Устройство для преобразования энергии потока среды

Изобретение относится к средствам для преобразования энергии потока среды, например ветра, воды, и может быть использовано, например, в ветроэнергетике, в частности в ветроустановках для использования энергии ветра. Технический результат заключается в повышении эффективности работы установки за счет обеспечения возможности совместной, согласованной и синхронизированной работы нескольких поворотных лопастей, что приводит к более эффективному использованию энергии потока среды. Устройство содержит силовую опору с валом, планетарный механизм с корпусом, содержащий пару соосных конических колес, установленных на полуосях и имеющих по два зубчатых венца, пару соосных конических колес, имеющих по одному зубчатому венцу, центральное коническое колесо. Большие зубчатые венцы первой пары конических колес равновелики зубчатому венцу центрального конического колеса и находятся с ним в зацеплении, а малые зубчатые венцы первой пары конических колес равновелики зубчатым венцам второй пары конических колес и находятся с ними в зацеплении. Каждое парное коническое колесо имеет соосный ведомый вал с фланцем, причем на каждом фланце закреплена поворотная лопасть перпендикулярно ведомому валу. На каждом фланце дополнительно установлена вторая поворотная лопасть перпендикулярно первой лопасти, ориентированная в противоположном направлении относительно первой лопасти. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к средствам для преобразования энергии потока среды, например ветра, воды, и может быть использовано, например, в ветроэнергетике, в частности в ветроустановках для использования энергии ветра.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

Известно ветроприемное устройство в виде ветроколеса с поворотными лопастями, снабженными устройствами защиты от перегрузки, установленными на радиальных штангах, механизма ориентирования ветроприемного устройства, механизма разворота лопастей, содержащего планетарный механизм с элементами мальтийского механизма, и передаточные механизмы разворота лопастей, кинематически жестко связанные с сателлитами планетарного механизма посредством зубчатых пар и гибких механических передач, см. заявку на выдачу патента РФ на изобретение №94021138, F 03 D 5/00.

Данное устройство обеспечивает высокий коэффициент использования энергии ветра за счет оптимизации положения лопастей относительно ветропотока и высокой чувствительности к ветру, надежность работы в различных климатических зонах, имеет компактное и технологичное исполнение механизмов.

Известен механизм для преобразования вращательного движения в сложное, содержащий корпус, входной и четыре выходных вала, четыре конических колеса, водило, заторможенное центральное коническое колесо, который отличается тем, что водило выполнено в виде крестовины, имеющей ось вращения, перпендикулярную плоскости крестовины и проходящую через центр крестовины, на которой расположены две пары соосных конических колес, каждое коническое колесо одной из двух пар имеет по два зубчатых венца, а каждое коническое колесо другой пары имеет по одному зубчатому венцу, равновеликому малым зубчатым венцам первой пары конических колес, с которыми оно сцеплено, крестовина закреплена на входном валу, проходящем через ось вращения крестовины, зубчатый венец заторможенного центрального конического колеса совпадает по размерам с большими зубчатыми венцами первых двух конических колес и находится с ними в зацеплении, каждое из четырех конических колес имеет выходной вал, корпус состоит из стакана, закрепленного на входном валу, проходящем через ось вращения стакана и неподвижной стенки, на которой закреплено заторможенное центральное коническое колесо, см. патент РФ №2190790, F 16 H 2/46, патентообладателем которого является заявитель данного изобретения.

Кинематические возможности данного механизма существенно выше, чем в аналогичных устройствах. Возможность реализации различных трехмерных циклических траекторий движения функциональных элементов механической системы значительно расширяет функциональное назначение данного механизма и области его применения.

Известен летательный аппарат, включающий корпус, двигатель и два подъемных устройства, расположенных симметрично относительно продольной оси корпуса в горизонтальном направлении, который характеризуется тем, что каждое из подъемных устройств включает в себя две пары приводных крыльев, каждое из которых выполнено в виде сектора с дугой, меньшей четверти дуги образующего круга, две оси вращения, проходящие через центр образующего круга, первая из которых - горизонтальная, перпендикулярна продольной оси корпуса, а вторая - вертикальная, перпендикулярна этой горизонтальной оси, при этом на каждой из указанных осей вращения расположено по одной паре приводных крыльев с возможностью их синхронного поворота в противоположных направлениях, горизонтальный вал, на котором закреплены обе пары крыльев, расположенный в пространстве между плоскостями крыльев, проходящий через точку пересечения горизонтальной и вертикальной осей вращения перпендикулярно этим осям и закрепленный на боковой стороне корпуса с вращением при виде спереди на корпус для правого подъемного устройства против часовой стрелки и для левого подъемного устройства - по часовой стрелке, синхронизированным с передаточным отношением 1:1 с противоположным вращением каждой пары крыльев, причем в начальном положении приводные крылья одной пары расположены в вертикальных плоскостях по разные стороны от горизонтальной оси вращения этой пары, а крылья другой пары расположены в горизонтальных плоскостях по одну сторону от вертикальной оси вращения этой пары, причем в начальном положении направление вращения ближайших к корпусу вертикально расположенных крыльев обоих подъемных устройств имеет вертикальную составляющую, направленную вверх, и совпадает с направлением вращения верхнего из горизонтально расположенных крыльев соответствующего подъемного устройства при виде сверху на корпус, см. патент РФ №2128131, В 64 С 29/00, патентообладателем которого является заявитель данного изобретения.

Подъемная сила вышеописанной конструкции летательного аппарата значительно превосходит подъемную силу известных конструкций при одинаковых площадях рабочих поверхностей подъемных устройств, что позволяет существенно увеличить весовую отдачу летательного аппарата при уменьшении поперечных габаритов. Кроме того, вследствие параллельности плоскостей машущих крыльев потоку воздуха при горизонтальном полете лобовое сопротивление предлагаемой конструкции значительно меньше, чем у конструкции, описанной в прототипе, что позволит достигнуть высоких скоростей полета.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая силовую опору, механизм флюгирования с хвостовым элементом, потребитель мощности, кинематически связанный с лопастным ротором, имеющим центральное тело, установленные в нем две пары взаимно перпендикулярных валов, связанных с лопастями, причем кинематическая связь потребителя с ротором выполнена в виде планетарного редуктора, расположенного вокруг центрального тела, снабженного двумя парами взаимно перпендикулярных подвижных конических шестерен, установленных на валах, и одной неподвижной конической шестерней, расположенной перпендикулярно остальным шестерням, при этом первая пара противоположно расположенных шестерен входит в зацепление с неподвижной шестерней с передаточным отношением 1:1, а вторая пара шестерен имеет уменьшенную высоту зуба и входит в зацепление с первой парой. Эта установка характеризуется тем, что она дополнительно содержит расположенную на силовой опоре платформу, при этом потребитель мощности, ротор и планетарный редуктор размещены на этой платформе, ротор снабжен двумя дополнительными валами, первый из которых установлен горизонтально с возможностью вращения, соединен с центральным телом и кинематически связан с потребителем мощности, а второй дополнительный вал неподвижно установлен соосно с первым и связан с центральным телом, причем неподвижная шестерня закреплена на конце второго вала, см. а.с. СССР №1719714, F 03 D 5/00.

Известна ветроустановка, содержащая поворотные лопасти, планетарный редуктор, центральная коническая шестерня которого размещена на полой вертикальной опоре, и установленный в опоре вертикальный вал, первый конец которого соединен с энергетической машиной, а на втором закреплены основные полуоси, расположенные перпендикулярно валу, связанные с поворотными лопастями и коническими шестернями, взаимодействующими с центральной шестерней с передаточным соотношением 1:1, при этом ветроустановка снабжена двумя дополнительными полуосями, закрепленными на втором конце вала, расположенными в плоскости основных полуосей и перпендикулярными им, а также дополнительными поворотными лопастями, и дополнительными коническими шестернями, взаимодействующими с шестернями основных полуосей, причем лопасти основных полуосей расположены в вертикальной плоскости и направлены в противоположные стороны, а лопасти дополнительных полуосей размещены в горизонтальной плоскости и ориентированы в одном направлении, см. а.с. СССР №1652643, F 03 D 5/00.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при их использовании результату, данное техническое решение выбрано в качестве прототипа первого независимого объекта заявляемого изобретения.

Недостатками прототипа является недостаточная эффективность преобразования энергии потока среды.

Целью изобретения является повышение эффективности преобразования энергии потока среды.

Согласно изобретению устройство для преобразования энергии потока среды, содержащее силовую опору с валом, две пары соосных полуосей, закрепленных перпендикулярно друг другу на верхнем конце вала, четыре поворотные лопасти, расположенные перпендикулярно полуосям, планетарный механизм с корпусом, содержащий две пары соосных конических колес, установленных на полуосях, центральное коническое колесо, закрепленное на силовой опоре соосно валу, характеризуется тем, что первая пара соосных конических колес имеет по два зубчатых венца, а вторая пара соосных конических колес имеет по одному зубчатому венцу, причем большие зубчатые венцы первой пары конических колес равновелики зубчатому венцу центрального конического колеса и находятся с ним в зацеплении, а малые зубчатые венцы первой пары конических колес равновелики зубчатым венцам второй пары конических колес и находятся с ними в зацеплении, при этом каждое парное коническое колесо имеет соосный ведомый вал с фланцем, на котором закреплена поворотная лопасть перпендикулярно ведомому валу, кроме того, на каждом фланце дополнительно установлена вторая поворотная лопасть перпендикулярно первой лопасти, ориентированная в противоположном направлении относительно первой лопасти.

В этом состоит совокупность существенных признаков изобретения, обеспечивающая достижение поставленной нами цели во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме этого, изобретение имеет ряд факультативных признаков, характеризующих его частные случаи, конкретные формы его материального воплощения, а именно:

- поворотные лопасти выполнены с формой, исключающей возможность их взаимодействия между собой в любом положении вала;

- поворотные лопасти выполнены в виде сектора с дугой, меньшей четверти дуги образующего круга;

- поворотные лопасти выполнены в виде прямоугольников со скругленной вершиной.

Заявленное техническое решение является новым, так как оно характеризуется наличием совокупности признаков, отсутствующей в известных из уровня техники технических решениях.

Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленных совокупностей признаков, заключается в повышении эффективности преобразования энергии потока среды за счет того, что в любом положении устройства поток среды одновременно взаимодействует со всеми поворотными лопастями, которые в разной степени, зависящей от их конкретного положения относительно направления потока среды, но в то же время согласно друг с другом преобразуют энергию потока среды во вращение вала, создавая на валу моменты одного направления.

Указанное позволяет признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображена работа устройства на примере показа движения четырех поворотных плоскостей, на фиг.2 - общий вид устройства с восемью поворотными лопастями, на фиг.3 - то же самое в ином положении вала, на фиг.4 - представлен разрез по планетарному механизму, на фиг.5 - разрез А-А по фиг.4.

Устройство содержит силовую опору 1 с валом 2, например, вертикально ориентированным, планетарный механизм с корпусом, содержащий пару соосных конических колес 3, установленных на полуосях и имеющих по два зубчатых венца, пару соосных конических колес 4, имеющих по одному зубчатому венцу, центральное коническое колесо 5. Большие зубчатые венцы первой пары конических колес 3 равновелики зубчатому венцу центрального конического колеса 5 и находятся с ним в зацеплении, а малые зубчатые венцы первой пары конических колес 3 равновелики зубчатым венцам второй пары конических колес 4 и находятся с ними в зацеплении. Каждое парное коническое колесо 3, 4 имеет соосный ведомый вал 6 с фланцем 7. Ведомые валы 6 проходят через стенки корпуса планетарного механизма с возможностью поворота. На каждом фланце 7 закреплена первая поворотная лопасть 8 перпендикулярно ведомому валу. На каждом фланце 7 дополнительно установлена вторая поворотная лопасть 9 перпендикулярно первой лопасти, ориентированная в противоположном направлении относительно первой лопасти 8.

Поворотные лопасти 8 и 9 должны быть выполнены с формой, исключающей возможность их взаимодействия между собой в любом положении вертикального вала 2. Они могут быть выполнены в виде сектора с дугой, меньшей четверти дуги образующего круга, или в виде прямоугольников со скругленной вершиной.

Устройство работает следующим образом.

Под воздействием ветра лопасти устройства, закрепленные на выходных валах планетарного механизма и выполненные с соблюдением их определенных форм и размеров, будут вращаться и описывать сложные циклические пространственные траектории. При этом каждая из восьми лопастей в любом ее положении создает относительно вертикального вала момент, при этом направления моментов от всех лопастей совпадают. Планетарный механизм синхронизирует и преобразует вращение всех соосных выходных валов во вращение вертикального вала.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения сомнения не вызывает, поскольку оно может быть реализовано с применением известных технологий и технических средств. В настоящее время изготовлен и испытан действующий макет заявленного устройства, который доказал его работоспособность, возможность изготовления промышленным образом и достаточную эффективность преобразования энергии потока среды во вращательное движение вала.

Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы установки в целом за счет обеспечения возможности совместной согласованной и синхронизированной работы нескольких поворотных лопастей, что приводит к более эффективному использованию энергии потока среды, например ветра. Заявленное устройство обладает широкими функциональными возможностями и может быть использовано в конструкциях ветроустановок, рабочих колес гидроагрегатов и т.п. преобразователей энергии. Кроме того, устройство может работать и в обратимом режиме, т.е. преобразовывать энергию вращения вала в направленный поток среды, и может быть использовано в конструкциях вентиляторов, движителей водных транспортных средств и т.п. преобразователей энергии.

1. Устройство для преобразования энергии потока среды, содержащее силовую опору с валом, две пары соосных полуосей, закрепленных перпендикулярно друг другу на верхнем конце вала, четыре поворотные лопасти, расположенные перпендикулярно полуосям, планетарный механизм с корпусом, содержащий две пары соосных конических колес, установленных на полуосях, центральное коническое колесо, закрепленное на силовой опоре соосно с валом, отличающееся тем, что первая пара соосных конических колес имеет по два зубчатых венца, а вторая пара соосных конических колес имеет по одному зубчатому венцу, причем большие зубчатые венцы первой пары конических колес равновелики зубчатому венцу центрального конического колеса и находятся с ним в зацеплении, а малые зубчатые венцы первой пары конических колес равновелики зубчатым венцам второй пары конических колес и находятся с ними в зацеплении, при этом каждое парное коническое колесо имеет соосный ведомый вал с фланцем, на котором закреплена поворотная лопасть перпендикулярно ведомому валу, кроме того, на каждом фланце дополнительно установлена вторая поворотная лопасть перпендикулярно первой лопасти, ориентированная в противоположном направлении относительно первой лопасти.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотные лопасти выполнены с формой, исключающей возможности их взаимодействия между собой в любом положении вала.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поворотные лопасти выполнены в виде сектора с дугой, меньшей четверти дуги образующего круга.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поворотные лопасти выполнены в виде прямоугольников со скругленной вершиной.