ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
WIND-DRIVEN POWER DEVICE

Изобретение относится к области энергетики, а именно к ветроэнергетическим устройствам.
Известен ветродвигатель с вертикальным валом и плоскими лопастями, ориентация которых меняется в зависимости от направления ветра [1].
Для изменения ориентации лопастей используется диск с профильной поверхностью, кинематически связанный с флюгером. Лопасти имеют горизонтальные оси вращения, в корневой части которых установлены катки, которые взаимодействуют с профильной поверхностью диска и изменяют ориентацию лопастей. Лопасти, которые создают положительный момент вращения на вертикальном выходном валу, ориентируются перпендикулярно ветру. Остальные лопасти принимают горизонтальное положение и не препятствуют вращению ветроколеса.
Известный ветродвигатель имеет сложную конструкцию и в нем не предусмотрена синхронизация скорости вращения выходного вала при изменении скорости ветра.
Известен также ветродвигатель, в котором предусмотрена синхронизация скорости вращения выходного вала [2], и который может быть указан в качестве прототипа данного технического решения.
В прототипе высота профильного диска меняется в зависимости от скорости ветра и регулирует эффективную площадь. Чем больше скорость ветра, тем меньше эффективная площадь лопастей. При этом лопасти устанавливаются под углом к горизонтальной плоскости.
Недостатком прототипа является сложность конструкции ветродвигателя, связанная со сложностью конструкции узла взаимодействия флюгера с профильным диском и изменения эффективной площади лопастей.
Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции ветродвигателя и повышение синхронности вращения выходного вала.
Данная техническая задача решается следующим путем.
Ветроэнергетическое устройство содержит вертикальную неподвижную стойку, на которой с возможностью свободного вращения установлен центральный вал, который взаимодействует через пару конических шестерен с электрогенератором, неподвижно связанные с центральным валом два яруса эквидистантно установленных попарно-симметричных горизонтальных рычагов, концы которых шарнирно связаны с не симметричными относительно осей вращения плоскими лопастями, взаимодействующими с односторонними упорами, установленными на соответствующих горизонтальных рычагах, при этом устройство содержит взаимодействующие с центральным валом узлы изменения скорости вращения, выполненные в виде центробежного ползуна, имеющего форму цилиндра и надетого на рычаг с возможностью свободного продольного движения вдоль него.
Центробежный ползун связан с центральным валом пружиной растяжения.
Центробежные ползуны установлены на горизонтальных рычагах верхнего яруса, а на вертикальном валу с возможностью свободного перемещения дополнительно установлен цилиндрический ползун, взаимодействующий через тросы с указанными центробежными ползунами, причем тросы перекинуты через блочки, шарнирно закрепленные с помощью кронштейнов в корневой части соответствующих горизонтальных рычагов.
Односторонние упоры могут быть выполнены в виде подпружиненных выдвижных защелок, язычки которых имеют клиновидную форму.
Односторонние упоры могут быть также выполнены в виде подпружиненных петель, одни половины которых связаны с лопастями, а другие взаимодействуют с соответствующими рычагами.
Односторонние упоры могут быть выполнены в виде подпружиненных петель, установлены на боковых ребрах каждой лопасти, увеличенных по ширине, и взаимодействуют с плоскими пластинами, неподвижно закрепленными на центральном валу между соответствующими верхним и нижним рычагами.
Второй вариант ветроэнергетического устройства содержит взаимодействующие друг с другом вертикальную стойку, центральный вал, ведущую и ведомую конические шестерни и электрогенератор, а также не менее трех ярусов эквидистантных ярусов веерообразных горизонтальных радиальных рычагов, симметрично установленных через равные промежутки, внутренние концы которых неподвижно связаны с центральным валом, а внешние - с вертикальными ребрами жесткости.
При этом, начиная со второго яруса снизу, на всех радиальных рычагах шарнирно установлены с возможностью поворота на 90° плоские лопасти, нижние ребра которых перекрывают частично нижние рычаги. Кроме того, горизонтальные рычаги выполнены полыми, герметичными и наполовину наполнены текучим наполнителем, например жидкостью.
При этом вертикальные ребра жесткости также выполнены полыми и разделены на отдельные камеры, сообщающиеся с соответствующими горизонтальными полыми рычагами, полости которых наполовину заполнены текучим наполнителем.
При этом нижние радиальные рычаги имеют дугообразную форму, радиус кривизны которых определяется зависимостью момента инерции наполнителя от скорости вращения центрального вала.
На фиг.1 представлена конструкция первого варианта ветродвигателя, вид В-В по фиг.2, где:
1 - стойка вертикальная;
2 - опорное кольцо;
3 - радиально-упорный подшипник;
4 - крышка подшипника;
5 - центральный вал;
6 - верхний и нижний горизонтальные рычаги;
7 - лопасть плоская (активная);
8 - оси вращения лопастей;
9 - упоры односторонние;
10 - ползуны центробежные;
11 - первые пружины;
12, 13 - ведущая и ведомая конические шестерни;
14 - электрогенератор с мультипликатором;
15 - подпорка;
16 - подставка;
17 - лопасть пассивная.
На фиг.2 представлен вид сверху на ветроэнергетическое устройство, вид по А-А на фиг.1, где позиции 1-11 те же, что на фиг.1.
На фиг.3 представлена кинематическая схема взаимодействия лопасти с односторонними упорами 9 (фиг.5), установленными на центральном валу.
На фиг.4 представлена конструкция одностороннего упора 9, где:
18 - защелка выдвижная;
19 - язычок;
20 - пружина вторая;
21 - пластина ограничительная.
На фиг.5 представлена конструкция второго варианта одностороннего упора 9 где:
22 - петля;
23 - отклоняющая и не отклоняющая половины петли;
24 - пружина третья.
На фиг.6 представлена конструкция второго варианта выполнения узла синхронизации скорости вращения центрального вала, где:
позиции 1-10 те же, что на фиг.1 и фиг.3;
25 - ползун вертикальный;
26 - тросы;
27 - блочки;
28 - кронштейны.
На фиг.7 представлена конструкция третьего варианта выполнения узла синхронизации скорости вращения центрального вала, где:
позиции 1-2 те же, что на фиг.1;
29 - упоры односторонние;
30, 31 - нижние и верхние полые горизонтальные рычаги;
32 - текучий наполнитель (жидкость);
33 - шарнирные соединения лопастей
На фиг.8 представлена конструкция второго варианта ветроэнергетического устройства, где:
позиции 1-5 те же, что на фиг.1;
34 - нижний полый рычаг;
35 - текучий наполнитель;
36, 37, 38 - второй, третий и четвертый полые горизонтальные рычаги;
39 - вертикальные ребра жесткости;
40 - лопасти висячие;
41 - шарниры.
Принцип работы первого варианта ветроэнергетического устройства, конструкция которого представлена на фиг.1 - 3, заключается в следующем.
Вертикальная стойка 1 неподвижно устанавливается в месте с максимальной скоростью ветра. На стойке неподвижно устанавливается опорное кольцо 2. Над кольцом установлен радиально-упорный подшипник 3. Над крышкой 4 подшипника 3 установлен центральный вал 5 с возможностью свободного вращения вокруг стойки 1. К центральному валу 5 в два яруса эквидистантно и неподвижно прикреплены горизонтальные рычаги 6. Рычаги установлены попарно симметрично относительно центрального вала, через равные промежутки. Угол α между соседними радиальными горизонтальными рычагами равен 360/N, где N - число рычагов в одном ярусе. Рычаги 6 первого и второго ярусов установлены по одной вертикали, и внешние концы их шарнирно соединены с осями вращения 8 плоских лопастей 7. Относительно оси вращения 8 площадь лопасти 7 не симметрична. Разность давления ветра на две несимметричные половины плоской лопасти приводит к его ориентации вдоль направления ветра. Каждая лопасть работает при этом как флюгер. На пассивном участке траектории вращения ветродвигателя лопасти ориентируются, как флюгеры, вдоль направления ветра.
На активном участке вращения лопастей вокруг центрального вала 5, лопасти прижаты к соответствующим верхним и нижним горизонтальным рычагам 6. Причем для обеспечения постоянного направления вращения центрального вала при внезапном изменении направления ветра упоры 9 должны быть односторонними.
Односторонние упоры 9 фиксируют положение лопасти относительно горизонтальных рычагов, когда лопасти находятся относительно рычагов с правой стороны. При этом центральный вал вращается против часовой стрелки (см. фиг.3).
В случае резкого изменения направления ветра лопасть 7 может подходить к рычагам с левой стороны. В этом случае односторонние упоры 9 свободно пропускают лопасти на правую сторону рычагов 6. Положительный момент вращения создают только те лопасти, которые находятся с правой стороны соответствующих рычагов (см. фиг.3).
Односторонние упоры 9 установлены на верхних и нижних горизонтальных рычагах 6 на таком расстоянии от шарнирных соединений лопастей так, чтобы взаимодействовали только с большей половиной несимметричной лопасти. Меньшая половина лопасти предназначена для увеличения общей площади лопасти и она может быть равна нулю. В этом случае одно из боковых ребер прямоугольной лопасти может служить осью его вращения.
2
Односторонние упоры могут быть установлены на центральном валу 5 (см. фиг.2). В этом случае существенно увеличивается ширина лопасти. За счет уменьшения высоты лопасти возможно увеличить радиус смещения центробежных ползунов и момент инерции J=mr.
Верхние и нижние односторонние упоры 9 имеют одинаковую конструкцию и устанавливаются по одной вертикали на соответствующих горизонтальных рычагах (см. фиг.4).
Первая конструкция одностороннего упора 9 состоит из выдвижной защелки 18, язычка 19, которой имеет клиновидную форму и прямоугольное сечение. Цилиндрическая часть защелки 18 имеет осевую цилиндрическую выточку, в которой установлена вторая пружина 20. Под воздействием данной пружины защелка прижимается к ограничительной пластине 21, неподвижно прикрепленной к соответствующему горизонтальному рычагу 6. Ограничительная пластина имеет прямоугольное отверстие, в котором язычок 19 защелки одностороннего упора 9 перемещается вверх-вниз.
Под воздействием нижнего ребра лопасти, который подходит к клиновидному концу язычка 19 с левой стороны, подпружиненная защелка 18 опускается вниз и пропускает лопасть в правую сторону от рычага.
Второй вариант одностороннего упора 9, представленный на фиг.5, выполнен в виде петли 22, состоящей из двух половин, взаимодействующих друг с другом через третью пружину 24. Одна, не отклоняющаяся, половина петли, неподвижно закреплена на верхнем и нижнем краях плоской лопасти 7. Вторая отклоняющая половина петли взаимодействует при его вращении вокруг центрального вала 5 с соответствующим горизонтальным рычагом 6. Третья пружина 24 в свободном состоянии устанавливает обе половины петли 23 в одной плоскости. При взаимодействии отклоняющейся половины петли с горизонтальным рычагом 6 с правой стороны, петля работает как жесткий упор. Лопасть 7 при этом создает положительный момент вращения. Ветроколесо вращается против часовой стрелки. Когда лопасть 7 со связанным с ним односторонним упором, выполненным в виде петли (см. фиг.5), подходит с левой стороны горизонтального рычага 6, петля 22 складывается. Лопасть 7 при этом свободно проходит на левую сторону горизонтального рычага 6.
Таким образом, применение одностороннего упора обеспечивает одностороннее вращение центрального вала ветродвигателя независимо от резких изменений направления ветра.
На нижнем конце центрального вала соосно закреплена ведущая коническая шестерня 12, входящая в зацепление с ведомой конической шестерней 13. Ведомая шестерня установлена на общем выходном валу с мультипликатором, на выходе которого установлен электрогенератор 14 (мультипликатор на фиг.1 не указан).
Для синхронизации скорости вращения центрального вала 5, следовательно, и электрогенератора 14 используется узел синхронизации скорости вращения. Этот узел включает в себя ползуны центробежные 10, имеющие форму цилиндра. По оси цилиндры проточены и надеты на горизонтальные рычаги с возможностью свободного продольного смещения. Первые пружины 11, работающие на растяжение, связывают центральный вал 5 с центробежными ползунами 10.
При малых скоростях вращения центрального вала ползуны находятся на минимальном расстоянии от него. С повышением скорости вращения вала при увеличении скорости ветра из-за центробежных сил ползуны расходятся по горизонтальным рычагам, растягивая пружины 11. Чем меньше жесткость пружины, тем больше радиус смещения ползунов.
2
Момент количества движения L ползуна 10 относительно оси вращения равен произведению момента инерции J на угловую скорость ωL=Jω=ωmr.
2
Согласно закону сохранения момента количества движения относительно оси вращения, если результирующий момент вращения ползунов 10 относительно оси вращения равен нулю, то момент количества движения ползунов относительно оси вращения остается неизменным L=JW=ωmr=const.
С увеличением радиуса вращения грузов r, угловая скорость вращения ω уменьшается (см. К.А.Путилов. Курс физики, том 1, г.Москва, «Физматиздат», 1962 г., с.150-154).
Таким образом, синхронизируется скорость вращения центрального вала ветродвигателя, а следовательно, и скорость вращения электрогенератора 14.
На фиг.6 представлен второй вариант конструкции узла синхронизирующего скорости вращения. В данной конструкции на рычагах 6 верхнего яруса устанавливаются одинаковые по весу и габаритам цилиндрические ползуны 10. В корневой части рычагов с помощью кронштейнов 28 шарнирно установлены блочки 27. На вертикальном центральном валу 5 установлен более массивный вертикальный ползун цилиндрической формы 25 с возможностью свободного поступательного движения (вверх-вниз). С помощью тросов 26, перекинутых через блочки 27, центробежные ползуны 10 связаны с вертикальным ползуном 25. Вес вертикального ползуна 25 и центробежных ползунов подбирается так, чтобы момент инерции J ползунов 10 менялся в широких пределах и синхронизировал угловую скорость ω вращения центрального вала. В данном случае применяется второй вариант конструкции одностороннего упора 9 (фиг.5), чтобы обеспечить наибольший радиус горизонтального перемещения (r) центробежных ползунов. При этом существенно упрощается конструкция узла синхронизации скорости. Отпадает необходимость в подборе пружин одинаковой жесткости и симметричной их установки относительно оси вращения.
На фиг.7 представлен третий вариант выполнения узла синхронизации скорости вращения. В данном варианте конструкции горизонтальные рычаги выполнены полыми и концы их герметично закрыты. Герметичную полость верхних и нижних рычагов заливается текучей средой, например, саморастекающейся жидкостью или металлическими шариками. При этом объем, занимаемый заполняющей средой (жидкостью или шариками), должен быть менее половины объема внутренних полостей горизонтальных рычагов.
Под воздействием центробежных сил жидкость (или шарики) вытесняются к периферии. При этом момент инерции J возрастает, а угловая скорость вращения ω уменьшается. При этом варианте узла синхронизации скорости вращения может быть использован любой из двух вариантов конструкции одностороннего упора 9 (см. фиг.4 и 5).
На фиг.8 представлен второй вариант конструкции ветроэнергетического устройства. Данный вариант в части установки центрального вала 5, связи его через конические шестерни с электрогенератором полностью повторяет конструкцию первого варианта. По этой причине приводим описание только отличительных признаков конструкции второго варианта.
Центральный вал 5, как и в первом варианте ветроэнергетического устройства, установлен на вертикальной неподвижной стойке 1 с возможностью свободного вращения. С центральным вертикальным валом 5 неподвижно связано N-e количество ярусов горизонтальных рычагов. На фиг.8 представлены четыре яруса 34, 36, 37, 38. Они закреплены на одинаковом расстоянии друг от друга. В каждом ярусе М-е количество пар симметричных горизонтальных рычагов, сдвинутых относительно друг друга на угол α=360°/М. На фиг.2 три пары рычагов сдвинуты относительно друг друга на 120°.
Горизонтальные рычаги всех ярусов находятся по одной вертикали один под другим. Внешние наконечники рычагов связаны друг с другом ребрами жесткости и могут быть выполнены полыми. Внутренние полости их разделены на отдельные секции. Каждая секция сообщается с внутренней полостью соответствующего горизонтального рычага. В верхней части каждой секции должно быть предусмотрено отверстие для прохода воздуха. В этом случае под действием центробежных сил жидкость или шары при вращении выталкиваются в вертикальные накопители, увеличивая инерционность накопителя, и тем самым уменьшают скорость вращения ветроколеса.
Каркас из горизонтальных рычагов и вертикальных ребер жесткости образует конструкцию, подобную «беличьему колесу».
На каждом горизонтальном рычаге, начиная со второго 36, с помощью шарниров 41 устанавливаются (подвешиваются) плоские лопасти, с возможностью свободного поворота на 90°. Нижними концами лопасти частично перекрывают нижние рычаги. Лопасти должны быть легкими. В этом случае правая половина подвешенных лопастей создает положительный момент вращения на центральном валу 5, который крутится против часовой стрелки. Лопасти, подвешенные с левой стороны, встречным потоком ветра поднимаются вверх на 90° и не препятствуют вращению ветроколеса.
Оба варианта ветроэнергетической установки имеют следующие преимущества по сравнению с прототипом:
а) нет необходимости во флюгере;
б) предусмотрена автоматическая синхронизация скорости вращения электрогенератора;
г) существенно упрощается конструкция;
д) снижается вес и себестоимость, сокращается срок окупаемости ветроэнергетического устройства.
Ветроэнергетическое устройство может быть использовано также для преобразования энергии реки. В этом случае генератор должен быть установлен на верхнем конце стойки, установленной неподвижно на понтоне, обеспечивающем положительную плавучесть всему устройству в целом. Понтон, в свою очередь, устанавливается на неподвижной стойке с возможностью подъема и опускания при изменении уровня реки.
Речной вариант устройства может быть использован для привода водяного насоса при подъеме воды для орошения.
Ветроэнергетическое устройство может быть использовано фермерами, пограничниками, охотниками там, где нет централизованного электроснабжения.
Источники информации
1. Алиев А.С., Челябов И.М., Чумаков С.А. Устройство для преобразования энергии текучей среды. Патент RU 4897566, F03L 3/00, 1990.
2. Алиев А.С. Ветродвигатель. Патент RU 4915384, F03D 3/00, 1993.