКИ В63Η 9/00, опубл. 1988 г. ).
Данная ветросиловая установка, выбранная в качестве прототипа, имеет комплексный недостаток, заключающихся в сложности конструкции и несовершенстве аэродинамических свойств парусной системы. При той же суммарной высоте парусной системы наличие большого количества парусных ярусов малой высоты приведет к усложнению конструкции прежде всего из-за возрастания числа элементов привода, а высокие парусные секции, при меньшем числе ярусов, потребуют от привода более высокой угловой точности установки секций парусов в рабочее положение для точного совпадения парусной секции и мачты. Кроме того, ветровая нагрузка будет значительнее деформировать более высокие секции (пример - очевидная деформация крыла самолета при взлете), причем передняя и задняя секции паруса из-за разницы в устройстве (и, значит, в жесткости) будут деформироваться по-разному, дополнительно нарушая аэродинамику парусной системы под ветровой нагрузкой. Другим недостатком, снижающим аэродинамические свойства данной ветросиловой установки, является наличие технологических зазоров, как горизонтальных, между ярусами парусов, так и вертикальных, между мачтой и прилегающими к ней секциями каждого паруса. Такие зазоры неизбежно снижают подъемную силу паруса из-за перетечек через них воздуха из зоны повышенного давления в зону разрежения.
В отличии от прототипа предлагаемое устройство позволяет получить парус выбранной высоты в виде сплошного крыльевого профиля без аэродинамических дефектов с упрощенным управлением при сменах галса.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции парусной ветросиловой установки с одновременным повышением ее аэродинамических свойств.
Указанная цель достигается тем, что в ветросиловой установке, содержащей поворотную мачту и жесткую профилированную парусную секцию с острой задней кромкой, выполненную с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, совпадающей с центром давления паруса и проходящей через плоскость симметрии мачты, а также элементы привода поворота, мачта выполнена в виде утолщенной передней кромки крыльевого профиля, при этом парусная секция и мачта выполнены с возможностью неподвижного соединения между собой на всей длине их сопряжения в рабочем положении паруса.
Указанная цель достигается также тем, что парусная секция выполнена с возможностью линейного перемещения вдоль оси своего вращения и оборудована приводом для такого перемещения.
Приложенные чертежи изображают:
Рис. 1а-1г - принципиальные схемы перемены сторон кривизны крыльевого профиля, составленного из секции паруса и мачты, с их взаимной фиксацией в рабочем состоянии (горизонтальные сечения):
рис. 1а - составной профиль в рабочем положении перед сменой галса;
рис. 1б - подготовка к повороту паруса, секция паруса отодвинута от мачты;
рис. 1в - парусная секция повернута на 180°.;
рис. 1г - составной профиль в рабочем положении, соответствующем новому галсу.
Рис. 2 - схема управления парусом посредством пневматического привода.
Рис. 3 - внешний вид паруса с составным крыльевым профилем в рабочем положении.
Рис. 4 - пневматическая схема привода для поворота паруса на 180° и на 90°.
Пример конкретного воплощения заявляемой ветросиловой установки содержит следующие основные позиции:
1 - секция паруса с ответным клиновидным пазом; 2 - мачта с клиновидным выступом на стороне, обращенной к парусной секции; 3 - пневмоцилиндр для линейного перемещения парусной секции; 4 - поршень; 5 - ось паруса, выполненная в виде вала со шлицевым участком под шестерню; 6 - шестерня привода поворота паруса; 7 - пневмоцилиндр для поворота парусной секции; 8 - поршень; 9 - шток; 10 - зубчатая рейка; 11 - кронштейн для крепления тандема пневмоцилиндров; индексы «а» и «б» на рис. 4 присвоены одноименным позициям в тандеме пневмоцилиндров.
Заявляемая ветросиловая установка устроена и работает следующим образом.
В рабочем положении при движении парусного транспортного средства заданным галсом парусная секция 1 вплотную приближена к мачте 2, образуя совместно с ней крыльевой профиль без зазора (рис. 1а). Перед сменой галса мачту с парусом устанавливают во флюгерное положение (уменьшая этим ветровую нагрузку на узлы устройства), затем отодвигают парусную секцию 1 от мачты 2, обеспечивая между ними зазор d, заведомо достаточный для свободного поворота паруса при всех возможных упругих деформациях узлов системы (рис. 1б), после чего поворачивают парусную секцию 1 вокруг ее оси на 180°, обеспечивая перемену кривизны сторон профиля (рис. 1в), и вновь соединяют парусную секцию 1 с мачтой 2, восстанавливая сплошной крыльевой профиль (рис. 1г). После этого поворотом мачты парус выводят из флюгерного положения и устанавливают в положение, соответствующее новому галсу.
Для фиксированного соединения паруса и мачты без сквозного зазора предлагается на обращенной к парусу стороне мачты выполнить клиновидный (в сечении) выступ, а на сопрягаемой с мачтой стороне паруса -ответную клиновидную впадину к нему. Такая форма этих поверхностей на всей длине их взаимного сопряжения позволит не только полностью устранить зазоры в соединении за счет натяга по наклонным плоскостям, но и обеспечит точное совмещение частей составного паруса: открытый в основании паз на парусе будет «ловить» заостренный выступ на мачте при их сближении. При этом выступ на мачте добавит ей жесткости.
Для перемещения паруса вдоль его оси, а также для поворота паруса при смене галсов необходимы приводные устройства. В качестве исполнительных механизмов таких приводов могут быть использованы любые известные устройства: электромеханические (мотор-редукторы), гидравлические (гидромоторы или гидроцилиндры) или пневматические.
Пневматический привод на основе пневмоцилиндров отличается, надежностью, компактностью и малым весом, а также простотой, в том числе в управлении. Для управления пневмоцилиндром достаточно подать в одну его полость сжатый воздух (другую его полость при этом просто соединяют с атмосферой), причем скорость срабатывания такого привода будет зависеть только от количества сжатого воздуха, подаваемого в единицу времени. Следует особо отметить безопасность пневмопривода в условиях повышенной влажности (в отличии от электропривода) и его экологичность (в отличии от гидропривода, в котором в качестве рабочей жидкости обычно используют технические масла).
Особенностью привода на основе цилиндров со сжимаемым рабочим телом является неустойчивость поршня в его промежуточных положениях, однако такой привод жестко позиционируется в крайних точках при перемещения между механическими упорами, при этом подвижные элементы привода в конце каждого хода оказываются прижатыми к соответствующему упору сжатым воздухом с усилием, заданным площадью поршня и величиной давления в пневмосистеме. В предлагаемой схеме управления парусной системой эта особенность пневмопривода является преимуществом, т.к. такой привод обеспечивает перемещение между заданными позициями, четко определенными положением упоров, без дополнительного контроля за завершением каждой операции, а также обеспечивает упругую фиксацию системы в этих крайних точках без дополнительных затрат энергии.
Предлагаемый в качестве примера пневмопривод управления парусом действует следующим образом (рис. 2). Перед переменой галса парус переводят во флюгерное положение и соединяют подпоршневую полость цилиндра 3 с источником сжатого воздуха (им может являться компрессор в машинном отделении или воздушный ресивер), а его надпоршневую (штоковую) полость - с атмосферой (коммуникации сжатого воздуха не показаны), при этом поршень 4 под воздействием созданного перепада давлений совершает полный ход s, воздействуя на вал 5, который перемещается сквозь шестерню 6 благодаря их подвижному шлицевому соединению (не показано) и отодвигает парусную секцию 1 от мачты 2 на расстояние s с целью создания зазора d (см. рис. 1б), достаточного для свободного поворота паруса. Затем сжатый воздух подают в полость цилиндра 7, поршень 8 которого также совершает полный ход, перемещая при этом посредством штока 9 зубчатую рейку 10 и проворачивая ею шестерню 6, насаженную на шлицы вала 5, что обеспечивает поворот парусной секции 1 на 180°. Поворот паруса на заданный угол обеспечивают конструктивно, путем согласования рабочего диаметра шестерни 6 на оси паруса с длиной перемещения зубчатой рейки 10 за один полный ход поршня 8 между упорами. После переворота паруса давление в полости цилиндра сохраняют и парус остается зафиксированным в новом положении. Для восстановления цельного крыльевого профиля сжатый воздух подают в надпоршневую (штоковую) полость пневмоцилиндра 3, при этом его поршень 4 вместе с осью 5 перемещается, притягивая с заданным усилием парусную секцию 1 к мачте 2 и обеспечивая упругий натяг в их клиновидном сопряжении, что исключает наличие зазора в соединении. При этом клиновидная форма сопрягающихся поверхностей парусной секции 1 и мачты 2 обеспечивает точное соединение даже при наличии в них рассогласованных упругих деформаций, которые, однако, не могут быть значительными при совершении операций во флюгерном положении парусной системы.
Таким образом, управление описанными операциями сводится к коммутации рабочих потоков сжатого воздуха, осуществляемой любыми известными устройствами, причем как в режиме ручного управления каждой операцией, так и в автоматическом режиме, когда после команды оператора «перемена галса» все необходимые для этого шаги последовательно реализуются известными средствами пневмоавтоматики.
Внешний вид паруса в рабочем положении приведен на рис. 3, показан случай с не полностью встроенным в мачту пневмоцилиндром 3, выступающей части которого придана обтекаемая форма.
Приведенная схема проста и эффективна, однако нуждается в дополнении, если технология управления парусом предполагает также его установку еще и в горизонтальную плоскость (т.е. парус необходимо поворачивать не только на 180°, но и на 90°). Для реализации этой задачи достаточно одиночный цилиндр в системе привода поворота паруса заменить на равный ему по суммарному ходу тандем из двух цилиндров с независимым управлением, совместный ход которых обеспечивает поворот паруса на 180°, следовательно, ход только одного цилиндра обеспечит поворот паруса на 90° (рис. 4).
Из схем на рис. 4 понятно, что если давление подать в одноименные полости обоих пневмоцилиндров (рис. 4а и рис. 4б), то парус повернется на 180°, а если в разноименные (в любой комбинации) - то на 90°, т.к. ход рейки во втором случае составит 50% от ее полного хода (рис. 4в и рис. 4г). Достигается это тем, что на кронштейне 11 неподвижно закреплен только один из цилиндров тандема (с индексом «б»), а второй (с индексом «а») - подвижен и перемещается штоком неподвижного цилиндра.
Предлагаемый эффективный парус с простым управлением может найти применение в водных транспортных средствах самого широкого диапазона (от виндсервинга и яхт различного класса до грузовых судов), а также на ледовых и колесных буерах, при этом на безмоторных парусных средствах сжатый воздух для управления парусом можно резервировать в ресиверах высокого давления, а в процессе использования редуцировать его до рабочего давления.
Перевод паруса в горизонтальную плоскость может являться способом уменьшения ветровой нагрузки, а также может быть востребован технологией укладки паруса в нерабочем состоянии. Кроме известного способа уборки парусов путем заваливания их на палубу вместе с мачтой, возможно более рациональное размещение паруса на палубе, при котором парус предварительно переводится в горизонтальную плоскость, а затем опускается вместе с мачтой (нижняя половина которой при этом уходит в трюмный колодец) и укладывается на палубу поперек или по диагонали, например, между люками на грузовых судах.
Источники информации:
1. А.с. СССР №1065297
2. А.с. СССР №1024362
3. А.с. СССР №1381740 МКИ В63Η 9/00