САМОУСТАНАВЛИВАЮЩАЯСЯ ПАРУСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОТБОРА ЭНЕРГИИ ПОТОКА
SELF-ALIGNING SAILING UNIT FOR OUTFEED OF FLOW ENERGY

Изобретение относится к области энергетических силовых установок, использующих энергию потока среды и преобразующих ее в механическую энергию.
Известен ветроэлектрический агрегат, содержащий установленный на вертикальном валу ротор с поворотными лопастями на горизонтальных несущих траверсах. Устройство поворота крыльев включает в себя тяги, попарно присоединенные одними концами к лопастям, при этом устройство поворота снабжено кривошипно-шатунными механизмами, шатун каждого из которых при помощи рычагов и шарниров связан с другими концами тяг каждой пары (SU 1442692, опубл. 07.12.88). Такая схема позволяет обеспечить полную независимость аэродинамических режимов работы каждой лопасти от направления ветра. Однако ограничение подвижности препятствует созданию силы тяги отдельного крыла на всей траектории ометаемой поверхности. Это приводит к заметному снижению коэффициента использования энергии ветрового потока.
Известен механизм отбора мощности с шарнирной лопастью с автоматическим регулированием угла атаки и кривизны профиля по патенту US 5193978, опубл. 16.03.93, содержащий переднюю секцию, которая с помощью параллелограмного устройства поворачивается вокруг своей вертикальной оси (параллельной оси вращения ротора, к которой крепятся радиальные траверсы крыльев), и устанавливается под некоторым углом атаки к набегающему потоку. Задняя секция лопасти соединена с передней посредством шарнирного устройства. Управляющий рычаг соединен шарнирно с осью лопасти и посредством параллелограммного механизма с задней секцией лопасти. Задняя секция лопасти, поворачиваясь одновременно с передней, всегда расположена параллельно управляющему рычагу, что приводит к изменению угла атаки лопасти, а направление потока параллельно управляющему рычагу, - таким образом, кривизна профиля изменяется. На больших углах атаки возможно получение максимальной подъемной силы. Лопасть может использоваться для преобразования энергии потока или для движения в потоке.
Недостатками прототипа являются:
1. Наличие выступающих рычагов, создающих аэродинамические потери.
2. Плохая стабилизация положения лопасти в потоке - лопасть может уйти на отрицательный угол атаки.
3. При флюгировании от шквального ветра закрылок располагается под прямым углом к потоку, что создает вероятность разрушения конструкции.
4. Невозможность совершить полный оборот вокруг своей оси, т.к. управляющий рычаг имеет две жестко зафиксированные точки установки.
Все это не позволяет максимально использовать энергию ветропотока.
Также известно устройство отбора мощности, содержащее крыло с самоустановкой угла атаки к направлению набегающего потока среды, установленное на движущейся конструкции с возможностью вращения вокруг собственной оси. Крыло содержит устройство изменения угла атаки крыла путем поворота его оси посредством воздействия на него через кинематическую связь закрылка, установленного на задней кромке крыла с возможностью поворота. Устройство изменения угла атаки представляет собой ось, один конец которой расположен внутри закрылка между двумя пластинами и загнут под углом 120-135° с возможностью перемещения между данными пластинами, при этом ось выполнена с возможностью вращения, а ее второй конец расположен внутри крыла и кинематически связан с движущейся конструкцией с возможностью напряженно-упругого возвратного поворота при превышении рабочего момента вращения оси. Кинематическая связь части оси устройства изменения угла атаки, расположенного в крыле, с движущейся конструкцией, выполнена в виде установленной на оси конической шестерни, входящей в зацепление с конической шестерней, смонтированной в корпусе движущейся конструкции, или в виде гибкой связи. Устройство позволяет максимально использовать энергию набегающего потока (RU 2141059, F03D7/06, F03B17/06,опубл. 10.11.1999).
Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного объекта.
Недостаток данного решения заключается в сложности исполнения кинематической цепи привода вала отбора мощности от положения крыла по потоку.
Достигаемый технический результат заключается в повышении эксплуатационных характеристик за счет оптимальной установки парусной системы относительно ветра с учетом изменения направления движения перемещаемой этим парусом конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что самоустанавливающаяся парусная установка для отбора энергии потока, содержит замкнутый в кольцо рельс, на котором размещены подвижные тележки, связанные между собой сцепками и несущие генераторы, ротор которых введен в контакт с поверхностью рельса, при этом каждая тележка снабжена кронштейном, к которому прикреплен конец стропа, другой конец которого прикреплен к тяге, несущей треугольной формы парус или крыло, закрепленное на раме, выполненной из горизонтальной тяги, жестко связанной с вертикально расположенной осью, несущей на себе ведомую шестерню, связанную кинематически гибкой передачей с ведущей шестерней меньшего диаметра с передаточным отношением 2:1 или связанную с этой ведущей шестерней через дополнительную пару зубчатых шестерен посредством зубчатого ремня (или цепи) с одной из них, другая же из пары шестерня находится в непосредственном зацеплении с ведомой, исполнительной шестерней, при этом ведущая шестерня размещена соосно на трубчатом валу и жестко с ним связана, тяги же связками соединены последовательно между собой, а паруса оснащены воздушными шарами в виде крыла для удержания парусов с тягами на высоте по отношению к тележкам на рельсе.
Указанные признаки существенны и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, для получения требуемого технического результата.
Описание фигур чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется схемами, где:
фиг.1 - кинематическая схема устройства отбора мощности, первый пример исполнения;
фиг.2 - кинематическая схема устройства отбора мощности, второй пример исполнения;
фиг. 3 - кинематическая схема устройства отбора мощности с использованием флюгера;
фиг. 4 - кинематическая схема устройства отбора мощности с приданием парусу функции флюгера;
фиг. 5 - пример исполнения многопарусной энергетической установки, рельсовый вариант.
Лучший вариант осуществления изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи автоматической оптимальной установки парусной системы относительно ветра с учетом изменения направления движения перемещаемой этим парусом любого устройства или конструкции, например, это может быть лодка, буер, тележка или ветроустановки разных типов.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве самоустанавливающейся парусной системы применена зубчатая пара, где меньшая шестерня 1 (звездочка, зубчатый шкив) является управляющей (регулирующей, ведущей), а связанная с ней ровно в два раза большая шестерня 2 (исполнительная, ведомая) устанавливает угол атаки паруса 3, т.е. с передаточным числом 1:2, что позволяет при любом направлении приводимого в движение устройства выставлять автоматически оптимальное положение угла паруса 3 относительно ветра за счет эффекта флюгирования, который в одном варианте выполнен просто в виде двух шестерен 1 и 2, связанных зубчатым ремнем 4 (цепью) (фиг.1) или связанных валом за счет конических шестерен, где сам парус 3 выполняет роль флюгера. В другом варианте (фиг.2) применен непосредственно флюгер 5, где рея 6 паруса 3 так же связана через зубчатую пару шестерен 7 и 8 при той же кинематической связи с управляющей (регулирующей, ведущей) шестерней 1, с тем же передаточным отношением, равным 1:2, то есть управляющая ведущая шестерня (звездочка) связана с одной из зубчатых шестерен (звездочек) дополнительной пары, где ее вторая шестерня такого же диаметра, что и первая, находится в непосредственном зацеплении с ведомой исполнительной шестерней, т.е. при изменении направления ветра флюгер поворачивается вместе со сдвоенными промежуточными шестернями, одна из которых поворачивается от меньшей ведущей посредством зубчатого ремня, передает вращение через такого же диаметра вторую шестерню на задающую положение паруса большую ведомую шестерню 2. В результате чего ведущая шестерня 1 связана с ведомой 2 тем же передаточным отношением 1:2, тем самым выполняется кинематическая связь, аналогичная предыдущему варианту.
Оба приведенных варианта позволяют применять автоматическую самоустанавливающуюся парусную систему в различных схемах и устройствах не только для транспортировки чего-либо, но и для выработки электроэнергии (или любой другой энергии) в качестве ветроэнергетической установки (ВЭУ) различных типов, например, парусная установка, которая вращается вокруг центральной мачты 9 (или имеет как минимум один самоустанавливающийся парус 3, маховик и противовес), может иметь несколько парусных элементов, каждый из которых будет занимать единственное ему наивыгоднейшее положение, т.е., если ветер дует в попутном направлении, то парус 3 выставляется фронтально, развивая максимальную тягу, если в противоположном - парус выставляется ребром, имея соответственно минимальное сопротивление, если в поперечном - парус выставляется примерно на 45°, т.е. работает по принципу лопастей воздушного винта. Таким образом, за счет автоматически управляемых парусов, на большей части замкнутого круга происходит преобразование энергии ветра во вращение центральной мачты 9, которая, в свою очередь, вращает соответственно или через мультипликатор 10 электрогенератор или помпу, компрессор и т.д.
На фиг. 3 и 4 представлены два других варианта исполнения изобретения с применением флюгера.
Управляющая ведущая шестерня 1 (звездочка) связана посредством зубчатого ремня 4 (цепи) с дополнительной шестерней 7 (звездочкой), нижняя часть которой находится в непосредственном зацеплении с исполнительной ведомой шестерней 2, причем дополнительная шестерня 7 вращается вместе с флюгером 5 вокруг общего центра - управляющей 1 и исполнительной 2 соосных шестерен, задавая положение парусу 3 относительно ветра (фиг. 3). Если флюгер 5 под воздействием ветра будет поворачиваться по часовой стрелке, то промежуточная шестерня 7, находясь в зацеплении посредством зубчатого ремня с управляющей шестерней 1, вращаясь против часовой стрелки, передает вращение своей нижней частью шестерни 7 на исполнительную ведомую шестерню 2, которая будет вращаться по часовой стрелке на угол, в два раза меньший, чем угол поворота флюгера 5 за счет передаточного отношения 1:2 между ведущей и ведомой шестернями, тем самым выполняется кинематическая связь, аналогичная ранее рассмотренным вариантам. Шестерни размещены в подшипниках. На фиг.5 представлен пример, в котором парус 3 выполняет функцию флюгера.
Так же с помощью самоустанавливающихся парусов 3 можно приводить в движение по замкнутому кругу 11, выполненному из тавра, двутавра, швеллера или рельсов (фиг.5) замкнутую в кольцо (или разомкнутую, если жестко связанную) цепь из тележек с рамой 12, которые должны иметь поддерживающие ролики 13 (колеса), за счет которых они будут катиться по рельсу 14, и ролики (колеса), которыми они будут цепляться за нижнюю сторону верхней полки рельса, которые необходимы для предотвращения опрокидывания тележки при сильном боковом ветре. Так же на тележках должны быть установлены генераторы 15, щетки для передачи электричества на токосъемник или предусмотрена отдача тока непосредственно в рельсы. Тележки связаны шарнирно между собой сцепкой 16 и несут кронштейны, к которым прикреплены концы строп 17, другой конец каждой из которых прикреплен к тяге 18, на которой крепится механизм, описанный применительно к фиг.1 или 2. При этом тяги связками 19 связаны последовательно между собой с образованием замкнутого кольца 20. Каждый механизм несет парус 3 треугольной формы, к вершине которого прикреплен на стропах 21 надувной шар 22 (воздушный шар) в форме крыла. Вершина паруса вертлюгом 23 связана с тягой 18.
Для получения максимальной энергии ветра необходимо расположение парусов на как можно большей высоте, для чего целесообразно их поднять на воздушных шарах 22, где они представляли бы собой нечто среднее между парусом, аэростатом и воздушным змеем, для управления которыми применим все тот же принцип самонастройки, что описан применительно к механизмам по фиг.1 или 2. Сам же парус 3 удерживается в воздухе за счет подъемной силы воздушного шара 22, наполненного водородом или гелием, а также за счет угла атаки. Под воздействием потока воздуха парус расправляется и перемещает тягу, с которой он связан механизмом по фиг. 1 или 2, при этом тяга через связку тянет за собой тягу следующего паруса. Одновременно, через стропы перемещение передается тележкам, которые двигаются по рельсу и приводят во вращение генераторы.
Настоящее изобретение промышленно применимо, может быть изготовлено с использованием средств, известных в машиностроении.