ПАРУСНАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Полезная модель относится к конструкции паруса с ветроприемными поворотными лопастями и может найти применение как на сухопутных, так и на водных видах транспорта.
В настоящее время известны ветродвигатели с ветроприемными поворотными лопастями, которые могут применяться в качестве паруса на суднах.
Так, например, из авторского свидетельства SU 1815412 (МПК: F03D 3/00, опубликовано 15.05.1993) известен карусельный ветродвигатель, содержащий вертикальный вал и радиальные лопасти, каждая из которых выполнена в виде прикрепленной к валу рамы и установленных в ней с возможностью поворота относительно горизонтальных осей параллельных пластин. Каждая пластина снабжена упорами, осью и ребром, расположенными на ее наветренной стороне.
Известный ветродвигатель работает следующим образом: под действием скоростного напора ветра на одной стороне ветродвигателя пластины прижимаются к раме, перемещая ее и вращая вал. На противоположной стороне при движении рамы навстречу ветру пластины и ребра под действием скоростного напора занимают флюгерное, нерабочее положение с минимальным аэродинамическим сопротивлением.
Недостатками данного ветродвигателя является низкий коэффициент использования энергии ветра, особенно в условиях малых ветровых нагрузок за счет невозможности установления одинакового угла атаки каждой лопасти одной рамы, недостаточная надежность в работе, сложность замены лопасти - при возникновении необходимости замены даже одной лопасти придется демонтировать всю конструкцию.
Из описания к патенту США №6853096 (МПК 7: F03D 3/02, опубликован 08.02.2005) известен ветродвигатель, содержащий вал вращения, на котором закреплены рамы, на рамах закреплены пластины с возможностью поворота относительно вертикальной оси.
Недостатком данной конструкции является также сложность ремонта лопастей, металлоемкость конструкции, сложность сборки.
Кроме того, из патента Франции №2538040 (МПК: F03D 3/06, опубликован 22.06.1984) известен ветродвигатель, содержащий вал вращения с закрепленными на нем
рамами. На рамах закреплены пластины, выполненные с возможностью поворота относительно горизонтальной оси.
Однако, указанный ветродвигатель имеет низкий КПД, так как мощность ветрового потока передается через лопасти только с одной стороны оси вращения.
Общим недостатком всех перечисленных выше ветроустановок является отсутствие возможности замены механизмов, вышедших из строя без демонтажа всей установки.
Задачами патентуемой полезной модели являются создание ремонтопригодной парусной конструкции, которая будет работать как при попутном направлении ветра, так и при противоположном, а также будет достигаться максимальный КПД.
Достигаемый технический результат заключается в значительном повышении мощности паруса и чувствительности к слабым потокам (3-5 м/с), упрощении конструкции, обеспечении ремонтопригодности установки, обеспечении минимальных потерь на трение как при попутном, так и при противоположном направлении ветра, повышении КПД, снижении материалоемкости, увеличении надежности конструкции.
Указанный технический результат обеспечивается за счет использования парусной конструкции, содержащей мачту в виде вертикального вала, выполненного с возможностью вращения и установленного на основании, на валу размещены, по меньшей мере, две рамы с закрепленной на каждой из них, по меньшей мере, одной лопастью, выполненной с возможностью поворота относительно горизонтальной оси, на внешней стороне рамы расположены система зубчатых колес и механизм подъема-опускания лопастей, на основании, коаксиально валу неподвижно закреплено зубчатое колесо с возможностью его зацепления с зубчатым колесом рамы, в каждой лопасти выполнено два симметричных отверстия, через которые продет дополнительный трос, закрепленный на ограничителе, при этом на раме закреплены, по меньшей мере, два захвата, расположенные симметрично на ее противоположных сторонах, лопасть крепится к раме с помощью захвата, количество пар захватов выбрано равным количеству лопастей.
Согласно настоящему решению, лопасти могут быть расположены внахлест относительно друг друга, а рама выполнена с ребрами жесткости.
Частным конструктивным решением крепления лопастей к раме является выполнение лопастей с заплечиками, которые закреплены на раме с помощью пружинного захвата.
Совокупность существенных признаков, изложенных в независимом пункте формулы, обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Так, при необходимости поднять паруса приводят в движение механизм подъема-опускания лопастей, который в данном примере выполнен в виде двух пар зубчатых колес разного диаметра, при этом тросовая система приходит в движение и лопасти начинают подниматься в вертикальной плоскости и достигают верхней части рамы.
Под действием ветра на лопасти, лопасти, которые расположены на раме встречно относительно направления воздушного потока, прижимаются плотно друг к другу, образуя сплошной щит и под действием потока, даже с низкой скоростью (до 5 м/с), начинают вращать вал, на котором они закреплены. Лопасти, расположение которых совпадает с направлением воздушного потока, поворачиваются относительно вертикальной оси. За счет того, что через отверстия лопастей продет дополнительный трос, закрепленный на ограничителе, лопасти отклоняются относительно вертикальной оси и обеспечивают оптимальный угол атаки (угол между направлением скорости набегающего на тело потока и характерным продольным направлением, выбранным на теле). В зависимости от силы воздушного потока угол атаки может достигать 5÷15°. Таким образом, лопасти, расположенные в одном направлении с воздушным потоком, также испытывают его действие и также начинают поворачиваться относительно горизонтальной оси, то есть происходит увеличение частоты вращения вала и, соответственно, крутящего момента, который передается на привод машины. Это, в свою очередь приводит к увеличению КПД установки (судна) за счет использования подъемной силы.
Крепление лопастей к раме при помощи захватов, позволяет лопастям свободно поворачиваться относительно горизонтальной оси, что не будет создавать сопротивления воздушному потоку.
Как видно из описания работы парусной конструкции, повышается мощность паруса за счет одновременной работы, по меньшей мере, двух рам с закрепленными на них лопастями. При этом конструкция приходит в движение даже при низкой скорости воздушного потока (3÷5 м/с). При этом следует учесть, что использование количества рам больше двух приведет к увеличению мощности установки и, соответственно, повышению чувствительности к слабым потокам. Количество лопастей, закрепленных на раме, выбирается, исходя из площади рамы (чем больше площадь рамы, тем больше должно быть закреплено на ней лопастей) и может быть выбрано от одной до нескольких десятков.
За счет закрепления лопастей с помощью захватов обеспечивается их ремонтопригодность - для замены вышедшей из строя лопасти достаточно лишь, приведя
в действие механизм подъема-опускания лопастей, опустить лопасти и, отжав захват, заменить лопасть.
Кроме этого, за счет свободного закрепления лопастей с помощью захватов не возникает сил сопротивления воздушному потоку и, соответственно, сила трения снижается.
Таким образом, за счет использования совокупности признаков независимого пункта происходит достижение заявленного технического результата.
Далее полезная модель поясняется примерами конкретного выполнения устройства. На поясняющих чертежах изображено следующее:
на фиг.1 - общий вид парусной конструкции;
на фиг.2 - вид А фигуры 1;
на фиг.3 - механизм подъема-опускания лопастей;
на фиг.4 - частный вариант выполнения лопасти;
на фиг.5 - частный вариант выполнения рамы;
на фиг.6 - крепление лопастей и крепежный элемент для закрепления троса в отверстиях лопасти и ползуна.
Парусная конструкция, изображенная на фиг.1-6, конструктивно состоит из следующих элементов: 1 - основание, 2 - мачта, выполненная в виде вала вращения, закрепленного в подшипниках 3; 3 - подшипники; 4 - рама; 5 - лопасть; 6 - механизм подъема-опускания лопастей, 7 - неподвижно закрепленное на основании зубчатое колесо, 8 - отверстия в лопасти; 9 - захват, предназначенный для закрепления лопасти; 10 - заплечики лопасти. Механизм подъема-опускания лопастей 6 содержит две бобины 11 с тросом 12, фланцы бобин 11 выполнены зубчатыми и выполнены с возможностью их зацепления с расположенными под ними двумя шестернями 13, трос 12 соединен с верхним ползуном 14, каждый из тросов проходит через соответствующие ему колесики 20, закрепленные на верхней и нижней частях рамы 4. Каждый ползун 14 тросами 18 последовательно соединяется с ползуном 14, расположенным ниже. При этом каждое отверстие 8 лопасти 5 последовательно соединяется тросом 15 (условно показан штриховой линией на фиг.6) с отверстием 16 нижерасположенного относительно нее ползуна 14, при этом размер троса, соединяющего отверстие 8 лопасти 5 с отверстием 16 нижерасположенного ползуна 14 выбрано таким образом, что при попутном ветре обеспечивается угол отклонения каждой лопасти относительно вертикальной оси (угол атаки) равный 5÷15°. При этом концы троса крепятся в отверстиях ползуна и лопасти с помощью крепежных элементов 17 - вариант такого крепежного элемента показан на фиг.6.
Лопасти 5, в рассматриваемом примере, выполнены с заплечиками, которые с помощью пружинного зажима 9 крепятся к раме 4, которая, в рассматриваемом варианте, с целью облегчения ее конструкции, выполнена из двух металлических полос, скрепленных между собой по углам и с внешней стороны вдоль боковых сторон с помощью хомутов 19.
Мачта 2 в трюме соединяется с ведущим валом гребного винта (не показан), который обеспечивает движение судна. Также на ведущем валу могут устанавливаться генератор тока, который будет снабжать судно электроэнергией, аккумулятор, который будет заряжаться при работе парусной конструкции, а также электромотор, который может в экстренных случаях приводить в движение судно или применяться для подъема и опускания парусов.
Работа парусной конструкции осуществляется следующим образом.
При необходимости поднять паруса с помощью рычага в зацепление одну из шестерен 13 (на фиг.3 обозначена как «А»), которая приводит во вращение соответствующую бобину 11 (А), а та, в свою очередь, передает крутящий момент на бобину 11 (Б). Крутящий момент с шестерни 13 (А) передается на зубчатые фланцы находящейся с ним в зацеплении бобины 11 (А) с тросом 12. Трос 12 (А), связанный с верхним ползуном 14 через соответствующее колесико 20 верхней части рамы 4, начинает движение вниз, поднимая ползуны 14 с закрепленными на них лопастями 5, в то время как трос 12 (Б), который также связан с нижним ползуном через колесико 20, расположенное на нижней части рамы 4, пойдет вверх. При достижении лопастями 5 крайнего положения срабатывает ограничитель (не показан), который стопорит вращение шестерни 13 (А).
Под действием ветра на лопасти 5, лопасти, которые расположены на раме 4 встречно направлению воздушного потока, прижимаются плотно друг к другу, образуя сплошной щит и под действием потока, начинают вращать вал 2. Лопасти, расположение которых совпадает с направлением воздушного потока, отгибаются относительно горизонтальной оси. За счет того, что через отверстия лопастей 5 продет трос 16, закрепленный на ползуне 14, лопасти 5 отклоняются относительно вертикальной оси на угол равный 5÷15°, при этом обеспечивается отклонение всех лопастей на одинаковый угол. Таким образом, в результате работы патентуемой конструкции происходит увеличение частоты вращения вала за счет одновременной работы всех лопастей и, соответственно, крутящего момента, который передается на привод машины.
Кроме этого, увеличение и равномерность вращательного момента при работе патентуемой конструкции обусловлены тем, что все лопасти одной рамы отклоняются относительно вертикальной оси на одинаковый угол - 5÷15°.
При необходимости спустить паруса также применяют рычаг и приводят в зацепление другую шестерню 13 (Б), которая, в свою очередь, приводит в движение соответствующую ей бобину 11 (Б), которая передает крутящий момент на бобину 11 (А). Трос 12 (Б), также соединенный с верхним ползуном 14, будет тянуть ползун вниз, а трос 12 (А), соответственно, начнет движение вверх и не будет препятствовать спуску ползуна 14.
Поскольку лопасти 5 расположены внахлест относительно друг друга, то, опускаясь, они будут складываться одна на другую компактно.
Патентуемая парусная конструкция может найти применение, в основном, на водных видах транспорта. С целью повышения мощности установки возможно применение нескольких конструкций на одном судне, которые для компактности можно устанавливать с разными рабочими направлениями и размещать максимально близко друг к другу. При использовании данной конструкции энергия генерируется при любом направлении ветра.