Ветроустановка
Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в качестве привода к скважинным насосам или в качестве подзаряжающего аккумуляторы средства. Технический результат заключается в упрощении конструкции ветроустановки и предотвращении нежелательных и нерегулируемых колебаний лопасти установки. Ветроустановка состоит из мачты, основания, поворачивающегося под действием ветра относительно вертикальной оси мачты, паруса, воспринимающего поток ветра, и механизмов поворота паруса относительно горизонтальной и вертикальной его осей. Каждый из механизмов поворота паруса относительно горизонтальной и вертикальной осей кинематически посредством шарнирно соединенных с основанием и друг с другом рычагов и тяги связан с рабочим органом установки, например тросом. Установка шарнирного соединения диска с тягой за воображаемой прямой, соединяющей вертикальную ось паруса и трос, позволяет всю кинематическую систему с минимальными энергетическими затратами установить враспор и в дальнейшем легко вывести ее из этого состояния и повернуть парус на 90 градусов. Установка содержит также механизм вывода паруса из крайних положений. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к конструкциям ветроэнергетических установок, и может быть использовано в качестве привода к водяным насосам для подъема воды из скважин или подзарядки блока аккумуляторов.
Известен ветродвигатель, содержащий установленное на вертикальном валу рабочее колесо с верхними и нижними спицами, между которыми на их концах размещены поворотные балансировочные лопасти, валы которых через муфты связаны цепной передачей с общим флюгером (см. а.с. 1483081 от 30.05.89 г., М. кл. F 03 D 3/02). Выполнение лопастей поворотными позволяет оптимально ориентировать их в процессе работы, что обеспечивает оптимальную аэродинамику лопастей при движении по потоку ветра и против.
Однако общий механизм поворота лопастей, представляющий собой цепную передачу, связывающую флюгер с каждой лопастью, сложен, что снижает надежность устройства. Кроме того, цепная передача не может быть достаточно жесткой, что вызывает повышенный уровень автоколебаний, что в свою очередь является причиной неожиданных отказов в работе ветродвигателя и низкой эффективности самозащиты ветродвигателя от сильных ветров. Все это и является недостатками известного ветродвигателя.
Известен ветроагрегат, содержащий рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на котором установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с осью поворота лопасти (см. патент РФ 2119094, F 03 D 7/06 от 20.09.98 г.). Однако указанная конструкция является достаточно сложной, а связь между флюгером и механизмом поворота лопасти постоянно нагружена, что также можно отнести к недостаткам известной конструкции.
Известен более совершенный ветроагрегат - прототип, содержащий рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на которой установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с осью поворота лопасти, причем верхний конец каждой лопасти выполнен с возможностью отклонения в плоскости лопасти симметрично относительно вертикальной оси на расстояние не более В/5,27, где В - максимальное значение ширины лопасти. Каждый флюгер кинематически соединен с осью поворота лопасти посредством механизма разгрузки, который выполнен в виде предохранительной муфты (см. патент Российской Федерации №2193688, М. кл. F 03 D 7/06).
Известная конструкция ветроагрегата - проточина является достаточно сложной и не предотвращает нежелательных и нерегулируемых колебаний лопасти, что и можно отнести к недостаткам известного устройства.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа и упрощение конструкции ветроустановки при ее работе в режиме возвратно-поступательного перемещения рабочего органа, например в режиме работы насоса для подъема воды из скважины.
Приложение №2 к решению о выдаче патента на изобретение по заявке №2003136315/06(038937)
Поставленная изобретением задача достигается тем, что средство, воспринимающее поток ветра, выполнено в виде однолопастного паруса, ветроустановка снабжена устройством возвратно-поступательного поворота паруса относительно горизонтальной оси, которое посредством рычага, закрепленного на корпусе устройства над горизонтальной осью поворота, кинематически связано с рабочим органом установки, например тросом, причем устройство снабжено механизмом вывода паруса из крайних положений.
Парус снабжен механизмом возвратно-поступательного поворота относительно его вертикальной оси, который выполнен в виде диска, закрепленного на вертикальной оси поворота паруса, с тремя боковыми поверхностями, контактно связанными с упорами, ограничивающими поворот паруса, и шарнирно с рабочей тягой, при помощи рычагов с тросом и друг с другом.
При исходном, максимально воспринимающем поток ветра положении паруса шарнирное соединение диска с рабочей тягой выполнено за воображаемой прямой, соединяющей ось поворота диска и шарнирное соединение тяги с тросом, обеспечивая установку диска и тяги враспор с одновременным контактом диска с одним из упоров.
Механизм вывода паруса из крайних положений выполнен в виде штанги с закрепленным на ней грузом, причем штанга установлена за горизонтальной осью на корпусе механизма поворота паруса относительно горизонтальной оси под углом в 30-60 градусов.
Признаки того, что средство, воспринимающее поток ветра, выполнено в виде однолопастного паруса, а ветроустановка снабжена устройством возвратно-поступательного поворота паруса относительно горизонтальной оси, которое посредством рычага, закрепленного на устройстве над горизонтальной осью, кинематически связано с рабочим органом установки, например тросом, причем устройство снабжено механизмом вывода паруса из крайних положений, являются признаками существенными, неочевидными и необходимыми для достижения поставленной изобретением задачи. Так, для работы механического насоса в скважине требуется возвратно-поступательное движение поршня насоса, при этом не требуется никакого преобразователя энергии ветра. Наличие устройства поворота паруса относительно горизонтальной оси обеспечивает при повороте (качании паруса относительно горизонтальной оси) возвратно-поступательное перемещение как паруса, так и связанного с ним рычага, закрепленного над горизонтальной осью устройства, и рабочего органа - троса и далее поршня насоса. Наличие механизма вывода паруса из крайних положений способствует страгиванию с места паруса и придания ему начального движения как при малом ветре, так и при сильном.
Признаки того, что парус снабжен механизмом возвратно-поступательного поворота относительно его вертикальной оси, который выполнен в виде диска, закрепленного на вертикальной оси поворота паруса, с тремя боковыми поверхностями, контактно связанными с упорами, ограничивающими поворот паруса, и шарнирно с рабочей тягой, при помощи рычагов с тросом и друг с другом, являются признаками, дополняющими и разъясняющими особенности выполнения механизма с указанием средств, обеспечивающих достижение поставленной изобретением задачи. Получение непосредственно за счет энергии потока ветра возвратно-поступательного движения рабочего органа - троса и связанного с ним поршня насоса является практически идеальным результатом использования энергии ветра без дополнительных, затрачивающих на себя часть энергии механизмов преобразования. Характер прерывистого воздействия потока ветра на парус ветроустановки также максимально приближает работу установки к ее идеальному результату.
Признаки того, что при исходном, максимально воспринимающем поток ветра положении паруса шарнирное соединение диска с рабочей тягой выполнено за воображаемой прямой, соединяющей ось поворота диска и шарнирное соединение тяги с тросом, обеспечивая установку диска и тяги враспор с одновременным контактом диска с одним из упоров, являются признаками, дополняющими и обеспечивающими получение конечного результата предлагаемого изобретения. Так, установка шарнирного соединения в исходном состоянии враспор позволяет без каких-либо дополнительных энергетических затрат и фиксирующих механизмов эффективно использовать дополнительно возникающее натяжение троса за счет кинематического соединения рычагов, которое также используется для поворота лопасти в крайних (исходном и конечном) положениях.
Признаки того, что механизм вывода паруса из крайних положений выполнен в виде штанги с закрепленным на ней грузом, причем штанга установлена за горизонтальной осью на корпусе механизма поворота паруса относительно горизонтальной оси под углом в 30-60 градусов, являются признаками, дополняющими основной в части обеспечения работы ветроустановки при минимальных и максимальных порывах ветра. Угол наклона штанги к вертикальной плоскости в 45 градусов является оптимальным. Однако установка, имея возможность перемещения груза вдоль штанги, может успешно работать и при угле монтажа от 30 до 60 градусов. Использование меньше 30-ти и большего 60-ти градусов угла - нецелесообразно, поскольку регулировка механизма становится сложной, а конструкция громоздкой.
На фиг.1 схематично показана предлагаемая ветроустановка.
На фиг.2 представлена ветроустановка с механизмом поворота паруса относительно его вертикальной оси.
На фиг.3 представлен механизм поворота паруса относительно вертикальной оси.
На фиг.4 представлена кинематическая схема изменения натяжения рабочего органа - троса в течение одного цикла - одного возвратно-поступательного перемещения паруса при работе всей кинематической цепочки - тяги, рычагов, шарниров и вместе с ними рабочего органа - троса.
На фиг.5 представлена схема воздействия механизма вывода паруса из крайних положений.
Предлагаемая ветроустановка состоит из мачты 1, удерживаемой в вертикальном положении несколькими боковыми стяжками 2. В верхней части мачты 1 смонтировано поворотное под действием ветра относительно вертикальной оси основание 3, на котором на горизонтальной оси 4 смонтирован механизм 5 поворота паруса 6 относительно горизонтальной оси 4. Вертикальная ось 7 паруса 6 смонтирована в корпусе механизма 5 поворота паруса 6 относительно горизонтальной оси 4. В нижней части механизма 5 на вертикальной оси паруса 6 смонтирован диск 8 и на корпусе - упор 9. Упор 10 для поворота паруса 6 относительно его вертикальной оси 7 при его подходе к правому крайнему положению закреплен на основании 3. Рычаг 11 шарнирно связан через соединение 12 с тросом 13 и шарнирно с рычагом 14. Трос 13 через блок 15 связан с поршнем насоса (поршень на чертеже не показан). Механизм 16 вывода паруса 6 из крайних положений закреплен на корпусе механизма 5 за вертикальной осевой линией 17.
Диск 8 шарнирно посредством соединения 18 связан с тягой 19, которая в свою очередь шарнирно соединена с рычагом 11 и тросом 13 в соединении 12. Пружина 20, связанная с шарнирным соединением 18 и упором 9, способствует удержанию шарнирного соединения 18 при нахождении паруса в крайних положениях после его поворота относительно вертикальной оси 7. На диске 8 выполнены три поверхности контакта 21, 22, 23, поочередно контактирующие с упорами 9 и 10, причем поверхности 21 и 22 попеременно с разных сторон контактируют с упором 9, а поверхность 23 диска 8 - с упором 10. На фиг.3 пунктиром показано положение А диска 8 при повороте паруса на минимальное сопротивление потоку ветра. При этом боковая поверхность 22 диска 8 находится в контакте с упором 12. Величина L (см. фиг.3) соответствует перемещению шарнирного соединения 12 при повороте паруса 6 на 90 градусов.
Предлагаемая ветроустановка работает следующим образом.
В исходном положении парус 6 наклонен вперед по отношению к вертикальной оси мачты 1 на 25-30 градусов и его плоскость расположена перпендикулярно направлению потока ветра. Трос 13 под действием силы тяжести поршня и механизма 16 вывода паруса из крайних положений натянут и стремится повернуть парус через шарнирные рычаги 11 и 14 на еще больший угол вперед. Падения паруса вперед не происходит, потому что крайней точкой наклона паруса будет являться прямая D, соединяющая точку контакта троса 13 с блоком 15 и горизонтальную ось 4 механизма поворота паруса 6 относительно горизонтальной его оси 4.
Ветроустановка может работать в двух основных режимах - без механизма поворота паруса относительно вертикальной его оси (см. фиг.1) и с ним (см.фиг.2). Рассмотрим работу ветроустановки без механизма поворота паруса относительно его вертикальной оси. Под действием напора ветра основание 3, словно флюгер поворачиваясь относительно продольной оси мачты 1, всегда обеспечивает перпендикулярное направление потока ветра на парус. Механизм 16 вывода паруса из крайних положений представляет собой груз, закрепленный на штанге с возможностью регулировки - перемещения вдоль штанги, который, уравновешивая парус относительно горизонтальной оси 4, способствует началу движения паруса из крайних положений. При первых порывах ветра парус 6 отклоняется вправо, увлекая за собой через рычаги 14 и 11 трос 13, который приподнимает поршень и находящийся над ним столб воды. Поскольку поток ветра воздействует на парус периодически - порывами, то парус 6 под действием веса поршня и механизма 16 успевает вернуться в исходное положение. В случае слабых порывов ветра или, наоборот, сильных рывков парус совершает небольшие колебательные движения, которые также приводят к перемещению поршня насоса и подъему воды из скважины.
В случае работы установки с механизмом поворота паруса 6 (см. фиг.2) относительно его вертикальной оси 7 происходит следующее. Первоначально шарнирное соединение 18 диска 8 и тяги 19 находится за воображаемой прямой В (см. фиг.3), соединяющей точку 24 крепления диска 8 к вертикальной оси 7 и шарнирное соединение 18 другого конца тяги 11 с тросом 13. Пружина 20 в исходном положении паруса 6 подтягивает шарнирное соединение 18 и диск 8 опорной боковой поверхностью 21 к упору 9 и удерживает его за воображаемой прямой В, а после поворота паруса на 90 градусов, когда шарнирное соединение 18 находится в положении А, пружина 20 удерживает соединение в этом другом положении, поскольку продольная ось пружины перемещается за точку 24 вертикальной оси 7 паруса 6. Механизм 16 способствует, как и в первом случае, повороту паруса 6 вправо относительно горизонтальной оси 4 в начальный момент, уменьшая усилие страгивания паруса 6 с места.
При воздействии потока ветра на парус 6 последний начинает отклоняться вправо по стрелке С, см. фиг.1, 2. Отклоняясь от первоначального положения, парус продолжает максимально воспринимать поток ветра и поворачивается относительно горизонтальной оси 4. При этом тяга 19, шарнирно связанная с диском 8, начинает приподнимать шарнирное соединение 12 на конце рычага 11, принимая на себя часть нагрузки, создаваемой натяжением троса 13. На всем протяжении поворота паруса от исходного положения диск 8 своей боковой поверхностью 21 опирается на упор 9. При подходе верхней части паруса к крайнему правому положению уменьшается усилие воздействия потока ветра на парус 6 и диск 8 подходит, а затем и касается упора 10 своей боковой поверхностью 23 и, преодолевая усилие пружины 20, выводит шарнирное соединение 18 из исходного запорного состояния. Как только шарнирное соединение 18 перейдет за воображаемую прямую В, тяга 19 под упругим действием натяжения троса 13 начнет поворачивать парус относительно вертикальной оси 7. Усилие пружины 20 вначале будет препятствовать повороту диска 8 и паруса 6, но после перехода продольной оси пружины 20 за точку 24 пружина будет способствовать повороту диска 8 и удержанию паруса в его новом крайнем положении, поскольку усилие пружины 20 начнет действовать на диск 8 с другой стороны вертикальной оси 7. Парус 6 развернется на 90 градусов до контакта боковой поверхностью 22 диска 8 упора 9 и сопротивление потоку ветра будет минимальным. Поскольку сопротивление потоку ветра минимальное, то парус под действием веса поршня насоса и механизма 16 вывода паруса 6 из крайних положений начинает поворачиваться относительно горизонтальной оси 4 и двигаться в обратном направлении. При этом усилие, воспринимаемое тягой 19 от троса 13, будет постоянно удерживать парус 6 через шарнирное соединение 18 диска 8 и тяги 19 в его новом положении, когда боковая поверхность 22 диска 8 касается упора 9. При движении паруса 6 в обратном направлении рычаги 11 и 14 постоянно меняют угол контакта между собой и шарнирное соединение 12 рычага 11 при подходе к левому крайнему положению вначале устанавливается на одной линии с силовой линией натяжения троса 13, а затем отгибает (оттягивает на себя) шарнирное соединение 12 рычага 11 с тросом 13 в обратном направлении - вниз. При этом давление троса 13 на шарнирное соединение 18 постепенно ослабевает и перестает действовать, а трос 13, продолжая движение, начинает тянуть весь механизм поворота паруса относительно горизонтальной оси 4 и шарнирное соединение 18 на себя. Тяга 19 начинает этому препятствовать и создает усилие натяжения троса обратное первоначальному, которое в совокупности с усилием натяжения троса 13 и разворачивает парус 6 на максимальное восприятие потока ветра. Затем цикл кинематических взаимодействий паруса, рычагов и тяги с ее шарнирными соединениями неоднократно повторяется - парус 6 совершает качательное, возвратно-поступательное движение относительно горизонтальной оси 4 и относительно его вертикальной оси 7. В случае отсутствия ветра ветроустановка не работает. В случае малых, средних или сильных порывов ветра установка успешно будет качать воду. В случае возникновения автоколебаний (возвратно-поступательное перемещение паруса на небольшой угол под действием либо слабого, либо сильного ветра) установка все равно будет качать воду, потому что эти колебания приводят в движение поршень насоса. В случае ураганного, сплошного ветра парус ветроустановки под действием потока ветра самостоятельно установится на минимальное, уравновешенное сопротивление потоку ветра и его поломки не произойдет. Изменением длины рычага 14, расстояния между горизонтальной осью 4 ветроустановки и шарнирным соединением 12 рычага 11 можно регулировать производительность насоса, изменяя ее на 25-30 процентов в ту или иную стороны. Наличие механизма поворота паруса относительно вертикальной его оси повышает производительность установки с большим коэффициентом использования потока ветра.
Действующая модель предлагаемой ветроустановки была изготовлена и опробована. Ветроустановка успешно приводила в действие водяной насос и надежно поднимала воду с глубины 6 метров и на высоту 3 метра над поверхностью земли. Производительность установки составила 60 л/час. При отсутствии необходимости в подъеме воды установка после ее переключения при каждом цикле поворачивала генератор на несколько оборотов, вырабатывая тем самым импульсами электроэнергию, которой было достаточно для подзарядки блока аккумуляторов.
В настоящее время авторами проводится работа по изготовлению опытной промышленной установки, которая обеспечит подъем воды на высоту 20 метров, производительностью 400-700 литров в час - при работе установки без механизма поворота паруса относительно его вертикальной оси и 700-800 литров в час - с механизмом, или же после перенастройки установки (изменения длины рычагов) - с глубины 30 метров производительностью 400-500 л/час.
Считаем, что предлагаемая ветроустановка найдет широкое применение при поливе посадок фермерских хозяйств, обществ, занимающихся выращиванием овощей и фруктов, лесопосадок и питомников, а также может быть использована для создания резервуаров воды для орошения лесополос и тушения пожаров, на стоянках чабанов, у синоптиков, лесников, в охотничьих хозяйствах и т.д., особенно в местах, где отсутствует электроэнергия.
Ветроустановка проста по конструкции и надежна в работе.
1. Ветроустановка, включающая поворотное под действием ветра относительно вертикальной оси основание, средство, воспринимающее поток ветра, и механизм поворота этого средства относительно вертикальной его оси, отличающаяся тем, что средство, воспринимающее поток ветра, выполнено в виде однолопастного паруса, ветроустановка снабжена устройством возвратно-поступательного поворота паруса относительно горизонтальной оси, которое посредством рычага, закрепленного на корпусе устройства над горизонтальной осью поворота, кинематически связано с рабочим органом установки, например, тросом, причем устройство снабжено механизмом вывода паруса из крайних положений.
2. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем, что парус снабжен механизмом возвратно-поступательного поворота относительно его вертикальной оси, который выполнен в виде диска, закрепленного на вертикальной оси поворота паруса с тремя боковыми поверхностями, контактно связанными с упорами, ограничивающими поворот паруса и шарнирно с рабочей тягой при помощи рычагов с тросом и друг с другом.
3. Ветроустановка по п.2, отличающаяся тем, что при исходном максимально воспринимающем поток ветра положении паруса шарнирное соединение диска с рабочей тягой выполнено за воображаемой прямой, соединяющей ось поворота диска и шарнирное соединение тяги с тросом, обеспечивая установку диска и тяги в распор с одновременным контактом диска с одним из упоров.
4. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем, что механизм вывода паруса из крайних положений выполнен в виде штанги с закрепленным на ней грузом, причем штанга установлена за горизонтальной осью на корпусе механизма поворота паруса относительно горизонтальной оси под углом в 30-60 градусов.
