ЗЕРНОУСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕЧЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ИЛИ ВОДНЫХ ПОТОКОВ
POWER PLANT TO CONVERT ENERGY OF AIR OR WATER FLOW CURRENTS

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в ветроэнергетических или в гидроэнергетических установках для выработки электроэнергии или для выполнения механической работы.
Из уровня техники известно устройство, преобразующее энергию ветра в электрическую энергию с передачей механической работы на рабочий орган, совершающий колебательное движение (RU 2142572, МПК F03D 5/06, опубл. 10.12.1999). Недостаток известного преобразователя заключается в том, что он имеет сложную конструкцию. Кроме того, для получения полезной работы требуется большой напор текучей среды. Также известен преобразователь энергии ветра, действующий на привязной летательный аппарат, с передачей механической работы на рабочий орган, совершающий колебательное движение (RU 2109981, F03D 5/06, опубл. 27.04.1998 г.). Известный преобразователь содержит летательный аппарат, удерживающий трос, рабочий орган, совершающий возвратно-поступательное движение, и механизм, совершающий полезную работу. Известный преобразователь позволяет использовать потоки воздуха, обычно дующие на высоте. Недостаток этого решения заключается в конструктивной сложности кинематических связей. Механизм передачи движения ветра на рабочий орган имеет сложную конструкцию и может быстро выйти из строя.
Известна энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков, содержащая вал отбора мощности, с которым кинематически через тросовую передачу связано крыло или аэродинамический профиль, введенный в поток по направлению его движения (WO 2008034421, опубл. 27.03.2008). Данное решение принято в качестве прототипа.
Недостаток данного решения заключается в сложности выполнения связи крыла с валом отбора мощности, которая обуславливает наличие больших механических потерь из-за сопротивления перемещению трособлочных элементов передачи.
Задачей данного изобретения является создание преобразователя энергии ветра, имеющего относительно простую конструкцию, более надежного, чем прототип, и способного преобразовывать энергию ветра непосредственно во вращательное движение рабочего органа с последующим его использованием для генерации электричества.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, снижении металлоемкости, повышении технологичности и, как следствие, резком снижении удельной стоимости вырабатываемого кВт*часа электроэнергии.
Указанный технический результат достигается тем, что в энергоустановке для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков, содержащей вал отбора мощности, с которым кинематически связано веденное в поток по направлению его движения крыло или аэродинамический профиль, вал отбора мощности выполнен в виде коленвала, имеющего шейку с щечками, и два расположенных Г-образных рычага, жестко прикрепленных каждый одним плечом к оси вращения, предназначенной для отбора мощности, а другим плечом к соответствующей щечке шейки, а крыло или аэродинамический профиль связано с этим коленвалом стропами, причем задняя кромка крыла через подшипники стропами подсоединена к оси шейки коленвала, а передняя кромка крыла - через подшипники к соосно расположенным плечам Г-образных рычагов, которые прикреплены к щечкам.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
На фиг.1 - общий вид энергоустановки;
фиг.2 - план энергоустановки (вид по оси Z);
фиг.3 - план положения крыла находится почти перпендикулярно ветру (большой угол атаки);
фиг.4 - план положения крыла находится почти по ветру (малый угол атаки);
фиг.5 - вид на установку по оси Z кинематической модели с пошаговым смещением крыла и отображением на плане через каждые 30°;
фиг.6 - график энергетических показателей для однокрыльной и двухкрыльной установок;
фиг.7 - вид на энергоустановку по оси Z с направляющими роликами;
фиг.8 - вид на энергоустановку по оси Z в водном потоке.
Изобретение обеспечивает прямое преобразование колебательных движений крыла во вращательное движение коленвала при минимальной материалоемкости и при максимальной простоте и надежности конструкции энергоустановки.
Энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков (фиг.1, 2) содержит вал отбора мощности 1, с которым кинематически связано веденное в поток по направлению его движения крыло 2 или аэродинамический профиль. Возможно использование надувного крыла легче воздуха.
Вал отбора мощности выполнен в виде коленвала специальной формы, вращающегося вокруг оси О-О. Коленвал имеет шейку 3 с щечками 4, расположенными в общей плоскости, и два расположенных в общей плоскости Г-образных рычага 5, жестко прикрепленных каждый одним плечом к оси 6 вращения (вращение вокруг оси O-O), предназначенной для отбора мощности. Другим плечом Г-образные рычаги прикреплены к соответствующей щечке шейки. Крыло или аэродинамический профиль связано с этим коленвалом стропами 7, причем задняя кромка крыла через подшипники 8 стропами подсоединена к оси шейки 3 (ось А1-А1) коленвала, а передняя кромка крыла - через подшипники к соосно расположенным плечам Г-образных рычагов (ось А2-А2), которые прикреплены к этим щечкам.
От выбора координат точек А2 и А1 коленвала в плоскости чертежа XOY зависят координаты точек С1 и С2 крыла и, следовательно, угла атаки (фиг.2). И этот угол атаки будет меняться в зависимости от угла поворота α коленвала вокруг своей оси О.
Положение осей А1-А1 и А2-А2, то есть угол ∠ А1-O-А2=β и плечи ОА1 и ОА2 коленвала выбраны таким образом, чтобы угол атаки крыла менялся в зависимости от угла поворота α, а именно в первом полупериоде оборота коленвала был максимальным, а во втором полупериоде - минимальным, что достигается выбором геометрических параметров коленвала, длин строп, размеров крыла.
В качестве примера приведем ниже два пограничных состояния установки (с максимальным (фиг.3) и минимальным (фиг.4) крутящим моментом на валу). На фиг.3 видно, что в этом положении крыло находится почти перпендикулярно ветру (большой угол атаки). Сила сопротивления максимальна, и умноженная на максимальное плечо в этом положении она дает максимальный вращающий момент. На фиг.4 видно, что в этом положении крыло находится почти по ветру (малый угол атаки). Сила сопротивления минимальна и дает минимальный вращающий момент.
Таким образом, за один полупериод ветер выполняет большую работу (назовем ее положительной, а за второй полупериод - маленькую, но в противоположном направлении (назовем ее отрицательной). Суммарная работа и будет полезной работой, выполненной ветровым потоком за период.
На фиг.5 показан пример кинематической модели с пошаговым смещением и отображением на рисунке через каждые 30°, на которой хорошо видно, что один полупериод угол атаки крыла приближается к 90°, а во второй полупериод он минимален.
Разность работ за первый и второй полупериоды дают суммарную работу за период (за один оборот) коленвала. Вся энергоустановка может быть размещена на платформе, поворачивающейся относительно вертикальной оси по направлению ветра флюгером. Для улучшения равномерности вращения и сглаживания толчков на оси O-O можно расположить маховик. Также на оси O-O можно разместить любое количество элементарных (работающих на одно крыло) энергоустановок с целью повышения суммарной мощности, улучшения равномерности вращения и сглаживания толчков (как цилиндров в двигателе внутреннего сгорания).
Компьютерная программа расчета кинематических, аэродинамических и энергетических параметров установки выдает результаты в относительных единицах, которые показаны на графиках (фиг.6).
Для повышения надежности работы (в частности, исключения возможности задевания стропами вращающихся деталей коленвала, например, при резких изменениях направления ветра) сами стропы можно пропустить через направляющие ролики, как показано на фиг.7 (для ветра) и на фиг.8 (для водного потока, например для морских течений).
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает возможность получения отбора мощности от энергии водного или воздушного потока среды при использовании простой кинематической конструкции коленвала. Настоящее изобретение промышленно применимо, так как может быть изготовлено по известным технологиям.