УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к колебательным устройствам для преобразования возобновляемой энергии и может быть использована в области энергетики для получения энергии от набегающего потока воздуха.
Уровень техники
Известно устройство для преобразования энергии потока текучей среды в полезную работу, содержащее совокупность соединенных между собой лопастей, связанных с преобразователем энергии (патент РФ №2037641, 1991 г., МКИ F03B 13/00, F03B 17/06, F03D 5/06). Недостатком устройства является сложность конструкции, невысокая надежность и невысокая эффективность.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является устройство для преобразования возобновляемой энергии, содержащее раму, лопасть, установленный на раме кривошипно-шатунный механизм, вал которого шарнирно связан шатуном и соединительным звеном с рамой, причем лопасть жестко закреплена на шатуне, а соединительное звено выполнено в виде качалки, один конец которой шарнирно связан с рамой, а другой конец шарнирно связан с шатуном (патент РФ №2293212, 2005 г., МПК F03D 5/00).
Недостатком этого устройства является невысокая надежность и низкая эффективность из-за того, что траектории всех точек звена, несущего лопасть, содержат возвратные точки, в которых абсолютная скорость обращается в ноль, соответственно, на каждом цикле движения есть фазы торможения звена, несущего лопасть, что не только сопровождается нежелательными ударными эффектами, но и снижает энергетическую эффективность установки, так как для каждого следующего цикла необходим повторный разгон звена.
Технической проблемой, решаемой посредством заявляемой полезной модели, является необходимость преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипа, за счет создания устройства, обеспечивающего возможность надежной эксплуатации и стабильной эффективности.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении снижения гироскопических нагрузок при эксплуатации устройства, устранении нежелательных эффектов, связанных с наличием возвратных точек траектории центра лопасти прототипа.
Поставленная задача решается тем, что устройство для преобразования возобновляемой энергии содержит раму, к которой закреплен кривошипно-шатунный механизм, включающий шатун, вал кривошипа, установленный с возможностью вращения шарнирно соединенный с шатуном, лопасть, закрепленную в середине шатуна, соединительное звено, закрепленное с одной стороны к раме с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения вала кривошипа, а с другой стороны - к шатуну, при этом длина соединительного звена равна длине кривошипа, расстояние между осями вращения вала и соединительного звена равно длине шатуна, а лопасть выполнена симметричной, согласно техническому решению, лопасть жестко закреплена к шатуну, при этом ее плоскость ориентирована параллельно шатуну. Такое выполнение устройства, при котором соединительное звено закреплено к раме с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения вала, а длины соединительного звена и кривошипа равны, и расстояние между осями вращения вала и соединительного звена равно длине шатуна, соответствует механизму антипараллелограмма. При этом траектории срединных точек шатуна представляют собой лемнискатоиды, соответственно, траектория движения лопасти не содержат возвратных точек, что способствует повышению надежности и эффективности устройства, а также обеспечивает отсутствие необходимости торможения звена в определенной точке каждого цикла.
Дополнительное увеличение надежности устройства достигается также за счет того, что кривошип и соединительное звено вращаются в противоположных направлениях. Поэтому при равных моментах инерции кривошипного вала и соединительного звена относительно соответствующих осей вращения средний кинетический момент системы остается нулевым, что способствует значительному снижению гироскопических нагрузок на конструкцию (например, при повороте рамы в пространстве для ориентации устройства на ветер, а также при размещении устройства на подвижной платформе).
Максимальная эффективность устройства достигается при выполнении лопасти симметричной и ее расположении на равном расстоянии от точек соединения шатуна с кривошипом и соединительным звеном, что подтверждено математическим моделированием.
Краткое описание чертежей
Сущность заявляемой полезной модели поясняется нижеследующими изображениями.
На фиг. 1 схематично изображен общий вид предлагаемого устройства.
На фиг. 2 представлен макет опытного образца заявляемой полезной модели.
На фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства в нескольких рабочих положениях (этапы 1) - 4)) с указанием характерного направления аэродинамической силы (при относительно небольшой скорости центра лопасти в сравнении со скоростью ветра), а также направления скорости центральной точки лопасти.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - рама,
2 - шатун,
3 - кривошип,
4 -соединительное звено,
5 - шарнир, соединяющий кривошип и шатун,
6 - шарнир соединительного звена,
7, 8 оси вращения вала кривошипа и соединительного звена, соответственно,
9 - лопасть,
10, 11 - траектории, описываемые шарнирами 5 и 6, соответственно,
12 - траектория, описываемая центром лопасти (лемнискатоида).
Заявляемое устройство относится к типу колебательных ветрогенераторов и может быть использовано в условиях необходимости ограниченного воздействия на опорную поверхность, например, на плавучих платформах (за счет упомянутого выше снижения гироскопических нагрузок).
Устройство включает раму 1, представляющую собой опорную поверхность с двумя опорными стержнями, предназначенными для размещения вращательных элементов устройства, шатун 2, выполненный в виде стержня, к которому в средней его части жестко закреплена лопасть 9. С одной стороны, шатун соединен посредством шарнирного узла 5 с кривошипом 3. Вал кривошипа установлен в опорном стержне рамы 1. На валу кривошипа 3 может быть закреплен ротор электрогенератора или другое устройство для совершения полезной работы за счет энергии вращения кривошипа 3. С другой стороны, шатун также посредством шарнирного узла 6 связан с соединительным звеном 4. Длина кривошипа 3 равна длине соединительного звена 4. Вал кривошипа 3 и второй конец соединительного звена 4 закреплены на раме в опорных стержнях в точках 7 и 8 соответственно, так, что расстояние между точками 7 и 8 равно длине шатуна 2. Соединительное звено 4 установлено на опорном стержне рамы 1 с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения вала кривошипа 3. На шатуне 2 жестко закреплена симметричная лопасть 9, расположенная на равном расстоянии от шарниров 5 и 6 так, что плоскость лопасти 9 перпендикулярна плоскости, в которой лежат кривошип 3 и соединительное звено 4 и параллельна шатуну 2. Траектории шарниров 5 и 6 - окружности 10 и 11. Центр лопасти движется по лемнискатоиде 12. Форма выполнения лопасти не является предметом настоящей полезной модели. Лопасть может иметь как вогнутую, по направлению к набегающему потоку, форму, так и плоскую, без потери эффективности.
Стрелкой V на фиг. 1 указано направление набегающего потока воздуха. Дуговыми стрелками обозначены направления вращения кривошипа 3 и соединительного звена 4. Они противоположны друг другу. Символом r обозначена длина кривошипа 3 и соединительного звена 4, символом l - длина шатуна 2. В общем случае отношение r/l может иметь любое значение, меньшее единицы.
aero
aero
aero
На фиг. 3 стрелкой F обозначено характерное направление аэродинамической силы, действующей на лопасть со стороны потока воздуха в случае относительно небольшой абсолютной скорости центра лопасти, которая обозначена на фиг. 3 стрелкой U. Из фиг. 2 в частности видно, что во всех представленных положениях скалярное произведение векторов U и F положительно, то есть аэродинамическая сила F работает на увеличение абсолютной скорости U центра лопасти.
Примеры реализации.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Устройство размещают таким образом, чтобы линия, соединяющая точки 7 и 8 была перпендикулярна (в данном случае возможно небольшое отклонение от перпендикулярного расположения с погрешностью 10-15° без влияния на степень эффективности работы устройства) набегающему потоку воздуха. Пока абсолютная скорость центра лопасти не достигнет предельно высоких значений, аэродинамическая сила, действующая на лопасть 9, дает положительную проекцию на желательное направление абсолютной скорости центра лопасти 9 (что проиллюстрировано схемой на фиг. 3). Посредством шарнирных соединений 5 и 6 шатун 2 приводит в движение кривошип 3 и соединительное звено 4, закрепленные на раме 1 в точках 7 и 8, соответственно. При движении шатуна шарниры 5 и 6 движутся по траекториям 10 и 11, соответственно, в противоположных направлениях.
Этот механизм поддержания движения лопасти 9 по ее траектории 12 работает, пока абсолютные значения скорости центра лопасти 9 не станут слишком большими по сравнению со скоростью набегающего потока. Такие пограничные значения скорости центра лопасти 9 будут характерны для самоподдерживающегося режима движения механизма.
Пример конкретного выполнения
Изготовлен, опытный макет заявляемого устройства (фиг. 2). При этом было выбрано значение r/l=0.2. Размеры ветроприемной пластины (лопасти) составили 5 см × 25 см. Эксперименты проводились в аэродинамической трубе НИИ механики МГУ при скорости потока 4-8 м/с. Стабильно наблюдался самоподдерживающий режим движения механизма в потоке. Вал кривошипа макета был соединен при помощи зубчатой передачи с осью насоса. Насос обеспечивал перекачку воды из одного сосуда в другой за счет механической энергии вращения кривошипа. При скоростях потока от 5 м/с наблюдалось устойчивое и достаточно быстрое перетекание воды.
Таким образом, экспериментально было подтверждено, что предлагаемое устройство работоспособно и при сравнительно небольших габаритах обеспечивает надежное и эффективное преобразование возобновляемой энергии ветра в механическую энергию.