КОЛЕБЛЮЩИЙСЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ)
VIBRATORY ENERGY CONVERTER (VERSIONS)

Изобретение относится к области возобновляющихся источников энергии, а именно к ветроэнергетическим и гидроэнергетическим устройствам.
Известен ветродвигатель с вертикальным валом и плоскими лопастями, ориентация которых меняется в зависимости от направления ветра [Алиев А.С., Челябов И.М., Чумаков С.А. Устройство для преобразования энергии текучей среды. Патент RU №4897566, F03D 3/00 от 18.01.1990 г.].
Для изменения ориентации лопастей используется диск с профильной поверхностью, кинематически связанный с флюгером. Лопасти имеют горизонтальные оси вращения, в корневой части которых установлены катки, которые взаимодействуют с профильной поверхностью диска и изменяют ориентацию лопастей. Лопасти, которые создают положительный момент вращения на вертикальном выходном валу, ориентируются перпендикулярно ветру. Остальные лопасти принимают горизонтальное положение и не препятствуют вращению ветроколеса.
Известный ветродвигатель имеет сложную конструкцию и в нем не предусмотрена синхронизация скорости вращения выходного вала при изменении скорости ветра.
Известен также ветродвигатель [Алиев А.С. Ветродвигатель. Патент RU №4915384, F03D 3/00 от 04.10.1993 г.], в котором предусмотрена синхронизация скорости вращения выходного вала, который может быть указан в качестве прототипа данного технического решения.
В прототипе высота профильного диска меняется в зависимости от скорости ветра и регулирует эффективную площадь лопасти. Чем больше скорость ветра, тем меньше эффективная площадь лопастей. При этом лопасти устанавливаются под утлом к горизонтальной плоскости.
Недостатком прототипа является сложность конструкции ветродвигателя, связанная со сложностью конструкции узла взаимодействия флюгера с профильным диском и изменения эффективной площади лопастей, а также низкий КПД, связанный с синусоидальным изменением длины рычага.
Известен также ветродвигатель [Алиев А.С. Ветродвигатель Алиева, патент RU №2224135 от 05.06.2002 г.], который может быть указан в качестве прототипа четвертого варианта преобразователя энергии. Прототип содержит плоские лопасти, взаимодействующие с коническим флюгером, установленным в центре ветродвигателя. Лопасти, создающие положительный момент вращения на выходном валу, автоматически ориентируется перпендикулярно направления ветра, и сохраняют такую ориентацию на всем протяжении активного участка траектории вращения лопастей. На пассивном участке траектории вращения лопасти ориентируются вдоль направления ветра.
Однако прототип имеет сложную конструкцию и низкий КПД, связанный с тем, что активный участок траектории вращения лопасти составляет всего 90°÷120°.
Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции преобразователя энергии (ветродвигателя) и повышение КПД.
Данная техническая задача решается путем разработки принципиально новой конструкции колеблющего преобразователя энергии, которая содержит кинематически связанные вертикальную стойку, каркас и вертикальный выходной вал, мультипликатор и электрогенератор, плоские лопасти, узел изменения и фиксации ориентации лопастей и узел синхронизации скорости вращения, а так же горизонтальную штангу и второй вал, установленный параллельно выходному валу. При этом на каждом валу неподвижно установлены шестерни, взаимодействующие друг с другом, и ступицы обгонных муфт, обоймы которых через соответствующие радиальные рычаги, пальцы и установленные на штанге с возможностью продольного перемещения ползуны взаимодействуют с горизонтальной штангой. Лопасти выполнены ассиметричными и неподвижно и взаимно перпендикулярно закреплены на концах штанги, которая выполнена с фиксирующим отверстием. Штанга снабжена поворотной в пределах 90° втулкой с радиальными отверстиями, поочередно совпадающими с фиксирующим отверстием и взаимодействующими с фиксаторами узла изменения и фиксации ориентации лопастей, которые взаимодействуют с упорами каркаса, при этом узел изменения и фиксации ориентации лопастей установлен на поворотной платформе в центре преобразователя.
Второй вариант колеблющего преобразователя энергии содержит вертикальную стойку, каркас, лопасти, кинематически связанные узел изменения и фиксации ориентации лопастей и узел синхронизации скорости вращения, горизонтальный выходной вал, мультипликатор и электрогенератор, а так же платформы, установленные на каркасе с возможностью свободного колебания в пределах угла 90°-120°, установленные по одной вертикали с горизонтальным выходным валом дополнительные горизонтальные валы. На горизонтальных валах неподвижно закреплены взаимодействующие друг с другом и с шестерней выходного вала шестерни и ступицы попарно закрепленных обгонных муфт, обоймы которых взаимодействуют со штангами через соответствующие пары рычагов, пальцев и ползунов, попарно установленных в корневой части каждой штанги. При этом лопасти выполнены асимметричными, неподвижно и взаимно перпендикулярно установлены на концах каждой штанги. Штанги выполнены взаимодействующими с соответствующими узлами изменения и фиксации ориентации лопастей, установлены на поворотных платформах и снабжены в корневой части магнитами, взаимодействующими с магнитами, установленными на каркасе.
Узел изменения и фиксации ориентации лопастей содержит втулку с двумя расположенными под углом 90° отверстиями, через которую проходит штанга с возможностью свободного вращения. При этом с боковых сторон на втулке шарнирно закреплены подпружиненные фиксаторы ориентации лопастей, наконечники которых через отверстия втулки взаимодействуют с диаметрально противоположными отверстиями в штанге. При этом фиксаторы взаимодействуют с соответствующими упорами, установленными на каркасе. Кроме того, на каркасе неподвижно установлены магниты, взаимодействующие с соответствующими магнитами, закрепленными на штанге.
Третий вариант колеблющего преобразователя энергии содержит каркас, лопасти и кинематически связанные вертикальный выходной вал. мультипликатор и электрогенератор, а так же понтоны, связанные надводной платформой, под которой параллельно выходному валу дополнительно установлен вал. При этом на обоих шарнирно установленных валах неподвижно закреплены шестерни и ступицы обгонных муфт, которые через соответствующие рычаги, пальцы и ползуны взаимодействуют со штангой. Плоские лопасти выполнены ассиметричными и взаимно перпендикулярно закреплены на концах штанги, установленной на поворотной платформе. На платформе неподвижно закреплена втулка, через которую пропущена штанга, взаимодействующая с узлом изменения и фиксации ориентации лопастей. При этом на штанге закреплены два магнита, взаимодействующие с двумя другими магнитами, закрепленными на каркасе в конечных точках колебания штанги.
Четвертый вариант колеблющего преобразователя энергии содержит вертикальную стойку, каркас, лопасти, узел синхронизации скорости вращения и кинематически связанные выходной вал, мультипликатор и электрогенератор, а так же установленные параллельно в горизонтальной плоскости валы, на каждом из которых неподвижно установлены взаимодействующие друг с другом шестерни и ступицы обгонных муфт. Обоймы обгонных муфт двумя радиальными рычагами попарно связаны с верхней и нижней горизонтальными платформами, центры которых шарнирно связаны с двумя парами верхних и нижних стоек. На концах стоек закреплены ориентированные во взаимно перпендикулярных плоскостях плоские лопасти, а в корневой части установлены соответствующие узлы изменения и фиксации ориентации лопастей.
В четвертом варианте колеблющего преобразователя энергии узел изменения ориентации и фиксации лопасти содержит втулку с двумя отверстиями, неподвижно связанную с горизонтальной платформой и через которую свободно проходит корневая часть стойки лопасти. На стойке лопасти шарнирно установлена обгонная муфта, ступица которой через пружину закрутки взаимодействует со стойкой лопасти, а обойма через два троса - с левым и правым радиальными рычагами по очереди. При этом на боковых сторонах втулки шарнирно установлены подпружиненные фиксаторы ориентации, наконечники которых через отверстия втулки, сдвинутые в продольном направлении, взаимодействуют с двумя парами отверстий в стойке лопасти, расположенных по кругу через 90°. При этом концы фиксаторов взаимодействуют с левым и правым радиальными рычагами по очереди.
Узел синхронизации скорости вращения состоит из конического флюгера, установленного на горизонтальном рычаге с возможностью продольного смещения, который через трос и палец, установленный с возможностью вертикального смещения, взаимодействует с втулкой, с наклонными пазами, на которой установлен каркас преобразователя.
Наконечники первой и второй (третьей и четвертой) стоек лопастей в корневой их части шарнирно связаны друг с другом с помощью первого и второго (третьего и четвертого) подпружиненных кронштейнов, соединенных друг с другом с возможностью свободного поворота и продольного перемещения относительно стоек лопастей.
На фиг.1 представлен разрез В-В на фиг.2 колеблющего преобразователя энергии.
На фиг.2 представлен разрез А-А на фиг.1 колеблющего преобразователя энергии, где позиции 5-26 те же, что на фиг.1.
На фиг.3 представлена конструкция узла фиксаторов ориентации лопастей (разрез С-С на фиг.2), где позиции 5-35 те же, что на фиг.1 и 2.
На фиг.4 представлена конструкция второго варианта колеблющего преобразователя энергии.
На фиг.5 представлен разрез Д-Д на фиг.4, где позиции 47-76 те же, что на фиг.4.
На фиг.6 представлена конструкция третьего варианта преобразователя энергии.
На фиг.7 представлена конструкция узла изменения ориентации лопастей.
На фиг.8 представлен разрез Е-Е на фиг.7, где позиции 113, 115 те же, что на фиг.6.
На фиг.9 представлена конструкция четвертого варианта колеблющего преобразователя энергии.
На фиг.10 представлен разрез И-И на фиг.9, где позиции 140-150 те же, что на фиг.9.
На фиг 11 представлен разрез К-К на фиг.9, где позиции 139-151 те же, что на фиг.9.
На фиг.12 представлена кинематическая схема шарнирной связи между наконечниками стоек лопастей, где позиции 52, 53 - те же, что на фиг.4.
Принцип работы первого варианта колеблющего преобразователя энергии заключается в следующем. Преобразователь энергии с помощью втулки 2 устанавливается на вертикальной стойке 1 с возможностью свободного поворота. Нижняя пластина 3 неподвижно связана с торцом первой втулки 2 и с помощью стоек (на фиг.1 не указаны) параллельно нижней 3 устанавливается верхняя пластина 4, формирующие каркас преобразователя. Между указанными пластинами шарнирно установлены первый 6 и второй (выходной) 7 валы.
На первом и втором валах неподвижно установлены соответствующие шестерни 8, 9 и ступицы обгонных муфт 10, 11. Обоймы указанных муфт неподвижно связаны с соответствующими радиальными рычагами 12 и 13. Концы указанных рычагов имеют отверстия, которые взаимодействуют с наконечниками шарнирно связанных с ними пальцев 14 и 15. Верхние концы указанных пальцев неподвижно связаны с ползунами 16 и 17. Ползуны установлены на штанге 18 с возможностью свободного продольного перемещения.
Рычаги 12 и 13 передают вращение на первую 10 и вторую 11 обгонные муфты при отклонении штанги 18 по часовой или против часовой стрелки.
На штанге 18 установлена вторая втулка 20 с возможностью относительно свободного поворота в пределах 90 градусов. С двух концов второй втулки на штанге закреплены неподвижные кольца 21 для предотвращения ее продольного смещения.
Вторая втулка имеет два радиальные отверстия, расположенные с верхней стороны через 90° симметрично от вертикальной плоскости. Указанные отверстия взаимодействуют с первым 33 и вторым 34 фиксаторами ориентации лопастей по очереди.
Штанга 18 имеет одно фиксирующее отверстие 19, которое совпадает по очереди то с первым, то со вторым отверстиями второй втулки 20 и взаимодействует с наконечниками 39 фиксаторов. Первый 33 и второй 34 фиксаторы ориентации лопастей установлены на поворотной платформе симметрично втулке 20 с двух противоположных сторон.
На двух концах штанги 18 установлены плоские лопасти, площади которых асимметричны относительно штанги, а плоскости их перпендикулярны друг другу. Причем асимметрия такая, что если под воздействием ветра на первую лопасть штанга вращается по часовой стрелке, а под воздействием на вторую лопасть - в противоположном направлении, т.е. против часовой стрелки.
При взаимодействии первого 33 и второго 34 фиксаторов ориентации лопасти со штангой 18 лопасть 35 устанавливается то перпендикулярно направлению ветра, то вдоль указанного направления. При этом наконечники 39 фиксаторов 37, 38 входят в отверстие 19 и фиксирует то перпендикулярное, то продольное (относительно направления ветра) положение лопасти. При этом в рабочем положении находится по очереди то первая, то вторая лопасти.
Переключение из одного положения в другое осуществляется в результате взаимодействия фиксаторов ориентации лопастей 33 и 34 с первым 31 и вторым 32 упорами. Упоры 31, 32 установлены на верней пластине 4 так, чтобы активная область работы каждой лопасти находилась в пределах 90°-120°, где рычаг воздействия силы ветра на валы максимален. Меняя угловое положение упоров, возможно, экспериментально подобрать их оптимальное расположение.
Допустим при рабочем положении левой лопасти (ветер направлен на плоскость чертежа), штанга вращается по часовой стрелке. При этом первая обгонная муфта 10 приводит во вращение первый вал 6 по часовой стрелке. Вторая обгонная муфта 11 выходит из сцепления. Из-за сцепления шестерен 8 и 9 второй вал 7 вращается против часовой стрелки. После взаимодействия второго фиксатора ориентации лопастей 34 со вторым упором 32, вторая лопасть устанавливается в рабочее положение - перпендикулярно направлению ветра. Это происходит из-за воздействия ветра на асимметричную поверхность первой лопасти.
После поворота первой лопасти на 45°, вторая лопасть также становится под углом 45° к направления ветра. Для дальнейшего поворота лопасти используется сила взаимодействия магнитов, аналогично второму варианту преобразователя (см. фиг.4).
После фиксации положения второй лопасти перпендикулярно направлению ветра начинается поворот штанги 18 в обратном направлении. При этом в сцепление входит вторая обгонная муфта, которая приводит во вращение второй вал 7 и установленную на нем вторую шестерню. Таким образом вторая шестерня становится ведущим и она вращается как прежде - против часовой стрелки. При этом первая обгонная муфта 10 выходит из сцепления. В результате сцепления шестерен 8 и 9 первый (ведущий) вал продолжает свое вращение по часовой стрелке.
Когда штанга доходит до первого упора 31 наконечник первого фиксатора ориентации лопасти 33 выходит из отверстия 19 и штанга 18 вращается вокруг своей оси в обратную сторону. Это происходит из-за асимметрии второй лопасти.
После поворота второй лопасти на 90° фиксатор 34 удерживает перпендикулярное положение лопасти на всем протяжении рабочего участка. Первая лопасть при этом ориентируется вдоль направления ветра и не создает тормозящий момент.
Таким образом, не зависимо от направления колебания штанги на втором (выходном) валу создается положительный момент вращения.
КПД преобразователя энергии ветра возрастает в результате того, что моменты вращения, создаваемые поворотом штанги по часовой и против часовой стрелки, складываются. Кроме того, колебания штанги происходит на участке траектории 90-120°. Рычаг, а следовательно, и создаваемый им момент вращения на выходном валу, максимальны. В отличие от прототипа, где время активного воздействия ветра составляло всего Т/4, где Т-период вращения лопасти, в данном преобразователе время воздействия возрастает в два раза.
На втором (выходном) валу 7 установлена ведущая коническая шестерня 22, вращение от которого передается на ведомую шестерню 23. Ведомая коническая шестерня установлена на валу мультипликатора 24. Мультипликатор служит для повышения скорости вращения выходного вала до номинальной скорости вращения электрогенератора 25, подключенного к мультипликатору. Выходной вал может быть подключен к гидронасосу. Затем масло под высоким давлением поступает в гидромотор, который приводит во вращение электрогенератор или водяной насос. В этом случае стравливая избыточное давление после гидронасоса легко достичь синхронизацию электрогенератора. Кроме того, применение гидросистемы позволяет параллельно включать произвольное количество преобразователей энергии и получить большие суммарные мощности.
Для синхронизации работы электрогенератора в первом варианте преобразователя при изменении скорости ветра может быть использован конический флюгер 41, аналогично второму варианту (см. фиг.4).
При повышении скорости ветра конический флюгер перемещается вдоль рычага флюгера 88 и тянет за собой трос 82, перекинутый через блок 78. Конец троса связан с пальцем 75. Указанный палец перемещается по вертикальному пазу стойки 1 и по наклонным пазам 85 первой втулки 42 (см. описание фиг.4 и 5). С помощью пружины 76 палец 75 тянется вверх и прижимает конический флюгер к ограничительному кольцу 83. При увеличении скорости ветра конический флюгер перемещается по горизонтальному рычагу 88 и опускает палец 75 вниз. Это приводит к повороту первой втулки и установленной на ней всей конструкции преобразователя на угол φ относительно направления ветра. Этот угловой сдвиг приводит к уменьшению эффективной площади лопастей и уменьшению создаваемых ими моментов вращения на выходном валу, а следовательно, и скорости вращения электрогенератора. Подбирая геометрические параметры конического флюгера, наклон пазов 85 и жесткость пружины 76 возможно синхронизировать скорость вращения электрогенератора в широком диапазоне изменения скорости ветра.
На фиг.3 представлены конструкции фиксаторов ориентации лопастей. Ко второй втулке 20 с двух сторон приварены кронштейны 38. С помощью указанных кронштейнов шарнирно установлены первый 33 и второй 34 фиксаторы. С помощью пружин 40 наконечники 39 фиксаторов прижимаются к поверхности штанги 18. Когда наконечник фиксатора совпадает с положением фиксирующего отверстия 19 в штанге 18 наконечник фиксатора входит в указанное отверстие и фиксирует одно из двух возможных положений плоских лопастей. Перпендикулярное (активное) или продольное (пассивное) положение лопастей сохраняется при повороте штанги 18 от первого упора 31 до второго 32 и наоборот.
Второй вариант колеблющего преобразователя энергии, конструкция которого представлена на фиг.4 и 5, содержит две колеблющие штанги с горизонтальными осями колебаний, работа которых сдвинута по фазе на 90°.
Вся конструкция преобразователя энергии установлена на вертикальной стойке 1 с возможностью свободного вращения. Для этого используется гильза 42, шарнирно установленная на стойке, на которой монтируется каркас из четырех параллельных пластин 43-46, связанных друг с другом установочными стойками 47.
Вторая 48 и третья 49 платформы установлены на пластинах 45 и 46 с возможностью свободного колебания в пределах угла 90-120°. На указанных платформах неподвижно закреплены втулки 50 и 51 соответственно. Через эти втулки пропущены вторая 52 и третья 53 штанги. С торцов втулок 50 и 51 на штанги надеты пружины закрутки, обгонные муфты и неподвижные кольца, предотвращающие продольные перемещения штанг. На концах каждой штанги неподвижно установлены соответствующие плоские лопасти, ориентированные взаимно перпендикулярно. Второй 55, третий 56 и четвертый 68 валы установлены параллельно друг другу по оси симметрии в вертикальной плоскости. На указанных валах неподвижно установлены третья, четвертая и пятая шестерни соответственно. На концах второго вала 55 неподвижно установлены ступицы третьей 60 и четвертой 61 обгонных муфт. А на концах третьего 56 вала - также неподвижно установлены ступицы пятой 62 и шестой 63 обгонных муфт. Обоймы обгонных муфт 60, 61, 62 и 63 неподвижно связаны с радиальными рычагами 65. Наконечники указанных рычагов шарнирно связаны с наконечниками пальцев 66. Вторые концы указанных пальцев неподвижно соединены с соответствующими ползунами 67. Ползуны в свою очередь попарно установлены в корневой части каждой штанги с возможностью свободного продольного перемещения. При качании каждой штанги в ту или другую стороны ползуны через пальцы 66 и рычаги 65 создают положительные моменты вращения на втором 55 или третьем 56 валах. При этом в сцепление входят по очереди то третья 60 и пятая 62, то четвертая 61 и шестая 63 обгонные муфты.
Так как колебания первой 52 и второй 53 штанг смещены по фазе на 90° и направление их колебаний взаимно противоположное, хотя бы к одному валу в любой момент времени приложен положительный момент вращения. В работе преобразователя нет «мертвых точек».
Как и в первом варианте преобразователя энергии, специальная установка обгонных муфт 60-63 обеспечивает постоянное направление вращения выходного (четвертого) вала 68. Пятая шестерня 59 установлена на обойме седьмой обгонной муфты 64. Для повышения синхронности вращения выходного вала на нем может быть установлен массивный маховик.
Вращение выходного вала через вторую пару конических шестерен 107, 108 передается через мультипликатор 71 на электрогенератор 87. Мультипликатор и электрогенератор установлены на подставке 72, которая крепиться ко второй пластине 44 под прямым углом. Вращение выходного вала может быть подано на гидронасос, который приведет во вращение гидромотор и связанный с ним электрогенератор или водяной насос.
При изменении ориентации плоских лопастей путем асимметрии их площадей относительно штанг после поворота на 45° возникает противодействующий момент. Для дальнейшего поворота необходимо использовать магниты 73, 74. Магниты могут быть использованы во всех трех вариантах конструкции преобразователя энергии, где лопасти имеют асимметричные или симметричные площади.
Первые магниты 73 неподвижно крепятся на третьем 45 и четвертом 46 пластинах. Вторые магниты 74 также неподвижно крепятся в корневой части соответствующих штанг 52, 53. Взаимная ориентация соответствующих пар постоянных магнитов 73 и 74 подбирается таким, чтобы после взаимодействия фиксаторов ориентации 33, 34 с соответствующими упорами 31 и 32, силы взаимодействия магнитов привели к изменению ориентации плоских лопастей на угол плюс-минус 90 градусов. При параллельном положении магнитов 73 и 74 и совпадении их магнитных полюсов N1 c N2 и S1 c S2 - они стремятся повернуться относительно друг друга и принудительно изменяет ориентацию связанных с ними плоских лопастей.
На фиг.5 представлен вид Д-Д по фиг.4. Горизонтальный рычаг 88 конического флюгера 41 крепится неподвижно на гильзе 42 с помощью хомута 77. Флюгер имеет форму усеченного конуса или усеченной пирамиды. Под воздействием ветра на боковые поверхности флюгера, из-за разности торцевых площадей Sн-Sв, флюгер перемешается по горизонтальному рычагу. Флюгер перемещает палец второй 80 по пазу 81, а также связанный с пальцем трос 82. Трос проходит по оси горизонтального рычага 88, и перекинут через блок 78. Далее трос проходит по оси вертикальной стойки 1. К концу троса привязан первый палец 75 и пружина 76. Второй конец пружины привязан к третьему пальцу 86. Под натяжением пружины конический флюгер прижимается к ограничительному кольцу 83. Первый палец 75 ходит по вертикальному пазу 84 гильзы 42 вниз, и концы его взаимодействуют с наклонными пазами 85 втулки 79. В результате указанного взаимодействия втулка с преобразователем энергии разворачивается относительно направления ветра. При этом эффективная площадь лопастей уменьшается, что приводит к уменьшению скорости вращения электрогенератора. Таким образом, синхронизируется скорость вращения электрогенератора 87.
Принцип работы третьего (речного) варианта преобразователя энергии заключается в следующем (см. фиг.6).
Преобразователь энергии размешается на двух понтонах 111, 112, обеспечивающие ему положительную плавучесть. Понтоны с помощью двух тросов 89 привязываются к берегу. Платформа 90 с размещенными над ней мультипликатором 109 и электрогенератором (или насосом) 110 должны находиться в надводном положении. В остальном принцип работы речного варианта совпадает с принципом работы первого варианта.
Так как направление и скорость течения реки постоянные, в этом варианте нет флюгера и не предусмотрена синхронизация скорости вращения электрогенератора. Регулировка скорости осуществляется при сборке преобразователя путем установки ориентации лопастей под определенным углом к направлению течения реки. Для этого необходимо, чтобы ориентация лопастей 103 и 104 относительно четвертой штанги 102 регулировалась и фиксировалась в необходимом положении. Угол поворота может быть подобран экспериментально и отградуирован в зависимости от скорости течения реки.
Надводная платформа 90 и основание 91 устанавливаются параллельно друг другу с помощью стоек 92. Пятый (выходной) 93 и шестой 94 валы шарнирно установлены вертикально. На этих валах неподвижно установлены шестая 95 и седьмая 96 шестерни и ступицы восьмой 97 и девятый 98 обгонных муфт. Обоймы обгонных муфт через рычаги 99, пальцы 100 и ползуны 101 взаимодействуют с четвертой штангой 102. Левая 103 и правая 104 лопасти устанавливаться на четвертой штанге с угловым смешением относительно вертикали в зависимости от скорости течения реки.
На четвертой поворотной платформе 105 неподвижно закреплены пятая втулка 106. Четвертая штанга пропущена через втулку 106 и на нее надеты неподвижные кольца 21. С двух сторон указательной втулки на основании 91 устанавливаться постоянные магниты 73, которые взаимодействуют с магнитами 74, закрепленными в корневой части четвертой штанги. Взаимодействия каждой пары магнитов приводит к изменению ориентации лопастей. Площади лопастей должны быть асимметричны относительно штанг, как и в первых двух вариантах преобразователя энергии. Для фиксации углового положения лопастей на активном и пассивном участках их колебаний со штангой используются фиксаторы ориентации 33 и 34, аналогично тем, что представлены на фиг.3. Фиксаторы взаимодействуют в конечных точках колебаний штанги с упорами 31 и 32, установленными на основании 91 (на фиг.6 - не указаны). На выходном валу 93 установлена ведущая коническая шестерня 107, входящая в сцепление с ведомой шестерней 108, установленной на входном валу мультипликатора 109. На выходе мультипликатора установлен электрогенератор (или водяной насос) 110.
Третий вариант колеблющего преобразователя энергии может быть использован в качестве движителя лодок для преобразования вращательного движения двигателя (ДВС или дизельный) в колебательное движение весел, меняющих свою ориентацию. Функцию руля лодки может выполнять плоский флюгер, соединенный как в первом варианте преобразователь энергии.
При параллельной работе N-го количества преобразователей энергии для суммирования выходной мощности - выходные валы их могут быть подключены к гидронасосам. Суммарное давление масла затем подается в гидромотор, который приводит во вращение электрогенератор или насос. Магниты, используемые для изменения ориентации лопастей, повышает стоимость преобразователя. Во всех трех вариантах могут быть использованы следующие узлы изменения ориентации лопастей.
Узел изменения ориентации лопастей, конструкция которого представлена на фиг.7, функционирует следующим образом. С двух сторон от втулки 118 на штангу 115 надеты первая 119 и вторая 120 пружины, имеющую правую и левую закрутки. Ближние концы пружин вставлены в штангу 115, а дальние их концы неподвижно связаны со ступицами соответствующих обгонных муфт 121 и 122. Ступицы указанных муфт свободно вращаются на штанге. С внешней стороны обгонных муфт на штанге неподвижно установлены кольца 125. Обоймы обгонных муфт неподвижно связаны с соответствующими звездами 123 и 124.
В центральной части штанга свободно проходит через втулку 118 и ее угловое положение фиксируется через каждый 90°. При этом ориентация первой 113 и второй 114 лопастей меняется периодически. Когда первая лопасть ориентирована перпендикулярно направлению ветра, вторая - перпендикулярная первой, ориентируется вдоль направления ветра и наоборот. Фиксация ориентации лопастей осуществляется с помощью соответствующих узлов, конструкция которых представлена на фиг.3.
Наконечники фиксаторов 117 периодически входят то в первое, то во второе отверстия 116 в штанге. Изменение ориентации лопастей осуществляется при каждом взаимодействии узлов фиксации с соответствующими упорами. Наиболее оптимальным является вариант, когда штанга при изменении ориентации лопастей, вращается в одном направлении. Такой режим работы обеспечивает конструкция, представленная на фиг.7. Звезды 123, 124 взаимодействуют с зубцами 129 диска сцепления 127 в круговом секторе 90° (см. фиг.8).
Высота штанги относительно диска сцепления определяет диаметр звезд, который равен половине расстояния между звездами. При таких соотношениях указанных элементов конструкции угол колебания штанги равен 90°.
Когда левая муфта 121 находится в сцеплении первая звезда 123 взаимодействует с зубцами левого сектора диска сцепления 127. При этом первая пружина 119 закручивается на угол 90°. На такой же угол поворачивается штанга 115 относительно платформы по часовой стрелке. В конце указанного сектора при взаимодействии фиксатора с упором наконечник фиксатора 117 выходит из отверстия 116 штанги. После этого закрученная пружина поворачивает штангу вокруг своей оси на 90°. При этом правая лопасть становится перпендикулярно направлению ветра. После чего под воздействием ветра штанга поворачивается в обратном направлении на 90°. В конце сектора происходит взаимодействие второго фиксатора со вторым упором. В результате наконечник фиксатора освобождает второе отверстие в штанге, и она поворачивается еще на 90° в прежнем направлении. Таким образом, штанга совершает относительно платформы колебательные движения в пределах угла 90°. Этот угол при необходимости может быть увеличен до 120°. Для этого необходимо изменить соотношение между диаметром звезд и расстоянием между ними. Уменьшение расстояния приводит к уменьшению диаметра круга, по которой нарезаны зубцы 129. При этом πDdзв/4=πDзуб/3, где Ddзв - диаметр делительной окружности звезды; Dзуб - средний диаметр круга, по которому нарезаны зубья.
Взамен зубцов на диске сцепления может быть установлены неподвижно велосипедные цепи, согнутые в поперечном направлении в круговой сегмент.
Кроме того, взамен звезд могут быть использованы конические шестерни, которые взаимодействуют с двумя секторами конических шестерен, диаметр делительной окружности которых в два раза больше чем у самих шестерен. Высота подставки 126 подбирается исходя из диаметров звезд, а их диаметр - исходя из размеров фиксаторов ориентации лопастей и ограничительных упоров.
Принцип работы четвертого варианта преобразователя энергии, конструкция которого представлена на фиг.9 и 10, заключается в следующем.
Установка четвертого варианта преобразователя энергии и отбор энергии от выходного вала 130 осуществляется аналогично второму варианту преобразователя (см. фиг.4). Позиции 41-78 те же, что на фиг.4. Принцип работы узла синхронизации скорости вращения электрогенератора, основанный на применении конического флюгера, такой же, как у второго варианта.
В отличие от второго варианта в четвертом варианте преобразователя седьмой 130 и восьмой 131 валы установлены в одной горизонтальной плоскости.
На фиг.9 представлен вид М-М по фиг.10.
На седьмом валу 130 неподвижно установлены ступица десятой обгонной муфты 132 и восьмая шестерня 134. На восьмом валу 131 также неподвижно установлены ступица одиннадцатой обгонной муфты 133 и девятая шестерня 135. Восьмая и девятая шестерни имеют одинаковые размеры и находятся в сцеплении друг с другом.
Обойма десятой обгонной муфты 132 неподвижно связана с двумя радиальными (левыми) рычагами 137. Обойма одиннадцатой обгонной муфты 133 также неподвижно связана с двумя правыми радиальными рычагами 138.
Радиальные рычаги имеют одинаковую длину. Удаленные концы левых и правых рычагов плоскими шарнирами связаны с верхним 143 и нижним 144 платформами. Указанные платформы имеют одинаковые размеры и параллельны друг другу. Платформы и связанные с ними шарнирно левые и правые рычаги образуют параллелограмм, качающийся относительно валов 130 и 131. Так как валы находятся в одной горизонтальной плоскости, верхняя 143 и нижняя 144 платформы сохраняют свое горизонтальное положение при любом угловом положении радиальных рычагов. По центру платформ перпендикулярно к их плоскостям шарнирно установлены верхние 139 и нижние 140 стойки лопастей. На удаленных концах стоек 139 и 140 закреплены верхняя 141 и нижняя 142 лопасти соответственно.
При заданном направлении ветра справа - налево, если нижняя лопасть ориентирована перпендикулярно ветру, верхняя лопасть должна быть ориентирована вдоль направления ветра. При этом десятая обгонная муфта 132 должна находиться в сцеплении и вращать седьмой вал по часовой стрелке. В этот момент времени одиннадцатая обгонная муфта находится вне сцепления и восьмой вал 131 со ступицей обгонной муфты вращается против часовой стрелки. Это обеспечивается за счет сцепления шестерен 134 и 135. После отклонения стоек лопастей на угол ±45° (или ±60°) от вертикали происходит взаимодействие радиальных рычагов 137 и 138 с соответствующими фиксаторами ориентации 147. После чего ориентация лопастей меняется. Они оба поворачиваются в одном направлении на 90°. Верхняя лопасть становится перпендикулярно направлению ветра, а нижняя - вдоль указанного направления. Теперь в сцеплении входит одиннадцатая обгонная муфта 133 и ведущим становится восьмой вал 131. Восьмой вал как и прежде вращается против часовой стрелки. В этот момент времени десятая обгонная муфта 132 находится вне сцепления и седьмой вал продолжает вращаться по часовой стрелке. Таким образом, независимо от изменения направления качания стоек лопастей направление вращения валов не меняется.
Восьмая шестерня 134 входит в сцепление с девятой 135 и десятой 136 шестернями. Передача вращения на генератор может быть осуществлена аналогично второму варианту (см. фиг.4). Десятая шестерня устанавливается на обойме обгонной муфты 64. На валу 68 с десятой шестерней необходимо установить маховик и ведущую коническую шестерню 69. Вращение от ведомой конической шестерни 70 через мультипликатор 71 передается на электрогенератор или насос.
Для изменения ориентации каждой лопасти используется узел изменения и фиксации ориентации лопасти. Этот узел включает в себя позиции 145-153. Втулки 145, 146 перпендикулярны и неподвижно связаны с соответствующими платформами 143, 144. Через эти втулки проходят корневые части лопастей 139 и 140. На указанных стойках установлены соответствующие обгонные муфты 148, 149, ступицы которых свободно вращаются на стойках. На концах каждой стойки установлена пружина закрутки 150, один конец которой неподвижно связан со стойкой лопасти, а второй - со ступицей соответствующей обгонной муфты 148 (149).
С двух сторон втулки 145 (146) установлены подпружиненные фиксаторы ориентации лопасти 147. Наконечники фиксаторов аналогично тем, что представлены на фиг.6, входят в отверстия втулки 145 (146) и фиксирует угловое положение стойки лопасти 139 (140), а следовательно, и соответствующей лопасти 141 (142).
Отверстия во втулках 145, 146, в которые входят наконечники фиксаторов 147, должны быть сдвинуты относительно друг друга в продольном направлении. На такое же расстояние должны быть сдвинуты две сквозные отверстия в стойке лопасти, рассверленные под прямым углом друг к другу. При этом наконечники фиксаторов по очереди входят в отверстия стойки лопасти и сохраняют фиксированное положение на всем протяжении активного или пассивного их колебательного движения.
Для изменения ориентации лопасти используется сила закрутки пружины 150. Для его закрутки используется два троса 151, концы которых взаимодействуют с двумя диаметрально противоположными точками обоймы соответствующей обгонной муфты 148 (149). Тросы перекинуты через блоки 152, шарнирно установленные на радиальных рычагах 137 и 138. Концы тросов пропущены через ограничительные кольца, закрепленные на рычагах 137 и 138, и связаны с пружинами натяжения 153. Узлы соединения тросов с пружинами не проходят через кольца. При отклонении рычагов от вертикали например, по часовой стрелке, левый верхний и нижний правый углы параллелограмма, формированной рычагами 137, 138 и платформами 143, 144, увеличиваются. Это приводит к растяжению тросов 151, проходящие по указанным углам. Другие два троса расслабляются, т.к. проходят по острым углам параллелограмма.
Пружины 153 сокращаются и сохраняют растянутое положение тросов. Растяжение тросов в тупых углах (см. фиг.11) приводит к сцеплению обоймы со ступицей обгонной муфты 148 (149) и закрутке соответствующей пружины 150. После того, как радиальные рычаги 137, 138 доходят до крайнего заданного положения (±45°), фиксатор ориентации 147 взаимодействует с соответствующим рычагом 137 (138). В результате указанного взаимодействия наконечник фиксатора выходит из отверстия в стойке лопастей 139 (140). После чего закрученные пружины 150 разворачивают каждую лопасть 141, 142 на 90° по часовой стрелке. Теперь верхняя лопасть становится перпендикулярно направлению ветра, а нижняя ориентируется вдоль указанного направления. Новое положение лопастей фиксируется наконечниками фиксаторов ориентации 147. Начинается обратный процесс колебания стоек лопастей 139, 140 и связанных с ними рычагов 137, 138, против часовой стрелки.
Натяжение тросов в верхнем правом и нижнем левом углах параллелограмма снова приводит к сцеплению муфт 148, 149 и закрутке соответствующих пружин по часовой стрелке. После того, как рычаги 137, 138 доходят до крайнего положения против часовой стрелки, происходит взаимодействие двух других фиксаторов ориентации соответствующими рычагами. После чего лопасти 141 и 142 снова поворачиваются на 90° по часовой стрелке и их ориентации фиксирует еще на полупериод их колебания.
На фиг.10 представлен вид И-И по фиг.9.
Каркас 154 состоит из пятой 155, шестой 156, седьмой 157 и восьмой 158 пластин. Пластины закреплены параллельно друг другу с помощью вторых стоек 159. На седьмом валу 130 неподвижно установлена ступица двенадцатой обгонной муфты 160. На параллельном восьмом валу 131 установлена ступица тринадцатой обгонной муфты, которая сопряжена с двенадцатой. Обоймы двенадцатой и тринадцатой обгонных муфт связаны со вторыми радиальными рычагами 161.
Вторые горизонтальные пластины 162, связанные плоскими шарнирами с параллельными радиальными рычагами 161, образуют второй параллелограмм, подобный первому. Со вторыми платформами 162 шарнирно связаны и взаимодействуют вторая пара стоек лопастей 163 и связанные с ними лопасти 164.
Колебательное движение второй пары лопастей 164 сдвинута по фазе на 90° относительно движения первой пары 141, 142. Поэтому нет «мертвой» точки. Работа второй пары лопастей осуществляется так же, как первой, изложенной выше.
На фиг.11 представлен вид К-К по фиг.9. Наконечник левого и правого фиксаторов 147 по очереди взаимодействуют с вертикальными и горизонтальными отверстиями в стойке лопасти. Вертикальные и горизонтальные отверстия и взаимодействующие с ними наконечники фиксаторов ориентации 147 находятся в двух разных плоскостях. Верхний и нижний тросы 151 также поочередно взаимодействует с обоймой обгонной муфты 148 и закручивает пружину на 90° по часовой стрелке. В конечных точках колебания стоек лопасти меняют свою ориентацию на +90°. Таким образом, стойки лопастей постоянно вращаются в одном направлении - по часовой стрелке.
На фиг.12 представлена кинематическая схема шарнирной связи между наконечниками стоек лопастей.
Наконечники стоек лопастей в корневой части шарнирно связаны с соответствующими кронштейнами 165, 166 дугообразной (или Г-образной) формы. Сами кронштейны связаны друг с другом с возможностью свободного поворота и относительного продольного движения. При этом между ними установлена пружина 168, обеспечивающая прижим наконечников шарнирно связанных кронштейнов к упорным кольцам 167. Кронштейны 165, 166, связанные с помощью шарнирных соединений 169, предотвращают прогиб стоек лопастей при их параллельном переносе относительно друг друга.
Следует заметить, что соединение между кронштейнами может быть осуществлено без пружины и без относительно продольного их перемещения. В этом случае пружины должны быть надеты на удлиненные наконечники стоек лопастей между упорными кольцами и соответствующими наконечниками кронштейнов, установленными с возможностью свободного поворота и продольного перемещения. Применения кронштейнов позволяет уменьшить требования к прочности элементов крепления стоек лопастей, к платформам, обеспечивающих их параллельный перенос и поворот на +90° в конечных точках колебаний.
Синхронизация скорости вращения электрогенератора во всех вариантах осуществляется так же как во втором варианте преобразователя. Чем больше угол между направлением ветра и плоскостями, в которых совершают колебания стойки лопастей, тем меньше эффективная площадь лопастей.
Синхронизация скорости вращения электрогенератора может быть осуществлена так же путем применения гидронасоса с гидромотором, которые устанавливаются между мультипликатором и электрогенератором. Путем стравления излишнего гидродавления возможно легко синхронизировать скорость вращения гидромотора и электрогенератора.
Колеблющий преобразователь энергии может быть использован для преобразования энергии ветра или текучей воды (реки или волн) в электрическую энергию.
Преобразователь энергии может быть использован как автономный источник электрической, тепловой и механической энергии там, где нет централизованного энергоснабжения - в горах, степи и т.д.