ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
ENERGY CONVERTER

Изобретение относится к возобновляющимся источникам энергии, а именно к ветроэнергетическим и гидроэнергетическим устройствам.
Известен ветродвигатель с вертикальным валом и плоскими лопастями, ориентация которых меняется в зависимости от направления ветра [Алиев А.С., Челябов И.М., Чумаков С.А. Устройство для преобразования энергии текучей среды. Патент RU №4897566, F03D 3/00, 1990 г.].
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 [Алиев А.С. Ветродвигатель Алиева, патент RU №2224135, F03D 3/00 от 05.06.2002 г.], который может быть указан в качестве прототипа преобразователя энергии. Прототип содержит плоские лопасти, взаимодействующие с коническим флюгером, установленным в центре ветродвигателя. Лопасти, создающие положительный момент вращения на выходном валу, автоматически ориентируются перпендикулярно направлению ветра и сохраняют такую ориентацию на всем протяжении активного участка траектории вращения лопастей. На пассивном участке траектории вращения лопасти ориентируются вдоль направления ветра.
Однако прототип имеет сложную конструкцию и низкий КПД, связанный с тем, что активный участок траектории вращения лопасти составляет всего 90°.
Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции преобразователя энергии (ветродвигателя) и повышение КПД.
Данная техническая задача решается путем разработки принципиально новой конструкции колеблющего преобразователя энергии, который содержит вертикальную стойку, мультипликатор и энергогенератор, а также кинематически связанные второй вал, первые и вторые обгонные муфты, звезды, втулки с четырьмя храповыми выступами, собачки, коромысла, кронштейны, аэродинамические лопасти, третью и четвертую звезды. Данные звезды неподвижно установлены совместно с первым и вторым аэродинамическими лопастями на третьем и четвертом валах соответственно. при этом на первом и втором валах неподвижно установлены соответствующие шестерни, входящие в сцепление друг с другом, и ступицы соответствующих обгонных муфт, обоймы которых неподвижно соединены с радиальными параллельными коромыслами. Концы коромысел шарнирно связаны с концами первого и второго параллельных кронштейнов, через середины которых проходят шарнирно установленные третий и четвертый валы. Вторые концы коромысел шарнирно связаны с серединами третьего и четвертого кронштейнов, концы которых также шарнирно связаны с концами третьего и четвертого коромысел, шарнирно установленных на первом и втором валах, на которых с возможностью поворота на 90° установлены соответствующие звезды и связанные с ними втулки с храповыми выступами, взаимодействующие через подпружиненные собачки с соответствующими коромыслами. При этом первая и вторая звезды через первую и вторую пружины взаимодействуют со ступицами соответствующих обгонных муфт и через цепь с третьей и четвертой звездами и связанными с ними аэродинамическими лопастями.
Второй вариант преобразователя энергии содержит в себе дополнительно стакан, поворотную платформу, рычаг флюгера, флюгер конический, пятую пружину и трос. При этом горизонтальный рычаг флюгера неподвижно связан со стаканом, шарнирно установленным на верхнем торце вертикальной стойки, а подвижная платформа установлена на стакане с возможностью поворота на 90° и взаимодействует через трос с коническим флюгером, установленным на горизонтальном рычаге флюгера с возможностью продольного перемещения.
На фиг.1 представлен вид спереди на конструкцию колеблющего преобразователя энергии (без передней стенки корпуса 21), где:
1 - стойка;
2 - поворотная платформа;
3 - задняя стенка;
4 - верхняя пластина корпуса;
5 - первый (выходной) вал;
6 - второй вал;
7-8 - первая и вторая звезды;
9-10 - первая и вторая обгонные муфты;
11-12 - третья и четвертая звезды;
13 - цепь;
14-15 - первое и второе коромысла;
16-17 - первый и второй кронштейны;
18-19 - первая и вторая лопасти;
20 - флюгер.
На фиг.2 представлен вид сверху (по стрелке А) на конструкцию колеблющего преобразователя энергии, где позиции 2 те же, что и на фиг.1;
21 - передняя стенка;
22 - вторая шестерня;
23 - четвертое коромысло;
24 - рычаг флюгера;
25-26 - третий и четвертый валы.
На фиг.3 представлена конструкция в разрезе узла изменения ориентации и фиксации положения лопастей, где позиции 1-22 те же, что на фиг.1 и 2;
27 - первая шестерня;
28-29 - первая и вторая пружины;
30-31 - первая и вторая втулки с храповыми выступами;
32-33 - первая и вторая собачки;
34-35 - третья и четвертая пружины собачек;
36-37 - Г-образные рычаги собачек 32 и 33;
На фиг.4 представлен профиль торца первой втулки 30 с храповыми выступами 38, где позиции 5-34 те же, что на фиг.3.
На фиг.5 представлена конструкция узла регулировки и узла атаки, где:
39 - стакан;
40 - вторая поворотная платформа;
41 - пятая пружина;
42 - рычаг флюгера;
43 - флюгер конический;
44 - трос.
Принцип действия колеблющего преобразователя энергии заключается в следующем.
Преобразователь устанавливается на вертикальной стойке 1, высота которой обеспечивает безопасность его работы. Для предотвращения отклонения стойки от вертикали могут быть использованы крепления из тросов или жесткие подпорки.
На верхнем торце стойки шарнирно установлена поворотная платформа 2. Поворотная платформа неподвижно соединена с горизонтальным рычагом 24 флюгера 20. На поворотной платформе неподвижно установлен корпус преобразователя энергии. Корпус состоит из задней 3, передней 21 стенок, верхней пластины 4 и верхней площадки поворотной платформы 2.
Между передней и задней стенками корпуса параллельно и шарнирно установлены первый (выходной) вал 5 и второй 6 валы. На валах 5 и 6 шарнирно установлены первая 7 и вторая 8 звезды соответственно.
Данные звезды входят в узел изменения ориентации и фиксации положения лопастей, конструкция которого представлена на фиг.3. На первом и втором валах неподвижно установлены ступицы первой 9 и второй 10 обгонных муфт соответственно.
Обоймы указанных муфт неподвижно связаны с соответствующими коромыслами 14 и 15. Коромысло состоят из двух симметричных радиальных половин, неподвижно связанных с обоймами соответствующих обгонных муфт 9 и 10 с диаметрально противоположных сторон. Левые и правые периферийные наконечники коромысел 14 и 15 шарнирно связаны друг с другом с помощью первого 16 и второго 17 кронштейнов. При повороте обгонных муфт 9 и 10 в ту или другую стороны коромысла 14 и 15 совершают колебательное движение в вертикальной плоскости в пределах угла 45° от горизонтали. Кронштейны 16 и 17, образующие параллелограмм совместно с коромыслами 14 и 15, также колеблются в вертикальной плоскости. При этом кронштейны сохраняют при колебании вертикальное положение.
Середины кронштейнов 16 и 17 шарнирно связаны с третьим 25 и четвертым 26 валами соответственно. Вторые концы данных валов также шарнирно связаны с третьим и четвертым 23 коромыслами соответственно. Третье коромысло на фиг.2 не указано. Оно проходит ниже четвертого коромысла 23 на одном уровне с первым коромыслом 14 по одной вертикали с четвертым коромыслом 23.
Третье коромысло шарнирно установлено на первом валу 5, а четвертое 23 на втором валу 6 соответственно. Периферийные наконечники третьего и четвертого коромысел шарнирно соединены с наконечниками третьего и четвертого кронштейнов (на фиг.2 не указаны) аналогично первому 16 и второму 17 кронштейнам. Все четыре кронштейна параллельны друг другу и совершают попарно синхронные колебания в вертикальной плоскости.
Между первым 16 и третьим кронштейнами шарнирно установлен третий вал 25. Четвертый вал 26 также шарнирно установлен между параллельными вторым 17 и четвертым кронштейнами.
На третьем валу 25 шарнирно установлена третья звезда и связанная с ним неподвижно первая лопасть 18.
На четвертом валу 26 также шарнирно установлены неподвижно связанная друг с другом четвертая звезда 12 и вторая лопасть 19.
Первая 7, вторая 8, третья 11 и четвертая 12 звезды кинематически связаны друг с другом цепью 13.
Узел изменения ориентации и фиксации положения лопастей (на фиг.3) обеспечивает поворот лопастей вокруг горизонтальных валов 25 и 26 на 180° и фиксацию их горизонтального положения. При этом поворот лопастей происходит во взаимно противоположных направлениях.
Принцип работы колеблющего преобразователя энергии основан на применении подъемной силы лопасти подобно самолетному крылу. Одна из поверхностей крыла (лопасти) имеет плоскую форму, другая вогнутую во внешнюю сторону форму. При обтекании воздухом вогнутой поверхности лопасти, имеющей форму крыла самолета, скорость ветра возрастает. Это приводит к уменьшению давления на стороне вогнутой поверхности лопастей. Перепад давления на вогнутой и плоской поверхностях лопастей создает подъемную силу, на правой лопасти преобразователя и силу направленную вниз на левой лопасти (см. фиг.1).
Приложенные силы приводят к повороту всех четырех коромысел против часовой стрелки на угол 45°, после чего происходит взаимодействие первого коромысла 14 с Г-образным рычагом 36 первой собачки 32 узла изменения ориентации и фиксации положения лопастей.
После такого взаимодействия происходит поворот первой звезды на 90° по часовой стрелке. Диаметры первой и второй звезд 7 и 8 равны и в два раза больше диаметра третьей и четвертой звезд 11 и 12. При таком соотношении диаметров цепная связь между звездами обеспечивает поворот лопастей 18 и 19 на 180° вокруг горизонтальных валов 5 и 6. При колебании коромысел в ту или другую стороны в пределах 90° первая и вторая лопасти сохраняют свое горизонтальное положение.
При изменении ориентации лопастей на противоположное приложенные силы также меняют свое направление. Теперь к левой лопасти 18, ориентированной выпуклой поверхностью вверх, прикладывается подъемная сила, а к правой лопасти 19 сила направлена вниз. В результате коромысла поворачиваются по часовой стрелке на 90°. В конце такого поворота происходит взаимодействие второго коромысла 15 со вторым Г-образным рычагом 37 второй собачки 33. В результате вторая звезда 8 поворачивается на 90° против часовой стрелки.
Это приводит к изменению ориентации лопастей на противоположное. После чего начинается колебание коромысел в обратном направлении. Изменение направления ветра приводит к повороту платформы и установленного на нем преобразователя так, чтобы валы 25, 26, вокруг которых вращаются лопасти, были ориентированы вдоль направления ветра. Для этой цели используется плоский флюгер 20, горизонтальный рычаг которого неподвижно связан с поворотной платформой. Для синхронизации скорости вращения выходного вала 5 преобразователя при изменении скорости ветра используется узел синхронизации, конструкция которого представлена на фиг.5. В этом случае флюгер имеет форму усеченного конуса или усеченной пирамиды. Конический флюгер установлен на горизонтальном рычаге с возможностью свободного продольного перемещения. Чем больше скорость ветра, тем больше сила продольного перемещения. Она пропорциональна давлению ветра и разности площадей переднего и заднего сечений усеченного конуса или пирамиды.
Узел изменения ориентации и фиксации положения лопастей, конструкция которого представлена на фиг.3, функционирует следующим образом.
Первая 30 и вторая 31 втулки имеют четыре храповых выступа 38, расположенные по кругу через 90° (см. фиг.4). Подпружиненные собачки 32, 33 входят в сцепление с храповыми выступами и фиксируют угловое положение втулок 30, 31 и связанных с ними первой 7 и второй 8 звезд. При повороте первого коромысла 14 по часовой стрелке первая обгонная муфта 9 входит в сцепление и закручивает первую пружину 28 по часовой стрелке. В это время вторая обгонная муфта 10 находится вне сцепления и вторая пружина 29 находится в свободном состоянии. После поворота первого коромысла на +90° оно взаимодействует с рычагом 36 первой собачки 32. Собачка выходит из сцепления  с первой втулкой 30 храповыми выступами, закрученная первая пружина поворачивает первую втулку 30 и связанную с ней первую звезду 7 на 90° по часовой стрелке. Это приводит к повороту третьей и четвертой звезд на 180° во взаимно противоположных направлениях. Так как последние звезды неподвижно связаны с первой и второй лопастями, последние также меняют свою ориентацию на противоположную. Это приводит к колебанию коромысел в обратном направлении, т.е. против часовой стрелки.
Теперь в сцепление входит вторая обгонная муфта 10, а первая 9 выходит из сцепления. Начинается закрутка второй пружины 29 против часовой стрелки на угол 90°. В конце закрутки происходит взаимодействие второго коромысла с рычагом 37 второй собачки 33. Подпружиненная вторая собачка выходит из сцепления. При этом вторая втулка 31 и связанная с ней вторая звезда 8 поворачиваются на 90° против часовой стрелки. Через цепную связь это приводит к повороту третьей и четвертой звезд и связанных с ними лопастей на 180° во взаимно противоположных направлениях вокруг третьего и четвертого валов. Направление приложенных сил к концам коромысел меняется, что приводит к изменению направления их колебаний.
Таким образом, под воздействием ветра происходят колебания коромысел в вертикальной плоскости в пределах 90°.
На первом и втором валах неподвижно установлены первая 27 и вторая шестерни соответственно. Они находятся в постоянном сцеплении друг с другом и крутятся во взаимно противоположных направлениях.
На фиг.2 представлен вид сверху (вид А на фиг.1) на конструкции колеблющего преобразователя энергии. Передняя стенка 21 установлена параллельно задней стенке 3. Вторая шестерня 22 установлена на втором (верхнем) валу 6. Четвертое (заднее, верхнее) коромысло 23 шарнирно установлено на втором валу 6 параллельно второму коромыслу 15.
Третий 25 и четвертый 26 валы шарнирно связаны своими концами с первым 16 и вторым 17 кронштейнами. Кронштейны, в свою очередь, шарнирно связаны с концами первого 14 и второго 15 коромысел и образуют параллелограмм. Рычаг флюгера 24 соединяет плоский флюгер с поворотной платформой 2. Изменение направления ветра приводит к изменению ориентации флюгера и связанной с ним поворотной платформы 2, на которой установлена вся конструкция преобразователя энергии (см. фиг.1)
На фиг.3 представлена конструкция узла изменения ориентации и фиксации положения лопастей. Первый (выходной) 5 и второй 6 валы установлены по одной вертикали параллельно друг другу.
На валах 5 и 6 неподвижно установлены первая 27 и вторая 22 шестерни соответственно. Шестерни постоянно находятся в сцеплении друг с другом. Диаметр делительной окружности шестерен равен длине кронштейнов 16, 17 и расстоянию между валами 5 и 6. При таких соотношениях размеров указанных позиций при колебаниях четырех коромысел (14, 15, 23) кронштейны 16 и 17 сохраняют свое вертикальное положение. Первая 30 и вторая 31 втулки с храповыми выступами 38 установлены на соответствующих валах 5 и 6 с возможностью свободного вращения. Втулки 30 и 31 неподвижно связаны с соответствующими звездами 7 и 8. Храповые выступы 38 втулок 30 и 31 взаимодействуют с соответствующими собачками 32 и 33 и фиксируют угловое положение соответствующих звезд 7 и 8. При повороте звезд 7 и 8 на 90° третья и четвертая 12 поворачиваются на 180°. Это обеспечивает изменение ориентации лопастей 18 и 19 также на 180°, т.е. на взаимно противоположное. При колебании коромысел в пределах 60° диаметр и число зубьев третьей и четвертой 12 звезд должны быть в три раза больше диаметра и числа зубьев первой и второй звезд 7 и 8. При колебании в пределах 45° это отношение должно быть равно четырем.
Первая 28 и вторая 29 пружины установлены на ступицах соответствующих обгонных муфт, и концы их связаны со ступицами соответствующих обгонных муфт и звезд. Они поочередно закручиваются на 90°, набирают энергию при колебаниях коромысел в ту или другую стороны и обеспечивают поочередный поворот первой 7 и второй 8 звезд во взаимно противоположных направлениях.
Третья 34 и четвертая 35 пружины установлены на передней стенке 21 и обеспечивают контакт собачек 32 и 33 с храповыми выступами соответствующих втулок 30 и 31. Первый 36 и второй 37 Г-образные рычаги собачек 32 и 33 поочередно взаимодействуют с первым 14 и вторым 15 коромыслами. В результате такого взаимодействия происходит изменение ориентации лопастей 18 и 19 на взаимно противоположное.
При номинальной скорости ветра конический флюгер 43 находится в крайнем правом положении и прижимает к упорному кольцу. Трос 44 находится в свободном состоянии. При этом вторая поворотная платформа 40, установленная с возможностью поворота в пределах 90° относительно стакана 39, с помощью пятой пружины закрутки 41 прижата к рычагу флюгера 42. С ростом скорости ветра конический флюгер 43 перемещается вдоль горизонтального рычага и тянет за собою трос 44. Трос поворачивает платформу относительно стакана. Чем больше скорость ветра, тем больше угол поворота. Задавая жесткость пружины 41 и параметры конического флюгера, можно регулировать пределы изменения скорости ветра, при которых работает преобразователь. При повороте платформы на 90° происходит самоторможение преобразователя энергии, т.к. подъемная сила лопастей (крыла) становится равной нулю.
Колеблющий преобразователь энергии может быть использован в ветроэнергетических и гидроэнергетических установках. Механическая энергия от выходного вала 5 через мультипликатор может быть передана на электрогенератор. К выходу мультипликатора может быть подключен гидронасос. Лишнее давление может быть стравлено. Стабилизированное давление подается на гидрогенератор, который приводит во вращение электрогенератор. Таким образом, может быть получено стабилизированное напряжение с постоянной частотой 50 Гц. Применение гидрогенератора позволяет суммировать мощности N-го количества преобразователей. При этом отпадает необходимость в применении конического флюгера и в механической стабилизации скорости вращения выходного вала преобразователя энергии.
Преобразователь энергии может быть использован как автономный альтернативный источник электрической или механической энергии.