КОЛЕБЛЮЩИЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
OSCILLATING WIND MOTOR

Изобретение относится к области возобновляющихся источников энергии, а именно к ветроэнергетическим устройствам.
Известен ветродвигатель с вертикальным валом и плоскими лопастями, ориентация которых меняется в зависимости от направления ветра [RU 2046208 C1, F03B 17/06, 20.10.1995].
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 [RU 2151322 С1, F03D 3/00, 20.06.2000], 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 углом 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 Алиева [RU 2224135 C1, F03D 5/00, 20.02.2004], 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 ориентируются перпендикулярно направлению 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 ветродвигателя, который содержит стойки, неподвижную платформу и кинематически связанные вертикальный вал, плоские лопасти, узел изменения ориентации и фиксации положения лопастей, флюгер, а также дополнительно взаимодействующие друг с другом поворотную платформу, второй узел изменения ориентации и фиксации положения лопастей, первую, вторую и третью штанги со звездами, связанные цепью, узел преобразования колебательного движения во вращательное и узел синхронизации скорости и вращения. При этом первый и второй узлы изменения ориентации и фиксации положения лопастей взаимодействуют с первой штангой, причем штанги шарнирно установлены в вертикальном валу по одной вертикали с возможностью свободного вращения. Кроме того, на концах штанг неподвижно установлены первые и вторые плоские лопасти, ориентированные во взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом поворотная платформа установлена на неподвижной платформе с возможностью свободного колебания в пределах 90°.
Каждый из узлов изменения ориентации и фиксации положения лопастей, установленных на первой штанге, состоит из взаимодействующих друг с другом пластины, собачки, фиксирующего кольца с двумя храповыми выступами, пружины закрутки, обгонной муфты, на обойме которой неподвижно установлена звезда, взаимодействующая с сегментной цепью, закрепленной на поворотной платформе. На поворотной платформе также установлены первый и второй упоры, взаимодействующие с соответствующими собачками, шарнирно закрепленными на плоскопараллельных пластинах, неподвижно связанных с вертикальным валом. Кроме того, фиксирующее кольцо неподвижно связано со штангой и через пружину закрутки взаимодействует со ступицей обгонной муфты, свободно вращающейся на штанге.
Узел преобразования колебательного движения во вращательное содержит корпус, первую, вторую и третью конические шестерни, первую и вторую обгонные муфты и вал. При этом на выходном валу неподвижно установлены ступицы первой и второй обгонных муфт, на обоймах которых неподвижно закреплены соответствующие ведомые конические шестерни, взаимодействующие с диаметрально противоположенных сторон с третьей ведущей конической шестерней, неподвижно установленной в концевой части вертикального вала. При этом первая и вторая обгонные муфты установлены так, чтобы при колебаниях вертикального вала в ту и другую стороны они входили в сцепление по очереди.
Первый вариант узла синхронизации состоит из правой и левой частей, каждая из которых содержит взаимодействующие друг с другом фиксирующее кольцо с двумя храповыми выступами, выдвижную подпружиненную собачку, рычаг которой взаимодействует с соответствующим упором. При этом конический флюгер, установленный на горизонтальном рычаге с возможностью свободного продольного перемещения, через трос взаимодействует с выдвижной собачкой.
Второй вариант узла синхронизации содержит вторую поворотную платформу, установленную на первой поворотной платформе с возможностью относительного поворота на 90°. При этом вторая поворотная платформа через пружину раскрутки взаимодействует с первой поворотной платформой, а через трос, перекинутый через блок, с коническим флюгером. Кроме того, сегментные цепи и упоры установлены на второй поворотной платформе.
На фиг.1 представлен вид с боку на конструкцию колеблющего ветродвигателя, где
1 - стойки;
2 - неподвижная платформа;
3 - поворотная платформа;
4 - вал вертикальный;
5 - первая (нижняя) штанга;
6, 7 - вторая и третья штанги;
8, 9 - правые и левые лопасти;
10 - звезды третьи;
11 - цепь;
12, 13 - первый (правый) и второй (левый) узлы изменения ориентации и фиксации положения лопастей;
14 - узел преобразования колебательного движения во вращательное, который состоит из 15, 16, 17 - третьей, первой, второй конических шестерен;
18, 19 - первая и вторая обгонные муфты;
20 - выходной вал;
21 - корпус;
22 - радиальноупорный подшипник;
23 - крышка;
на фиг.2 представлен вид А (сверху) на конструкцию колеблющего ветродвигателя, где позиции 1-13 те же, что и на фиг.1;
24, 25 - первая и вторая звезды;
26, 27 - третья и четвертая обгонные муфты;
28, 29 - третья и вторая пружины закрутки;
30 - плоскопараллельные пластины;
31 - собачки;
32, 33 - первое и второе фиксирующие кольца;
34 - упоры;
35, 36 - первая и вторая сегментные цепи;
37 - пирамидальный флюгер;
38 - рычаг флюгера;
39, 40 - упорные кольца;
41 - тросы;
42 - пружина третья;
на фиг.3 представлена конструкция узла синхронизации, основанного на регулировании углового положения лопастей, где позиции 32-34 те же, что и на фиг.2;
43 - первая выдвижная собачка;
44 - рычаг собачки;
45 - пружина четвертая;
46 - блок;
47 - пружина собачки;
на фиг.4 представлена конструкция узла синхронизации, основанного на регулировании длины рычага R, где позиции 1-36 те же, что на фиг.1 и фиг.2;
48 - вторая поворотная платформа;
49 - пружина пятая;
50 - третий трос;
51 - блок.
Принцип действия колеблющего ветродвигателя, конструкция которого представлена на фиг.1 и фиг.2, заключается в следующем.
С помощью наклонных стоек 1 неподвижная платформа 2 поднимается на необходимую высоту, чтобы обеспечить безопасность работы ветродвигателя и где скорость ветра достаточно высока. Над неподвижной платформой установлена поворотная горизонтальная платформа 3 с возможностью свободного поворота в пределах от 0 до ±180°. Эта платформа неподвижно связана с коническим флюгером и меняет свое положение в зависимости от направления ветра. Поворотная платформа шарнирно связана с вертикальным валом 4. Вертикальный вал через радиально-упорные подшипники 22 связан с поворотной платформой 3 и узлом преобразования колебательного движения во вращательное 14. Вертикальный вал имеет возможность колебательного движения относительно поворотной платформы 3 в пределах 90°. Через вертикальный вал 4 насквозь проходит нижняя штанга 5, а также вторая 6 и третья 7 штанги. Штанги выполнены в виде трубы и установлены по одной вертикали с возможностью свободного вращения вокруг собственных осей. На концах штанг неподвижно закреплены правые 8 и левые 9 плоские лопасти. При этом плоскости правых и левых лопастей взаимно перпендикулярны. Когда правые лопасти 8 ориентированы вертикально, левые лопасти 9 ориентированы горизонтально и наоборот (см. фиг.1). Через пол-периода колебания штанг ориентация лопастей меняется. Горизонтальные лопасти 9 становятся в вертикальное положение, а вертикальные лопасти 8 - в горизонтальное положение. Синхронное изменение ориентации лопастей 8 и 9 осуществляется с помощью третьих звезд 10 и цепной 11 связи между ними. Третьи звезды неподвижно закреплены на штангах 5, 6, 7. Изменение ориентации нижних лопастей приводит к одновременному изменению ориентации верхних лопастей, установленных на второй 6 и третьей 7 штангах. Изменение ориентации лопастей, установленных на первой штанге 5, осуществляется с помощью первого 12 и второго 13 узлов изменения ориентации и фиксации положения лопастей (см. фиг.2 и фиг.3).
Нижний конец вертикального вала 4 шарнирно связан и взаимодействует с узлом преобразования колебательного движения вертикального вала во вращательное движение выходного вала 20. Радиально упорный подшипник 22, установленный в крышке 23 узла преобразования движения 14, центрирует и удерживает вал в вертикальном положении. На нижнем конце вертикального вала неподвижно установлена ведущая (третья) коническая шестерня 17.
Через боковые грани прямоугольного корпуса 21 преобразователя движения 14 горизонтально проходит выходной вал 20 ветродвигателя. На выходном валу неподвижно установлены ступицы первой 18 и второй 19 обгонных муфт. На обоймах данных муфт неподвижно закреплены соответствующие ведомые конические шестерни 15, 16. Эти шестерни входят в сцепление с ведомой конической шестерней 17 с диаметрально противоположных сторон. Кроме того, первая 18 и вторая 19 обгонные муфты установлены на выходном валу 20 так, чтобы они входили в сцепление по очереди при колебании вала в ту и другую стороны.
Когда правые лопасти 8 находятся в вертикальном положении, вертикальный вал поворачивается на 90° против часовой стрелки. При этом в сцепление входит первая обгонная муфта 18. Взаимодействие ведущей конической шестерни 17 с первой ведомой конической шестерней приводит во вращение выходной вал по часовой стрелке. В это время обойма второй обгонной муфты 19 и связанная с ней вторая коническая шестерня 16 крутятся вхолостую по часовой стрелке.
Через пол-периода ориентация плоских лопастей 8 и 9 меняется на противоположную. Это приводит к повороту вертикального вала по часовой стрелке на 90°. При этом в сцепление входит вторая обгонная муфта 19. Взаимодействие ведущей конической шестерни 17 со второй ведомой конической шестерней приводит к вращению выходного вала 20 также по часовой стрелке. В это время первая обгонная муфта 18 находится вне сцепления и первая коническая шестерня вращается вхолостую против часовой стрелки. Таким образом, колебательное движение вертикального вала преобразуется во вращательное движение выходного вала по часовой стрелке.
На фиг.2 представлен вид А по фиг.1 на конструкцию колеблющегося ветродвигателя.
Первый (правый) 12 и второй (левый) 13 узлы изменения ориентации и фиксации положения лопастей установлены на первой (нижней) штанге 5 симметрично с двух сторон от вертикального вала 4.
Узлы изменения ориентации лопастей 12 и 13 имеют одинаковую конструкцию и функционируют по очереди. Они содержат плоскопараллельные пластины 30, неподвижно связанные с двух сторон с вертикальным валом 4. Через пластины свободно проходит первая штанга 5. При этом каждый узел 12 (13) содержит собачку 31, взаимодействующую с соответствующим фиксирующим кольцом 32 (33), неподвижно установленным на первой штанге 5. Кроме того, первый и второй узлы изменения ориентации лопастей содержат соответствующие пружины закрутки 28 и 29 и звезды 24 и 25, установленные на обоймах третьей 26 и четвертой 27 обгонных муфт соответственно. Причем обгонные муфты входят в сцепление по очереди. Ступицы обгонных муфт 26 и 27 свободно вращаются на первой штанге 5 и взаимодействуют с первой 28 и второй 29 пружинами закрутки соответственно. Корневые концы указанных пружин связаны с соответствующими фиксирующими кольцами 32 и 33. Фиксирующие кольца имеют по два храповых выступа, расположенных с диаметрально противоположных сторон. При этом фиксирующие кольца 32 и 33 установлены неподвижно на штанге 5 так, чтобы храповые выступы были сдвинуты по углу относительно друг друга на 90°. Храповые выступы фиксирующих колец 32 и 33 по очереди входят в сцепление с соответствующими подпружиненными собачками 31 и фиксируют их угловое положение через каждый поворот штанги и на 90° вокруг собственной оси.
Первая 24 и вторая 25 звезды, неподвижно установленные на обоймах третьей 26 и четвертой 27 обгонных муфт, взаимодействуют с соответствующими сегментными цепями 35 и 36. Сегментные цепи закреплены неподвижно на поворотой платформе 3 вдоль кругового сегмента, занимающего 90° с двух диаметрально противоположенных сторон.
При заданном на фиг.2 направлении ветра под его воздействием на правые лопасти 8 вертикальный вал 4 поворачивается против часовой стрелки на 90°. При этом в сцепление входит третья обгонная муфта 26. Первая звезда 24, установленная на обойме третьей обгонной муфты, взаимодействует с первой сегментной цепью 35. В результате первая пружина 28 закручивается на 90° и накапливает энергию. После поворота вала 4 на 90° происходит взаимодействие собачки 31 с упором 34. В результате собачка выходит из сцепления с храповым выступом первого фиксирующего кольца 32, после чего закрученная первая пружина 28 поворачивает первое фиксированное кольцо 32 и связанную с ним первую штангу 5 по часовой стрелке на 90°. В конце такого поворота храповой выступ второго фиксирующего кольца 33 входит в сцепление с соответствующей собачкой 31 и фиксирует угловое положение лопастей 8 и 9. Теперь в вертикальном положении становятся левые лопасти 9. Под воздействием ветра на левые лопасти вертикальный вал поворачивается в обратом направлении - по часовой стрелке. Теперь в сцепление входит четвертая обгонная муфта 27. Вторая звезда 25, установленная на обойме четвертой обгонной муфты, входит в сцепление со второй сегментной цепью 36 и закручивает вторую пружину 29 также на 90° по часовой стрелке. Вторая пружина должна иметь левую закрутку, а первая - правую. В это время третья обгонная муфта 26 выходит из сцепления и первая звезда 24 вращается вхолостую против часовой стрелки и возвращается в первоначальное положение. После закрутки второй пружины на 90° собачка второго узла 13 наталкивается на соответствующий упор 34. При выходе второй собачки из сцепления с храповым выступом второго фиксирующею кольца 33 закрученная вторая пружина 29 поворачивает второе кольцо 33 и связанную с ним первую штангу 5 на 90° по часовой стрелке, после чего происходит фиксация углового положения штанги 5 с помощью храпового выступа первого фиксирующего кольца 32, который входит в сцепление с первой собачкой 31.
Таким образом, поочередное взаимодействие узлов изменения ориентации и фиксации положения лопастей 12 и 13 с соответствующими сегментными цепями 35 и 36 приводит к вращению первой штанги по часовой стрелке, а также к колебанию вертикального вала 4 в ту и другую стороны в пределах 90°. Причем колебания происходят в пределах угла ±45° от того положения, где момент на валу максимален. Максимальный момент соответствует перпендикулярному положению плоскости лопастей к направлению ветра.
Средний момент на валу при колебаниях штанги в пределах ±45° равен 0,9P·S·R, где Р - сила ветра, S - площадь лопасти, R - расстояние от оси вертикального вала до центра лопасти.
По сравнению с прототипом момент на валу в колеблющем ветродвигателе при равенстве Р, R и S возрастает в 3 раза. Таким образом, существенно повышается КПД ветродвигателя и снижается его материалоемкость и себестоимость. Для изменения ориентации штанг 5-7 при измерении направления ветра может быть использован плоский флюгер, рычаг 38 которого неподвижно связан с поворотной платформой 3 в радиальном направлении.
Для автоматической регулировки скорости вращения выходного вала 20 ветродвигателя необходимо использовать конический или пирамидальный флюгер 37. Флюгер должен быть усеченный. Давление ветра на боковую поверхность усеченного флюгера приводит к его перемещению вдоль горизонтального рычага 38. Величина линейного перемещения флюгера задается с помощью ограничительных колец 39 и 40. Параметры третьей пружины 42 (длина, жесткость) определяются скоростью ветра, в пределах изменения которой осуществляется синхронизация скорости вращения выходного вала 20 ветродвигателя. Для регулировки момента вращения, создаваемого при воздействии ветра на плоские лопасти, используется узел синхронизации, основанный на регулировании углового положения лопастей (см. фиг.3), или узел синхронизации, основанный на регулировании длины рычага (см. фиг.4).
В первом варианте узла синхронизации (фиг.3) регулировка момента вращения выходного вала осуществляется путем изменения эффективной площади лопастей - S. С возрастанием скорости ветра эффективная площадь лопастей должна уменьшаться.
Во втором варианте узла (фиг.4) для регулировки момента вращения вертикального вала используется изменение длины рычага, а также эффективной площади лопастей S, чем больше скорость ветра, то есть давление Р, тем меньше должны быть длина рычага R и эффективная площадь лопастей S.
В конструкции узла, представленной на фиг.3, изменение эффективной площади лопастей S достигается путем изменения угла наклона плоскости лопастей относительно горизонтали и вертикали. Изменение угла наклона лопастей осуществляется путем измерения углового положения собачки 31. Для этой цели конструкция собачки усложнена. Головка первой выдвижной собачки 43 имеет дугообразную форму и перемещается по кругу в пределах от 0 до 45 град. При слабом ветре, когда конический флюгер прижат под воздействием пружины 42 к ограничительному кольцу 39, трос 41 находится в свободном состоянии. Под воздействием четвертой пружины 45, установленной во внутренней полости полого рычага собачки 44, головка выдвижной собачки 43 находится в крайнем верхнем положении. При этом положении собачки правые лопасти 8 принимают вертикальное, а левые 9 - горизонтальное положение.
При повышении скорости ветра конический флюгер 37 перемещается по горизонтальному рычагу 38 и тянет за собой трос 41, перекинутый через блок 46. Конец троса связан с выдвижной собачкой 43. При этом головка собачки опускается и занимает новое угловое положение. Чем больше скорость ветра, тем ниже опускается головка собачки. Храповые выступы фиксирующего кольца 32, а также связанные с ним неподвижно через первую штангу 5 лопасти 8 и 9, занимают новое угловое положение относительно вертикали и горизонтали. Эффективная площадь правых лопастей 8, создающих положительный момент на валу 4, уменьшается. Левые лопасти 9, установленные под углом к горизонтали, создают отрицательный момент на валу. Это приводит к уменьшению скорости вращения вертикального вала 4, а следовательно, и выходного вала 20 ветродвигателя.
Четвертая пружина 45 обеспечивает прижатие наконечника выдвижной собачки к профильной поверхности фиксирующего кольца 32. Пружина собачки 47 правого узла изменения ориентации имеет левую закрутку, а левого узла - правую. Блок 46 установлен соосно с осью колебаний собачки, на котором установлена пружина собачки 47.
Рычаг собачки 44 в конце угловых колебаний штанги 5 взаимодействует с соответствующим упором 34, после чего закрученная пружина 28 (29) поворачивает фиксирующее кольцо 32 (33) и связанную с ним штангу 5 на 90° по часовой стрелке. В этом случае сегментные цепи должны занимать большой угол, порядка 120°. Взамен сегментным цепям могут быть использованы эквидистантные зазубрины или отверстия. Активные лопасти 8 занимают пассивное горизонтальное положение, а пассивные 9 - вертикальное активное положение, после чего начинается обратное движение штанги с более пониженной угловой скоростью. Таким образом, происходит стабилизация скорости вращения выходного вала ветродвигателя.
Принцип работы узла синхронизации, путем регулировки длины рычага R, конструкция которого представлена на фиг.4, заключается в следующем. Над первой поворотной платформой 3 шарнирно устанавливается вторая поворотная платформа 48 с возможностью относительного поворота в пределах от 0 до 90°. Пятая пружина 49, установленная между поворотными платформами, работает на раскрутку. При слабом ветре, когда третий трос 50 находится в свободном состоянии, пружина 49 поворачивает верхнюю платформу в начальное (нулевое) положение. Это положение соответствует максимальному рычагу R, когда рычаг флюгера перпендикулярен штанге. При повышении скорости ветра конический флюгер тянет третий трос 50, перекинутый через блок 51 и протянутый по окружности второй поворотой платформы 48, на 90°. В результате верхняя платформа 48 разворачивается относительно нижней платформы 3 против часовой стрелки. Чем больше скорость ветра, тем больше угол поворота верхней платформы, на которой закреплены сегментные цепи 35, 36 и упоры 34. При превышении скорости ветра выше допустимой величины, верхняя платформа разворачивается на 90° и штанги ориентируются вдоль рычага 38 конического флюгера. При этом происходит самоторможение ветродвигателя, так как плоскости как правых 8, так и левых 9 лопастей совпадают с направлением ветра. Рабочий диапазон скорости ветра задается путем подбора параметров конического флюгера и пружин 42, 49.