ВОДНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С ЭЛЕМЕНТОМ В ВИДЕ ВОЗДУШНОГО ЗМЕЯ
SHIP WITH KITE-LIKE ELEMENT

Изобретение относится к водному транспортному средству с элементом в виде воздушного змея, соединенным с водным транспортным средством тяговым тросом.
В известном водном транспортном средстве (WO 01/192102) может быть предусмотрено, что элемент в виде воздушного змея соединен с водным транспортным средством несколькими тяговыми тросами. При этом элемент в виде воздушного змея служит для привода судна ветром, причем этот привод может осуществляться исключительно посредством ветра или привод ветром служит лишь для поддержки машинного привода, чтобы таким образом сэкономить топливо или повысить скорость. Элемент в виде воздушного змея может управляться посредством нескольких тяговых тросов. Но использование нескольких тяговых тросов имеет тот недостаток, что приходится наматывать и соответственно сматывать их каждый в отдельности, чтобы убрать или поднять элемент в виде воздушного змея. Несколько тяговых тросов могут также запутаться. Поэтому из указанной публикации известно также водное транспортное средство с элементом в виде воздушного змея вышеназванного типа, у которого предусмотрен лишь одни тяговый трос, который позволяет устранить названную проблему.
Но недостаток заключается в том, что элемент в виде воздушного змея не может больше управляться самостоятельно.
Задачей изобретения является создание водного транспортного средства с элементом в виде воздушного змея вышеуказанного типа, при этом элемент в виде воздушного змея может управляться целенаправленно.
Задача согласно изобретению решается тем, что элемент в виде воздушного змея снабжен регулировочными устройствами и энергогенерирующим устройством, которое при изменении прилагаемого к тяговому тросу тянущего усилия поставляет энергию.
Как сказано, предусмотрены также регулировочные устройства, которые позволяют изменить или могут воздействовать на форму паруса элемента в виде воздушного змея, угол атаки, открывающие клапаны, операции зарифливания и пр. При этом регулировка может осуществляться автоматически при помощи предусмотренных на элементе в виде воздушного змея датчиков или, что особенно предпочтительно, по радио с борта судна. При этом направить сигналы на элемент в виде воздушного змея не составляет никакой трудности. Однако для регулировочного устройства требуется энергоснабжение.
Соответствующую энергию согласно изобретению поставляет энергогенерирующее устройство, которое вырабатывает энергию при изменении прилагаемого к тяговому тросу тянущего усилия. Однако при постоянном тянущем усилии было бы невозможно произвести энергию. В таком случае потребовалось бы элемент в виде воздушного змея все дальше удалять от судна для получения энергии из произведения тянущего усилия и пройденного удлинения тягового троса. Конечно, такое решение не практично. Согласно изобретению было установлено, что при изменении прилагаемого к тяговому тросу тянущего усилия может вырабатываться энергия. И если здесь речь идет о ”выработке энергии” или “производстве энергии”, то энергия, разумеется, не получается из ничего, а имеет место лишь преобразование энергии. Согласно изобретению было установлено, что в результате изменения скорости ветра, движения судна, связанных с ходом волн, или в результате целенаправленных движений по траектории элемента в виде воздушного змея тянущее усилие может варьировать настолько, что это позволяет получать энергию для управления элементом в виде воздушного змея.
Энергогенерирующее устройство расположено между управляющей гондолой элемента в виде воздушного змея и тяговым тросом. При небольшой нагрузке на тяговый трос энергогенерирующее устройство находится в относительно разгруженном состоянии. С увеличением нагрузки энергогенерирующее устройство оказывается под большим тянущим напряжением. Это тянущее напряжение может быть использовано для выработки энергии.
Измерения показали, что до 200% требуемой энергии управления могут быть получены за счет изменения тянущего усилия.
В предпочтительном варианте осуществления энергогенерирующее устройство имеет цилиндропоршневой блок с нагруженным пружиной поршнем, при этом цилиндр соединен с тяговым тросом, а поршень с элементом в виде воздушного змея или, наоборот, цилиндр соединен с элементом в виде воздушного змея, а поршень с тяговым тросом, и цилиндр через обратный клапан соединен с накопителем рабочей тянущей среды. С увеличением тянущего усилия поршень, противодействуя усилию пружины, движется и сжимает находящуюся в цилиндре текучую среду, которая затем может быть направлена через обратный клапан в накопитель рабочей текущей среды. С уменьшением тянущего усилия поршень движется в противоположном направлении и вновь всасывает снаружи текучую среду, что также может регулироваться обратным клапаном. При повторном увеличении тянущего усилия текучая среда вновь нагнетается в накопитель рабочей текучей среды.
В предпочтительном варианте осуществления поршень расположен посередине цилиндропоршневого блока. По обеим сторонам поршня находятся в этом случае объемы цилиндра, которые через соответствующий обратный клапан соединены с накопителем рабочей текучей среды. С увеличением тянущего усилия рабочая текучая среда через один объем цилиндра направляется в накопитель рабочей текучей среды, в то время как рабочая текучая среда всасывается в другой объем цилиндра. При уменьшении тянущего усилия и движении поршня под действием пружины или пружин в обратном направлении рабочая текучая среда сжимается в другом объеме цилиндра и направляется в накопитель рабочей текучей среды, в то время как в первый объем цилиндра вновь всасывается рабочая текучая среда.
При этом поршень работает, преодолевая давление накопителя рабочей текучей среды. При высоком давлении в накопителе рабочей текучей среды, то есть большом количестве накопленной энергии, энергогенерирующее устройство поставляет дополнительно еще текучую среду лишь при очень больших тянущих усилиях. При небольшом количестве энергии, то есть низком давлении в накопителе, поршень даже при незначительных тянущих усилиях может давать дополнительно рабочую текучую среду. Само собой разумеется, что при этом устройство должно быть снабжено предохранительными клапанами, с тем чтобы не допустить слишком высокого избыточного давления при очень большом тянущем усилии.
Вместо цилиндропоршневого блока может быть предусмотрено, что энергогенерирующее устройство представляет собой мешковидное устройство с воздухонепроницаемой оболочкой, которое одним своим концом соединено с тяговым тросом, а другим концом с элементом в виде воздушного змея, за счет упругих разжимных элементов оно расширяется, а при возникновении тянущего усилия с уменьшением объема растягивается, и через обратный клапан оно соединено с накопителем рабочей текучей среды. При небольшом тянущем усилии мешковидное устройство расширяется посредством упругих разжимных элементов и принимает таким образом большой объем. Затем с увеличением тянущего усилия объем мешковидного устройства уменьшается, давление в нем повышается и таким образом, когда увеличение давления становится достаточно большим, в накопитель рабочей текучей среды подается воздух. Само собой разумеется, что в этом варианте осуществления воздух является подходящей рабочей текучей средой. В предыдущем энергогенерирующем устройстве с цилиндропоршневым блоком могла бы использоваться также гидравлическая жидкость, хотя даже в этом случае по соображениям веса и по причине возможных утечек предпочтительной рабочей средой является воздух.
Мешковидное устройство может быть, например, оплетено в виде сетки тяговым тросом. С увеличением нагрузки тяговый трос натягивается и окружающие в виде сетки эластичную оболочку, испытывающие нагрузку тянущего усилия волокна стремятся сблизиться (чтобы расположиться параллельно друг к другу) и таким образом сдавливают упругую, разжатую, наполненную воздухом оболочку. В результате находящийся в оболочке воздух, поступающий через обратный клапан, сжимается и, как и в цилиндропоршневом блоке, может направляться в накопитель рабочей текучей среды.
Рабочая текучая среда может быть непосредственно использована для управления. Кроме того, накопитель может быть соединен также с генератором для производства электроэнергии, при этом управление осуществляется в этом случае при помощи электрической энергии, а не за счет рабочей текучей среды. Но даже когда собственно управление осуществляется рабочей текучей средой флюидом, может быть использован небольшой генератор для производства электроэнергии, который приводит в действие клапаны, дает ток для датчиков и т.д.
Электрическая энергия может производиться непосредственно, если предусмотрено, что энергогенерирующее устройство содержит линейный двигатель с нагруженным пружиной ротором, при этом статор соединен с тяговым тросом, а ротор с элементом в виде воздушного змея или, наоборот, статор соединен с элементом в виде воздушного змея, а ротор с тяговым тросом. С увеличением тянущего усилия ротор движется, противодействуя усилию пружины, и вырабатывает ток. При уменьшении тянущего усилия пружина движет ротор назад и в результате также вырабатывается ток.
В другом предпочтительном варианте осуществления аналогичной конструкции предусмотрено, что энергогенерирующее устройство имеет расположенную с возможностью перемещения в конструктивном элементе, нагруженную пружиной зубчатую рейку, приводящую в действие генератор посредством расположенной в конструктивном элементе шестерни, и конструктивный элемент соединен с тяговым тросом, а зубчатая рейка с элементом в виде воздушного змея или, наоборот, конструктивны элемент соединен с элементом в виде воздушного змея, а зубчатая рейка с тяговым тросом. Способ действия аналогичен с упомянутым линейным генератором, так что нет необходимости останавливаться на этом более подробно.
В другом предпочтительном варианте осуществления энергогенерирующее устройство представляет собой пьезоэлемент. Пьезоэлемент соединен, с одной стороны, с тяговым тросом, а с другой стороны с элементом в виде воздушного змея. С изменением воздействующего на пьезоэлемент механического напряжения вырабатывается электрическая энергия.
В предпочтительном варианте осуществления может быть предусмотрено несколько параллельно или последовательно расположенных энергогенерирующих устройств. Параллельно расположенные устройства вырабатывают больше сжатого воздуха, рабочей среды или количества энергии, при этом нет необходимости увеличения размера отдельного энергогенерирующего устройства. Если энергогенерирующие устройства расположены последовательно, то тянущее усилие распределяется на отдельные энергогенерирующие устройства. При небольших силах ветра, то есть небольшом тянущем усилии, одно из энергогенерирующих устройств может быть заблокировано, так что тянущее усилие в целом действует на одно энергогенерирующее устройство, с тем чтобы получить достаточно высокое давление для управления. Наоборот, с увеличением тянущего усилия используются последовательно расположенные два или даже больше энергогенерирующих устройств, так что тянущее усилие распределяется на отдельные энергогенерирующие устройства, в результате чего действуют меньшие усилия и давления.
Вместо одного пружинного элемента могут быть предусмотрено несколько пружинных элементов. Предусмотрено, например, два пружинных элемента, если поршень, линейный двигатель или зубчатую рейку необходимо расположить в среднем положении, если действуют средние тянущие усилия. Чем больше тянущее усилие, тем больше сдавливается или растягивается пружинный элемент, так что пружинный элемент может действовать как при небольших тянущих усилиях, так и при больших тянущих усилиях. Дополнительно может быть предусмотрено, что натяжение пружины может регулироваться, с тем чтобы добиться оптимизации для разных тянущих усилий и сил ветра.
Может быть применена механическая, в частности металлическая, пружина, при этом устанавливается постоянная жесткость пружины. В одном предпочтительном варианте осуществления пружина представлена пневматической пружиной. Через давление в подпружиненном поршне характеристика пружины может быть согласована с имеющимися в данный момент ветровыми условиями. Рабочая точка элемента в виде воздушного змея может в значительной степени варьироваться в зависимости от скорости ветра. Чтобы добиться выработки энергии одним и тем же устройством при разных скоростях ветра, преимуществом изобретения является регулируемая пружина.
Реверсивное движение поршня или растягивание воздушного мешка может осуществляться также тем, что вместо использования усилия натяжения пружины, или в дополнение к натяжению пружины, для реверсивного движения используется часть рабочей текучей среды, находящейся в накопителе. Чтобы при помощи этого устройства вырабатывать энергию, реверсивному движению в определенный момент, разумеется, должно соответствовать относительно небольшое тянущее усилие.
В качестве рабочей текучей среды используется преимущественным образом гидравлическая жидкость, в частности масло для гидросистем. Преимуществом является небольшая конструкция и вес при больших установочных усилиях (за счет высокого давления, быстрой реверсивности и в связи с несжимаемостью гидравлической жидкости отсутствием потребления энергии, если необходимо поддерживать достигнутый режим управления). Особенно предпочтительно поддерживается этот режим управления при закрытых клапанах. Другими преимуществами являются хорошие и расширенные промышленные стандарты, а также доступность деталей.
Если в качестве текучей среды используется гидравлическая жидкость, преимущественным является непосредственное накопление гидравлической энергии. Для этого может быть использован распространенный в промышленности накопитель, содержащий наряду с гидравлической жидкостью также и сжимаемый газ. При повышении давления энергогенерирующее устройство может запасать энергию в этом накопителе. При отборе гидравлической жидкости давление уменьшается, и соответствующая энергия может быть использована. Так как в случае элемента в виде воздушного змея речь идет о динамичной системе, претерпевающей с течением времени быстрые изменения направления силы тяжести и направления и величены центробежной силы, то преимущественным является, если отбор гидравлической жидкости осуществляют при помощи гибкого шланга с утяжеленным концом. Так как гидравлическая жидкость тяжелее, чем сжимаемый газ, то конец утяжеленного шланга будет постоянно находиться в объеме гидравлической жидкости. Это призвано обеспечить то, что отбор гидравлической жидкости может осуществляться в любом состоянии при маневре или полете. В альтернативном варианте осуществления сжимаемый газ может быть отделен от гидравлической жидкости при помощи перегородки. Если шланг для отбора гидравлической жидкости находится в жидкостном отделении накопителя, то этим может обеспечиваться также то, что в любом состоянии при маневре или полете гидравлическая жидкость может отбираться и предоставляться для управления.
Если тянущее усилие остается неизменным, энергия не может вырабатываться. Однако такое положение случается редко. Хотя может быть, что колебания тянущего усилия при очень равномерном ветре и небольшой волне недостаточны для того, чтобы выработать достаточное количество энергии для управления элементом в виде воздушного змея. В этом случае на водном транспортном средстве может быть предусмотрена лебедка, при помощи которой тянущее усилие тягового троса изменяется путем травления или выбирания последнего. Таким образом при помощи лебедки получается энергия, которая затем посредством тягового троса предается на энергогенерирующее устройство.
В предпочтительном варианте осуществления для передачи переменного тянущего усилия и, следовательно, энергии колебаний с судна на гондолу используется не лебедка, недостаток которой состоит в высокой инерционности и соответственно высоком удерживающем усилии, а отдельная гидравлическая стойка, воздействующая на тяговый трос и передающая энергию импульсами. В другом варианте осуществления или в дополнение может быть предусмотрено, что лебедка установлена на салазках, на которых она может совершать возвратно-поступательные движения, что может осуществляться также при помощи гидравлической стойки. Таким образом, можно передавать не только энергию, но и смещать точку приложения тягового троса на судне.
Если электрический ток вырабатывается при помощи заявленного энергогенерирующего устройства, целесообразно предусмотрено, что ток может накапливаться в аккумуляторе, расположенном на элементе в виде воздушного змея. Накопление выработанной на элементе в виде воздушного змея энергии является существенным, так как при этом могут быть перекрыты периоды со слабым выходом энергии, например при спуске элемента в виде воздушного змея. Накопитель важен также в случае, если выходит из строя энергогенерирующее устройство и воздушный змей наверняка должен быть спущен. Здесь накопитель может предоставить необходимую энергию для управления.
Как альтернатива вышеупомянутым, возможным вариантам производства и накопления энергии или в дополнение к ним может быть предусмотрено, что энергогенерирующее устройство включает в себя пружину, выполненную для накопления энергии. Такой накопитель энергии в форме пружины имеет то преимущество, что он может практически без промедления отдать свою энергию или крутящий момент. Сила или крутящий момент может поставляться до тех пор, пока накопленная энергия не израсходуется. Накопление энергии в виде пружины имеет также такое преимущество, что ее вес относительно невелик. Этим может быть устранен недостаток возможно очень тяжелой гидравлики, и при меньшем весе и одинаковой отдаче силы или крутящего момента может быть поставлено одинаковое количество энергии.
В предпочтительном варианте осуществления пружина представляет собой винтовую пружину, накапливающую энергию за счет сжатия или растяжения.
В другом предпочтительном варианте пружина представлена спиральной пружиной, один конец которой взаимодействует с по существу цилиндрической стенкой корпуса, а другой конец соединен с центральной осью корпуса.
Ниже изобретение описывается посредством предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
Фиг.1 - конструкция первого варианта осуществления изобретения;
Фиг.2 - конструкция второго варианта осуществления изобретения;
Фиг.3 - конструкция третьего варианта осуществления изобретения;
Фиг.4 - четвертый вариант осуществления изобретения;
Фиг.5 - пятый вариант осуществления изобретения;
Фиг.6 - накопитель в виде спиральной пружины, который может быть применен в варианте осуществления на фиг.5; и
Фиг.7 - шестой вариант осуществления изобретения.
На фиг.1 показано энергогенерирующее устройство в виде цилиндропоршневого блока 1. При этом цилиндр 2 соединен с тяговым тросом 3, в то время как поршень 4 стропами 15 соединен с элементом в виде воздушного змея или его управляющей гондолой. Пружиной 5 сжатия поршень 4 отжат влево. Через первый обратный клапан 6 цилиндр 2 соединен с атмосферой, а через второй обратный клапан 7 - с накопителем 8 сжатого газа. Если в показанном положении поршня 4 тянущее усилие увеличивается, поршень 4 вопреки усилию пружины 5 оттягивается вправо и через обратный клапан 7 нагнетает находящийся в цилиндре 2 газ в накопитель 8. С уменьшением давления пружина сжатия 5 вновь смещает поршень 4 влево, давление в цилиндре уменьшается, и при достаточно большом отклонении влево через обратный клапан 6 всасывается свежий воздух. Затем сжатый воздух направляется по трубопроводу 9 к управляющим элементам или может подаваться к генератору для выработки электрической энергии.
В варианте осуществления на фиг. 2 цилиндропоршневой блок 1 имеет две пружины 5 сжатия. При этом поршень 4 находится при среднем значении силы сжатия посередине цилиндра 2, как это представлено на фиг. 2. При этом с обеих сторон поршня 4 предусмотрены обратные клапаны 6 для всасывания воздуха и обратные клапаны 7 для нагнетания воздуха в накопитель 8. С увеличением силы сжатия показанный на фиг.2 слева объем цилиндра всасывает воздух, а показанный справа объем сжимает воздух и направляет в накопитель 8. При уменьшении тянущего усилия в правом объеме цилиндра воздух всасывается, а в левом объеме цилиндра воздух сжимается и направляется в накопитель 8.
В варианте осуществления на фиг.3 в корпусе 10 расположена с возможностью скольжения нагруженная пружиной 5 сжатия зубчатая рейка 11, которая посредством шестерни 12 приводит в действие непоказанный электрогенератор. С увеличением тянущего усилия зубчатая рейка 11 перемещается вправо, приводит во вращение шестерню 12 и таким образом вырабатывается ток. С уменьшением тянущего усилия зубчатая рейка под действием пружины 5 перемещается в противоположном направлении, приводит шестерню 12 во вращение, так что вновь генерируется электричество.
На фиг.4, 5 и 6 показано накопление энергии пружинами. Это накопление энергии может быть использовано как альтернатива или в виде дополнения к вышеописанным вариантам осуществления энергогенерирующего устройства.
В принципе в качестве накопителя энергии в виде пружин могли бы использоваться плоская пружина, винтовая пружина и спиральная пружина. Плоская пружина, которая воспринимает и отдает энергию за счет изгиба, представляет собой возможный вариант, который здесь не нуждается в детальном описании. На фиг. 4 показано использование винтовой пружины, которая воспринимает и отдает энергию за счет деформации при сжатии. Энергия могла бы также накапливаться за счет растяжения пружины. Накапливающая энергию винтовая пружина 16 расположена в корпусе 17, который соединен с гондолой элемента в виде воздушного змея или является частью этой гондолы, при помощи которой осуществляется управление элементом в виде воздушного змея. При помощи тягового троса 3 пружина 16 нагружается. Если при этом усилие тягового троса 3 превышает уже существующее натяжение пружины, концевая пластинка 18 пружины на фиг.4 оттягивается вниз и при этом фиксируется в фиксирующих выступах 19. Всякий раз как тянущее усилие тягового троса 3 превышает натяжение пружины, концевая пластинка 18 оттягивается все дальше вниз и накапливает все больше энергии. Если необходимо произвести энергию, концевая пластинка 18 освобождается от блокировки, пластинка 18 под действием пружины движется вверх и тем самым приводит в действие энергогенерирующее устройство 20. Это энергогенерирующее устройство может быть представлено, например, гидроцилиндром, или (при помощи соответствующего отклоняющего устройства) может быть нагружен трос, который приводит в действие клапаны или какое-либо аналогичное устройство.
Накопитель энергии на фиг.4 имеет, как правило, пружину с постоянной пружинной характеристикой. Это может быть недостатком, когда элемент в виде воздушного змея летает при разных ветровых условиях, что соответственно создает колебания величины необходимого для производства энергии тянущего усилия. Чтобы обеспечить в данном случае оптимальную выработку энергии, предпочтительный вариант заключается в том, что пружина может нагружаться не непосредственно от тягового каната, а через передаточный механизм, позволяющий жесткость пружины согласовать с тянущим усилием воздушного змея. Еще проще, если для натяжения пружины используется рычаг, на котором точка приложения тянущего усилия может смещаться. За счет выбора положения точки приложения на рычаге пружина может быть постоянно оптимально натянута.
В варианте осуществления на фиг.5 переменное тянущее усилие преобразуется вначале во вращательное движение. Это может происходить, если между тяговым тросом и элементом в виде воздушного змея натянут упругий элемент 5 (предпочтительно пневматическая пружина с регулируемой жесткостью). Пружина 5, как обычно, расположена в корпусе 17. Усилие тягового троса 3 воздействует на концевую пластинку 18, на которой установлена зубчатая рейка 11. Эта зубчатая рейка воздействует на зубчатое колесо 21 накопителя 22 энергии со спиральной пружиной, представленной более детально на фиг.6. При воздействии соответственно большого тянущего усилия на тяговый трос 3 пластинка 18 с зубчатой рейкой 11 оттягивается вниз и таким образом “заводит” накопитель со спиральной пружиной. Если тянущее усилие уменьшается, пружина 5 вновь перемещает пластинку 18 вверх, при этом уровень накопленной энергии спирального накопителя по причине свободного хода остается неизменным.
Накопитель энергии с фиг.5 более наглядно показан на фиг.6. Спиральная пружина 22 одним своим концом соединена с центральной осью 23 корпуса 24, в котором спиральная пружина 22 находится. Если зубчатая рейка 11 движется вниз, корпус 24 проворачивается по часовой стрелке. При этом защелка 25 захватывается выступами 26 и проворачивается по часовой стрелке, в результате чего пружина нагружается. При этом защелка 25 блокируется непоказанным фиксирующим устройством от движения против часовой стрелки даже в том случае, если выступы 26 больше на создают натяжения. Это происходит в тот момент, когда зубчатая рейка 11 движется вверх, а корпус 24 проворачивается против часовой стрелки. Защелка 25 может при этом скользить по фиксирующим выступам 26. Исходное положение корпуса 24 восстанавливается, так что на спиральную пружину 22 вновь может быть оказано дополнительное натяжение, если тянущее усилие достаточно большое. При этом крутящий момент нагруженной пружины 22 длительное время воздействует на центральную ось 23, так что здесь свободно может происходить отбор энергии, в то время как снаружи зубчатая рейка 11 может поставлять новую энергию.
Можно также предусмотреть, чтобы создающее натяжение пружины вращательное движение корпуса 24 использовалось для выработки энергии. В этом случае следовало бы устранить блокировку защелки 25, с тем чтобы можно было разгрузить пружину и произвести отбор энергии с оси. Однако недостатком этого решения является то, что во время отбора энергии не может подводиться новая энергия. Этот недостаток устраняется в варианте воплощения изобретения тем, что энергия отбирается центральной осью 23. Выбор этого решения предлагает несколько режимов работы:
I. Режим разгрузки и покоя: спиральная пружина 22 разгружена, вся система бездействует.
II. Пружина 22 нагружается: спиральная пружина закручивается и накапливает энергию.
III. Пружина разгружается: спиральная пружина 22 разгружается и при этом проворачивается в своем корпусе 24, энергогенерирующий блок свободно проворачивается вместе с осью 23.
IV. Пружина нагружается и разгружается: спиральная пружина 22 с одной стороны (поз.25) закручивается и в то же время одновременно разгружается (поз.23).
На фиг.7 показан энергогенерирующий блок в виде пьезоэлемента 27. При изменении действующего на пьезоэлемент механического напряжения вырабатывается электроэнергия. По линии 28 электрическая энергия направляется в накопитель 29 и там накапливается.