Угловая передача (варианты)
Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для селективной передачи вращения от самоориентирующего ветроколеса с горизонтальной осью вращения, совпадающей с направлением ветра, к механической нагрузке с вертикальной осью вращения, установленной у основания ветроколеса. По первому варианту угловая передача выполнена в виде вертикального конического дифференциала, у которого нижней полуосью является трубчатая опора, а верхняя соединена с нижней полуосью реверсирующего дифференциала, связанного через вертикальную коаксиальную полуось с механической нагрузкой. По второму варианту угловая передача выполнена в виде двойного планетарного дифференциала с общей конической шестерней подветреннего ветроколеса и жестко связанными шестернями внутренних полуосей обоих дифференциалов, у которых шестерни внешних полуосей закреплены на трубчатой опоре и коаксиальной полуоси механической нагрузки с вертикальной осью вращения. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении КПД за счет повышения точности ориентирования на ветер корпуса угловой передачи с горизонтальной осью ветроколеса при любой величине механической нагрузки, установленной вертикально у основания опоры или наземном транспортном средстве. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к ветроэнергетике и касается пропеллерных двигателей и движителей с горизонтальной осью вращения ветроколеса, совпадающей с направлением ветра.
Известен ветроэнергетический агрегат, содержащий круговой статор с обмотками, окруженный ротором, имеющим постоянные магниты, непосредственно соединенный с ветроколесом на горизонтальной оси, которая прикреплена к поворотной втулке со скользящими токосъемниками, расположенной в верхней части вертикальной опоры. При этом с противоположной стороны втулка снабжена направляющим на ветер устройством (Патент США №4391235, F03D 9/00).
Недостатком этого ветроэнергетического агрегата является низкая надежность и трудности монтажа и обслуживания поворачивающегося по азимутальному направлению ветра электрогенератора со скользящими контактами электропроводки, который расположен в верхней части вертикальной опоры высоко над землей.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является ветроэнергетический агрегат, содержащий ветроколесо, установленное на горизонтальной оси и кинематически связанное с постоянными магнитами ротора, который окружает круговой статор с обмотками, поворотную втулку, на которой с противоположных сторон закреплены ось ветроколеса и направляющее на ветер устройство. При этом статор с ротором размещены у основания опоры вертикально и соосно с ней, а над ними установлена угловая передача от ветроколеса к ротору в виде двух конических шестерен. Кроме того, агрегат содержит тормозные колодки и фиксатор, установленные у основания опоры, а направляющее на ветер устройство выполнено с возможностью поворота у втулки из горизонтального в нижнее вертикальное положение (Патент РФ №2000466, F03D 1/00; 9/00).
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, низкая надежность и КПД использования энергии ветра, который обусловлен угловой азимутальной ошибкой между направлением ветра и горизонтальной осью ветроколеса, возникающей за счет обкатывания и частичного разворота ее конической шестерни по нагруженной шестерне ротора электрогенератора. Особенно при его торможении током нагрузки статора или тормозными колодками, что может привести к поломке направляющего устройства, разворачиваемого поперек ветра, которое приходится заранее приводить в нижнее вертикальное положение.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и повышение КПД ветроэнергетической установки за счет повышений точности ориентации на ветер при любой величине механической нагрузки, установленной у основания опоры или наземном транспортном средстве.
Поставленная цель достигается двумя вариантами предложенного устройства, которые способны полностью освободить разборный корпус угловой передачи ветроустановки от воздействия вращающих и противодействующих моментов ветроколеса и механической нагрузки, расположенных у основания его вертикальной опоры.
По первому (несимметричному) варианту угловая передача вращения самоориентирующего ветроколеса с горизонтальной осью вращения, снабженной конической приводной шестерней к механической нагрузке с вертикальной осью вращения, установленной у основания опоры, выполнена в виде вертикального конического дифференциала, расположенного внутри разборного корпуса, который размещен с возможностью свободного вращения на вертикальной трубчатой опоре. На верхнем конце этой опоры закреплена шестерня нижней полуоси конического дифференциала, водило которого снабжено коническим венцом, а шестерня противоположной полуоси жестко связана через подшипниковый цилиндр с нижней шестерней другого реверсирующего дифференциала с водилом сателлитов, закрепленным на разборном корпусе. Верхняя шестерня реверсирующего дифференциала закреплена на коаксиальной вертикальной оси, проходящей внутри конического дифференциала вниз к механической нагрузке, например ротору неподвижного электрогенератора.
Причем внутренние передаточные числа конического и реверсирующего дифференциалов могут отличаться на величину, пропорциональную необходимому эффекту сброса лишней ветровой нагрузки ветроколеса.
По второму (симметричному) варианту вышеуказанная угловая передача выполнена в виде двойного планетарного дифференциала с общей конической шестерней подветренного ветроколеса с горизонтальной осью привода двух конических венцов центральных цилиндрических шестерен внутреннего зацепления с двухвенцовыми цилиндрическими сателлитами. Зубчатые венцы этих сателлитов снабжены общей осью вращения так, что верхние венцы вводят в зацепление с внутренней цилиндрической шестерней коаксиальной вертикальной оси механической нагрузки, а нижние - с внутренней цилиндрической шестерней, закрепленной на вертикальной трубчатой опоре, снабженной подшипниками независимого вращения разборного корпуса двойного дифференциала, его центральных колес внутреннего зацепления и коаксиальной вертикальной оси механической нагрузки.
При этом диаметры и число зубьев венцов сателлитов и шестерен верхнего дифференциала могут отличаться от соответствующих диаметров и числа зубьев аналогичных шестерен нижнего дифференциала на величину, пропорциональную необходимому эффекту сброса лишней ветровой нагрузки ветроколеса.
Кроме того, трубчатая опора ветроколеса может быть установлена не на земле, а на кузове наземного транспортного средства, а внутренняя вертикальная ось нагружена на его трансмиссию.
Оба варианта устройства имеют общий принцип действия и положительные свойства, полученные благодаря заявленным отличиям, только у симметричного варианта взаимная компенсация вращающего и противодействующего моментов происходит не на разборном корпусе, как у несимметричного варианта, а непосредственно на противоположных сторонах приводной шестерни, контактирующей с коническими венцами двойного дифференциала.
Это позволяет несколько облегчить разборный корпус, но усложняет сборку такой угловой передачи.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны данного изобретения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на Фиг.1 показан продольный разрез угловой передачи, совмещенный с ее кинематической схемой по первому несимметричному варианту и нагрузкой на неподвижный электрогенератор.
на Фиг.2 показан продольный разрез угловой передачи, совмещенный с ее кинематической схемой по второму симметричному варианту и нагрузкой на трансмиссию наземного транспортного средства.
Угловая передача вращения 1 (несимметричный вариант) от самоориентирующего ветроколеса 1 с горизонтальной осью вращения 2, совпадающей с направлением ветра, к механической нагрузке 3 с вертикальной осью вращения 4, установленной у основания опоры 5, выполнена в виде вертикального конического дифференциала, например, автомобильного типа, с приводной шестерней 6 главной передачи, закрепленной на горизонтальной оси 2 ветроколеса 1. Эта передача расположена внутри разборного корпуса 7, размещенного с возможностью свободного вращения по азимуту на подшипниках 8 вертикальной трубчатой опоры 5 с закрепленной на ней шестерней 9 нижней полуоси конического дифференциала, у которого водило 10 сателлитов 11 снабжено коническим венцом 12, а шестерня противоположной полуоси 13 жестко связана через подшипниковый цилиндр 14 с нижней шестерней 15 другого - реверсирующего дифференциала.
Этот дифференциал целесообразно делать также коническим с водилом 16 сателлитов 17, закрепленным в разборном корпусе 7 при помощи шлицевого соединения 18. При этом его верхняя шестерня 19 крепится на коаксиальной вертикальной оси 4, проходящей внутри конического дифференциала и трубчатой опоры 5 вниз к механической нагрузке 3, например ротору неподвижного электрогенератора, установленного прямо на земле 20.
При этом внутренние передаточные числа конического и реверсирующего дифференциалов могут быть не равны друг другу, то есть отношение количества зубьев у шестерен 15 и 19 не равно единице как у шестерен 9 и 13, а отличается на небольшую величину, которая пропорциональны необходимому эффекту сброс лишней ветровой нагрузки ветроколеса 1.
Угловая передача вращения 2 (симметричный вариант) от самоориентирующегося ветроколеса 21 с горизонтальной осью вращения 22, совпадающей с направлением ветра, к механической нагрузке 23 с вертикальной осью вращения 24, установленной у основания опоры 25 ветроколеса 21, выполнена в виде двойного планетарного дифференциала с общей конической шестерней 26 привода двух конических венцов 27 и 28 центральных цилиндрических шестерен 29 и 30 внутреннего зацепления. Эти шестерни 29, 30 входят в зацепление с двухвенцовыми цилиндрическими сателлитами 31 и 32, снабженными общей осью вращения 33. Верхние венцы 32 сателлитов входят в зацепление с внутренней цилиндрической шестерней 34 коаксиальной вертикальной оси 24 механической нагрузки 23, а нижние венцы сцеплены с другой внутренней шестерней 35, закрепленной на трубчатой опоре 25, снабженной подшипниками 36 независимого вращения разборного корпуса 37 двойного дифференциала, его центральных шестерен 29, 30, 34 и коаксиальной вертикальной оси 24 механической нагрузки 23.
В качестве последней может использоваться трансмиссия двигателя 38 наземного транспортного средства, на кузове которого установлена опора 25 ветроколеса 21.
Угловая передача по первому (несимметричному) варианту работает следующим образом. За счет воздушного потока, подветреннее относительно трубчатой опоры 5, самоориентирующееся ветроколесо 1 устанавливается своей горизонтальной осью 2 по направлению ветра и начинает вращаться, приводя через коническую шестерню 6 во вращение и конический зубчатый венец 12 с водилом 10 осей сателлитов 11 вертикального конического дифференциала. Корпус 7 этого дифференциала способен свободно вращаться по азимуту на подшипниках 8 вертикальной трубчатой опоры 5 вместе с самоориентирующимся ветроколесом 1.
При этом сателлиты 11 делят поровну вращающий момент водила 10 между неподвижной шестерней 9 трубчатой опоры 5 и подвижной шестерней 13, которая передает его через подшипниковый цилиндр 14 нижней шестерне 15 другого - реверсирующего дифференциала.
Эта шестерня 15 через оси 16 сателлитов 17 передает полностью вращающий момент к шлицевому соединению 18 и разборному корпусу 7, а половину - верхней шестерне 19, которая реверсирует направление приложенного к ней момента и передает его через вертикальную коаксиальную ось 4 вниз к механической нагрузке 3, например ротору неподвижного генератора. Соответствующий противомомент статора генератора через землю 20 компенсируется таким же, но противоположным моментом трубчатой опоры 5.
Благодаря этому при равенстве внутренних передаточных чисел конического и реверсирующего дифференциалов полностью взаимно компенсируются не только вращающий и противодействующий моменты, приложенные к коаксиальной вертикальной оси 4 и трубчатой опоре 5, но и аналогичные моменты, приложенные к разборному корпусу 7 от осей сателлитов 16 и подшипники оси 2 ветроколеса 1, которое может точно поворачиваться по азимуту вслед за направлением ветра при любой величине момента механической нагрузки 3.
Если же внутренние передаточные числа дифференциалов не равны, например у конического единица, а у реверсирующего больше или меньше единицы, то полной компенсации моментов не произойдет и к разборному корпусу 7 оказывается приложенным небольшой остаточный момент, которого при большой скорости ветра будет достаточно для ощутимого разворота плоскости вращения ветроколеса 1 воль направления ветра и соответствующего сброса лишней ветровой нагрузки ветроколеса 1 и стабилизации скорости вращения коаксиальной вертикальной оси 4. Поскольку в качестве нагрузки 3 этой оси 4 обычно используется громоздкий многополюсный электрогенератор, то его наземное закрепление у основания трубчатой опоры 5 больше не лимитирует его вес и габариты, а также исключает необходимость в скользящих токосъемниках и значительно облегчает его текущее обслуживание и ремонт.
Угловая передача по второму (симметричному) варианту работает аналогичным образом, только ветроколесо 21 через свою ось 22 и коническую приводную шестерню 26 вращает сразу два конических венца 26 и 27, которые вращают с одинаковым по величине, но противоположным по знаку моментом центральные цилиндрические шестерни 29 и 30.
Через двухвенцовые сателлиты 31, 32 с общей осью 33 эти разнонаправленные моменты передаются к неподвижной внутренней шестерне 35, закрепленной на трубчатой опоре 25, и цилиндрической шестерне 34 коаксиальной полуоси 24 механической нагрузки 23.
Поскольку все вращающие и противодействующие моменты, приложенные к разборному корпусу 37, взаимно компенсируются, то он может свободно вращаться в подшипниках 36 вместе с осью 22 подветренного ветроколеса 21, самоориентирующегося по направлению ветра, так как его центр парусности находится позади трубчатой опоры 25.
Если же диаметры и число зубьев цилиндрических венцов сателлитов 32 и шестерен 30, 34 верхнего дифференциала отличается от соответствующих диаметров и числа зубьев аналогичных шестерен 29, 35 и венцов 31 нижнего дифференциала, то полной компенсации моментов коаксиальной вертикальной оси 24 и трубчатой опоры 25 не происходит. Поэтому к разборному корпусу 37 прикладывается небольшой остаточный момент, который вызывает появление угловой ошибки между направлением оси 22 ветроколеса 21 и ветра, пропорциональной его силе и величине нагрузки 23, что приводит к существенному сбросу ветровой нагрузки и предотвращает поломку или опрокидывание трубчатой опоры 25 вместе с наземным транспортным средством.
Благодаря использованию стандартных элементов ветроустановок и зубчатых механизмов предлагаемая угловая передача может серийно выпускаться как для модернизации существующих ветроэнергетических агрегатов на базе известных дифференциалов автомобилей и квадроциклов, так и самостоятельных узлов мощных ветротеплоустановок, в конструкции которых не должно быть вращающихся сальников гидро- и пневмопередач.
1. Угловая передача вращения от самоориентирующего ветроколеса с горизонтальной осью вращения, совпадающей с направлением ветра, к механической нагрузке с вертикальной осью вращения, установленной у основания опоры ветроколеса, отличающаяся тем, что она выполнена в виде вертикального конического дифференциала с приводной конической шестерней, закрепленной на горизонтальной оси подветренного ветроколеса и расположенной внутри разборного корпуса, установленного с возможностью свободного вращения по азимуту на вертикальной трубчатой опоре с закрепленной на ней шестерней нижней полуоси конического дифференциала, у которого водило снабжено коническим приводным венцом, а шестерня противоположной полуоси жестко связана через подшипниковый цилиндр с нижней шестерней другого - реверсирующего дифференциала с водилом сателлитов, закрепленным на разборном корпусе, и верхней шестерней коаксиальной вертикальной оси, проходящей внутри конического дифференциала и трубчатой опоры вниз к механической нагрузке.
2. Угловая передача по п.1, отличающаяся тем, что внутренние передаточные числа конического и реверсирующего дифференциалов одинаковы, а коаксиальная вертикальная ось нагрузки соединена с ротором неподвижного электрогенератора.
3. Угловая передача по п.1, отличающаяся тем, что внутренние передаточные числа конического и реверсирующего дифференциалов отличаются на величину, пропорциональную необходимому эффекту сброса лишней ветровой нагрузки ветроколеса.
4. Угловая передача вращения от самоориентирующего ветроколеса с горизонтальной осью вращения, совпадающей с направлением ветра, к механической нагрузке с вертикальной осью вращения, установленной у основания опоры ветроколеса, отличающаяся тем, что она выполнена в виде двойного планетарного дифференциала с общей конической шестерней подветренного ветроколеса с горизонтальной осью привода двух конических венцов центральных цилиндрических шестерен внутреннего зацепления с двухвенцовыми цилиндрическими сателлитами, снабженных общей осью вращения, у которых верхние венцы входят в зацепление с внутренней цилиндрической шестерней коаксиальной вертикальной оси механической нагрузки, а нижнее - с внутренней цилиндрической шестерней, закрепленной на трубчатой опоре, снабженной подшипниками независимого вращения разборного корпуса двойного дифференциала, его центральных шестерен внутреннего зацепления и коаксиальной вертикальной оси механической нагрузки.
5. Угловая передача по п.4, отличающаяся тем, что диаметры и числа зубьев цилиндрических венцов сателлитов и шестерен верхнего дифференциала отличаются от соответствующих диаметров и чисел зубьев аналогичных шестерен нижнего дифференциала на величину, пропорциональную необходимому эффекту сброса лишней ветровой нагрузки ветроколеса.
6. Угловая передача по п.4, отличающаяся тем, что трубчатая опора установлена на кузове наземного транспортного средства, а внутренняя вертикальная ось нагружена на его трансмиссию.
