ВЕТРОСИЛОВОЙ ПРИВОД

Предлагаемая полезная модель относится к области ветроэнергетики.
Назначение работы ветросилового привода состоит в выработке энергии, принимаемой лопастями, с последующей ее передачей в виде крутящего момента посредством приводного вала на полезную нагрузку.
Для снижения низкочастотных паразитных колебаний, которые отрицательно сказываются на психофизическом состоянии людей, используют конструкции приводов с вертикальным расположением приводного вала. Для того чтобы происходило вращение приводного вала, одно плечо вала, образуемое лопастями справа или слева от него, должно быть рабочим, то есть находиться в зоне отбора, а другое - не должно тормозить процесс вращения вала, то есть находиться в зоне ожидания.
Известен ветросиловой привод карусельного типа (RU 2365782, 27.08.2009 г.) с вертикальным расположением приводного вала с горизонтально расположенными валами с жестко закрепленными на них лопастями, при этом оси горизонтальных валов смещены относительно друг друга в горизонтальной плоскости на угол 60 градусов.
Наличие смещенных в пространстве горизонтальных валов с лопастями позволяет конструкции привода находиться в рабочем режиме при любом направлении ветра. Однако зоной отбора является только одно плечо ветропривода - справа или слева от оси привода, второе плечо при этом тормозит движение лопастей и рабочим не является, вследствие чего снижается коэффициент полноты отбора ветрового потока. Также конструкция данного ветросилового привода изначально направлена на работу при больших скоростях ветра, что также приводит к небольшому КПД отбора ветровой энергии.
Известен ветросиловой привод (SU 1372094, 07.02.1998 г.), принятый за ближайший аналог к заявляемому решению, который имеет вертикально расположенный приводной вал с, по меньшей мере, одной совокупностью поворотных лопастей, связанных с устройством поворота лопастей и механизмом воздействия на устройство поворота лопастей. Механизм воздействия на устройство поворота лопастей за один оборот вала дважды меняет положение лопастей, которые принимают вертикальное положение слева от оси вала, то есть перпендикулярно положению ветрового потока, и начинают вращать вал (зона отбора) и горизонтальное положение - справа от оси вала, что минимизирует торможение при вращении вала (зона ожидания). При этом механизм воздействия на устройство поворота лопастей содержит разъемные кулисы, расположенные на уровне ярусов лопастей и имеющие размещенные друг напротив друга выемки и замки, при этом наконечник лопасти снабжен собачкой, взаимодействующей с кулисой, размещенной в ее полости и имеющей хвостовик, который взаимодействует с замками кулисы.
Возможность перехода лопастей из вертикального в горизонтальное положение позволяет воспринимать энергию ветра или воды одним рабочим плечом приводного права при минимальном влиянии второго плеча приводного вала. Однако при любом направлении ветра или воды по-прежнему в каждом ярусе лопастей приводного вала рабочим будет являться только одно плечо, что приводит к невысокому КПД. Также механизм воздействия на устройство поворота лопастей имеет сложную конструкцию, что снижает его надежность и может привести к заклиниванию.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение полноты отбора ветрового (водного) потока - повышение КПД как при небольших скоростях потока, так и при сильном потоке.
Технический результат достигается при использовании ветросилового привода, содержащего приводной вал, на котором расположена совокупность лопастей, включающая втулку с лопастями, образующую вал правого вращения, и втулку с лопастями, образующую вал левого вращения, при этом втулки валов правого и левого вращения имеют реборды, расположенные противоположно друг другу, при контакте с которыми лопасти валов правого и левого вращения находятся в горизонтальном положении.
Под ребордой в данной полезной модели понимается одновитковый выступ, выполненный на втулках валов правого и левого вращений.
Реборды, выполненные на втулках валов правого и левого вращения согласно заявляемому решению выполняют роль блокирующих элементов, которые «разрешают» или «запрещают» нахождение лопастей в вертикальном рабочем положении. При вращении приводного вала кулачок с пружиной входит в контакт с ребордой, что приводит к повороту лопастей в горизонтальное положение, которое сохраняется на протяжении всего прохождения повернутых лопастей вдоль реборды, то есть лопасти при движении вдоль реборды находятся в зоне ожидания и не тормозят вращение приводного вала. После прохождения реборды кулачок выходит из сцепления с ним, при этом происходит обратный разворот лопастей в вертикальное рабочее положение и переход в зону отбора.
Ветросиловой привод может быть расположен вертикально, перпендикулярно относительно поверхности, а также с наклоном относительно вертикальной оси.
Основания лопастей валов правого и левого вращения имеют кулачок, который срабатывает при соприкосновении лопастей с ребордами и обеспечивает поворот лопастей в горизонтальное положение. Кулачок имеет пружину, которая обеспечивает возврат лопастей в вертикальное положение.
Вал правого вращения представляет собой втулку с лопастями, расположенными в вертикальном положении (зона отбора) справа от оси приводного вала. Вал левого вращения представляет собой втулку с лопастями, расположенными в вертикальном положении (зона отбора) слева от оси приводного вала.
Наличие вертикально ориентированного приводного вала с расположенными на нем на втулкой с лопастями, образующей вал правого вращения, и втулкой с лопастями, образующей вал левого вращения, выполнение на указанных втулках реборд, расположенных противоположно друг другу, при контакте с которыми лопасти валов правого и левого вращения находятся в горизонтальном положении, обеспечивают поворот лопастей в вертикальное (зона отбора) и горизонтальное положение (зона ожидания) одновременно на валах правого и левого вращения, что позволяет задействовать одновременно одно плечо вала правого вращения и одно плечо вала левого вращения и, таким образом, получить задействованными оба плеча ярусов валов с лопастям, что в итоге повышает полноту отбора ветрового (водного) потока, то есть КПД приводного вала.
Предложенная полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1 - Общий вид привода.
Фиг. 2 - Вид привода справа.
Фиг. 3 - Принципиальная кинематическая схема привода.
Корпус 1 устройства выполнен с преимущественно вертикальным расположением приводного вала 2, то есть приводной вал может быть расположен перпендикулярно относительно поверхности либо с наклоном относительно вертикальной оси. На приводном вале 2 расположена, по меньшей мере, одна совокупность лопастей, включающая втулку 3 с лопастями 4, образующую вал правого вращения, а также втулку 5 с лопастями 6, образующими вал левого вращения. Втулка 3 вала правого вращения и втулка 5 вала левого вращения имеют реборды 7 и 8, расположенные противоположно друг другу, при контакте с которыми лопасти 4 и 6 находятся в горизонтальном положении. Основания лопастей 4 и 6 имеют кулачки 9 и 10 с пружинами 11 и 12, которые обеспечивают поворот лопастей 4 и 6 при соприкосновении с соответствующими ребордами 7 и 8 и возврат в исходное положение при отсутствии зацепления с ними. Втулка 3 вала правого вращения и втулка 5 вала левого вращения расположены друг над другом, поэтому расположение реборд 7 и 8 противоположно друг другу исключает столкновение лопастей указанных валов при переходе в вертикальное и горизонтальное положения. Втулка 3 вала правого вращения и втулка 5 вала левого вращения представляют собой зубчатые колеса (не показано), которые входят в зацепление с механизмом промежуточного вала 13, имеющего блок шестерен 14 и 15. Таким образом, полученный крутящий момент на валах 3 и 5 правого и левого вращения синхронизируется между собой и передается на приводной вал 2.
Заявляемый привод работает следующим образом. Лопасть 4 (Фиг. 1), принимая энергию ветра или воды, проворачивает вал 3 вправо, перемещая другие лопасти этого же ротора в этом же направлении. Как только кулачок 9 попадает на пологий участок реборды 7, происходит поворот лопасти 4 благодаря пружине 11, которая всегда прижимает кулачок 9 к реборде 7, заставляя его скользить по ней и повторять ее профиль. При дальнейшем перемещении, кулачок 9 выходит из зацепления с ребордой 7 и благодаря пружине 11 принимает вертикальное положение «отбор». Пройдя некоторое расстояние, выполнив свою задачу по передаче энергии от ветрового потока на вал 3 привода, лопасть 4 вновь встречает на своем пути реборду 7 и кулачок 9 под воздействием профиля реборды 7 переводит лопасть в горизонтальное положение «ожидание» (фиг. 2). То же самое происходит с лопастями 6 вала 5 левого вращения относительно реборды 8.
Для своевременной смены положения лопастей 4 и 6, а также во избежание встречного удара между собой при расхождении и схождении, профиль реборд 7 и 8 выполнен со строго заданной геометрией, точно определяющей моменты поворотов лопастей 4 и 6. Реборды 7 и 8 должны быть расположены по периметру втулок 3 и 5 противоположно друг другу. Реборды 7 и 8 или кулачки 9 и 10 могут иметь плавающее положение, синхронизированное между собой и определяемое исполнительным механизмом на любом принципе: механическом, гидравлическом, электрическом, пневматическом или комбинированным из перечисленных принципов (например, гидроцилиндр, пневмомуфта, гидромуфта, визкомуфта, муфта сцепления с приводом и др.), что дает неограниченные возможности в планах регулировки угла атаки лопастей, момента поворота лопастей при переходе из вертикального в горизонтальное положение и обратно.
Таким образом, каждая лопасть дважды меняет свое положение за один оборот вала, тем самым создавая на валах два участка (зоны): «зону отбора» и «зону ожидания». Совокупность лопастей включает валы правого 3 и левого 5 вращения, поэтому по обе стороны от оси приводного вала 2 всегда находятся зоны отбора мощности, в которых одновременно движутся лопасти в режиме «отбор» и лопасти, движущиеся им на встречу в режиме «ожидание». Положение реборд 7 и 8 обеспечивает своевременное изменение угла атаки лопастей 4 и 6 как между собой, так и относительно потока среды.
На Фиг. 3 показан принцип кинематической связи валов правого 3 и левого 5 вращения на двух ярусах. Сбор моментов сил с правосторонних валов обеспечивают шестерни 14 (первого яруса) и 16 (второго яруса), с левосторонних роторов - шестерни 15 (первого яруса) и 17 (второго яруса) через промежуточный вал 13. Также имеются шестерни синхронизации 18 (первого яруса) и 19 (второго яруса).
В результате предложен привод, в котором оба плеча лопастей по обеим сторонам приводного вала являются рабочими. При этом из-за вертикального расположения валов правого и левого вращения обеспечивается отсутствие паразитных низкочастотных колебаний установок «мельничного типа», что резко снижает психоэмоциональную напряженность в районах установки. За счет очевидного увеличения площади отбора мощности на несколько порядков обеспечивается 2-хкратное увеличение КПД заявляемого привода. Возможность изменения углов атаки вращающихся лопастей дополнительно обеспечивает безопасную работу заявляемого привода при скорости ветра, близкой к ураганной.
Перечисленные выше преимущества позволят также использовать предложенный привод при строительстве бесплотинных гидроэлектростанций, в автономных гидроэнергетических установках различного типа.