Парусная ветровая установка
SAILING WIND TURBIN

Заявляемое техническое решение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии в электрическую.
Задача, на решение которой направлена заявляемое решение, заключается в получении максимальных крутящих моментов на приводе ветровой установки, простоту и надежность конструкции, не требующей устройства ориентации ветровой установки по направлению ветра, а также  отвечающая всем нормам безопасной эксплуатации.
Уровень техники:
Наиболее близкой по технической сущности и достигнутому результату является ветродвигатель с вертикальной осью вращения (см. патент РФ 2307950 МПК F03D 3/00, 10.10.2007.). Этот ветродвигатель содержит преобразователь вращения, вращаемый парусными ветродвижителями, смонтированными на вертикальном валу и состоящими из горизонтальных мачт с соединенными с возможностью поворота верхней частью парусами. Мачты сгруппированы в ряды по высоте вертикального валас количеством мачт в каждом ряду не менее трех. Высота каждого паруса не превышает его ширину. Величина закрывания парусов отрегулирована через поводки тяговым устройством автоматически в зависимости от скорости ветра. Также через дополнительные поводки дополнительным тяговым устройством автоматически, в зависимости от скорости ветра, отрегулирована величина открывания парусов, расположенных на одном или нескольких рядах мачт. Тяговые устройства выполнены в виде вращающихся с вертикальным валом втулок с центробежными грузами, соединенными с соответствующими поводками и регулирующими ими соответственно величину закрывания и открывания паруса в зависимости от скорости вращения вертикального вала. К недостаткам этой установки, по сравнению с предлагаемой, является:
- сложность конструкции,
- большие шумовые уровни при работе,
- невозможность допустить мгновенную остановку ветряка при различных ситуациях,
- увеличенный вес ветродвигателя из-за множества отдельных мачт,
- низкий коэффициент полезного действия.
Также известен планетарный механизм парусной установки (пат. РФ 2481497, МПК F03D 7/06, F03D 3/06, В63Н 9/06 опубл.10.05.2013), содержащий главную ось, первый привод и рабочую часть парусной установки. Первый привод дополнительно содержит поворотную рамку с несколькими ребрами, передаточный механизм, установленный на ребре, закрепленную шестерню, установленную на главной оси и находящуюся в зацеплении с передаточным механизмом, и вращательную шестерню, размещенную по краю поворотной рамки и находящуюся в зацеплении с передаточным механизмом. Рабочая часть парусной установки содержит одну ось вращения, которая размещена на краю поворотной рамки, рамку для щитков паруса, узел для изменения основания, подвижный стержень, выдвижной щиток и несколько щитков паруса. Когда рабочая часть парусной установки вращается вокруг главной оси, вращательная шестерня и рабочая часть парусной установки также приводятся во вращение. При этом вращательная шестерня обкатывается вокруг закрепленной шестерни в разные стороны. Данное техническое решение имеет следующие недостатки: сложная конструкция передаточного планетарного механизма для осуществления функционирования парусного ветрогенератора, что ведет к снижению его надежности, увеличению веса парусной установки; низкий КПД преобразования кинетической энергии ветрового потока; нет защиты ветрогенератора от больших выше расчетных порывов ветра.
И теперь сравним с широко применяемые в настоящее время лопастные ветрогенераторы с предлагаемой новой конструкцией ветровой установки и отметим существенные преимущества:
- получение во много раз большего крутящего момента на приводе ветрогенератора (лопасти пропеллера перекрывают 10-25% площади набегающего потока и значительная доля ветровой энергии не реализуется),
- простота  и надежность конструкции, т.к. изготовить экран-парус из сборного каркаса и ткани из современных легких и прочных материалов проще и дешевле, чем изготовить лопасти (на большую мощность лопасти достигают в длину 26 метров) и доставить их на место монтажа,
- получается меньший шумовой уровень при работе (у лопастей за его плоскостью образуется турбулентность потока ветра),
- не надо сложного устройства ориентации ветряка по направлению ветра.
Технический результат заявленного решения - повышение удельной мощности парусной ветровой установки (далее по тексту – ветроустановка) за счет применения экран-парусов большой площади и оптимального выбора длины водил, при этом крутящий момент на приводе ветроустановки получается даже при очень низких скоростях ветра,
- конструкция гидравлических цилиндров торможения позволяет гарантировать долговечную работу ветроустановки и позволяет произвести ее остановку путем ввода всех экран-парусов в режим флюгера, (также этот режим нужен при остановке ветроустановки на техническое обслуживание),
- простота и надежность конструкции (не требуется сложного устройства ориентации ветроустановки по направлению ветра),
- а также изготовление и монтаж экран-парусов может выполняться из сборно-разборных конструкций и легких и прочных современных материалов,
- низкий шумовой уровень при работе ветроустановки.
При этом, вкупе с автоматической коробкой передач (редуктором), управляемой искусственным интеллектом, можно получить оптимальные и максимальные показатели использования ветроустановки при различных, изменяющихся по скорости, потоков ветра.
ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ
Конструкция ветроустановки представлена на ФИГ. 1 – ФИГ.6, где:
ФИГ.1 – ветроустановка – вид сверху;
ФИГ.2а, ФИГ.2б – устройство для принудительной остановки ветроустановки при превышении расчетной для ветроустановки скорости ветра;
ФИГ.3 - система фиксации дисков и их расфиксации.
ФИГ.4 – нижний диск с устройством фиксации.
ФИГ.5 - гидравлические цилиндры торможения с емкостью для компенсации жидкости (масла) при работе.
ФИГ.6 - гидравлические цилиндры торможения с двухсторонним штоком.
Где: 1 - ось;
2 – верхний диск;
2* - нижний диск;
3 - водило;
4 - клиновая шпонка;
5 – упор;
6 - электромагнит с тягами;
7- верхний экран-парус;
8 – нижний экран-парус;
9 – противовес;
10 - гидравлический цилиндр торможения;
11 - токосъемные кольца;
12 – пружина;
13 - токосъемное устройство;
14 - приводная шестерня;
15 - вертикальный вал;
16 – крестовина;
17 - запорный механизм;
18 – поршень гидроцилиндра;
19 - шток цилиндра;
20 – клапан –диафрагма;
22 – лыски.
Ветроустановка состоит из вертикального вала поз.15 (фиг.2а), на котором на подшипниках качения установлена крестовина поз.16.
На крестовину под углом 90 градусов друг к другу крепятся четыре водила поз.3.
На каждом из концов водил, с возможностью вращения, устанавливаются вертикальная ось - поз.1 и верхний диск поз. 2.
Возможность вращения как осей, так и дисков, обеспечивают подшипники качения, установленные на них.
К каждой из осей поз.1 (см. фиг. 2а, 2б, фиг.3, фиг.4) жестко крепятся экран-паруса - верхний поз. 7 и нижний поз.8.
Также на каждом водиле сверху установлена система фиксации и расфиксации верхних дисков, которая состоит из клиновой шпонки поз.4, электромагнитов с тягами поз. 6 и 11, пружины поз.12 и устройства запирания поз. 17.
При наличии нижних дисков 2*, для управления ими, снизу на водилах установлена такая же система фиксации и расфиксации дисков, как и сверху.
На нижние диски установлены упоры поз.5.
В конструкции с большими экран-парусами (для разгрузки значительного усилия, получаемого на оси поз.1) может быть дополнительно использован нижний диск поз.2* с установленным на него упором поз.5 (см. фиг.2б, фиг.4) или гидравлическими цилиндрами торможения. В последнем случае вертикальная ось поз.1 крепится на водиле поз.3  жестко, а экран-паруса как верхний, так и нижний соединяются с вертикальным валом через подшипники качения.
Диски поз. 2 и 2* фиксируются на водиле поз.3 подпружиненными клиновыми шпонками поз.4 (см. фиг. 2а, 2б, фиг.3, фиг.4).
На крестовине поз. 16 устанавливается приводная шестерня поз.14 и токосъемное устройство поз.13 для управления электромагнитами.
На диски, как на верхние – поз.2, так и на нижние– поз.2 шарнирно устанавливаются гидравлические цилиндры торможения поз.10.
Гидравлические цилиндры торможения могут быть выполнены либо с емкостью для компенсации жидкости (масла) при работе (см. фиг.5), либо с двухсторонним штоком (см. фиг.6), в обоих вариантах конструкций гидравлических цилиндров торможения рабочая жидкость повышенного давления запирается в замкнутом пространстве между поршнем и выступающей частью фланцев и не воздействует на уплотнение штока.
Штоки гидравлических цилиндров соединены шарнирно с экран-парусами поз.7.
Экран-паруса поз.7, поз. 8 выполнены с возможностью совершения вращательных движений относительно вертикальной оси под действием потока ветра в пределах конечных точек, ограниченных ходом гидравлического цилиндра, обеспечивающего при этом плавное торможение.
Экран-паруса поз.7, поз. 8 изготовляются из легких и прочных материалов и могут иметь сборно-разборный каркас.
На крестовине поз.16 установлена приводная шестерня поз.14, с которой на редуктор (автоматическую коробку передач) передается крутящий момент. На крестовине поз.16  устанавливается устройство для подачи электроэнергии на электромагниты поз.13 фиг.2а с токосъемными кольцами поз.6 и 11 (фиг. 2а, 2б).
Устройство с токосъемными кольцами может быть расположено как на верхней, так и на нижней площадке крестовины, это зависит от конструктивного расположения редуктора с генератором выше или ниже крестовины.
Возможен вариант конструкции ветроустановки -  на ней можно установить механизм изменения длины водил и выполнить водила телескопическими. При этом устройстве вкупе с автоматической коробкой передач (редуктором), управляемые искусственным интеллектом, можно получить оптимальные и максимальные показатели использования ветроустановки при различных изменяющихся по скорости потоков ветра.
Вместо гидравлического цилиндра торможения можно использовать и другие конструкции, например, подпружиненные упоры  или  конструкцию обгонной муфты и т.д., но все равно плавности и бесшумности можно добиться,  только используя  гидравлический цилиндр торможения.
РАБОТА ВЕТРОУСТАНОВКИ.
Предлагаемая конструкция предусматривает только способ преобразования ветроустановкой нагрузки в крутящий момент на ее приводе.  Крутящий момент может передаваться, например, на редуктор с генератором (автоматическую коробку передач – прототип автомобильной).
Все экран-паруса перед монтажем балансируются, чтобы вес левой и правой частей относительно оси поз.1 были уравновешены с помощью противовесов поз.9 (фиг.2а, 2б).
Как видно из фиг. 1, при определенном положении упоров  поз. 5 на дисках поз. 2 и 2* экран-парус под воздействием потока ветра любого направления будет вращать водила поз. 3 ветроустановки в одном направлении.
Гидравлический цилиндр торможения поз.10 плавно останавливает экран-паруса (верхний поз. 7 и нижний поз.8) в определенной точке относительно диска.
Торможение вращения экран-паруса относительно оси п.1 гидравлическим цилиндром торможения поз.10 должно быть таким, чтобы создать дополнительный крутящий момент на водиле поз.3.
Поскольку верхний поз. 7 и нижний поз.8 экран-паруса закреплены жестко на одной оси поз.1, то гидравлический цилиндр торможения поз.10 управляет остановкой обоих экран-парусов.
Так, если местоположение водил  на Фиг.1 отобразим относительно циферблата часов, то в районе 9-8-7-6-5 часов торможение экран-паруса начинается, например, от 20 градусов между водилом и экран-парусом и до положения водила к 3 часам этот угол составил бы 5 градусов, где произойдет полное торможение экран-паруса относительно водила.
При проходе района 1-12-11-10 часового положения водила происходит свободное  вращение экран-паруса под воздействием потока ветра вокруг оси до угла, например,  в 100 градусов относительно водила до полной остановки с торможением до угла, например, 110 градусов  между экран-парусом и водилом.
Такое торможение и остановка экран-парусов относительно водила создает дополнительный крутящий момент на приводе ветряка.
Предлагается два варианта конструкции гидроцилиндров торможения.
Первый – (см. Фиг.5) с емкостью для компенсации жидкости (масла) при работе гидравлического цилиндра, а второй (см. Фиг.6) - с двухсторонним штоком.
Работа обоих вариантов гидроцилиндра торможения аналогична.
В крайних положениях поршня поз.18 поток масла плавно перекрывается в полости К и В. При перемещении поршня в обратном направлении (например - вправо), масло из полости Д через каналы С открывает резиновый клапан поз.20 и попадает в полость К. Поршень перемещается до следующего крайнего положения и также плавно останавливается, благодаря лыскам поз.22 в поршне поз. 18.
Конструкции гидроцилиндров выполнены так, чтобы масло не могло вытекать из всех полостей при монтаже ветроустановки.
Давление масла создается в закрытых полостях К и Д между поршнем и выступающей частью фланца гидравлического цилиндра, поэтому уплотнение штока работает в благоприятных условиях с малым воздействием давления масла (рабочей жидкости).
Такая конструкция гидравлического цилиндра торможения дает большую гарантию на его долговечную работу.
Для принудительной остановки ветроустановки и при превышении расчетной для ветроустановки скорости ветра предусмотрено устройство (см. фиг. 2а, фиг.2б).
При срабатывании электромагнита поз.6 фиксаторы поз.4 выходят из зацепления с дисками поз.2 и 2* и удерживаются в этом положении запорным механизмом поз.17. При этом все экран-паруса поз.7 и поз.8 встают в положение флюгера и вращение ветроустановки прекращается.
Чтобы возобновить работу ветроустановки,  включается  электромагнит поз.11, тем самым отключая запорный механизм поз.17 и под воздействием  пружины поз.12 (см. Фиг.3, Фиг.4) фиксаторы поз.4 упираются в диски поз.2 и 2*, а для того чтобы они зафиксировали диски, включается генератор в режиме электродвигателя и через редуктор осуществляет поворот всех водил до фиксации дисков.
Ветроустановка готова к работе.
Из приведенного выше описания заявленного технического решения и сравнения его с другими видами ветроустановок для каждого специалиста  в данной области очевидна возможность его реализации, что позволяет считать его соответствующим условию патентования и критерию "промышленная применимость".