початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2106525

Ветродвігатель для вітряків

Ім'я винахідника: Косенков Микола Миколайович
Ім'я патентовласника: Косенков Микола Миколайович
Адреса для листування:
Дата початку дії патенту: 1994.05.25

Використання: у вітроенергетиці, зокрема в конструкціях ветропріемних пристроїв, що забезпечують оптимальний кут розвороту лопатей по відношенню до напрямку вітрового потоку. Суть винаходу: вітродвигун містить пристрій у вигляді вітроколеса з поворотними лопатями, забезпеченими пристроями захисту від перевантаження і встановленими на радіальних штангах, механізм орієнтування ветропріемного пристрої, механізм розвороту лопатей, що містить планетарний механізм з елементами мальтійського механізму розвороту лопатей, кінематично жорстко пов'язані з сателітами планетарного механізму за допомогою зубчастих пар і гнучких механічних передач.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до вітротехніці, зокрема до конструкцій ветропріемних пристроїв, що забезпечують оптимальний кут розвороту лопатей по відношенню до напрямку вітрового потоку.

Відома конструкція вітродвигуна з ветроколесом, що містить встановлені на вертикальній осі і виконані з можливістю повороту лопаті, механізм повороту лопатей, що представляє собою приводний пристрій типу віндроз, механічна енергія якого через редуктор, двоступеневу шестерню і проміжна ланка передається на шестерні лопатей вітроколеса для установки їх під оптимальним кутом до набігаючого вітрового потоку [1].

Відоме пристрій характеризується невисоким коефіцієнтом використання енергії вітру, містить складну і технологічно важко виконуваним конструкцію механізму орієнтування вітроколеса і механізму розвороту лопатей.

Відома конструкція вітродвигуна, що включає вітроколесо у вигляді встановленого на вертикальному валу каркаса з лопатями, встановленими з можливістю повороту в горизонтальній площині і кінематично пов'язаними з механізмом розвороту лопатей і механізмом орієнтування вітроколеса, що представляє собою флюгер, розміщений в середній частині поворотної труби, пов'язаної з віссю обертання вітроколеса [2]. У порівнянні з вищенаведеним аналогом [1] дана конструкція менш складна і більш технологічна, проте не дозволяє забезпечити високий коефіцієнт використання енергії вітру, особливо в умовах малих вітрових навантажень, недостатньо надійна в роботі.

Найбільш близьким технічним рішенням до заявляється і обраним як прототип, є вітродвигун, що містить ветропріемное пристрій, виконаний у вигляді вітроколеса, встановленого з можливістю обертання навколо нерухомої вертикальної осі і забезпеченого лопатями з площинами, встановленими на валах з можливістю обертання навколо власних вертикальних осей і розміщеними на кінцях радіальних штанг, що з'єднують маточину вітроколеса з підшипниковими опорами валів, роликовий механізм розвороту лопатей в залежності від кута повороту вітроколеса, механізм орієнтування ветропріемного пристрою по відношенню до напрямку вітрового потоку [3].

Роликовий механізм розвороту лопатей містить встановлені на кронштейнах лопатей ролики, що котяться по напрямних жолобів горизонтальної поворотної платформи. Форма і розташування напрямних жолобів забезпечують необхідний розворот лопатей в залежності від кута повороту вітроколеса. Орієнтування ветропріемного пристрою щодо направлення вітрового потоку здійснюється шляхом повороту платформи навколо осі вітроколеса.

Дана конструкція забезпечує задовільний значення коефіцієнта використання енергії вітру, дозволяє встановлювати лопаті будь-якої конструкції. Однак дане технічне рішення не здатне усунути цілий ряд негативних особливостей, властивих в різному ступені більшості відомих конструкцій ветропріемних пристроїв. До них слід віднести:

- Плавне встановлення кута атаки лопаті на великій дузі повороту вітроколеса через необхідність забезпечення безударной роботи механізму розвороту лопатей, внаслідок чого неможливе досягнення високого коефіцієнта використання енергії вітру;

- Поворотна платформа в конструкції прототипу не може мати діаметр менше, ніж діаметр окружності, описуваної кронштейнами лопатей, що робить неможливим вирішення завдання про компактності пристрою вітроколеса, зменшенні його маси і полегшення робіт механізму орієнтування;

- Конструкція прототипу передбачає необхідність забезпечення високої жорсткості радіальних штанг щоб уникнути можливого заклинювання роликів в направляючих жолобах;

- Застосування роликового механізму розвороту лопатей знижує коефіцієнт використання енергії вітру через неминуче значного тертя пари ролик - направляючий жолоб, велику вагу конструкції, залежно поворотного зусилля від найменшого перекосу деталей механізму;

- Конструкція вітроколеса не передбачає захисту від поломок лопатей при перевищенні допустимої вітрового навантаження, захисту від атмосферних опадів, особливо в зимовий період роботи (намерзання льоду на напрямних жолобах).

Технічною задачею, що стоїть перед автором винаходу, була розробка конструкції вітродвигуна, що забезпечує високе значення коефіцієнта використання енергії вітру шляхом оптимізації кута установа лопатей, підвищення чутливості до вітру і захищеності від випадкових вітрових впливів, досягнення максимальної компактності механізмів і надійності роботи вітродвигуна в цілому. При цьому в завдання входило максимально усунути вплив несприятливих метеорологічних впливів на роботу механізмів незалежно від кліматичної зони експлуатації в поєднанні з простотою і технологічністю виготовлення вітродвигуна.

Поставлена ​​технічна задача вирішується пропонованої конструкцією вітродвигуна, що містить ветропріемное пристрій, виконаний у вигляді вітроколеса, встановленого з можливістю обертання навколо нерухомої, вертикальної осі і забезпеченого лопатями з площинами, встановленими на валах з можливістю обертання навколо власних вертикальних осей, розміщеними на кінцях радіальних штанг, що з'єднують маточину вітроколеса з підшипниковими опорами валів, механізм розвороту лопатей в залежності від кута повороту вітроколеса, механізм орієнтування ветропріемного пристрою по відношенню до напрямку вітрового потоку, при цьому кожна лопать забезпечена пристроєм захисту від перевантаження, механізм орієнтування ветропріемного пристрою містить флюгер, встановлений з можливістю обертання навколо осі вітроколеса, і колодкового гальма, керований флюгером, а механізм розвороту лопатей виконаний з просторово відокремлених вузлів. Один вузол розміщений в ступиці вітроколеса і являє собою планетарний механізм, у якому однакову числу лопастей число сателітів у вигляді чотирилопатевий мальтійських хрестів мальтійського механізму із зовнішнім зачепленням, встановлених з можливістю обертання навколо укріплених в ступиці вітроколеса осей і взаємодіючих з центральною ланкою, виконаним у вигляді кривошипа з двома роликами. Кривошип встановлений з можливістю повороту навколо осі вітроколеса і пов'язаний з флюгером через колодкового гальма, який фіксує положення центральної ланки щодо осі вітроколеса. Інші вузли, що входять до складу механізму розвороту лопатей, складаються з встановлених на кінцях радіальних штанг передавальних механізмів, кожен з яких кінематично жорстко пов'язує вал лопаті з відповідним сателітом за допомогою пари зубчастих коліс і гнучкою механічної передачі, в якості якої в конкретній конструкції використана карданна передача.

Площина лопаті з'єднується з валом за допомогою пружної запобіжної муфти, що забезпечує переклад площині в горизонтальне положення при перевищенні допустимої вітрового навантаження, що запобігає поломку елементів конструкції вітроколеса. Застосування пружної муфти дозволяє, крім того, плавно змінювати парусність лопаті в міру зростання вітрового навантаження понад розрахункової за рахунок пружного нахилу площині. При відхиленні площині від вертикалі на кут до 70 ^o пружна муфта забезпечує автоматичне повернення площині у вертикальне положення після зменшення навантаження до величини в межах розрахункової. Критична вітрове навантаження викликає відхилення лопаті на кут більше 70 ^o, після чого пружна муфта переводить площину в горизонтальне положення і повністю виключає з робочого стану.

Як передавальної ланки механізму приводу лопаті може використовуватися зубчата або інша механічна передача, забезпечуючи необхідну взаємне напрямок обертання ведучого і веденого ланки.

У запропонованій конструкції жорсткість радіальних штанг не робить прямого впливу на надійність роботи механізмів ветропріемного пристрою, що дозволяє зменшити перетин цих штанг, послабити вимоги до їх конструкционному матеріалу. Тим самим, крім надійності, підвищується технологічність виготовлення, знижується матеріаломісткість і собівартість конструкції в цілому. Більш того, зниження маси обертових елементів дозволяє знизити інерційність ветропріемного пристрою і тим самим додатково збільшити його чутливість до вітру і коефіцієнт використання вітрової енергії. Це досягається за рахунок запропонованого конструктивного виконання ветропріемного пристрою.

Сукупний технічний результат, який забезпечується винаходом, досягається і завдяки застосуванню прийому розчленування механізму розвороту лопатей на просторово відокремлені вузли: планетарний механізм, розміщений в ступиці вітроколеса, і передавальні механізми приводу лопатей, розміщені на кінцях радіальних штанг. Зазначені вузли кинематически жорстко пов'язані між собою гнучкою механічною передачею. Особливістю запропонованої конструкції механізму розвороту лопатей є використання в якості центральної ланки планетарного механізму кривошипа з двома роликами, а й наявність жорсткої кінематичного зв'язку кожного сателіта планетарного механізму з відповідною лопатою вітроколеса, причому сателітами є чтирехлопастние хрести мальтійського механізму із зовнішнім зачепленням. Наявність зазначеної особливості дозволяє отримати результат, що виражається в істотному поліпшенні працездатності вітродвигуна.

Крім того, на досягнення сукупного технічного результату впливає конструкція механізму орієнтування ветропріемного пристрою, а й наявність і характер зв'язку цього пристрою з центральною ланкою планетарного механізму і з нерухомою віссю вітроколеса через керований колодкового гальма: саме така регульована зв'язок дозволяє легко встановити ветропріемное пристрій в оптимальне по відношенню до ветропотока положення і в той же час надійно захистити від небажаних впливів.

Нарешті, наявність пристроїв захисту від перевантаження дозволяє не тільки підвищити надійність конструкції, а й поліпшити її працездатність при змінної вітрового навантаження, що в деяких випадках рівнозначно підвищенню коефіцієнта використання енергії вітру.

Наслідком застосування зазначених вище основних технічних прийомів є поява можливостей для застосування інших прийомів, спрямованих на досягнення додаткових технічних результатів:

- Виконання пристрою захисту від перевантаження у вигляді пружної муфти дозволяє автоматично зменшувати парусність лопаті при перевищенні розрахункової вітрового навантаження шляхом відхилення площині лопаті на кут до 70 ^o з самостійним поверненням площині у вертикальне положення при зниженні навантаження до розрахункової величини, внаслідок чого підвищується надійність роботи ветропріемного пристрої ;

- Можливість закритого виконання механізмів вітроколеса дозволяє підвищити надійність роботи, ККД механізмів, а й розширити область передбачуваного застосування вітродвигуна в районах з різними кліматичними умовами;

- Можливість компактного виконання механізму розвороту лопатей знімає обмеження на кількість лопатей, що встановлюються по колу вітроколеса, що дозволяє при необхідності шляхом установки більшої кількості лопатей додатково збільшити чутливість вітроколеса до вітру і тим самим розширити сферу застосування вітродвигуна в районах з постійно низькою вітрової навантаженням;

- Використання в планетарному механізмі елементів мальтійського механізму із зовнішнім зачепленням при багаторядному розташуванні мальтійських хрестів (сателітів) дозволяє виконати механізм розвороту лопатей більш компактним, поліпшити технологічність виготовлення механізму розвороту лопатей, спростити і здешевити його конструкцію.

Винахід пояснюється фігурами графічного зображення, на яких представлені: кінематична схема механізмів вітродвигуна (фіг. 1); схема механізму орієнтування ветропріемного пристрої (фіг. 2); поперечний розріз вітроколеса в місці розташування колодкового гальма (фіг. 3); вид на вітроколесо зверху (фіг. 4); блок-схема взаємодії механізмів вітродвигуна (фіг. 5).

	Вітродвигун (фіг. 1) містить нерухому вертикальну порожнисту вісь 1, на якій встановлена ​​з можливістю обертання маточина 2, з встановленим всередині планетарним механізмом і зубчастими парами 3. Планетарний механізм містить центральну ланку 4 у вигляді кривошипа з двома роликами 4 і сателіти 6, встановлені на закріплених в ступиці осях 7. Сателіти виконані у вигляді чотирилопатевий мальтійських хрестів з радіальними пазами і розташовані в два горизонтальних ряди по чотири хрести в кожному ряду. Кривошип 4 рухомо встановлений на осі 1 і пов'язаний через колодкового гальма 8 з флюгером 9. Більш детально механізм орієнтування зображений на фіг. 2 і 3. На ступиці 2 укріплені вісім радіальних штанг 10, на кінцях яких розташовані передавальні механізми 11. Передавальний механізм містить передавальне ланка 12 у вигляді пари конічних зубчастих коліс і вал 13, встановлений в підшипникової опори 14.

Лопать вітроколеса містить площину 15 необхідної аеродинамічної форми, з'єднану з валом 13 за допомогою пружної запобіжної муфти 16. Кожна лопать через передавальний механізм 11 кінематично жорстко пов'язана з відповідним сателітом планетарного механізму за допомогою гнучкої механічної (карданної) передачі 17 і пари зубчастих коліс 3. Як гнучкою механічної передачі замість карданної передачі 17 може бути використаний гнучкий вал, ланцюгова, зубчатоременная чи інша передача, що забезпечує жорсткий кінематичний зв'язок. Відбір потужності здійснюється від вала 18.

Пара зубчастих коліс 3 може містити конічні або циліндричні (наприклад, при іншому виконанні гнучкою механічної передачі) зубчасті колеса круглої або круглої форми. Некругла форма зубчастих коліс дозволяє усунути деякий рисканье лопаті на ділянках дуги повороту вітроколеса I-II та III-IV (див. Фіг. 4), обумовлене особливістю кінематики мальтійського механізму [4].

Механізм орієнтування ветропріемного пристрою (див. Фіг. 2) містить флюгер 9, укріплений на ступиці 19, встановленої з можливістю обертання навколо нерухомої осі 1 вітроколеса. Маточина 19 забезпечена і консоллю 20 з прорізом, в яку входить палець 21, встановлений на кінці важеля 22 розтискного кулачка 23. Вісь 24 розтискного кулачка встановлена ​​з можливістю обертання в отворі фланця 25 поворотної колонки 26, що одночасно є порожнистим валом центральної ланки (кривошипа 4 з роликами 5) планетарного механізму.

Механізм орієнтування вітроколеса містить і колодкового гальма (див. Фіг. 3), виконаний у вигляді клеми 8 з фрикційними колодками 27, що охоплює вісь 1 вітроколеса. Клема з'єднана з фланцем 25 (див. Фіг. 2) за допомогою пальця 28. З боку, протилежного пальцю 28, плоскі частини обох половин клеми охоплюють кулачок 23. У положенні, показаному на фіг. 3, відстань між плоскими частинами половин клеми такого, що кулачок, не затиснений. Зусилля охоплення осі 1 (зусилля гальмування) визначається стисканням пружини 29 і може регулюватися за допомогою гвинтової стяжки 30.

Колодкового гальма 8 утримує кривошип 4 від провертання при відсутності смещающего вітрового впливу на флюгер 9, не перешкоджаючи при цьому вільним коливанням флюгера в горизонтальній площині в межах кута до 20 ^o. Установка необхідної величини кута вільних коливань флюгера здійснюється шляхом конструктивного варіювання горизонтального ходу пальця 21 в прорізи консолі 20, а і профілю розтискного кулачка 23.

Ветродвігатель працює наступним чином

Сприймаючи вітрове навантаження, площину 15 лопаті, що знаходиться в положенні I (фіг. 4) перпендикулярно напрямку ветропотока, починає обертати через радіальну штангу 10 маточину 2 вітроколеса з встановленими в ній сателітами 6, приводячи ветропріемное пристрій в обертання. Сателіт 6, набігаючи своїм пазом на ролик 5 зафіксованого колодковим гальмом 8 кривошипа 4, починає поворот за годинниковою стрілкою. Обертання сателіта через пару зубчастих коліс 3, карданну передачу 17, передавальне ланка 12 і вал 13 передається з протилежним знаком на відповідну лопать, яка починає переривчасту фазу розвороту навколо власної осі проти годинникової стрілки. Одночасно ця ж лопать обертанням вітроколеса повертається за годинниковою стрілкою. Додавання двох зазначених рухів лопаті зберігає перпендикулярний до ветропотока розташування її площині аж до положення II дуги повороту вітроколеса.

На фазі повороту II - III лопать обертається з ветроколесом як єдине ціле, залишаючись нерухомою по відношенню до власної осі. Починаючи з положення III, до обертання лопаті з ветроколесом додається переривчасте обертання її сателітом в результаті зачеплення останнього з другим роликом кривошипа 4. Таким чином, на цій фазі розвороту забезпечується утримання площині лопаті паралельно напрямку ветропотока аж до положення IV. Фаза повороту на ділянці IV - I аналогічна фазі повороту на ділянці II - III. Далі описаний цикл розвороту лопатей повторюється.

Рисканье лопаті (відхилення її площині від оптимального розташування, як описано вище) на фазах повороту вітроколеса I - II і III - IV, обумовлене особливістю кінематики мальтійського механізму, усувається застосуванням некруглих зубчастих коліс в складі зубчастої пари 3.

Конструкція механізму розвороту лопатей і механізму орієнтування ветропріемного пристрою забезпечує жорсткий кінематичний зв'язок всіх лопатей між собою і з кривошипом 4, керованим через колодкового гальма 8 флюгером 9, що здійснює оптимальну орієнтацію всього ветропріемного пристрої (вітроколеса і лопатей) по відношенню до напрямку вітрового потоку. Це досягається наступним чином.

При відсутності відхиляє впливу вітру на флюгер 9 механізм орієнтування ветропріемного пристрою знаходиться в положенні, показаному на фіг. 2 і 3. Під дією пружини 29 клема 8 притискає колодки 27 до нерухомої осі 1, чим забезпечується нерухомість клеми. У цьому положенні залишаються і нерухомими пов'язані з клемою фланець 25, поворотна колонка 26 і кривошип 4.

При зміні напрямку вітру в тому випадку, коли виникло в зв'язку з цим відхиляє зусилля на флюгер перевищує величину, яка визначається стисканням пружини 29, разжимной кулачок 23 починає повертатися навколо своєї осі, розсуваючи клему 8. При цьому фрикційні колодки 27 віджимаються від осі 3 і клема 8 починає повертатися слідом за флюгером аж до положення, відповідного новому напрямку ветропотока. При ослабленні відхиляє зусилля на флюгер кулачок повертається у вихідне положення, і клема знову виявляється зафіксованої на осі. Разом з клемою в нове положення повертаються і фланець 25, поворотна колонка 26 і кривошип 4, що і забезпечує оптимальну орієнтацію ветропріемного пристрою щодо направлення вітрового потоку.

Встановлених на лопаті ПРИСТРІЙ ЗАХИСТУ ВІД ПЕРЕГРУЗКИ працює наступним чином

При перевищенні розрахунково-допустимої величини вітрового навантаження (тобто навантаження, яка може викликати пошкодження лопаті або порушення роботи механізмів ветропріемного пристрої) площину лопаті починає пружне відхилення від вертикального положення, яке забезпечується запобіжною муфтою 16. Якщо при цьому кут відхилення площині лопаті від вертикалі не перевищує 70 ^o, то пружна муфта 16 після зменшення навантаження до допустимої величини автоматично (під дією сили пружності муфти) повертає лопать в початкове положення. Критична вітрове навантаження, що призводить до відхилення площини на кут понад 70 ^o, викликає перемикання муфти в положення, що забезпечує переклад площині в горизонтальне (неробочий) становище. У цьому випадку установка площині лопаті в робоче положення здійснюється вручну або за допомогою додаткових пристосувань.

Конструкція ветропріемного пристрою не накладає технічних обмежень на установку будь-якого необхідної кількості лопатей, їх тип і конструкцію (наприклад вітрило, крило і т. П.), Розмір і конфігурацію, що дозволяє реалізувати різні принципи спільного аеродинамічного взаємодії лопатей з вітровим потоком (такі як сила опору, підйомна сила, ефект дифузора і т.п.). Це дозволяє отримати максимальне значення коефіцієнта використання енергії вітру в кожному конкретному випадку застосування вітродвигуна і є ще одним додатковим перевагою пропонованої конструкції.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. вітрових турбін, що містить ветропріемное пристрій, виконаний у вигляді вітроколеса, встановленого з можливістю обертання навколо нерухомої вертикальної осі і забезпеченого лопатями з площинами, встановленими на валах з можливістю обертання навколо власних вертикальних осей і розміщеними на кінцях радіальних штанг, що з'єднують маточину вітроколеса з підшипниками опорами валів, механізм розвороту лопатей в залежності від кута повороту вітроколеса, механізм орієнтування ветропріемного пристрою по відношенню до напрямку вітрового потоку, який відрізняється тим, що кожна лопать забезпечена пристроєм захисту від перевантаження, механізм орієнтування ветропріемного пристрою містить флюгер, встановлений з можливістю обертання навколо осі вітроколеса, і колодкового гальма, керований флюгером, а механізм розвороту лопатей виконаний з просторово відокремлених вузлів, розміщеного в ступиці вітроколеса планетарного механізму, що містить яка дорівнює кількості лопатей число сателітів у вигляді чотирилопатевий мальтійських хрестів, мальтійського механізму із зовнішнім зачепленням, встановлених з можливістю обертання навколо укріплених в ступиці ветроколеса осей і взаємодіючих з центральною ланкою, виконаним у вигляді кривошипа з двома роликами, встановленими з можливістю повороту навколо осі вітроколеса і пов'язаним з флюгером через колодкового гальма, що фіксує положення центральної ланки щодо осі вітроколеса, а й встановлених на кінцях радіальних штанг передавальних механізмів, кожен з яких кінематично жорстко пов'язує вал лопаті з відповідним сателітом за допомогою пари зубчастих коліс і гнучкою механічної передачі.

2. Ветродвігатель по п. 1, який відрізняється тим, що пристрій захисту від перевантаження виконано у вигляді пружної муфти, що з'єднує площину лопаті з її валом і забезпечує переклад лопаті в горизонтальне положення в міру перевищення розрахункової величини вітрового навантаження.

3. вітрових по пп.1 і 2, що відрізняється тим, що лопаті встановлені з можливістю автоматичного повернення площині у вертикальне положення при відхиленні від вертикалі на кут до 70 ^o після зниження вітрового навантаження до розрахункової величини.

4. вітрових по п. 1, який відрізняється тим, що флюгер встановлений з можливістю вільного коливання навколо осі вітроколеса в межах кута до 20 ^o без керуючого впливу на колодкового гальма.

5. вітрових по п.1, що відрізняється тим, що сателіти розташовані в один або кілька горизонтальних рядів.

6. вітрових по п. 1, який відрізняється тим, що гнучка механічна передача виконана у вигляді карданної передачі.

7. вітрових по п. 1, який відрізняється тим, що пара зубчастих коліс містить некруглих зубчасті колеса.

8. вітрових по п.1, що відрізняється тим, що передавальний механізм містить пару конічних зубчастих коліс.

9. вітрових по п.1, що відрізняється тим, що всі механізми вітроколеса мають закрите виконання.

Версія для друку
Дата публікації 17.03.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів