ГИДРОВЕТРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА
HYDRAULIC WIND POWER PLANT

Изобретение относится к области силовых механизмов, а именно к ветряным и водяным двигателям, и может быть использовано для привода вентилятора при вентилировании помещений, насоса при перекачивании жидкостей, гребного винта корабля, но основную ценность данное изобретение имеет в области электроэнергетики при работе с электрогенератором в качестве нагрузочного устройства, связанного c ведущим элементом установки, например, звездочкой.
Гидроветросиловая установка ГВСУ может быть использована как для преобразования энергии ветра, так и для преобразования энергии воды рек, морей, уходящих вод после турбин и вместо турбин ГЭС, где только есть движение воды.
Гидроветросиловая установка, в принципе одна и та же установка, может быть использована как ветросиловая установка ВСУ для преобразования энергии ветра и как гидросиловая ГСУ для преобразования энергии воды, в зависимости, где установлена в воде или на поверхности.
В процессе поиска были проанализированы патенты:
RU 2462612 C1 27.09.2011               RU 2561051 С1 20.05.2014
RU 2466293 С1 10.11.2012               RU 2539250 С2 20.01.2015
RU 2487265 С1 10.07.2013               RU 2587731 С2 26.06.2014
RU 2498107 C1 10.11.2013               RU 2611139 С2 25.02.2015
RU 2502892 C1 27.12.2013               RU 2689650 C1 17.04.2018
Существующие установки для преобразования энергии ветра или воды не создают больших крутящих моментов при малых скоростях ветра или потока воды, так как лопасти установлены близко к оси вала, передающего крутящий момент.
Прототипом данному решению выбран патент Российской Федерации RU 2611139 С2, 21.02.2017. Недостатком данного изобретения является то, что лопасти расположены на оси вала, передающего крутящий момент, а это не способствует созданию больших крутящих моментов.
Основным отличием предлагаемого изобретения от существующих является расположение лопастей на периферии и наличие лопастей, работающих на горизонтальной и вертикальной плоскостях, и поворот лопастей на 90° и обратно одновременно, что способствует созданию больших крутящих моментов и повышению КПД установки, так как все лопасти устанавливаются перпендикулярно потоку воды или ветру при рабочей фазе, а при не рабочей, устанавливаясь вдоль потока воды или ветра, создают минимальное сопротивление.
Указанный технический результат достигается в установке, предназначенной для преобразования энергии потока воды или ветра, содержащей основание, корпус, жестко сидящий на основании, вал, лопасти, установленные с возможностью изменения своего положения по отношению к потоку, нагрузочное устройство, рычаг с роликом, основной кулачок с выступами и впадинами для поворота лопастей на 90° и обратно с помощью рычага с роликом, согласно изобретению, снабженной лопастной платформой, на периферии которой в корпусе подшипников, расположенных параллельно оси вала, установлены лопасти, работающие одновременно, при этом часть лопастей выполнена с возможностью работы на горизонтальной плоскости, а часть - на вертикальной, кулачковой платформой, жестко установленной на корпусе, на периферии которой установлен основной кулачок, причем рычаг жестко установлен на оси лопасти.
При преобразовании потока энергии воды кулачковая платформа с основным кулачком на периферии установлена на корпусе, который является корпусом вала.
При преобразовании энергии ветра установка снабжена флюгером для ориентации по направлению ветра.
Для установок большой мощности предусмотрен обод-кулачок с сечением П-образной формы, жестко связанным с основным кулачком, работающим с ним синхронно для устойчивости лопастей и возможности поворота их с двух концов, в месте крепления и на периферии, для чего на конце лопасти жестко закреплена ось, на которой установлена каретка с роликами, пружиной, упором, с возможностью поворота оси на 90° и обратно, причем у обода-кулачка частично убрана одна полка, а на месте перехода с нерабочей на рабочую фазу часть полки отогнута и усилена косынкой с образованием кулачка, на который набегает ролик с рычагом, при этом обод-кулачок жестко связан с флюгером.
Установка выполнена с возможностью переброски по воздуху на заранее подготовленное место на поверхности или на заранее обусловленном месте на воде - это особенно актуально при непредвиденных обстоятельствах.
К корпусу подшипников для осей лопастей, работающих в вертикальной плоскости, приварена втулка перпендикулярно корпусу.
Лопасти, работающие на горизонтальной плоскости, выполнены с возможностью поворота на 90° и обратно с помощью криволинейного рычага, оканчивающегося водилом, жестко закрепленным на оси лопасти, работающей на вертикальной плоскости, и рычага с шаровидным концом, входящим в паз водила, жестко закрепленным на оси лопасти, работающей на горизонтальной плоскости.
Установки больших размеров выполнены с возможностью размещения в верхней части смотровой площадки при работающей установке, а для устойчивости предусмотрены стяжки.
Установка может быть выполнена сборно-разборной.
Лопасти могут быть выполнены из гибкого материала, например, тканевого, в этом случае конструкция установки упрощается, а при слабой натяжке создается парусность, что усилит крутящий момент, созданный лопастями.
Установка может работать с одной, двумя и тремя лопастями в каждой группе лопастей, но максимальная эффективность достигается при работе с тремя лопастями.
Гидроветросиловая установка выполнена с возможностью работы на горизонтальной и на вертикальной плоскостях и с расположением лопастей и кулачков на обоих торцах (см. фиг. 9) и с возможностью вращения статора и якоря в разные стороны, повышая эффективность использования потока, и с возможностью вращения только якоря, вращаясь в одну сторону, и при смещенном расположении лопастей вращения будут плавными.
Для установок большой мощности предусмотрен совместно работающий узел между лопастной платформой и кулачковой составляющей, в виде жестко закрепленного обода, например, из таврового сечения, на спицы лопастной платформы и катков, жестко с возможностью регулирования установленных на кулачковой платформе. Катки, катясь по тавру обода, создают жесткость и устойчивость установки.
Гидроветросиловая установка выполнена с возможностью размещения двух и более лопастных платформ, работающих с одной кулачковой платформы, с лопастями, работающими на горизонтальной и на вертикальной плоскостях, работающих с общей оси, соединенных между собой, например, муфтой, и собранных на одной стойке, и соединенных между собой секциями труб, внутри которой расположен статор, а на стойке якорь для выработки электроэнергии, а также установка выполнена с возможностью перевозки по воздуху для чего пропущен трос внутри стойки. Это особенно актуально для обеспечения электроэнергией в нестандартных ситуациях.
Установка выполнена с возможностью размещения смотровой площадки на ее верхней части с подъемом на лифтах, расположенных в центральной трубе. Лопастная платформа установлена на втулке, внутри которой установлены катки, катящиеся по обечайке, например, таврового сечения, жестко установленные на центральной трубе. Кулачковая платформа жестко, с возможностью регулирования, установлена между дисками, установленными жестко на центральной трубе, жестко связанной с флюгером, жестко сидящим на крыше смотровой площадки. Для устойчивости установки предусмотрены стяжки, закрепленные на втулке, сидящей на подшипниках на оси флюгера.
Гидроветросиловая установка выполнена с возможностью размещения на одной стойке друг над другом, 2 или более ГСУ в воде или 2 и более ВСУ на поверхности, создавая большие мощности на одном месте.
Гидроветросиловая установка может быть установлена стационарно, т.е. одна установка ГСУ или ВСУ, 2 и более штук на одной платформе ГСУ или ВСУ, 2 и более спаренных внизу ГСУ в воде, наверху ВСУ на одной платформе, сочетания могут быть разные.
Установка выполнена с возможностью использования вместо трубки ГЭС, т.к. позволяет полнее использовать водяной столб, а именно расположить вал отбора мощности ближе к нижнему уровню воды, т.к. в переходной зоне с рабочей в нерабочую и обратном ходе сопротивление минимальное, вместо турбин могут быть использованы ГСУ, работающие как на вертикальной плоскости, так и на горизонтальной, с целью повышения эффективности предусмотрен кожух.
Нагрузочное устройство гидроветросиловой установки может располагаться вне установки, а на стороне, например, ГСУ в воде или под водой, или подо льдом, а нагрузочное устройство на берегу, а движение передается, например, гибким валом.
Гидроветросиловые установки могут быть установлены как стационарно, так и на движущихся средствах, которые двигаются с небольшой скоростью, например, на экскаваторах при погрузке руды или копке траншеи, сельскохозяйственных машинах, на средствах на воде: на баржах, на плотах, на платформах при добыче полезных ископаемых, на судах, на кораблях для привода гребного винта или для выработки электроэнергии, привода насоса; на воздушных судах, например, на дирижаблях, на воздушных шарах. ВСУ могут быть установлены на зданиях и сооружениях и на домах, где есть возможность по прочностным характеристикам и по конструкции крыши.
Гидроветросиловые установки могут быть сборно-разборными и переносными, для туристов, геологов, рыбаков, т.к. установка при малых габаритах создает большие мощности.
ГСУ выполнена с возможностью использования на малых реках с небольшой глубиной и найдет широкое применение.
Установка может быть выполнена в игрушечном варианте.
Изобретение поясняется чертежами, где:
На Фиг. 1 изображен общий вид гидроветросиловой установки ГСУ с частичным вырезом кожуха и корпуса вала для наглядности и где уровень реки обозначен буквой S, уровень дна буквой R.
На Фиг. 2 - то же, узел I с указанием корпуса подшипников для осей лопастей и взаимодействием рычага с роликом с кулачком и взаимодействием поворота осей лопастей, работающих на вертикальной и горизонтальной плоскостях и с указанием расположения корпуса подшипников на периферии и способом соединения его с ободом.
На Фиг. 3 - то же, разрез А-А с указанием положения рычага на начальной и конечной позициях, причем, рычаг в местах контакта с водилом, выполнен шаровидной формы.
На Фиг. 4 изображен общий вид гидросиловой ГСУ и ветросиловой ВСУ установок, расположенных на одной платформе, с частичным разрезом корпуса вала и в местах контакта флюгера с валом.
На Фиг. 5 - то же, разрез В-В с указанием взаимодействия рычага с роликом и основного кулачка, а также с указанием крепления кольца к ободу, кулачка к кольцу.
На Фиг. 6 - то же, вид Г с частичным вырезом обода кулачка и спицы для наглядности.
На Фиг. 7 - то же, узел I с указанием взаимосвязи лопастной платформы с кулачковой платформой для устойчивости в работе.
На Фиг. 8 - то же, разрез Д-Д с обзором на обод-кулачок на переходной фазе.
На Фиг. 9 изображен вертикальной разрез ветросиловой установки ВСУ, работающей на вертикальной плоскости и имеющей лопасти на обоих торцах, вращающихся в разные стороны.
На Фиг. 10 изображен общий вид гидросиловой ГСУ и ветросиловой ВСУ установок, расположенных на одной платформе, работающих на вертикальной плоскости, с частичным разрезом корпуса гидросиловой установки и оси вращения ветросиловой установки для наглядности.
На Фиг. 11 изображен общий вид ветросиловой установки ВСУ, где несколько групп лопастных платформ соединены общей трубой и общей осью поворота лопастей, связанных между собой муфтами и снабженной тростью для возможности транспортировки по воздуху.
На Фиг. 12 изображен общий вид гигантской ветросиловой установки ВСУ с расположением смотровой площадки при работающей установке, где для устойчивости предусмотрены стяжки.
На Фиг. 13 изображен вариант использования ГСУ вместо турбин ГЭС, поперечный разрез и вариант применения ГСУ на месте уходящих вод после турбин ГЭС.
На Фиг. 14 - то же, разрез Е-Е вариант спаренных установок на общем валу с кулачковыми платформами на обоих торцах, с добавлением защитной трубы для повышения эффективности.
На основании 1 установлен корпус вала 2, в нем установлен вал 3, на одном конце вала жестко установлена втулка 4, на ней установлена лопастная платформа, состоящая из спиц 5, жестко связанных с ободом 6, на котором приварена пластина 7, на которой закреплена пластина 8, заштифтована штифтом 9 через пластину 8, на ободе 6 жестко установлен корпус подшипников 10, в котором установлена ось 11, положение оси в корпусе фиксируется крышкой 12 и гайкой 13, на ось 11 жестко, с возможностью регулирования, закреплен рычаг криволинейной формы 14, на его конце жестко закреплено водило 15, в пазе которого размещен рычаг 16, на местах контакта шарообразной формы рычаг закреплен на ось 17 горизонтальной лопасти 18, на ось 17 запрессован цилиндр 19, а на корпус 20, жестко сидящий на корпусе 10, запрессован цилиндр 21, играющие роль подшипника, на корпусе 20 вместе с цилиндром 21 имеется паз, позволяющий поворачивать ось 17 с помощью рычага 16 на 90° и обратно.
На корпусе 2 жестко, с возможностью регулирования, установлена кулачковая платформа, состоящая из втулки 22, сидящей на корпусе 2, на которой жестко сидят спицы 23, жестко связующие обод 24, на который приварена пластина 25, на которой закреплено кольцо 26, на котором установлен основной кулачек 27, на оси 11 жестко, с возможностью регулирования установлен рычаг 28 с роликом 29, катясь по основному кулачку, попадая на выступы и впадины, поворачивает ось 11 вместе с лопастями 30 на 90° и обратно, постоянный контакт рычага с роликом и кулачком обеспечивает пружина 31.
На втором конце вала жестко сидит маховик 32 с целью уменьшения пульсации, на нем жестко сидит, например, звездочка 33, через цепную передачу ведомой звездочки 34 вращение передается нагрузочному устройству, например, генератору 35, для предохранения движущихся частей предусмотрен кожух 36 и для определения положения, и с целью безопасности предусмотрен маяк 37.
Плавучесть обеспечивает понтон 38. Ветросиловая установка установлена на мачте 39, движение передается генератору через редуктор 40, флюгер 41, сидящий на подшипниках на валу 3, жестко связан с помощью систем спиц 42, 43, 44, жестко связанных с втулкой 22 кулачковой платформы, свободно сидящей на корпусе 2.
Для больших мощностей предусмотрен обод-кулачек 45 для повышения устойчивости, установка может работать и без него, рычаг 46 с роликом 47 жестко сидят на оси 48, жестко закрепленной на периферии лопастей 18 и 30, на оси установлена каретка 49 с роликом 50, пружиной 51, упором 52, позволяющим поворачиваться оси 48 на 90° и обратно.
На спицах лопастной платформы 5 через пластину 53, приваренной на спицах, жестко закреплена обечайка 54, например, таврового сечения, на спицах 23, кулачковой платформы приварены пластины 55, на которых  жестко, с возможностью регулирования, установлены каретки 58 для устойчивости установки.
На мачте 59 установлен корпус 60, в котором установлена ось 61, жестко связанная корпусом установки 62, в котором установлены на подшипниках статор 63 и якорь 64, спицы 23 кулачковой платформы выполнены изогнутыми и крепятся на диске 65, жестко сидящем на крышке корпуса 62.
Мачта 59 установлена на промежуточной основе 66, при вертикальном расположении ГСУ и вращении лопастей в разные стороны на главный вал вращение передается, например, коническими колесами (67, 68, 69), расположенными в корпусе установки 70.
При варианте исполнения установок с возможностью размещения двух и более лопастных платформ, работающих с одной кулачковой платформы на корпусе 71, жестко сидящем на основании, жестко установлены кольца 72 и 73, работающие в паре с втулками 74 и 75 как подшипники, жестко сидящими на стойке 76, на которой жестко сидит втулка с буртиком 77, упирающаяся на втулку 78, от продольного перемещения стойка 76 фиксируется втулкой 79, жестко сидящей на ней, в верхней части стойки 76 установлена втулка 80, на которой на подшипниках сидит втулка 81, на которой жестко установлен 82, на котором жестко установлена лопастная платформа с помощью спиц 5, в корпусе подшипников 10 лопастной платформы, на подшипниках сидит общая ось 83, соединенная между отдельными секциями муфтой 84 и упирающаяся на подшипник 85, установленный в корпусе 86, установленной, в нижней платформе 87, жестко сидящей на маховике 32, жестко сидящий на втулке 88, сидящий на радиальном подшипнике 89 и на упорном подшипнике 90, на диске 82 жестко закреплена секция трубы 9, в которой установлен статор 63 и на стойке 76 якорь 64 для выработки электроэнергии. В местах установки промежуточных лопастных платформ на стойке 76 жестко сидит втулка 92, ан которой на подшипниках сидит втулка 93, на которой жестко сидит диск 94, на котором на спицах 5 жестко установлена лопастная платформа с вертикальными 30 и горизонтальными 18 лопастями, на спицах 5 жестко установлен диск 95, на котором жестко установлены секции труб 91, последняя секция труб 91 жестко закреплена на маховике 32 и крутящий момент, созданный лопастями, передается через звездочку 33 и ведомой звездочки 34 нагрузочному устройству, например, генератору 35.
Для исключения продольного перемещения маховика 32 предусмотрена шайба 96 и гайка 97. Для перевозки установок по воздуху внутри стойки пропущен трос 98, установленный на оси 99, сидящий на втулке 100, свободно с зазором, сидящий в стакане 101, жестко сидящей на основании, транспортируется установка с помощью коуша 102.
Для гидроветросиловых установок гигантского размера предусмотрена центральная трубка 103, установленная в корпусе 71, жестко сидящей на основании, с возможностью поворачиваться вокруг своей оси, в нижней части труба 103 фиксируется втулками 77, 78 и гайкой 79, в верхней части  трубы установлена втулка 104, внутри которой установлены узлы с катками 105, которые катятся по обечайке 106, например, таврового сечения, жестко установленной на трубе 103, на втулке 104 с помощью спиц установлена кулачковая платформа и в корпусе подшипников 10 сидят общие оси 107, на которых установлены лопасти 108, которые с помощью рычага 28 с роликом s 29 и кулачка 27 поворачивают лопасти на 90° и обратно. Лопасть может быть обтянута гибким материалом, например, тканевым, при слабой натяжке повышается парусность.
На втулке 104 жестко установлена труба 109, которая в нижней части закреплена к маховику 32, который, созданный лопастями крутящий момент, передает генератору для выработки электроэнергии.
На верхней части трубы 103 жестко установлен диск 110, на котором с помощью спиц жестко установлена кулачковая платформа, на спицы жестко установлен еще диск 111, на который установлена смотровая площадка 112 с полом 113, диски 110 и 111 жестко соединены между собой кольцом 114. На крыше смотровой площадки жестко установлена ось 115, на которой сидит втулка 116, на которой на подшипниках сидит втулка 117 с проушинами для крепления растяжек 118. Подъем на смотровую площадку осуществляется, например, лифтом 119, установка устанавливается и настраивается с помощью флюгера 41, жестко сидящего на оси 115, поворот и фиксация трубы, по необходимости, осуществляется с помощью обечайки 120 жестко сидящей на трубе 103. Для постоянного контакта ролика с кулачком предусмотрена пружина 121. При применении установки в ГЭС предусмотрен защитный кожух 122 для повышения эффективности.