ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND MILL POWER GENERATING UNIT

Изобретение относится к области использования возобновляющихся источников энергии, а именно ветровой энергии, и преобразования его в другие виды, преимущественно в электрическую энергию.
Известна ветроэнергетическая установка [Цыбульников С.И. Ветроэнергетическая установка. RU, патент №2125182, кл. F03D 5/04. 20.01.99 г., бюл. №2] с использованием основного рабочего элемента в виде паруса, установленного на платформе, а платформы соединены, в свою очередь, в состав, начало и конец которого соединены вместе, то есть образуют кольцо. Состав устанавливается на соответствующий размерам платформ круговой путь. Парус имеет наибольший коэффициент использования ветровой энергии. Мощность, развиваемая установкой, отбирается от вала колес платформы.
Недостаток указанной ветроэнергетической установки заключается в механической (ручной) первоначальной установке ориентации паруса в зависимости от направления ветра и ручной корректировки его положения при изменении направления ветра. Кроме того, ориентация паруса меняется синхронно на всем протяжении времени прохода платформы по кольцевому пути. За это время парус делает полуоборот (180°) вокруг своей оси (стойки). Такое изменение ориентации лопасти (паруса) на подавляющем отрезке прохождения платформы по кольцевому пути не обеспечивает эффективного отбора энергии ветра.
Известен также ветродвигатель [Алиев А.С. Ветродвигатель Алиева. RU, патент №2224135. кл. F03D 5/00 от 05.05.2002 г.], который по своим конструктивным признакам может быть указан в качестве прототипа предлагаемого преобразователя энергии.
Прототип содержит круговую дорогу, платформу, стойку, лопасть, флюгер, узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти.
Платформы вращаются вокруг вертикального центрального вала, от которого движение передается электрогенератору или водяному насосу.
К недостаткам прототипа относится сложность конструкции узла изменения ориентации и фиксации лопасти, что затрудняет его применение.
Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции и снижение себестоимости ветроэнергетической установки.
Сущность предложенного технического решения заключается в разработке принципиально новой конструкции преобразователя энергии ветра. Техническая задача решается в ветроэнергетической установке, содержащей вертикальную стойку с центральным валом, кинематически связанным через мультипликатор с электрогенератором, вращающиеся платформы с плоскими лопастями, взаимодействующими с коническим флюгером, узел изменения ориентации лопастей, центральный узел синхронизации скорости вращения и узел фиксации углового положения конического флюгера, на вертикальной стойке установлена втулка флюгера, размещенного по центру установки, в корневой части которой неподвижно установлены соосные центральная коническая шестерня и сегментная шестерня, взаимодействующие, соответственно, с ведомыми коническими шестернями, установленными на внутренних концах радиальных валов, передающих вращение на ведомые периферийные конические шестерни, неподвижно установленные на втулке лопасти.
Узел изменения ориентации лопастей может быть образован сегментной шестерней, первой ведомой конической шестерней, установленной на обойме соответствующей обгонной муфты, неподвижно размещенной на внутреннем наконечнике соответствующего радиального вала, и входящей в сцепление с центральной конической шестерней, и второй ведомой шестерней, взаимодействующей с двумя участками сегментных конических шестерен, при этом сегментная шестерня выполнена в виде цилиндрического кольца с двумя участками сегментных конических шестерен.
Узел изменения ориентации лопастей может также быть образован выполненной цилиндрической сегментной шестерней, взаимодействующей с радиальным валом через ведомую цилиндрическую шестерню и третью пару конических шестерен, при этом центральная коническая шестерня взаимодействует с радиальным валом через обгонную муфту.
Узел синхронизации скорости вращения содержит втулку с наклонным пазами, на которой неподвижно закреплены центральная коническая шестерня и сегментная шестерня в виде цилиндрического кольца с двумя участками сегментных конических шестерен, а также установлено передвижное кольцо с двумя пальцами, внутренние наконечники которых взаимодействуют с наклонными пазами втулки и продольными пазами во втулке флюгера, а внешние наконечники пальцев через тросы связаны с коническим флюгером, установленным на горизонтальном рычаге с возможностью продольного смещения, при этом на втулке флюгера установлены опорное кольцо и цилиндрическая пружина, взаимодействующая через передвижное кольцо с пальцами и тросы с коническим флюгером.
Узел фиксации углового положения конического флюгера содержит плоский флюгер с двухсторонними рычагами, установленными с возможностью поворота на горизонтальном рычаге конического флюгера и взаимодействующими через выдвижные толкатели с верхней и нижней шлицевыми полумуфтами, при этом верхняя полумуфта установлена на втулке флюгера с возможностью продольного перемещения, а нижняя неподвижно закреплена на верхнем торце вертикальной стойки.
Плоская лопасть имеет относительно стойки лопасти ассиметричную площадь и установлена на периферийной конической шестерне с возможностью относительного углового поворота, при этом на верхнем конце стойки лопасти установлена пружина закрутки, фиксирующая угловое положение лопасти относительно ведомой периферийной конической шестерни.
На фиг.1 представлен вид сверху на ветроэнергетическую установку, где:
1 - вертикальная стойка;
2 - втулка флюгера;
3 - горизонтальный рычаг флюгера;
4 - конический флюгер;
5 - радиальные валы;
6 - плоские лопасти;
7 - центральная коническая шестерня;
8 - первые ведомые центральные конические шестерни;
9 - стакан сегментной конической шестерни;
10 - участки сегментной конической шестерни;
11 - вторые ведомые конические шестерни;
12 - ограничительное кольцо.
На фиг.2 представлена конструкция центрального узла ветроэнергетической установки, где:
позиции 1-11 те же, что на фиг.1;
13 - центральный вал;
14 - центральная платформа;
15, 16 - первый и второй радиальные рычаги;
17 - ведущая и ведомая выходная коническая пара шестерен;
18 - мультипликатор;
19 - электрогенератор;
20, 21 - нижняя и верхняя шлицевые полумуфты;
22 - выдвижные талкатели;
23 - пружины;
24 - двухсторонние рычаги;
25 - плоский флюгер;
26 - блочки;
27 - тросы;
28 - пальцы;
29 - кольцо передвижное;
30 - втулка с наклонными пазами;
31 - пружина цилиндрическая;
32 - кольцо опорное;
33, 34 - ступица и обойма обгонной муфты;
35 - подшипник;
36 - кронштейн.
На фиг.3 представлена конструкция периферийного узла установки лопасти, где:
позиции 5-15 те же, что на фиг.2;
37 - кронштейн второй;
38 - платформа лопасти;
39 - подшипник;
40 - стойка лопасти;
41 - втулка лопасти;
42 - лопасть;
43 - пружина закрутки;
44, 45 - ведущая и ведомая периферийные конические шестерни;
46 - вилка;
47 - колесо.
На фиг.4 представлен вид А по фиг.3 конструкции узла установки лопасти, где:
позиции 14-47 те же, что на фиг.3;
48, 49 - верхняя и нижняя сцепки.
На фиг.5-7 представлена предлагаемая установка.
Принцип работы ветроэнергетической установки, представленной на фиг.1-4, заключается в следующем.
Вертикальная стойка 1 монтируется неподвижно в землю и на ней устанавливается центральный узел установки (фиг.2).
На стойке неподвижно устанавливается опорное кольцо 32 и над ней установлены опорный подшипник 35 и центральный вал 13 с возможностью свободного вращения.
На стойке установлена втулка флюгера 2 с возможностью свободного вращения.
Верхний конец втулки 2 неподвижно связан с горизонтальным рычагом 3. Конический (или пирамидальный) флюгер 4 установлен на горизонтальном рычаге с возможностью свободного продольного смещения до ограничительного кольца 12.
На нижнем конце втулки 2 установлена втулка с наклонным пазом 30, неподвижно связанная с ведомой центральной конической шестерней 7, концентрично последней шестерни устанавливается неподвижно связанный с ней стакан 9 с двумя сегментными частями конической шестерни 10.
В сцепление с центральной конической шестерней входят шесть первых ведомых центральных конических шестерни 8. Они установлены эквидистантно друг от друга (через 60°) на внутренних концах радиальных валов 5.
Вторые ведомые конические шестерни 11 также неподвижно установлены на внутренних концах радиальных валов 5 и периодически (через каждый полупериод) входят в сцепление с двумя сегментными участками конической шестерни 10, закрепленными на торцевой части стакана 9. Коэффициент передачи вторых конических шестерен 11 с сегментными частями 10 должен быть на порядок больше, чем коэффициент передачи центральной шестерни 7 с первыми ведомыми шестернями 8. Для этой цели диаметр делительной окружности вторых конических шестерен выбирается минимальным, а уровень установки участков сегментных шестерен 10 должен быть выше уровня центральной конической шестерни 7. Центр диаметрально противоположно установленных участков сегментных шестерен 10 совпадает с направлением горизонтального рычага флюгера, т.е. с направлением ветра.
Радиальные валы 5 передают вращение от центральной конической шестерни на ведомую периферийную коническую шестерню 45 и сохраняют постоянную ориентацию плоских лопастей 6 на всем протяжении активного и пассивного участков траектории их вращения.
При этом взаимодействие участков сегментных конических шестерен 10 со вторыми ведомыми коническими шестернями 11 приводит к ускоренному принудительному изменению ориентации плоских лопастей на 90° через каждый полупериод их вращения вокруг центрального узла.
Изменение направления ветра приводит к изменению ориентации конического флюгера и связанных с ним сегментных участков конических шестерен 10.
Направление рычага 3 конической шестерни делит окружность, по которой вращаются плоские лопасти, на две части - активную, где лопасти ориентируются перпендикулярно направлению ветра (на фиг.1 правая часть), и пассивную, где лопасти ориентируются вдоль направлению ветра. Давление ветра на лопасти на активном участке создает положительный момент, приводящий к вращению центрального вала 13 установки против часовой стрелки (см.фиг.2).
Вращение центрального вала через ведущую и ведомую конические шестерни 17 передается на мультипликатор 18. Мультипликатор служит для повышения скорости вращения центрального вала до номинальной скорости вращения электрогенератора 19, установленного на его выходе.
Первый 14 и второй 15 радиальные рычаги придают узлу установки лопасти (фиг.3) вертикальное положение. Для этой же цели используются верхняя 48 и нижняя 49 сцепки, образующие второй треугольник (см. фиг.4). Два треугольника, расположенных под прямым углом, придают стойке лопасти 40 вертикальное положение.
Для повышения надежности работы установки и уменьшения габаритов конического флюгера введен узел фиксации углового положения конического флюгера.
Этот узел устанавливается на верхнем конце вертикальной стойки 1.
Нижняя шлицевая полумуфта 20 неподвижно закрепляется на верхнем торце стойки 1. Верхняя шлицевая полумуфта 21 поднимается и опускается с помощью шарнирно закрепленных выдвижных толкателей 22. Пружины 23 обеспечивают сцепление шлицевых полумуфт 20 и 21 друг с другом. Палец верхней полумуфты смещается по пазу втулки флюгера 2 и обеспечивает ей только продольное перемещение.
На горизонтальном рычаге конического флюгера 3 установлен плоский флюгер 25 с возможностью поворота вокруг него.
С двух сторон плоского флюгера 25 неподвижно установлены рычаги 24, которые взаимодействуют с выдвижными толкателями 22.
При изменении направления ветра боковое составляющее давления ветра на плоский флюгер отклоняет его от вертикального положения. При этом двухсторонние рычаги 24 давят на выдвижные толкатели 22 с той или другой стороны.
Выдвижные толкатели выводят из сцепления шлицевые полумуфты и поднимают полумуфту 21 вверх.
После этого конический флюгер изменяет свою ориентацию, рычаг 3 и связанный с ним плоский флюгер 25 устанавливается вдоль направления ветра. При этом плоский флюгер принимает вертикальное положение и выдвижные толкатели 22 вводят в сцепление шлицевые полумуфты и фиксируют неподвижное угловое положение конического флюгера.
Для синхронизации скорости вращения центрального вала и следовательно электрогенератора введен узел синхронизации.
Узел синхронизации содержит втулку с наклонными пазами 30, которая неподвижно связана с соосными центральной конической шестерней 7 и стаканом 9, на котором с диаметрально противоположных сторон установлены участки сегментной конической шестерни 10.
Втулка 30 имеет наклонные пазы с двух сторон, по которым перемещаются пальцы 28.
Пальцы неподвижно закреплены в передвижном кольце 29, установленном на втулке 30 с возможностью продольного смещения вверх-вниз. Для этой цели во втулке флюгера 2 проточены продольные пазы, по которым перемещаются вверх-вниз внешние наконечники пальцев, связанные с помощью тросов 27 с коническим флюгером 4.
Тросы перекинуты через блочки 26, шарнирно установленные на верхнем конце втулки флюгера 2 симметрично с двух сторон. На втулке с наклонными пазами 30 установлена цилиндрическая пружина 31, которая одним концом опирается в передвижное кольцо 29 с пальцами 28, а другим концом - в опорное кольцо 32. Опорное кольцо с фиксирующим болтом неподвижно установлено на втулке флюгера 2.
Цилиндрическая пружина 31 давит на передвижное кольцо 29 и с помощью тросов 27 прижимает конический флюгер 2 к ограничительному кольцу 12. При этом втулка с наклонными пазами ориентирует участки сегментных конических шестерен 10 вдоль направления ветра, т.е. вдоль горизонтального рычага флюгера 3. Этому положению сегментных конических шестерен соответствует номинальная скорость ветра.
С ростом скорости ветра конический флюгер перемещается по горизонтальному рычагу и тянет за собою тросы и передвижное кольцо 29 вверх. Это приводит к повороту втулки с наклонными пазами 30 и связанных с ней центральной конической шестерни 7 и двух участков сегментной конической шестерни 10 относительно направления горизонтального рычага 3, т.е. направления ветра. Величина поворота определяется жесткостью цилиндрической пружины 31 и приращением скорости ветра.
Указанный поворот центральной конической шестерни и связанных с ней участков сегментной конической шестерни приведет к тому, что граница раздела активного и пассивного участков траектории вращения плоских лопастей вокруг центрального узла сместится на такой же угол. Это, в свою очередь, приведет к раннему (или позднему) изменению ориентации плоских лопастей 6 относительно направления ветра. Вследствие изменения фазы переключения ориентации лопастей возникает тормозящий момент, снижающий скорость вращения центрального вала, а следовательно, и электрогенератора. Подбирая параметры конического (или пирамидального) флюгера, а также параметры цилиндрической пружины 31 (длину и жесткость), а также длину и угол наклона паза втулки 30, возможно в широких пределах изменения скорости ветра синхронизировать скорость вращения электрогенератора.
Радиальные валы 5 шарнирно крепятся к центральной платформе с помощью кронштейнов 36. На внутреннем конце каждого радиального вала неподвижно установлена ступица 33 соответствующей обгонной муфты. Обойма 34 каждой муфты неподвижно связана с соответствующей первой ведомой центральной конической шестерней 8. На каждом радиальном валу также неподвижно установлена вторая ведомая коническая шестерня 11, периодически (дважды за период вращения) входящая в сцепление с частями сегментных конических шестерен.
Центральная платформа 14 неподвижно связана с центральным валом и с помощью первого и второго радиальных рычагов с периферийными узлами установки плоских лопастей (см. фиг.3).
Узел установки плоской лопасти 42, представленный на фиг.3 и фиг.4, содержит платформу лопасти 38, которая должна находиться в горизонтальном положении. Перпендикулярно к платформе крепится стойка лопасти 40, которая должна сохранить при вращении вертикальное положение. Для этой цели используются первый 15 и второй 16 радиальные рычаги, образующие вместе с вилкой 46 крепления колеса 47 жесткий прямоугольный треугольник.
Второй такой же жесткий прямоугольный треугольник образует вилка 46 с верхним 48 и нижним 49 сцепками. Так как угол между указанными треугольниками равен приблизительно 90°, то стойка лопасти 40 принимает вертикальное положение.
Над радиально-упорным подшипником 39 устанавливается втулка лопасти 41, с возможностью свободного вращения вокруг стойки 40.
На нижнем конце втулки лопасти неподвижно установлена ведомая периферийная коническая шестерня 45. Указанная шестерня находится в сцеплении в ведущей периферийной шестерни 44, установленной на конце радиального вала 5. Шарнирное крепление вала к платформе лопасти 38 осуществляется с помощью второго кронштейна 37.
Вилка 46 установки колеса 47 крепится к платформе лопасти 38 под прямым углом неподвижно. Крепление колеса может быть выполнено анологично велосипедному.
Как второй вариант синхронизации скорости вращения центрального вала установки может быть использована ассиметричная конструкция плоской лопасти 42 (см. фиг.3). Пружина раскрутки 43 прижимает ассиметричную лопасть при номинальной скорости ветра к упору, установленному на ведомой периферийной шестерне 45 (на фиг.3 не показан). С ростом скорости ветра из-за разности давлений на две несимметричные половины лопасти лопасть становится под углом к направлению ветра.
Чем больше скорость ветра, тем меньше эффективная площадь лопасти. Подбирая жесткость пружины, возможно регулировать пределы изменения эффективной площади лопасти.
Уменьшение эффективной площади лопасти приводит к уменьшению момента вращения на центральном валу, а следовательно, и скорости вращения электрогенератора. В качестве плоской лопасти может быть использован парус.
Преобразователь энергии текучей среды может найти применение для выработки тепловой энергии (обогрев помещений, нагрев воды), механической энергии (отбор энергии с приводного вала для привода механического оборудования, например, мельницы или насоса) в отдаленных и изолированных местах, где отсутствует централизованное отопление.
Такие установки необходимы пограничникам, фермерам, охотникам, туристам, рыбакам, чабанам и т.д.