|
| Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные | Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения | Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела |   |
| Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки) | |||
Навигация: => | На главную/ Каталог патентов/ В раздел каталога/ Назад / |
|
ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2253039
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ (ВАРИАНТЫ)
Имя изобретателя: Алиев А.С. (RU); Алиева Б.З.
Имя патентообладателя: Алиев Абдулла Сиражутдинович (RU); Алиева Бесханум Зиядовна
Адрес для переписки: 367003, г.Махачкала, 1-й Садовый пер., 8"б", А.С.Алиеву
Дата начала действия патента: 2003.01.31
Изобретение относится к области ветро- и гидроэнергетики и может быть использовано для выработки ветровой и гидроэнергии и преобразования их в электроэнергию. Технический результат заключается в упрощении конструкции преобразователя и повышении мощности и чувствительности к слабым потокам ветра и воды. Преобразователь содержит установленные на круговом пути взаимосвязанные платформы, каждая из которых, в свою очередь, включает кинематически связанные вагонетку (тележку) и лопасть (парус). Дополнительно преобразователь содержит вертикальную стойку и указатель направления (флюгер), а каждая платформа содержит дополнительный узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти, взаимодействующий с лопастью и указателем направления (флюгером). Дополнительно в преобразователе установлены стойки со звездочками и два указателя направления (флюгера), при этом звездочки связаны друг с другом цепью и взаимодействуют с соответствующими кулачковыми дисками и указателями направления (флюгерами), установленными на двух взаимно противоположных платформах. Дополнительно преобразователь содержит центральную звездочку и стойки со звездочками, установленные на каждой платформе, при этом звездочки всех платформ связаны цепью с центральной звездочкой, связанной неподвижно с указателем направления (флюгером) или с фиксатором углового положения.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области ветро- и гидроэнергетики и может быть использовано для преобразования энергии текучей среды (ветра или воды) в электрическую энергию.
Известен преобразователь энергии текучей среды, содержащий установленные на круговом пути взаимосвязанные платформы, каждая из которых, в свою очередь, включает кинематически связанные вагонетку (тележку) и лопасть (парус) (см. например, SU, 1275114 А1, кл. 7 F 03 D 5/04, 07.12.1986), по совокупности существенных признаков принятый за ближайший аналог изобретения (прототип).
Недостатками известного преобразователя являются сложность конструкции и невысокая эффективность.
Технический результат заключается в упрощении конструкции преобразователя энергии и значительном повышении мощности, соизмеримым с тепловыми или гидравлическими станциями, что обеспечивается за счет того, что преобразователь энергии текучей среды, содержащий установленные на круговом пути взаимосвязанные платформы, каждая из которых, в свою очередь, включает кинематически связанные вагонетку (тележку) и лопасть (парус), согласно изобретению, дополнительно содержит вертикальную стойку и указатель направления (флюгер), а каждая платформа содержит дополнительный узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти, взаимодействующий с лопастью и указателем направления (флюгером).
Узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит сцепную муфту, диск с двумя кулачками, первый и второй магниты и два опорных ролика, взаимодействующих с кулачками диска, при этом верхняя сцепная полумуфта неподвижно связана с лопастью, установленной на стойке с возможностью поворота до 90° , а нижняя - соединена жестко с кулачковым диском, подпружинена и установлена на стойке с возможностью продольного смещения по ней, кроме того, первый магнит связан с лопастью и взаимодействует со вторым магнитом, связанным с корпусом платформы.
Узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит диск с кулачками, опорные ролики, первую, вторую сцепные муфты и опорную планку, установленную с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси, совмещенной с осью стойки указателя направления (флюгера), на концах которой симметрично установлены вертикальные стойки, на которых шарнирно установлены лопасти с возможностью поворота до 90° во взаимно противоположных направлениях, при этом нижние сцепные полумуфты, установленные на вертикальных стойках лопастей с возможностью продольного смещения по ним, взаимодействуют при помощи кулачков диска с роликами, шарнирно связанными с платформой, а верхние сцепные полумуфты неподвижно соединены с соответствующими половинами лопастей.
Узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит дополнительно кинематически связанные и взаимодействующие друг с другом барабаны и подпружиненную штангу, связанную с флюгером конической формы, при этом верхние сцепные полумуфты, связанные неподвижно с лопастями, взаимодействуют через стержни и барабаны с подпружиненной штангой и посредством троса - с указателем направления (флюгером).
Флюгер выполнен в виде усеченного конуса, установленного с возможностью продольного смещения на горизонтальном рычаге стойки, и связан через трос с подпружиненной штангой, которая взаимодействует с наклонными пазами в барабанах, ограничительные пазы которых через соответствующие ограничительные стержни и опорные втулки взаимодействуют с первой и второй лопастями.
Узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит первую и вторую сцепные муфты, первую и вторую пружины, кулачковый диск с двумя кулачками и четырьмя ограничительными упорами, а и диск сцепления и ограничительные рычаги, при этом верхняя первая и нижняя вторая сцепные полумуфты неподвижно соединены с лопастью, установленной на стойке с возможностью свободного поворота, а первая нижняя полумуфта жестко связана с кулачковым диском, подпружинена и установлена на стойке с возможностью вертикального смещения по ней, кроме того, верхняя сцепная полумуфта подпружинена и неподвижно соединена с диском сцепления, взаимодействующим с помощью второй пружины с платформой и рычагом, установленными неподвижно на второй верхней сцепной полумуфте, при этом флюгер, выполненный в виде усеченного конуса, взаимодействует с кулачковым диском.
Узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит установленные неподвижно на центральной стойке коромысло, первую и вторую центральные звездочки, взаимодействующие через вновь введенные первую и вторую цепи и первую и вторую звездочки, верхние и нижние вторые сцепные полумуфты с лопастями диаметрально противоположных платформ, при этом первые звездочки установлены на двух концах коромысла соосно с нижними вторыми сцепными подпружиненными полумуфтами, кроме того, первая центральная звездочка имеет диаметр в 1,5 раза больше, чем первые звездочки, и через вторую центральную пружину взаимодействует с вращающимися опорами, а вторые звездочки установлены неподвижно на корневой части стоек лопастей всех платформ, при этом верхние вторые сцепные полумуфты через кронштейны и цилиндры с вертикальными и горизонтальными пазами взаимодействуют с соответствующими лопастями и кулачковыми дисками, при этом вращающиеся опоры через шестерни кинематически связаны с генератором (насосом).
На концах коромысла с помощью подставок неподвижно установлены нижние магниты, взаимодействующие с верхними магнитами, закрепленными на немагнитных дисках, закрепленных неподвижно на первых (нижних) звездочках.
Концы коромысла выполнены в виде сдвоенных вилок, на нижних концах которых установлены неподвижные нижние магниты, а на верхних головках установлены первые звездочки и связанные с ними верхние магниты, взаимодействующие с нижними магнитами, при этом нижняя цепь кинематически связывает первые звездочки с центральной первой звездочкой, установленной на одной оси с указателем направления течения среды и фиксатором углового положения.
В преобразователе энергии текучей среды установлены дополнительно стойки со звездочками и два указателя направления (флюгера), при этом звездочки связаны друг с другом цепью и взаимодействуют с соответствующими кулачковыми дисками и указателями направления (флюгерами), установленными на двух взаимно противоположных платформах.
Преобразователь энергии текучей среды дополнительно содержит центральную звездочку и стойки со звездочками, установленные на каждой платформе, при этом, звездочки всех платформ связаны цепью с центральной звездочкой, связанной неподвижно с указателем направления (флюгером) или с фиксатором углового положения.
- ЧЕРТЕЖИ-
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ФУНКЦИОНИРУЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ
На фиг.1 представлена обобщенная конструкция одной вращающейся платформы 2 преобразователя энергии. Для функционирования преобразователя таких платформ 2 должно быть не менее трех. В зависимости от мощности преобразователя их количество может меняться от трех до двенадцати и более. В зависимости от количества платформ 2, устанавливается радиус их вращательного движения, конструкция круговой дороги 1, взаимная связь платформ 2 друг с другом, а и место размещения электрогенератора.
При относительно малых и средних мощностях преобразователя наиболее приемлема конструкция, представленная на фиг.2 и фиг.5. В этой конструкции платформы 2 вращаются вокруг вала центрального колеса, установленного в центре преобразователя. От центрального вала движение передается электрогенератору или водяному насосу. При этом вращающиеся платформы 2 выполняются на надувных колесах, передвигающихся по круговой асфальтированной дорожке 1. Платформы 2 с помощью рычагов связаны с валом центрального колеса и с помощью сцепок соединены друг с другом. Преобразователь представляет собой единую конструкцию.
При больших мощностях преобразователь на фиг.1 включает в себя вращающиеся платформы 2, выполненные в виде вагонетки с электрогенератором, передвигающейся по круговой железной дороге 1. Платформы 2 ветродвигателя соединяются друг с другом с помощью плоских шарниров жесткими сцепками. В зависимости от мощности ветродвигателя количество платформ может меняться от трех и более. На фиг.9 преобразователь состоит из шести платформ.
Каждая платформа на фиг.1 выполнена в виде тележки 2, на которой установлена вертикальная стойка 3. На стойке 3 установлена плоская лопасть 5 с возможностью свободного вращения (поворота) вокруг нее. Верхний конец стойки 3 с помощью горизонтального рычага 6 связан с флюгером 4.
В корневой части стойки 3 лопасти 5 установлен узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти 7.
На фиг.2 приведена конструкция платформы преобразователя с первым вариантом выполнения узла изменения ориентации и фиксации положения лопасти 7. Эта конструкция платформы может быть использована в относительно маломощных ветродвигателях (1-10 кВт), где предусмотрено ручное или автоматическое изменение эффективной площади лопасти и регулировка скорости вращения выходного вала преобразователя энергии.
Платформа ветродвигателя на фиг.2 функционирует следующим образом.
В данной конструкции при вращении платформ преобразователя по круговой дороге в точках а и б (см. фиг.9) лопасть 5 меняет свое положение при слабом ветре на 90° . В точке а, лопасть становится перпендикулярно указателю направления (флюгеру) 4, т.е. направлению ветра. Далее это положение лопасти фиксируется на всем протяжении времени движения платформы на активном участке траектории движения авб.
В точке б лопасть 5 меняет свое положение. Лопасть 5 поворачивается на 90° по часовой стрелке, и плоскость ее становится вдоль направления текучей среды (ветра), т.е. совпадает с плоскостью флюгера 4. Такое положение лопасти 5 фиксируется и сохраняется на всем протяжении движения модуля на пассивном участке траектории бса.
Вращающаяся платформа 2 имеет форму параллелограмма, усеченной пирамиды или цилиндра, через центр которого проходит вертикальная стойка 3 с шарнирно установленной на ней плоской лопастью 5. В верхней части стойка 3 флюгера 4 переходит в горизонтальный (Г-образный) рычаг 6, к концу которого прикреплен указатель направления (флюгер) 4. Флюгер 4 имеет форму усеченного конуса или плоскую форму и прикреплен к стойке 3 флюгера и рычагу 6. Флюгер 4 указывает на направление ветра. На упорном подшипнике 12 устанавливается втулка 10. На этой упорной втулке 10 устанавливается плоская лопасть 5. Лопасть 5 имеет возможность свободного вращения вокруг стойки 3 флюгера 4. Стойка 3, в свою очередь, и свободно вращается относительно вращающейся платформы (тележки) 2. Для этого, стойку 3 крепят к верхней 11 крышке платформы 2 и фланцу 9 с помощью упорных подшипников 12 и крышек 13.
Вращающаяся платформа 2 устанавливается на надувных колесах. Число колес может быть сокращено до двух (или одного). В этом случае они устанавливаются как велосипедные колеса - одно за другим. При этом, платформа 2 с помощью стержня 33 соединяется с центральным колесом.
На каждой вращающейся платформе 2 устанавливается узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти 7. Этот узел содержит в себе конструктивные элементы 14-25.
Лопасть 5 закреплена на установочной втулке 10 и жестко связана с верхней сцепной полумуфтой 18.
Нижняя сцепная полумуфта 17 неподвижно соединена с кулачковым диском 14.
Высота зубьев полумуфт (h1) меньше высоты кулачков 15. Нижняя сцепная полумуфта 17, неподвижно связанная с диском 14, установлена на стойке 3 подвижно и имеет возможность вертикального перемещения. Первая цилиндрическая пружина 22 принудительно вводит нижнюю полумуфту 17 в сцепление с верхней полумуфтой 18. Для обеспечения только поступательного движения нижней полумуфты 17 она имеет вертикальный паз 20, по которому ходит направляющий палец 19 (или шпонка). Этот палец 19 (шпонка) жестко связан со стойкой 3 и определяет ориентацию флюгера 4.
На фиг.2 палец 19 ориентирован под углом 90° относительно направления флюгера 4.
Таким образом, угловое положение нижней полумуфты 17 относительно флюгера 4 не меняется.
Длина паза 20 должна быть больше высоты зубьев h1 сцепных полумуфт 17, 18. Пружина 22 должна обеспечить необходимую силу сцепления указанных полумуфт 17 и 18.
Для обеспечения автоматического изменения положения лопасти 5 в двух диаметрально противоположных точках а и б траектории движения платформы 2 преобразователя используются конструктивные элементы 1-32. Нижняя полумуфта 17 неподвижно соединена с кулачковым диском 14. Кулачки 15 взаимодействуют с роликами 16.
При этом ролики 16 ориентированы в плоскости, проходящей через оси стойки 3 и стержня 33, т.е. через ось электрогенератора 94.
При такой ориентации плоскости расположения роликов 16 эта плоскость становится перпендикулярно плоскости флюгера 4 только в двух определяющих точках а и б траектории движения платформы по круговой дорожке. Высота кулачкового выступа h2 15 должна быть больше высоты зубьев h1 полумуфт 17, 18 без учета зазора между полумуфтами.
Нижняя полумуфта 17 свободно перемещается вверх-вниз по стойке 3 и подпружинена пружиной 22. Пружина 22 обеспечивает сцепление полумуфт 17, 18. Поворот лопасти 5 вокруг стойки 3 на ±90° достигается с помощью паза 21 в установочной втулке 10.
Ролики 16 установлены с диаметрально противоположных сторон на стенках корпуса подвижной платформы 8.
В точках а и б траектории движения платформы 2 в результате взаимодействия кулачков 15 с роликами 16 сцепная полумуфта 17 отжимается вниз и выходит из сцепления с верхней полумуфтой 18.
После этого в результате взаимодействия первого 23 и второго 24 магнитов лопасть 5 поворачивается вокруг стойки 3 на 90° по часовой стрелке. С помощью первой цилиндрической пружины 22 нижняя полумуфта 17 поднимается вверх и снова входит в сцепление с верхней полумуфтой 18.
Таким образом, меняется ориентация и фиксируется положение лопасти относительно положения флюгера 4 через каждые пол-оборота вращения платформы 2. В точке а лопасть ориентируется перпендикулярно направлению флюгера 4, а в точке б - вдоль указанного направления.
В точках а или б траектории движения подвижной платформы 2 положение роликов 16 совпадают с положением кулачков 15. При этом кулачки 15 взаимодействуют с роликами 16 и отжимают нижнюю сцепную полумуфту 17 и выводят ее из зацепления с верхней полумуфтой 18.
Взаимодействие магнитов 23 и 24 в этот момент приводит к тому, что лопасть поворачивается на 90° против часовой стрелки.
На фиг.9 участок круговой дорожки авб является активным, а участок бса - пассивным. На активном участке лопасть 5 ориентирована перпендикулярно направлению ветра. Давление ветра на лопасти 5 на активном участке авб создает крутящий момент, передающийся через стержень 33 на центральное колесо. Величина крутящего момента на валу центрального колеса пропорциональна скорости ветра V, площади лопасти S, длине стержня 33 - точнее, расстоянию от оси вращения центрального колеса до оси вращения лопасти 5.
На пассивном участке траектории движения платформы 2 по круговой дорожке бса лопасти 5 ориентированы вдоль направления ветра, т.е. совпадают с направлением флюгеров 4. Ориентация лопастей 5 меняется автоматически в точках а и б. Эти точки отделяют активный участок траектории движения платформы 2 от пассивного. Изменение направления ветра относительно центрального колеса, а следовательно, и круговой дорожки 1 приведет к тому, что точка а и б сместятся по круговой дорожке 1. Активные и пассивные участки при этом и будут смещены. При этом а и б - это точки, где диаметральная линия, совпадающая с направлением ветра, пересекает круговую дорожку 1, по которой вращаются платформы 2.
Таким образом, при любом направлении ветра на активной и пассивной половинах круговой дорожки 1 лопасти 5 автоматически ориентируются таким образом, чтобы отбирать максимально возможное количество ветровой энергии.
Мощность такого преобразователя энергии будет зависеть от мощности, развиваемой единичной платформой 2 и количества соединенных между собой платформ 2.
Наиболее выгодным является вариант, когда вал центрального колеса является валом генератора 94 или водяного насоса. В случае применения винтового водяного насоса нет необходимости в синхронизации скорости вращения вала центрального колеса преобразователя (ветродвигателя). При использовании преобразователя (ветродвигателя или гидродвигателя) в энергетических установках необходимо синхронизировать скорость вращения выходного вала при изменении скорости ветра. Для решения этой задачи используется указатель направления (флюгер) конической формы 4.
При этом варианте флюгер 4 и узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти 7 имеют существенные отличия от варианта конструкции платформы 2 с плоским указателем направления (флюгером) 4.
Указатель направления (флюгер) 4 выполнен в виде усеченного конуса 59, закрепленного с помощью радиальных стоек 60 на цилиндрической втулке 65. Втулка 65 флюгера 4 устанавливается на горизонтальном трубчатом рычаге 64 и имеет возможность перемещаться свободно от упора 61 до конца рычага 64. Рычаг 64 имеет на конце паз 66, по которому свободно ходит стержень 67. К центру стержня 67 привязан трос 62. Трос 62 проходит по оси горизонтального трубчатого рычага 64 и вертикальной стойки 3. На изломе, где трос 62 из горизонтального участка переходит в вертикальный, установлен блочок 31. Конец троса 62 закреплен со штоком 30. Шток 30 имеет возможность свободно ходить по внутренней полости вертикальной стойки 3. При этом в боковой поверхности штока 30 установлен стержень 28, который ходит по наклонному пазу во втулке 26 с ограничительным упором.
Между рычагами 32, связанными со стойкой 3 флюгера 4 и втулкой 26, установлена пружина 29, которая работает на растяжение.
Подпружиненный через палец 27 шток 30 растягивает трос 62, который проходит свободно через отверстие в упорной шайбе и прижимает флюгер 4 к упору 61. Торцевые поверхности флюгера 4 конической формы 59 открыты для ветра. Давление ветра на боковые поверхности флюгера 4 заставляет флюгер 4 с помощью горизонтального рычага 64 ориентироваться по направлению ветра. При этом известно, что флюгер 4, имеющий форму усеченного конуса 59, более чувствителен к давлению ветра, чем плоский. Эффективная площадь флюгера 4 равна разности площадей нижней и верхней торцевых поверхностей усеченного конуса:
S эф=SH-Sb=pR2-pr2=p(R2-r2 ),
где R и r - радиусы нижней и верхней торцевых поверхностей конуса флюгера 4.
При повышении скорости ветра, под его давлением, флюгер 59 перемещается по горизонтальному рычагу 64, стержень 67 при этом ходит по пазу 66 и тянет за собой трос 62 и связанный с ним шток 30. При этом стержень поворотный 28 перемещается по наклонному пазу в стойке 3. Взаимодействие стержня 28 с наклонным пазом преобразует поступательное движение штока 30, а следовательно, и флюгера 4 в пропорциональное вращательное движение пальца вокруг оси стойки 3.
Стержень поворотный 28 ходит по вертикальному пазу во втулке 26 с ограничительным упором. Взаимодействие стержня 28 с пазом во втулке 26 приводит к повороту его вокруг вертикальной оси в пределах 0-90° .
Путем подбора геометрических параметров флюгера 4, параметров пружины 29, длин рычагов 32 и наклона регулировочного паза, а и высоты втулки 26, возможно настроить преобразователь (ветродвигатель) так, чтобы он синхронизировал скорость вращения вала в широком диапазоне изменения скорости ветра (4-40 м/с).
На стойке 3 шарнирно установлена втулка 10 для крепления лопасти 5. Плоские лопасти 5 крепятся ко втулке 10 неподвижно. Шарниры могут быть выполнены в виде упорных подшипников 12.
Так как лопасти 5 вращаются вокруг стоек 3 в пределах 0-90° , во втулке 10 прорезан паз 21 по окружности 90° . Палец ограничителя 19 неподвижно закреплен в стойке 3 и ходит по пазу 21, ограничивая относительный поворот лопасти 5.
Первый магнит 23 (N л-Sл) установлен неподвижно на установочной втулке 10 лопасти 5 в корневой части. Этот магнит 23 взаимодействует со вторым магнитом (Nв-Sв) 24, связанным с платформой 2 и неподвижно.
Изменение ориентации лопасти 5 происходит в результате взаимодействия указанных магнитов 23, 24 в точках а и б траектории движения платформы 2 по круговой дорожке 1.
На активном и пассивном участках движения платформы 2 положения лопасти 5 фиксируются и не меняются. На активном участке лопасть 5 ориентируется перпендикулярно направлению ветра, а на пассивном - совпадает с направлением флюгера 4, а следовательно, с направлением ветра.
Для фиксации положения лопасти используются полумуфты сцепные 17, 18.
Верхняя сцепная полумуфта 18 жестко связана с лопастью 5 и первым магнитом 23. Нижняя сцепная полумуфта 17 с помощью пружины 22 вводится в сцепление с верхней полумуфтой 18 и фиксируется положение лопасти 5 относительно плоскости флюгера 4. Для смещения нижней сцепной полумуфты 17 вверх-вниз предназначен вертикальный направляющий паз 20, по которому ходит направляющий палец 19. Палец 19 неподвижно связан со стойкой 3 и ориентирован относительно плоскости флюгера 4 под углом 90° . В этой же плоскости находятся кулачки 15 и установлены два ролика 16.
При перемещении платформы 2 по круговой дорожке 1 дважды за период вращения в точках а и б кулачки 15 взаимодействуют с роликами 16, установленными шарнирно на корпусе 8 платформы 2.
В диаметрально противоположных точках а и б траектории движения платформы ориентация второго магнита 24, неподвижно установленного на поддоннике 25 платформы 2, меняется на противоположную. Поддонник 25 изготовляют из немагнитного материала.
В указанных точках ролики 16 взаимодействуют с кулачками 15 диска 14 и отжимают сцепную нижнюю платформу 17 и выводят ее из сцепления с верхней полумуфтой 18.
В точке а (см. фиг.7) взаимодействие второго магнита 24 (Nв -Sв) с первым 23 (Nл-Sл) приводит к тому, что лопасть 5 устанавливается в положение, которое определяется ориентацией ограничительного упора во втулке с пазом 26 и паза 21 во втулке 10. Ориентация упора во втулке 26, в свою очередь, зависит от скорости ветра. Чем больше скорость ветра, тем больше угол поворота втулки с пазом и ограничительным упором 26 от нейтрального положения, соответствующего минимальной скорости ветра. Такая система ориентации лопасти 5 обеспечивает автоматическое изменение эффективной площади лопасти 5 в зависимости от скорости ветра. При слабом ветре плоскость лопасти 5 перпендикулярна плоскости ориентации флюгера 4. С ростом скорости ветра эффективная площадь лопасти 5 уменьшается. Регулируя площадь конической поверхности флюгера 4, жесткость пружины 29, наклон и форму паза в стойке 3 и длину рычагов 32, возможно синхронизировать скорость вращения выходного вала ветродвигателя при изменении скорости ветра в широком диапазоне.
Как только кулачки 15 смещаются относительно положения роликов 16, пружина 22 вводит нижнюю полумуфту 17 в сцепление с верхней 18, и положение лопасти относительно флюгера фиксируется на всем протяжении активного участка авб.
В точке б траектории движения платформы кулачки 15 снова наталкиваются на ролики 16 и отжимают нижнюю полумуфту 17. Высота кулачков 15 должна быть такой, чтобы вывести полумуфты 17 и 18 из сцепления друг с другом.
Второй магнит 24 (Nв-Nв ) взаимодействует в точке 5 с первым магнитом 23 (Nл -Sл). Такое взаимодействие магнитов 23, 24 приводит к тому, что лопасть 5 устанавливается в плоскости ориентации флюгера 4. Такая ориентация лопасти 5 фиксируется и сохраняется на всем протяжении пути на пассивном участке бса траектории движения платформы 2.
В точках в и с ориентация магнитов 23, 24 относительно друг друга особой роли не играет, т.к. ориентация лопасти 5 относительно флюгера 4 фиксируется узлом фиксации положения 7, а именно сцепными полумуфтами 17, 18.
Таким образом, изменение ориентации плоскости лопасти 5 относительно направления флюгера 4, а следовательно, и направления ветра на всем протяжении активного и пассивного участков обеспечивает максимальный отбор энергии ветра.
Установка лопасти 5 перпендикулярно направлению ветра при малой скорости обеспечивает высокую чувствительность к слабым потокам ветра, что повышает производительность. Управление лопастью по релейной схеме переключения “0” или “1” является энергетически самым выгодным, поэтому используется для управления космическим солнечным парусом.
При каждом повороте платформы 2 вокруг центрального вала на 180° в точках а и б траектории движения платформы 2 лопасти 5 поворачиваются вокруг своих осей на 90° .
Для обеспечения такого поворота используются полумуфты 109, 110, вторая пружина 107, ограничительные рычаги 104, взаимодействующие с ограничительные упорами 106, установленными на кулачковом диске 14.
Ограничительные рычаги 104 установлены неподвижно на первой верхней полумуфте 18 в плоскости лопасти 5, симметрично оси ее вращения. На концах ограничительных рычагов 104 установлены специальные механизмы (наконечники), обеспечивающие подъем и спуск выдвижных пальцев ограничительных 130. Над рычагами 104 установлена цилиндрическая вторая пружина 107. Эта пружина 107 работает на закрутку и на сжатие. Нижний конец этой пружины 107 связан с диском сцепления жестко установленным на второй верхней полумуфте. Нижняя вторая полумуфта соединена неподвижно с рычагами 104, а следовательно, с лопастью 5.
Верхний конец второй пружины 107 взаимодействует с крышкой 11 платформы 2.
При вращении платформы 2 вокруг центрального колеса полумуфты 109 и 110 находятся в сцеплении друг с другом.
В течение полупериода вращения платформы 2 на активном (авб) и пассивном (бса) участках траектории движения происходит закрутка второй пружины в точках а и б. Тогда сцепные полумуфты 109 и 110 выходят из сцепления, заведенная на 180° пружина вращает лопасть 5 вокруг вертикальной стойки 3 на угол +90° . Для ограничения угла поворота лопасти 5 используются рычаги 104 и ограничительные упоры 106.
Ограничительные упоры 106 (4 шт.) устанавливаются на диске с кулачками 14 через 90° друг от друга. Выступ упорный 122 ограничителя взаимодействует с выдвижным ограничительным пальцем 130 рычага и ограничивает поворот лопасти 5 через каждые 90° . Это происходит в момент, когда первые сцепные полумуфты 17 и 18 еще не вошли в сцепление друг с другом.
Высота упорного выступа 130 незначительно меньше высоты кулачков 15.
Клиновидный выступ 123 ограничителя обеспечивает плавное выдвижение пальца 130. Палец 130 принимает два фиксированных положения. Пальцем 130 служит нижний наконечник штока 121 (137). Шток 121 (137) при этом ходит во внутренней полости стакана 120 и с помощью третьей (пятой) пружины 131 (141) принимает крайнее нижнее положение.
Для установки и фиксации положения механизма выдвижения пальца 130 стакан 120(136) имеет прямоугольный торцевидный выступ 127, а ограничительный упор 106 неподвижно связан болтом 125 с прямоугольным наконечником.
Для фиксации выдвижного пальца 130 в верхнем положении стакан 120 и шток 121 имеют сквозное поперечное отверстие, ориентированное вдоль оси рычага 104. В этом отверстии устанавливаются четвертая пружина 135 и с двух сторон - симметрично-выдвижные ролики 133 и шарики 132. Чтобы не выпали шарики 132 с внешней стороны, отверстие в стакане 120 (136) должно быть слегка завальцовано. Диаметр шариков 132 должен равняться толщине стенки стакана 120 (136) плюс ширина зазора между втулкой и боковыми ушками 124 ограничительного упора 106. При таких размерах шариков 132, когда наконечник рычага 104 (стакан 120) проходит между боковыми ушками 124 упора, выдвижные ролики 133 отжимаются и шток 121 под действием третьей пружины 131 переходит в нижнее положение. При этом выдвижной палец 130 опускается на толщину упорного выступа 120. Клиновидный выступ 123 упора обеспечивает плавное выдвижение пальца 130. В момент, когда еще ролики 16 находятся во взаимодействии с кулачками 15, заведенная вторая пружина 107 переводит лопасть 5 в новое положение, т.е. поворачивает его на 90° . Находящийся в этот момент в нижнем положении палец 130 упирается в выступ упорный 122. Затем, когда кулачковый диск поднимается, первые полумуфты 17, 18 войдут в сцепление друг с другом. При этом выдвижной палец 130 под воздействием кулачкового диска 16 переходит в верхнее положение, которое фиксируется выдвижными роликами 133. Подпружиненные ролики 133 отжимают шарики 132 и затупленные их концы входят в стенки отверстия в стакане 120. Верхнее фиксированное положение штока 121, следовательно, и пальца 130 сохраняется до момента, пока снова кулачки 15 не войдут во взаимодействие с роликами 16 и не выведут первые полумуфты 17 и 18 из сцепления друг с другом. При этом упорный выступ 122 опускается вниз и стакан 120 с приподнятым ограничительным пальцем 130 свободно проходит между боковыми ушками 124 ограничительного упора 106.
Боковые ушки 124 отжимают оба шарика 132 и выдвижные ролики 133 и выходят из сцепления со стенками стакана 120. Под воздействием третьей пружины 131 шток 121 переходит в нижнее положение. Это положение штока регулируется гайкой 126. Торцевой выступ 127 и прямоугольное сечение верхнего конца штока 121 задают необходимую ориентацию отжимных шариков 132 относительно боковых ушек 124. Таким образом, ролики выдвижные 133 фиксируют верхнее положение ограничительного пальца 130.
Закрученная на 180° вторая пружина 107 разворачивает лопасть на 90° . Для снятия остаточного напряжения второй пружины 107 необходимо повернуть сцепной диск в обратную сторону на 90° .
Для этого необходимо принудительно вывести вторые сцепные полумуфты 109, 110 из зацепления друг с другом. Это должно быть осуществлено в тот момент, когда кулачки 15 выходят из контакта с роликами 16 и диск, под воздействием правой пружины 22, поднимается в верхнее положение. При этом пальцы-толкатели 111 приподнимут диск сцепления 108 и связанную с ним неподвижно вторую верхнюю сцепную полумуфту 109. Заведенная (закрученная) к этому моменту времени на 90° вторая пружина 107 вращает диск 108 в обратную сторону. Пружина 107 переходит в нейтральное состояние. Концы пальцев-толкателей 111 с подшипниками 112 утопают в двух отверстиях 144 диска сцепления 108. Толщина диска h должна быть равна высоте кулачков 15, высоте упорного выступа 122 и высоте зубьев первой и второй сцепных муфт 17, 18. Для обеспечения плавности кручения и спуска сцепного диска 108 на концах пальцев-толкателей 111 могут быть установлены подшипники 142, и диск 108 должен иметь около отверстия 144 клиновидное сечение 145. Механизм подъема и выдвижения пальца 130. Шток 137 перемещается внутри второго стакана 136 вверх-вниз. Пальцем 130 служит нижний наконечник штока 137. Верхний конец штока 137 имеет прямоугольное сечение. Такое же сечение имеет отверстие во втором стакане 136, что обеспечивают прижим защелок 139 к выступам внутри стакана 136. Защелки 139 фиксируют верхнее положение ограничительного пальца 130. Когда концы рычага 104 проходят между боковыми ушками 124 ограничителя, кнопки 138 с двух сторон поджимают плоские пружины 140 и закрепленные на их концах защелки 139. Под действием пятой пружины 141 шток 137 опускается в крайнее нижнее положение. Это положение устанавливается при помощи регулировочной гайки 126. Конец пальца 130 выдвигается на величину, равную высоте упорного выступа 122, кулачков 15 и зубьев первой и второй сцепных муфт 17, 18.
После отхода кулачков 15 и роликов 16 под действием первой пружины 22 кулачковый диск 14 поднимается вверх. Полумуфты 17, 18 входят в зацепление друг с другом и фиксируют положение лопасти 5. Выдвижной палец 130 опирается в выступ 122 и ограничивает угол поворота лопасти 5 через каждые 90° .
Под воздействием кулачкового диска 14 подпружиненный шток 137 поднимается вверх и защелки 139 фиксируют это положение.
Пальцы-толкатели 143, которые являются верхними концами штоков, приподнимают диск сцепления 108 с двумя отверстиями 144 вверх. При этом вторые сцепные полумуфты 109, 110 выходят из сцепления друг с другом. Закрученная на 90° вторая пружина 107 поворачивает диск 108 в обратную сторону на угол 90° . Для уменьшения потерь на трение, на концах пальцев-толкателей 143 могут быть установлены подшипники.
После того как вторая пружина 107 примет нейтральное положение, диск 108 должен опуститься вниз на величину, равную высоте кулачков 15. Для этого диск 108 имеет два отверстия 144, расположенных на диаметрально противоположных сторонах, в которых должны утопать концы пальцев-толкателей 143 с подшипниками 142. Толщина диска 108 должна быть равна высоте кулачков h. Для обеспечения плавности при опускании диска 108 со стороны перемещения пальцев-толкателей 143 к отверстиям 144 сечению диска 128 придают клиновидную форму 145.
После того как диск 108 опустится в нижнее положение, вторые сцепные полумуфты 109, 110 входят в сцепление друг с другом. С этого момента начинается закрутка (заводка) второй пружины 107.
Вторая пружина 107 одновременно работает как на закрутку, так и на сжатие. Под действием этой пружины диск сцепления 108 с верхней полумуфтой 109 постоянно прижимается к концам пальцев-толкателей подшипниками 112.
Первая пружина, которая работает на сжатие, вводит в сцепление нижнюю и верхнюю полумуфты 17, 18 и выводит из сцепления вторые верхнюю и нижнюю полумуфты 109, 110. На фиг.28 показаны положения левого (Л) и правого (П) 144 отверстий диска и ориентация лопасти 5 после каждого цикла взаимодействия кулачков с роликами 16. Нижний конец второй пружины 107 входит в отверстие 146 диска сцепления 108.
Как видно по фигурам, после каждого цикла лопасть меняет свою ориентацию, поворачивается на 90° по часовой стрелке, т.е. по направлению вращения платформы. На активном участке (абв) лопасть ориентирована перпендикулярно направлению ветра (флюгера), а на пассивном (бса) - вдоль указанного направления.
Для регулировки скорости вращения выходного вала преобразователя при изменении скорости течения среды (ветра или воды) может быть использован указатель направления течения (флюгер) конической формы 4. Принцип работы флюгера изложен выше. Отличие заключается в том, что при возрастании скорости течения среды (ветра) втулка, на которой закреплена лопасть 5 и установлены сцепные полумуфты и рычаги, поворачивается относительно плоскости флюгера (пальца 19) на угол до 45° . Чем больше скорость течения среды, тем больше угол поворота.
Причем лопасть 5 устанавливается под углом к направлению ветра как на активном участке траектории движения платформы 2 (абв), так и на пассивном (бса).
Подбирая силу натяжения пружины 118 длину рычагов 116, 18 и величину смещения флюгера 4, возможно синхронизировать (регулировать) скорость вращения выходного вала преобразователя в широком диапазоне изменения скорости течения среды (ветра). При ураганном ветре угол поворота будет равен 45° . Эффективные площади лопастей 5 на активном и пассивном участках становятся равными друг другу и соответствует величине Sэ=S 0· cos· 45° . Двигатель при этом останавливается, происходит самоторможение.
Для преобразования продольного движения флюгера 4 во вращательное движение втулки с лопастью 5 используется следующее. Второй рычаг 117 неподвижно соединен с сердечником 115. Первый рычаг 116, на конце которой установлен блочок 119, связан неподвижно со стойкой 3 флюгера 4. Пружина флюгера 118, которая работает на растяжение, одним концом связана с концом второго рычага 117, другим концом - с горизонтальным рычагом флюгера 4. Пружина 118 обеспечивает натяжение троса 62 и поворот второго рычага 117 до упора. В этом положении рычага 117, ориентированного в полости лопасти 5, последний устанавливается перпендикулярно направлению ветра. С ростом скорости ветра флюгер 4 с помощью троса 62 поворачивает первый рычаг 116 и связанную с ним лопасть 5 на угол j. Этот угол может меняться от 0 до 45° .
Указатели направления течения (флюгера) 4, выполненные в виде усеченного конуса (или плоские), могут быть установлены только на двух диаметрально противоположных платформах (тележках) (см. фиг.32). В этом случае силы давления текучей среды на флюгера 4 создают моменты вращения одинаковой величины противоположных знаков, которые компенсируют друг друга.
Оси вращения указанных двух флюгеров 4, связанных со своими звездочками, при помощи цепи передают вращение синхронно на все остальные звездочки. Тем самым сохраняется ориентация пальца 19, а следовательно, и плоскости нахождения кулачков 15 относительно направления ветра (или воды). Данные конструктивные преобразования существенно упрощают преобразователь энергии и снижают его материалоемкость и себестоимость.
Конструкция узла изменения ориентации и фиксации положения лопасти (второй вариант) (см. фиг.4) отличается от первого варианта, приведенного на фиг.2, тем, что лопасть 5 разделена на две равные половины. Они установлены вертикально и симметрично относительно стойки 3 указателя направления течения среды (флюгера) 4.
Этот вариант не предусматривает регулировку скорости вращения выходного вала при изменении скорости течения среды (ветра). Лопасти 5 устанавливаются по релейной схеме “0” или “1”, т.е. на активном участке абв обе половины лопасти 5 устанавливаются перпендикулярно направлению ветра, а на пассивном бса - вдоль указанного направления.
Принцип изменения ориентации каждой из половин лопасти аналогичен тому, что изложен выше при описании конструкции по фиг.2.
Различие заключается в конструкции узла изменения ориентации и фиксации положения лопасти 7.
В корневой части стойки 3 указателя направления (флюгера) 4 неподвижно установлена горизонтальная подпорная планка 37. На концах данной планки симметрично стойке 3 указателя направления 4 установлены жестко обе вертикальные стойки для двух половин лопасти 5. При этом каждая из половин лопасти 5 неподвижно соединена с опорной втулкой 45, шарнирно установленной на соответствующей стойке. Каждая половина лопасти 5 имеет возможность поворота до 90° навстречу друг другу, и наоборот (см. фиг.9). Для этой цели используется специальная предварительная ориентация магнитов 49 и 50, установленных в корневой части опорных втулок правой и левой половин лопастей 5 и на основании платформы 2 (см. фиг.17).
Для ограничения угла поворота втулок 45 (лопастей) на угол ±90° вокруг осей вращения 38 используются кронштейны специальной формы, взаимодействующие с упорами на концах подпорной планки 37 (см. фиг.10).
Изменение ориентации каждой из половин лопасти 5 осуществляется в точках а и б траектории движения платформы 2 (фиг.9). Для этой цели используется диск 42 с двумя кулачками 43, расположенными на диаметрально противоположных сторонах. С этим диском неподвижно соединены нижние сцепные полумуфты 47. Верхние сцепные полумуфты 46 неподвижно связаны с опорными втулками 45, на которых установлены неподвижно первая и вторая половины лопастей 5. Вторая цилиндрическая пружина 41, установленная между подпорной планкой 37 и диском 42, вводит полумуфты 46 и 47 в сцепление друг с другом и фиксирует положение половинок лопасти 6 на всем протяжении движения платформы 2 на активном и пассивном участках траектории. Изменение ориентации двух половин лопасти 5 осуществляется в точках а и б траектории движения.
В указанных точках кулачки 43 взаимодействуют с роликами 44, вращающимися вокруг своих осей. Высота кулачков 43 должна быть больше высоты зубьев сцепных полумуфт 46 и 47. Взаимодействие кулачков 43 с роликами 44 выводит полумуфты из сцепления друг с другом. В этот момент магниты 50, установленные на основании подвижной платформы, окажутся под магнитами 49, связанными с правой и левой половинами лопасти 5 (см. фиг.17).
Чтобы обеспечить необходимое встречное направление вращения левой и правой половин лопасти 5, магниты 49 и 50 устанавливаются под небольшим углом (15° -30° ) друг к другу.
Через полпериода вращения платформы 2 в точке б магниты 50 (N в-Sв), установленные на платформе 2 (вагонетке), меняют свою ориентацию на противоположную, а магниты, связанные с лопастями (Nл-Sл), сохраняют прежнюю ориентацию.
Взаимодействие указанных магнитов 49, 50 друг с другом приводит к тому, что половины лопасти 5 поворачиваются в противоположных направлениях и устанавливаются параллельно друг другу вдоль направления ветра.
Флюгер 4 может иметь форму как плоскую, так и коническую. Совместно с указателем направления (флюгером) 4 сохраняет свою ориентацию относительно направления ветра подпорная планка 37 и вращающийся относительно корпуса платформы диск 34. Этот диск 34 вращается на роликах (или шариках) по крышке платформы 35, которая имеет круглую технологическую выточку для сборки узла ориентации и фиксации положения лопасти 7.
На фиг.5 представлен третий вариант выполнения узла 7 изменения ориентации и фиксации 7 положения лопасти 5. В этом варианте в указанный узел 7 введены дополнительные признаки 51-58. Кроме того, указатель направления течения (флюгер) 4 выполнен в виде усеченного конуса, установленного на горизонтальном рычаге 6 с возможностью продольного смещения в зависимости от скорости ветра.
Данный вариант конструкции платформы 2 позволяет автоматически регулировать скорость вращения выходного вала преобразователя при изменении скорости течения среды (ветра).
Регулировка скорости вращения выходного вала преобразователя осуществляется путем изменения эффективной площади лопасти 5 в зависимости от скорости течения среды (ветра). Чем больше скорость ветра, тем меньше должна быть эффективная площадь лопасти 5.
Такая регулировка достигается тем, что конический флюгер, аналогично первому варианту конструкции платформы, с помощью троса 62 подтягивает вверх штангу 53. При слабом ветре третья цилиндрическая пружина 52, установленная на втулке-подпятнике 51, смещает штангу 53 по вертикальному пазу 54 в крайнее нижнее положение. Концы штанги 53 перемещаются по наклонным пазам 56 в левом и правом барабанах 55. Взаимодействие штанги 53 с наклонными пазами 56 барабанов 55 приводит к повороту последних вокруг осей 38. Из-за границы в направлениях пазов 58 поворот левого и правого барабанов 55 происходит во взаимно-противоположных направлениях. При этом чем больше скорость ветра, тем больше угол поворота барабанов 55 относительно первоначального (нулевого) положения. В нижних торцах барабанов 55 имеются ограничительные пазы 58. Эти пазы 58 охватывают 90° по окружности нижнего торца каждого барабана 55. По ограничительному пазу 58 перемещается конец Г-образного ограничительного пальца 57. Другой конец ограничительного пальца 57 неподвижно связан с верхней полумуфтой 46 и соответствующей опорной втулкой 45 половинки лопасти 5.
Это приводит к тому, что каждая половина лопасти 5 поворачивается вокруг своей оси не на 90° , а меньше. Таким образом, левая и правая половины лопасти 5 устанавливаются под углом друг к другу. Эффективная площадь лопасти 5, перпендикулярная направлению ветра, уменьшается. Таким образом, эффективная площадь лопасти 5 меняется обратно пропорционально скорости ветра.
Когда нет необходимости в автоматической регулировке скорости вращения выходного вала преобразователя, например, при преобразовании энергии воды реки, конструкцию узла можно существенно упростить.
Флюгер 4 можно выполнить плоским и неподвижным. Конец троса 62 можно закрепить к штоку, установленному по внутренней полости вертикальной стойки 3, со стопорным винтом. Стопорный винт со штоком перемещаются по вертикальному пазу и задают необходимую скорость вращения выходного вала преобразователя, меняя эффективную площадь двух половин лопасти 5. На вертикальный паз может быть нанесена специальная шкала устанавливаемой рабочей скорости текучей среды (ветра).
Для регулировки скорости вращения выходного вала преобразователя вместо конического флюгера в конструкциях на фиг.2 и 4 может быть использован классический центробежный регулятор скорости вращения (фиг.7).
Вращательное движение колес 78 платформы 2 с помощью пары конических шестеренок 77, вертикального, горизонтального стержней 76 и диска 69 передается центробежному регулятору скорости вращения 68. Внутренняя неподвижная обойма подшипника 79, на которой установлен регулятор скорости, закреплена на торце вертикальной стойки 3.
Ползунок 70 на регуляторе 68 свободно перемещается по стойке 3. Ползунок 70 имеет паз, через который проходит палец 71.
При смещении ползунка 70 вверх-вниз палец 71 перемещается по вертикальному пазу 72. Чтобы пропустить стержень 76 через центр вертикальной стойки 3, палец 71 разрезан на две половинки и пропущен через втулку 73. Через аналогичную втулку 74 проходят две половины штанги 53 (фиг.5). Втулки 73 и 74 соединены друг с другом с помощью тросов 75. При повышении скорости ветра увеличивается скорость вращения колес 78, что приводит к увеличению скорости вращения центробежного регулятора 68 и перемещения ползунка 70 вверх. Ползунок 70 тянет вверх связанную с ним штангу 53. Штанга 53, в свою очередь, воздействуя через барабаны 55 на левую и правую половины лопасти 5, изменяет их эффективную площадь. Таким образом, аналогично варианту с флюгером 4 в форме усеченного конуса (см. фиг.5), происходит автоматическая регулировка скорости вращения выходного вала преобразователя энергии.
Конструкция преобразователя энергии позволяет использовать его для преобразования энергии текучей воды реки или волн моря. На фиг.8 представлена конструкция ветродвигателя, установленная в реке или море.
Упорная стойка 81, вмонтированная в бетонный блок, устанавливается на дне реки или моря. Выдвижная стойка 82 позволяет регулировать высоту установки лопастей 5 преобразователя. Над упорным подшипником 83 установлены подпорки 84 для каждой платформы 2 отдельно. Узлы изменения ориентации и фиксации положения лопасти 7 размещены внутри герметичных корпусов 92 обтекаемой формы.
Центральный вал 85 насажен на вертикальную стойку 3 и соединен горизонтальными рычагами с герметичными корпусами 92. Герметичность корпусов облегчает их вес и защищает от коррозии установленные внутри элементы конструкции. Для регулировки скорости вращения могут быть использованы центробежные регуляторы скорости вращения.
Для передачи энергии вращательного движения выходного вала 85 на электрогенератор 94 (или насос) используются ведущая 86 и ведомая 87 конические шестеренки. Электрогенератор 94 установлен на подставке 93, приваренной к торцу выдвижной стойки 82.
Для передачи вращения на центробежный регулятор скорости 68 используются пары конических шестеренок 88, 89, 90 и стержень 91. В остальном регулировка скорости вращения осуществляется аналогично конструкции, представленной на фиг.7 и фиг.5.
Представленная на фиг.8 конструкция преобразователя энергии позволяет подвесить его над течением реки, опустив в течение реки только лопасти.
Принцип работы шестого варианта конструкции узла изменения ориентации и фиксации положения лопасти на фиг.33 отличается тем, что для изменения ориентации лопасти используется вращение платформы 2 вокруг центральной оси преобразователя (см. фиг.31, фиг.32).
На фиг.26 принципиальное отличие заключается в том, что для изменения ориентации двух половинок лопасти 5 вместо взаимодействия магнитов 49, 50 используется энергия закрутки второй пружины 164.
Внутренние звездочки 158 установлены вместо верхних магнитов 49 соосно осям вращения половинок лопасти 5. На оси вращения опорной планки 37 шарнирно установлены неподвижно соединенные друг с другом верхняя 159, нижняя 160 полузвездочки и диск сцепления 161.
Звездочки 158 с помощью внутренней цепи 162 взаимодействуют с полузвездочками 159 и 160. При этом полузвездочки 159, 160 ориентированы относительно друг друга так, что когда входит в зацепление с цепью 162 верхняя полузвездочка 159, нижняя 160 находится в нейтральном (отключенном) положении, и наоборот.
Верхняя и нижняя полузвездочки установлены на разных уровнях друг над другом. Звездочки дополняют друг друга до полного круга (см. фиг.34). При этом цепь охватывает первую и вторую звездочки и полузвездочки 159-160 так, что при вращении диска сцепления 161, а следовательно, и полузвездочек 159-160 по часовой стрелке, внутренние звездочки вращаются в противоположных направлениях.
На фиг.34 показан вид сверху на кинематическую связь между звездочками и полузвездочками с помощью цепи 162. Цепь принимает форму Ґ. Полузвездочки по очереди входят в зацепление с цепью 162. При этом в точках а и б траектории движения платформы 2 меняется направление вращения цепи 162 на противоположное.
При вращении платформы 2 вокруг центрального колеса (или вертикальной стойки) происходит закрутка второй пружины 164 на 180° относительно сцепного диска 161. Сцепной диск 161 неподвижно связан с полузвездочками.
В точках а и б, где граничат активные и пассивные участки траектории движения платформы 2, из-за взаимодействия кулачков 43 с отжимными роликами 44 сцепные полумуфты 46, 47 выходят из сцепления друг с другом. В этот момент меняется направление вращения цепи 162 и происходит изменение ориентации двух половин лопасти 5.
Каждая из половинок лопасти 5 вращается вокруг своей оси в противоположных направлениях на угол 90° . Для этого необходимо, чтобы диаметр звездочек (Д) был в два раза больше, чем диаметр полузвездочек (d), т.е. Д=2d.
Закрученная пружинка 164 обеспечивает необходимое переключение и плавность перехода половинок лопасти в новое положение. На оси вращения 166 опорной планки 37 (флюгера) 4 неподвижно установлена внешняя звездочка 165.
С помощью внешней цепи 163 звездочки всех платформ 2 соединяются друг с другом (см. фиг.31). В этом случае отпадает необходимость в установке флюгера 4 на каждой платформе 2. Флюгера 4 могут быть установлены только на двух диаметрально противоположных платформах 2 (см. фиг.32).
Если направление течения среды постоянное и не меняется во времени (например, направление течения реки), то нет вообще необходимости в установке указателя направления (флюгера). В этом случае направление и скорость течения среды могут быть заданы с помощью указателя угла поворота лопасти 155 и фиксатора 154 (см. фиг.30).
В общем случае, когда скорость течения среды меняется, для стабилизации скорости вращения выходного вала преобразователя может быть использован флюгер конической формы и конструкции на фиг.2, 5 и 14.
Кроме того, для стабилизации скорости вращения выходного вала преобразователя энергии может быть использован классический регулятор скорости вращения на фиг.7, который взаимодействует с гидравлической тормозной системой, подобной тормозной системе автомобиля. В случае изменения силы торможения системы от величины смещения ползунка 70 регулятора скорости возможно синхронизировать скорость вращения выходного вала преобразователя в широком диапазоне изменения скорости течения среды.
Конструкция узла изменения ориентации и фиксации положения лопасти на фиг.29 основана на применении односекционной цельной лопасти, аналогично четвертому варианту, представленному на фиг.14.
Преобразователь энергии содержит неподвижную металлическую стойку 167. Стойка необходима, чтобы поднять преобразователь энергии на безопасную высоту.
Вся конструкция преобразователя вращается на кольце установочной 168 и упорном подшипнике 169. Ведущая шестерня 170 устанавливается над упорным подшипником и соединена неподвижно с горизонтальными веерообразными опорами 172.
На фиг.28 преобразователь содержит шесть горизонтальных опор, установленных веерообразно через 60° друг от друга. К концам опор сварены подпорки 173. На этих подпорках 173 установлены неподвижно корпуса платформ 174. Для устойчивости конструкции преобразователя корпуса платформ 174 соединены с центральной стойкой с помощью горизонтальных опор 175, расположенных и веерообразно, которые соединяются шарнирно со стойкой 3 флюгера 4. Для этой цели используется подшипник 176.
Вращение платформ 2 с помощью ведущей и ведомой шестерен 171 передается через редуктор на генератор (или насос) 177.
В корневой части стойки флюгера 3 установлен указатель направления течения среды 178 (угла ориентации флюгера), а и фиксатор углового положения 179.
Они необходимы, если направление течения среды постоянное. Это направление можно установить один раз и зафиксировать. В этом случае нет необходимости в установке флюгера 4.
Когда направление течения среды меняется, флюгер 4 поворачивается и устанавливается вдоль этого направления.
Вдоль направления флюгера 4 устанавливаются и закрепленные неподвижно на стойке 3 коромысло 180 и связанные с ним первые (нижние) звездочки 181 и первая (нижняя) цепь 182. Центральная первая звездочка 183 и неподвижно закреплена на стойке 3.
Центры первых нижних звездочек 181 постоянно совпадают с положением точек а и б, где происходит изменение ориентации лопасти 5.
Независимо от числа пар вращающихся платформ 2 преобразователь энергии снабжается только одним коромыслом 180 и одной парой звездочек 181.
Такое же упрощение конструкции можно достичь, используя одно коромысло в конструкциях на фиг.2, 4, 5, где для изменения ориентации лопасти(ей) используются магниты (см. фиг.38).
Головка коромысла 180 на фиг.29 содержит стакан 184, внутри которого установлены шток 185 и пружина первая 186. Нижний конец штока 185 имеет прямоугольное сечение, которое предотвращает угловое смещение и обеспечивает только поступательное движение подпружиненного штока 185. На нижнем конце штока 185 неподвижно установлена звездочка 181, а на верхнем - вторая нижняя сцепная полумуфта 187. Верхняя вторая сцепная полумуфта 188 с помощью кронштейна 189 соединяется с втулкой установочной 45, на которой закреплена лопасть 5.
Муфты сцепные 188 используемые во всех вариантах конструкции преобразователя, могут быть выполнены в виде шлицевых муфт с прямоугольным или треугольным профилем зубьев. Ступицы и обоймы шлицевых полумуфт используются как нижние и верхние полумуфты сцепные.
Кронштейн 189 имеет возможность смещения в вертикальном направлении и взаимодействует с кулачковым диском 42. Кронштейн 189 соединен с цилиндром, который имеет вертикальный паз, по которому ходит палец направляющий 191.
В точках а и б траектории вращения платформ 2 вокруг ведущей шестерни 170 кулачки 43 наталкиваются на ролики 44. В результате кулачковый диск 42 смещается вниз и вводит вторые (нижние) полумуфты 187, 188 в сцепление друг с другом. При этом звездочки 181 выходят из сцепления с головками коромысла, заведенная на 60° пружина приводит во вращение центральную первую звездочку 183.
Эта звездочка с помощью первых цепи 182 и звездочек 181 обеспечивает поворот лопасти 5 в точке а по часовой стрелке, а в точке б - против часовой стрелки на угол +90° .
Диаметр первой центральной звездочки 183 должен быть в 1,5 раза больше диаметра звездочек 181, установленных на концах коромысла.
При таких соотношениях диаметр звездочек лопасти 5 меняет ориентацию на угол +90° .
После этого кулачки 43 выходят из взаимодействия с роликами 44, и диск 42 поднимается вверх. Верхние полумуфты 46, 47 фиксируют положение лопасти. Кроме того, звездочки 181 с помощью первых пружин 186 вводятся в сцепление с головками коромысла 180, и пружина вторая центральная 193 снова закручивается и набирает энергию.
Цилиндр 190 обеспечивает подъем и опускание кронштейна 189 и закрепленной на нем верхней второй сцепленной полумуфты 188. Для предотвращения углового смещения полумуфты 188 относительно установочной втулки лопасти служит второй палец 192, закрепленный неподвижно во втулке 45, и вертикальный паз 194 в цилиндре.
Верхний горизонтальный паз 195 в цилиндре и второй палец 192 обеспечивает свободный поворот кронштейна и связанной с ним лопасти относительно кулачкового диска 42 на угол +90° .
Для ориентации положения кулачкового диска 42 относительно направления течения среды, т.е. направления флюгера, используется принцип работы, изложенный при описании конструкции на фиг.30, 31, 32 и 35.
На стойке 3 флюгера 4 устанавливается и неподвижно вторая центральная звездочка 196. С помощью второй цепи 197 ориентация флюгера 4 синхронно передается на кулачковые диски 42 всех платформ.
Для этого предназначены вторые верхние звездочки 198, установленные неподвижно в корневой части осей вращения кулачковых дисков 14 каждой платформы 2. При этом вторая цепь 197 связывает вторые звездочки 198 аналогично схемам, представленным на фиг.31 и 32.
Флюгер 4 может быть установлен на двух диаметрально противоположных платформах (см. фиг.32). Если направление течения среды постоянное и скорость течения среды не меняется, то конструкцию преобразователя можно существенно упростить. В применении флюгера при этом необходимость отпадает. Направление ориентации второй (верхней) центральной звездочки 196 устанавливается вручную при помощи указателя направления течения среды 178 и фиксируется с помощью фиксатора углового положения (болта) 179. Нулевое положение указателя соответствует номинальной скорости течения реки. При большей скорости течения воды указатель направления 178 переводится в другое фиксированное положение. Чем больше скорость течения реки, тем больше угол поворота указателя. При этом эффективная площадь лопасти на активном участке уменьшается, а на пассивном увеличивается. Это приводит к уменьшению скорости вращения вала генератора (насоса) 177. Таким образом регулируется скорость вращения вала генератора.
Если на оси указателя направления 178 установить шаговый двигатель (двигатель постоянного тока с редуктором), на который подаются управляющие импульсы от компьютера, число, величина и знак которых зависит от направления и величины скорости течения среды (воды или ветра), возможно синхронизировать скорость вращения генератора 177 при любых направлениях и скоростях течения среды.
На фиг.37 приведена конструкция второго варианта коромысла 199, где для изменения ориентации лопастей используются магниты (см. фиг.2, 4, 5). Наконечники коромысла 200 для одинарной лопасти фиг.38 и из двух половинок 201 (фиг.38) имеют одинаковые конструкции.
От наконечника коромысла, представленного на фиг.28, рассматриваемые наконечники 200 и 201 отличаются только тем, что под звездочками 181 устанавливаются верхние магниты 202. Эти магниты 202 при сцеплении полумуфт 187, 188 в результате взаимодействия с нижними магнитами 203 обеспечивают поворот лопасти 5 на угол ±90° . Нижние магниты 203 установлены неподвижно на нижних подставках 204. Крепление верхнего магнита 201 к звездочке 181 может быть осуществлено с помощью диска 205 из немагнитного материала, на который магнит может быть закреплен неподвижно и наклеен.
Коромысло 199 меняет свою ориентацию одновременно с флюгером, так как они установлены неподвижно на одной оси. Схемы упрощения конструкций на фиг.31 и 32 применимы и для конструкций преобразователя, где применяются коромысла 199 на фиг.37 - 41. Ориентация неподвижных магнитов на нижних подставках совпадает с ориентацией магнитов 50 (лев.) и 50 (прав) в точках а и б на фиг.16 и 17. При этом первоначальная ориентация верхних магнитов 201 должна совпадать с ориентацией магнитов 49 (лев.) и 49 (прав.) в тех же точках а и б на двух концах коромысла 199 (см. фиг.16 и 17). Таким образом, применение коромысла со сдвоенными наконечниками (196) позволяет осуществить одновременное переключение четырех половинок лопастей 5 в определяющих точках а и б (см. фиг.9).
После перевода лопасти 5 (или ее половин) в новое положение верхние магниты 202 (позиция 49 на фиг.16 и 17) должны быть возвращены в первоначальное положение. Они должны быть повернуты в обратную сторону на угол - 90° . Для этой цели используются кинематически связанные первая центральная звездочка 183, цепь 184 и звездочки 181. Схема их кинематической связи совпадает со схемой на фиг.37.
При использовании коромысла со сдвоенными головками на фиг.32 кинематическая связь центральной звездочки со звездочками 181 усложняется (см. фиг.40). Данная схема возвращения четырех магнитов в первоначальное положение соответствует ориентации четырех магнитных пар на фиг.16 и 17.
Такая конструкция преобразователя энергии позволяет существенно сэкономить на количестве используемых магнитов. Вместо необходимых 24 штук по фиг.5 используется всего 8 шт. Количество флюгеров сокращается до 1 шт. вместо необходимых 6 шт.
Указанное снижение материалоемкости и себестоимости преобразователя энергии может стать определяющим фактором при его промышленном внедрении в серийное производство.
Применение цепной передачи для синхронной ориентации положения кулачков всех платформ относительно течения среды позволяет во всех конструкциях на фиг.4, 5, 8, 20, 33 и 35 отказаться от установки флюгеров 4, оставив только стойки 3 двух половин лопастей 5 (см. фиг.20). На фиг.31 стойка 3 флюгера 4 установлена в центре преобразователя. На фиг.32 флюгера 4 с соответствующими стойками 3 установлены только на двух диаметрально противоположных платформах 2.
Таким образом, при использовании кинематических связей, представленнных на фиг.31 и 32 во всех конструкциях на фигурах 4, 5, 8, 20, 33 и 35, можно отказаться от центральных стоек флюгера 4. Это приводит к снижению материалоемкомсти и трудоемкости, а следовательно, и себестоимости преобразователя энергии в целом.
Кроме того, центральный вал может быть установлен горизонтально (см. фиг.42). В этом случае, платформы 2 будут вращаться в вертикальной плоскости. Наконец, на основе данной конструкции могут быть созданы преобразователи, в которых используется одновременно энергия текучей воды реки (моря) и ветра (см. фиг.20).
Для этой цели на эту же упорную стойку 81 необходимо насадить второй центральный вал и второй ярус платформы с лопастями. Второй ярус будет преобразовывать энергию ветра. Вращение от двух центральных валов с помощью пар конических шестеренок и специальных обгонных роликовых муфт может быть передано на один электрогенератор (или насос). При этом генератор будет одновременно работать от двух источников движения (1-го и 2-го ярусов) лопастей. Такой двойной преобразователь будет работать более эффективно и производительно.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Преобразователь энергии текучей среды, содержащий установленные на круговом пути взаимосвязанные платформы, каждая из которых, в свою очередь, включает кинематически связанные вагонетку (тележку) и лопасть (парус), отличающийся тем, что дополнительно преобразователь содержит вертикальную стойку и указатель направления (флюгер), а каждая платформа содержит дополнительный узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти, взаимодействующий с лопастью и указателем направления (флюгером).
2. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит сцепную муфту, диск с двумя кулачками, первый и второй магниты и два опорных ролика, взаимодействующих с кулачками диска, при этом верхняя сцепная полумуфта неподвижно связана с лопастью, установленной на стойке с возможностью поворота до 90°, а нижняя соединена жестко с кулачковым диском, подпружинена и установлена на стойке с возможностью продольного смещения по ней, кроме того, первый магнит связан с лопастью и взаимодействует со вторым магнитом, связанным с корпусом платформы.
3. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит диск с кулачками, опорные ролики, первую, вторую сцепные муфты и опорную планку, установленную с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси, совмещенной с осью стойки указателя направления (флюгера), на концах которой симметрично установлены вертикальные стойки, на которых шарнирно установлены лопасти с возможностью поворота до 90° во взаимно противоположных направлениях, при этом нижние сцепные полумуфты, установленные на вертикальных стойках лопастей с возможностью продольного смещения по ним, взаимодействуют при помощи кулачков диска с роликами, шарнирно связанными с платформой, а верхние сцепные полумуфты неподвижно соединены с соответствующими половинами лопастей.
4. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит дополнительно кинематически связанные и взаимодействующие друг с другом барабаны и подпружиненную штангу, связанную с флюгером конической формы, при этом верхние сцепные полумуфты, связанные неподвижно с лопастями, взаимодействуют через стержни и барабаны с подпружиненной штангой, и посредством троса - с указателем направления (флюгером).
5. Преобразователь энергии текучей среды по п.4, отличающийся тем, что флюгер выполнен в виде усеченного конуса, установленного с возможностью продольного смещения на горизонтальном рычаге стойки, и связан через трос с подпружиненной штангой, которая взаимодействует с наклонными пазами в барабанах, ограничительные пазы которых через соответствующие ограничительные стержни и опорные втулки взаимодействуют с первой и второй лопастями.
6. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит первую и вторую сцепные муфты, первую и вторую пружины, кулачковый диск с двумя кулачками и четырьмя ограничительными упорами, а и диск сцепления и ограничительные рычаги, при этом верхняя первая и нижняя вторая сцепные полумуфты неподвижно соединены с лопастью, установленной на стойке с возможностью свободного поворота, а первая нижняя полумуфта жестко связана с кулачковым диском, подпружинена и установлена на стойке с возможностью вертикального смещения по ней, кроме того, верхняя сцепная полумуфта подпружинена и неподвижно соединена с диском сцепления, взаимодействующим с помощью второй пружины с платформой и рычагом, установленными неподвижно на второй верхней сцепной полумуфте, при этом флюгер, выполненный в виде усеченного конуса, взаимодействует с кулачковым диском.
7. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит установленные неподвижно на центральной стойке коромысло, первую и вторую центральные звездочки, взаимодействующие через вновь введенные первую и вторую цепи и вторую звездочку, верхние и нижние вторые сцепные полумуфты с лопастями диаметрально противоположных платформ, при этом первые звездочки установлены на двух концах коромысла соосно с нижними вторыми сцепными подпружиненными полумуфтами, кроме того, первая центральная звездочка имеет диаметр в 1,5 раз больше, чем первые звездочки, и через вторую центральную пружину взаимодействует с вращающимися опорами, а вторые звездочки установлены неподвижно на корневой части стоек лопастей всех платформ, при этом верхние вторые сцепные полумуфты через кронштейны и цилиндры с вертикальными и горизонтальными пазами взаимодействуют с соответствующими лопастями и кулачковыми дисками, при этом вращающиеся опоры через шестерни кинематически связаны с генератором (насосом).
8. Преобразователь энергии текучей среды по п.7, отличающийся тем, что на концах коромысла с помощью подставок неподвижно установлены нижние магниты, взаимодействующие с верхними магнитами, закрепленными на немагнитных дисках, закрепленных неподвижно на первых (нижних) звездочках.
9. Преобразователь энергии текучей среды по п.7, отличающийся тем, что концы коромысла выполнены в виде сдвоенных вилок, на нижних концах которых установлены неподвижные нижние магниты, а на верхних головках установлены первые звездочки и связанные с ними верхние магниты, взаимодействующие с нижними магнитами, при этом нижняя цепь кинематически связывает первые звездочки с центральной первой звездочкой, установленной на одной оси с указателем направления течения среды и фиксатором углового положения.
10. Преобразователь энергии текучей среды, содержащий установленные на круговом пути взаимосвязанные платформы, каждая из которых, в свою очередь, включает кинематически связанные вагонетку (тележку) и лопасть (парус), отличающийся тем, что установлены дополнительно стойки со звездочками и два указателя направления (флюгера), при этом звездочки связаны друг с другом цепью и взаимодействуют с соответствующими кулачковыми дисками и указателями направления (флюгерами), установленными на двух взаимно противоположных платформах.
11. Преобразователь энергии текучей среды, содержащий установленные на круговом пути взаимосвязанные платформы, каждая из которых, в свою очередь, включает кинематически связанные вагонетку (тележку) и лопасть (парус), отличающийся тем, что содержит дополнительно центральную звездочку и стойки со звездочками, установленные на каждой платформе, при этом звездочки всех платформ связаны цепью с центральной звездочкой, связанной неподвижно с указателем направления (флюгером) или с фиксатором углового положения.
Версия для печати
Дата публикации 04.04.2007гг
Created/Updated: 25.05.2018