Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока
Изобретение относится к области электричества и электрических машин, в частности - к генераторам электрического тока. Маятниковый гидроволновой генератор 1 электрического тока содержит статор 2 и ротор, у которых сердечники с катушками и системой их возбуждения обеспечивают выработку электрического тока при свободном подвесе статора 2 в плавающем средстве. Плавающее средство имеет возможность циклических колебаний на угол ±α при движении волн воды и выполнении таких же циклических колебаний генератором 1 в поперечной плоскости относительно вертикальной оси за счет его постоянной ориентации к центру тяготения Земли. Ось 5 подвеса статора 2 совмещена с осью его свободного качания и смещена относительно оси 5 вращения ротора. Между собой оси 5 и 7 связаны кинематически через систему зубчатых передач. Изобретение направлено на увеличение частоты вращения и мощности вырабатываемого электрического тока генератором со свободным вращением ротора относительно статора. 24 з.п. ф-лы, 34 ил.
Изобретение относится к области электричества и электрических машин, в частности - к генераторам электрического тока с устройствами для регулирования механической энергии, конструктивно сопряженными с электрическими машинами; к асинхронным и синхронным генераторам; в т.ч. с постоянными магнитами; к коллекторным генераторам постоянного, или пульсирующего постоянного, или переменного тока с механической или бесконтактной коммутацией, к униполярным генераторам, к генераторам постоянного тока с барабанным или дисковым якорем и непрерывным токосъемом; с возвратно-поступательным, колебательным или вибрационным движением магнита, якоря или системы катушек или какого-либо иного элемента магнитной цепи.
Известен синхронный генератор электрического тока, у которого статор состоит из станины, катушек, сердечников, обмоток и панели выводов, а корпус - сварной из литой стали. Пакеты сердечника статора собраны из отдельных листов электротехнической стали, покрытых изолирующим лаком, концы трех фаз статорной обмотки и нулевая точка выведены на шины. Явно полюсный ротор генератора состоит из вала, остова и сердечников, на которых размещаются обмотки возбуждения и успокоительная. Сердечник ротора набран из отдельных стальных листов, скрепленных в пакет. Траверсы контактных колец установлены на фланце подшипникового щита с роликовым и шариковым подшипником, имеется вентилятор; ребро для подъема; полюс и ротор генератора начального пуска или иные системы возбуждения - независимой; с самовозбуждением; или смешанной (Лейкин B.C. Судовые электрические станции и системы. - М.: Транспорт, 1982, с. 25-26).
Недостатком данного генератора является невозможность эффективной выработки электрического тока при его раскачивании.
Известны также генератор электрического тока, его варианты и способы их установки, содержащий ротор и статор с общей продольной осью, расположенной горизонтально, у которых сердечники с катушками и системой возбуждения обеспечивают выработку электрического тока, при этом центры масс ротора или статора выполнены эксцентрично смещенным относительно продольной оси их вращения, а для обеспечения возможности качания статически неуравновешенных роторов или статоров они свободно установлены, а парный им ротор или статор жестко закреплен на плавающем средстве, имеющем возможность колебаний на угол ±α при движении волн воды и возможность разворота по нормали к действию волн за счет формы своего корпуса или вертикального оперения. При этом генераторы могут быть установлены фронтальными рядами, или рядами друг за другом, а для восприятия колебаний плавающего средства во взаимно перпендикулярных направлениях генераторы могут быть встроены перпендикулярно в полый трубчатый ротор внешнего генератора, у которого ротор или статор выполнены статически неуравновешенными и имеют возможность, за счет свободного подвеса в направлении к центру Земли совершать относительно закрепленных на плавающем средстве парных им роторов и статоров колебательные движения при воздействии на них волн. Для обеспечения возможности колебаний генераторов в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, роторы или статоры могут быть закреплены на горизонтальной поворотной платформе, в одни или несколько ярусов, установленной на плавающем средстве и имеющей возможность свободного поворота вокруг своей вертикальной оси, а на платформе и прилегающих к ней поверхностях плавающего средства могут быть установлены сердечники с катушками и системой возбуждения, которые обеспечивают выработку электрического тока. Роторы или статоры также могут быть подвешены к горизонтальной платформе, в т.ч. в несколько ярусов (патент на изобретение Российской Федерации МПК H02K 19/00 №2396673. Генератор электрического тока, его варианты и способы их установки. Заявка №2009100832/09 от 12.01.09. Авт. изобр. Настасенко В.А. // БИ №22 от 10.08.2010).
Недостатком данного генератора является малая движущая сила, лишь за счет эксцентриситета масс, малый сектор качания волнами и связанная с ним частота колебаний ротора или статора, что снижает его мощность.
Устранение указанных недостатков и увеличение частоты вращения и мощности вырабатываемого электрического тока генератором со свободным вращением ротора относительно статора, за счет действия волн и тяготения Земли, предусмотрено в предлагаемой заявке и является ее главной задачей.
В предлагаемой заявке на изобретение поставленная задача решена путем выполнения и установки гидроволновых электрических генераторов маятникового типа, содержащих статор и ротор, у которых сердечники с катушками и системой их возбуждения обеспечивают выработку электрического тока при свободном подвесе статора в плавающем средстве, имеющем возможность циклических колебаний на угол ±α при движении волн воды, и выполнении таких же циклических колебаний генератором в поперечной плоскости относительно вертикальной оси, за счет его постоянной ориентации к центру тяготения Земли, а ось подвеса статора совмещена с осью его свободного качания, и смещена относительно оси вращения ротора, а между собой эти оси связаны кинематически, через систему зубчатых передач, а для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве, он имеет опоры, со стойками или ребрами, которые параллельны торцам статора, и связанную с этими стойками или ребрами горизонтальную ось, которая совмещена с осью подвешивания статора, при этом ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена к периферии торцов статора и состоит из закрепленных на опорах двух полуосей, на которых параллельно торцам статора закреплены ведущие зубчатые колеса и введены в зацепление, с одной их стороны - с шестернями, закрепленными на противоположных концах вала ротора, а с другой их стороны - с зубчатыми колесами с внутренним зубчатым венцом, или с их секторами, закрепленными на торцах у периферии статора, или ось для подвешивания и свободного качания статора совмещена с периферией статора и состоит из закрепленных на опорах двух полуосей, а их концы у торцов статора выполнены конусной или сферической формы и введены в адекватные им выемки, выполненные напротив на торцах статора, имеющего возможность качания на них, и/или на торцах таких полуосей и напротив них на торцах статора, выполнены адекватные выемки конической или сферической формы, между которыми введены шарики, а параллельно плоскости торца статора, на этих полуосях, и/или на их опорах, закреплены ведущие зубчатые колеса или их секторы, центры которых совмещены с осью качания статора, а их зубья введены в зацепление с закрепленными на концах вала ротора шестернями, а для упрощения конструкции, ведущее колесо или сектор и введенная с ним в зацепление шестерня на конце вала ротора, могут быть выполнены только у одного из торцов статора, или ось для подвешивания и свободного качания статора состоит из закрепленных на торце статора двух полуосей, которые введены с возможностью качания в установленные на опорах подшипники, а на одной из опор, или на них обеих, параллельно плоскости торца статора закреплен сектор или секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а зубья секторов введены в зацепление с шестернями, закрепленными на противоположных концах вала ротора, или ось для подвешивания и свободного качания состоит статора из двух полуосей, выполненных из винтов или шпилек, которые завинчены в торцы статора и закреплены контргайками, и введены с возможностью качания в подшипники, установленные на опорах, а на одной из опор, или на них обеих, параллельно плоскости торца статора закреплен сектор или секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а зубья секторов введены в зацепление с шестернями, закрепленными на противоположных концах вала ротора, или ось для подвешивания и свободного качания статора состоит из закрепленного на его корпусе стержня или балки, которые введены с возможностью качания в подшипники, установленные в опорах, а на одной из опор, или на них обеих, параллельно плоскости торца статора закреплен сектор или секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а зубья секторов введены в зацепление с шестернями, закрепленными на концах вала ротора, или ось для подвешивания и свободного качания статора состоит из закрепленного на опорах стержня или балки, на которых свободно навешены ушки, к которым прикреплен статор, а на одной из опор, или на них обеих, закреплен параллельно плоскости торца статора сектор или секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а их зубья введены в зацепление с шестернями, закрепленными на противоположных концах вала ротора, или ось для подвешивания и свободного качания статора состоит из стержня или балки, которые введены с возможностью качания в подшипники, установленные в опорах, и имеют ушки, к которым прикреплен статор, а на одной из опор, или на обеих, закреплен параллельно плоскости торца статора сектор или секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а их зубья введены в зацепление с шестернями, закрепленными на противоположных концах вала ротора, или ось для свободного качания статора на плавающем средстве смещена относительно оси вращения ротора, а для исключения элементов подвешивания статора, на опорах закреплены секторы ведущих зубчатых колес с внутренним зубчатым венцом, центры которых совмещены с осью качания статора, а зубья введены в зацепление с закрепленными на концах вала ротора шестернями, а для исключения самопроизвольного вылета генератора из этих зубчатых секторов при крутой волне, на них и/или на опорах установлены ограничительные элементы, или ось для подвешивания и свободного качания статора состоит из стержня или балки, закрепленных на опорах, или введенных с возможностью вращения в закрепленные на опорах подшипники, а на этом стержне или балке свободно подвешены ушки с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а их зубья введены в зацепление с шестернями, установленными на концах вала ротора, а для сглаживания неравномерности вращения ротора, на валу ротора между его шестернями и торцами статора закреплены маховики, или маховик, или он установлен внутри корпуса статора и совмещен с вентилятором, или на этом стержне или на балке свободно подвешены водила с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а их зубья введены в зацепление с шестернями, установленными на концах вала ротора, а для исключения реверса ротора при качании генератора в противоположных направлениях, установленные на противоположных концах вала ротора шестерни имеют возможность зацепления при вращении лишь в одну сторону, для чего между ними и валом установлены шариковые или роликовые обгонные муфты, у которых полумуфты с храповыми зубцами в их центральных отверстиях закреплены на торце шестерни, или храповые зубцы выполнены на центральных отверстиях у шестерен, а между зубцами и наружной поверхностью вала размещены шарики или ролики, или между шестернями и валом установлены храповые механизмы, у которых храповые колеса закреплены на валу, а собачки с пружинами установлены на торце шестерни, или между шестернями и валом ротора установлены торцовые зубчатые муфты, у которых одна полумуфта закреплена на торце шестерни, а вторая установлена на валу ротора и поджата к первой пружиной, а между одним из венцов зубчатого сектора и шестерней вала ротора, на закрепленной на водиле или на торце статора оси, установлена паразитная шестерня, или на этом стержне или на балке свободно подвешены ушки, с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, у которых центры совмещены с осью качания статора, а для исключения реверса ротора при качаниях генератора в противоположных направлениях, один сектор выполнен с внешним, а другой с внутренним зубчатым венцом, с которыми введены в зацепление шестерни, установленные с противоположных сторон вала ротора с возможностью их зацепления при вращении лишь в одну сторону, для чего между шестернями и валом установлены шариковые или роликовые обгонные муфты, у которых полумуфты с храповыми зубцами в центральных отверстиях закреплены на торце шестерни, или храповые зубцы выполнены в центральных отверстиях у шестерен, а между этими зубцами и наружной поверхностью вала размещены шарики или ролики, или между шестернями и валом установлены храповые механизмы, у которых колеса закреплены на валу, а собачки с пружинами установлены на торце шестерни, или между шестернями и валом установлены торцовые зубчатые муфты, у которых одна полумуфта закреплена на торце шестерни, а вторая установлена на валу ротора и прижата к первой пружиной, или на этом стержне или на балке свободно подвешены ушки, с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, у которых центры совмещены с осью качания статора, а для исключения реверса ротора при качаниях генератора в противоположных направлениях, один сектор выполнен с внешним, а другой с внутренним зубчатым венцом, с которыми введены в зацепление шестерни, установленные с противоположных сторон вала ротора с возможностью их зацепления при вращении лишь в одну сторону, для чего между шестернями и валом установлены шариковые или роликовые обгонные муфты, у которых полумуфты с храповыми зубцами в центральных отверстиях закреплены на торце шестерни, или храповые зубцы выполнены в центральных отверстиях у шестерен, а между этими зубцами и наружной поверхностью вала размещены шарики или ролики, или между шестернями и валом установлены храповые механизмы, у которых колеса закреплены на валу, а собачки с пружинами установлены на торце шестерни, или между шестернями и валом установлены торцовые зубчатые муфты, у которых одна полумуфта закреплена на торце шестерни, а вторая установлена на валу ротора и прижата к первой пружиной, или на этом стержне или на балке свободно подвешены водила, с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, у которых центры совмещены с осью качания статора, а для повышения частоты вращения вала ротора, между этими секторами и шестернями, установленными с противоположных сторон вала ротора, введены в зацепление блок или блоки зубчатых колес, свободно установленных на осях, закрепленных на водилах, или на торцах статора, или на этом стержне или на балке свободно подвешены водила, с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а на противоположных концах вала ротора закреплены шестерни, между которыми и между зубчатыми секторами введены в зацепление блок или блоки сдвоенных зубчатых колес, установленные на осях, закрепленных на водилах, или на торцах статора, а для исключения реверса ротора при качаниях генератора в противоположных направлениях, один из секторов выполнен с внутренним, а другой с внешним зубчатым венцом, или, при одинаковом виде зубчатых венцов, в зацеплении с одним из них введена паразитная шестерня, а для уменьшения габаритов шестерен и улучшения компоновки реверсивных зацеплений, с возможностью передачи вращения в одну сторону выполнены зубчатые колеса блоков, шестерни которых жестко связаны со своими валами, а между колесами блока и валами установлены шариковые или роликовые обгонные муфты, у которых полумуфты с храповыми зубцами закреплены на валах шестерен блока, или храповые зубцы выполнены на их валах, а между зубцами и отверстием колеса введены шарики или ролики, или между валами шестерен и зубчатыми колесами блока установлены храповые передачи, колеса которых закреплены или выполнены на валу, а собачки с пружинами установлены на торце зубчатого колеса блока, или между колесом и шестерней блока установлены торцовые зубчатые муфты, у которых одна полумуфта закреплена или выполнена на торце шестерни блока, а другая закреплена или выполнена на торце колеса блока, которое прижато к первой полумуфте пружиной, установленной с противоположной стороны колеса, или на этом стержне или на балке свободно подвешены водила, с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес с одинаковыми зубчатыми венцами, центры которых совмещены с осью качания вала ротора, а для исключения реверса ротора при прямом и обратном качаниях на этих секторах, в зацепление с ними введены блоки из шестерен и нереверсивных зубчатых колес, которые установлены на обгонные муфты, или на выполненные на осях этих блоков храповые зубцы, наклон которых направлен противоположно, за счет разной ориентации этих осей к торцам статора, а во впадины между этими зубцами и отверстиями сопряженных с ними зубчатых колес введены шарики или ролики, при этом одно такое зубчатое колесо введено в зацепление напрямую с закрепленной на конце вал ротора шестерней, а другое - через паразитную шестерню, а для обеспечения одинаковой скорости вращения вала ротора при одинаковых размерах шестерен, один из этих блоков и связующая их оси планка выполнены со смещением вдоль венца зубчатого сектора в сторону от поперечной оси ротора, с компенсацией величины этого смещения размерами паразитной шестерни, или на этом стержне, или на балке свободно подвешены водила с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, у которых центры совмещены с осью качания статора, а для дальнейшего повышения частоты вращения ротора, между секторами ведущих зубчатых колес и шестернями, установленными на противоположных концах вала ротора, введены в зацепление промежуточные редукторы любых видов: многоступенчатые цилиндрические, или волновые, или планетарные, которые закреплены на водилах, или встроены на торцах внутри корпуса статора, или на этом стержне, или на балке свободно подвешены водила с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, у которых центры совмещены с осью качания статора, а на противоположных концах вала ротора установлены реверсивные шестерни, между которыми введен в зацепление блок или блоки сдвоенных зубчатых колес или промежуточные редукторы, закрепленные на водилах, а для сглаживания скорости вращения ротора между водилами и торцами статора с одной или с двух его сторон установлены промежуточные втулки, а в этом пространстве на валу ротора закреплены маховики, а для ограничения сектора его качания, с корпусом статора связаны упоры или демпфирующие элементы, которые имеют возможность контакта в крайних точках качания генератора с закрепленными на опорах или на корпусе плавающего средства упругими или жесткими упорами, при этом опоры генератора размещены на, и/или внутри, и/или под корпусом плавающего средства, с возможностью поворота и постоянной ориентации к центру тяготения Земли свободно подвешенного на них статора, при качании волнами плавающего средства, а полуоси или оси подвешивания статора и ведущие зубчатые колеса и/или их зубчатые венцы, установлены на поперечных ребрах и/или на продольных перегородках корпуса и трюмов плавающего средства, с возможностью поворота и постоянной ориентации к центру тяготения Земли свободно подвешенного на этих осях или полуосях статора при качании волнами плавающего средства, при этом с наружной и/или с внутренней стороны корпуса подвешенного статора, имеющего радиальную ориентацию к оси его качания, закреплены дуговые обода, центры которых связаны с осью качания статора, а параллельно им закреплены дуговые обода на опорах генератора и/или на корпусе плавающего средства, а на парных друг другу ободах установлены дополнительные магниты и/или электрические катушки с сердечниками и системой возбуждения роторного и статорного типов, а по дуге их качания, параллельно друг другу осями, установлены два или более генераторов, с возможностью их установки по вертикальному кругу, равному дуге качания, при этом секторы ведущих зубчатых колес адекватно увеличены, кроме этого, для повышения энергетического потенциала генератора, он жестко связан с грузом, который свободно подвешен на стержнях на оси подвеса, при этом частью этого груза приняты устройства для накопления и синхронизации вырабатываемого генератором электрического тока, а для повышения эффективности работы генератора при различном уровне колебания волн, он и система его подвеса установлены в отдельный модуль, который введен в шахту с возможностью его подъема на корпус плавающего средства и/или опускания во внутрь корпуса, и/или под корпус, в подводное положение, а для удобства эксплуатации, сверху и снизу шахты установлены крышки, совмещаемые при подъеме или опускании с модулем, а нижняя крышка выполнена плавучей.
Предлагаемые конструкции гидроволновых электрических генераторов маятникового типа и варианты их установки на, или в плавающем средстве, которым может быть индивидуальный поплавок, или групповая платформа, или специальное судно, показаны на чертежах.
На фиг. 1…3 показан гидроволновой генератор 1 электрического тока, содержащий статор 2 и ротор с валом 3, у которых сердечники с катушками и системой возбуждения обеспечивают выработку электрического тока при подвешивании статора с возможностью свободных циклических колебаний (качаний) на угол ±α на опорах 4 со стойками или ребрами, параллельными торцам статора и установленными на плавающем средстве, или на его перегородках, при воздействии на него волн воды. Ось 5 подвешивания и колебаний статора генератора сформирована полуосями 6, закрепленными на опорах 4, и смещена относительно оси 7 вращения вала 3 ротора, который кинематически связан с осью качаний генератора через зубчатые передачи, состоящие из закрепленных на полуосях 6, связанных с их опорами, ведущих зубчатых колес 8, которые с одной стороны введены в зацепление с шестернями 9, закрепленными на обоих выступающих концах вала ротора, а с другой стороны - введены в зацепление с закрепленными на торцах ротора зубчатыми колесами 10 с внутренним зубчатым венцом, или с их секторами. Для упрощения конструкции зубчатые колеса с внутренним зубчатым венцом и зубчатые колеса с другого торца генератора могут быть исключены.
На фиг. 4 и 5 показаны конструкции, у которых статор 2 может быть установлен на полуосях 11 с конусом 12 или сферической поверхностью на вершине, которые введены в адекватные им конические 13 или сферические выемки, выполненные на торце статора 2, или же адекватные им конические 13, или сферические выемки 14 могут быть выполнены на торце полуоси 15, а между ними могут быть введены шарики.
Принцип работы генератора связан с принципом качания маятника. Для этого генератор 1, подвешенный на опорах 4, закрепленных на плавающем средстве, с возможностью качания на оси 5, смещенной относительно оси 7 вращения вала ротора, имеет смещение центра массы генератора ниже оси 5, которое обеспечивает ему строгую ориентацию к центру Земли. При качании плавающего средства волнами на угол ±α, установленные на нем опоры 4, с закрепленным на них ведущим зубчатым колесом 8, совершают поворот на тот же угол, тогда введенная с колесом в зацепление шестерня 9 приводит во вращение вал 3 ротора генератора. При повороте ведущего зубчатого колеса 8 на угол ±α, его зубчатый венец, с делительным диаметром d, проходит путь ±l=±αd/2, а зубчатый венец введенной с ним в зацепление шестерни 9, с делительным диаметром dш, пройдя такой же путь, совершит поворот на угол ±αш=±αd/dш, что адекватно увеличит количество оборотов вала 3 ротора за цикл движения волны. Введенное в зацепление с ведущим зубчатым колесом 8 зубчатое колесо 10 с внутренними зубьями, приведет во вращение статор 2, противоположное вращению ротора, со своим соотношением углов поворота, делительных диаметров и количества оборотов, по аналогии с шестерней 9. При обратном качании плавательного средства происходит смена вращения зубчатых колес, шестерен, ротора и статора на противоположные, а со следующей волной цикл повторяется. Относительное вращение против друг друга ротора и статора ведет к выработке электрического тока, однако в каждом цикле качаний он имеет два противоположных направления.
Аналогичный принцип работы для исполнения, приведенного на фиг. 5. Однако исключение принудительного вращения статора в противоположном направлении ротору, снижает эффективность работы системы.
Отличительной особенностью установки предлагаемых генераторов на плавающем средстве является совмещение оси подвеса и качания статора и ее смещение относительно оси вращения ротора, выполненное с помощью полуосей, закрепленных на опорах с возможностью качания статора волнами, с кинематической связью этих осей через систему зубчатых колес и шестерен.
На фиг. 6…10 показан гидроволновой генератор 1 электрического тока, у которого статор 2 подвешен своими торцами на опорах 4 на оси подвеса-качания 5, сформированной закрепленными на этих опорах полуосями 11, с возможностью свободных циклических колебаний (качаний) на угол ±α. Для увеличения передаточного отношения зубчатых пар, смещение оси подвеса 5 относительно оси 7 вращения вала 3 ротора выполнено увеличенным, в конечном варианте - ось подвеса 5 смещена к периферии торца статора, а ведущие зубчатые колеса выполнены в виде зубчатых секторов 16, центры которых совмещены с осью подвеса-качания, а их зубчатые венцы введены в зацепление с шестернями 9, закрепленными на валу ротора (фиг. 7).
Вместо полуосей 11, могут быть использованы свободно введенные, в закрепленные на стойках 4 подшипники 17 и 18, винты 19, 20 или шпильки, завинченные в торцы статора и зажатые в них контргайками 21 (фиг. 8), либо для массивных генераторов в подшипники 18 может быть введена общая ось, в виде стержня или балки 22, которая смещена за периферию корпуса статора и закреплена снаружи на его корпусе (фиг. 9).
Зубчатые секторы ведущих зубчатых колес, закрепленных на опорах 4 или на корпусе плавающего средства, могут иметь внутренний зубчатый венец 23, центр которого совмещен с осью качания 5, а с ними введены в зацепление закрепленные на концах вала ротора шестерни 9 (фиг. 10). При этом ось качания 5 обеспечивается автоматически, без каких либо осей или подвесных устройств, однако требуются ограничительные устройства 24, исключающие вылет генератора из зубчатых секторов при крутой волне.
Принцип работы всех новых исполнений генератора аналогичен предыдущим.
Отличительной особенностью установки предлагаемых генераторов на плавающем средстве является смещение оси качания статора относительно оси вращения ротора к периферии торца статора, выполненное полуосями, связанными с опорами и введенными в контакт с торцами статора, или осью, связанной с ее опорами и с корпусом статора снаружи, с кинематической связью этих полуосей и осей, через секторы зубчатых колес с внешним или внутренним зубчатым венцом, с шестернями, закрепленными на валу ротора.
На фиг. 11…15 показаны новые исполнения гидроволнового генератора 1 электрического тока, статор 2 которого свободно подвешен, с возможностью свободных циклических колебаний (качаний) на угол ±α, своими торцами на опорах 4, на оси подвеса-качания 5, которая создана неподвижными или поворотными полуосями 11 и смещена относительно оси 7 вращения вала 3 ротора (фиг. 12), а для исключения реверса вала 3 ротора при разных направлениях качания, закрепленные на опорах 4 секторы ведущих зубчатых колес, центры которых связаны с осью подвеса-качания 5, с одной стороны торца статора выполнены с внешним зубчатым венцом 16, а с другой стороны - с внутренним зубчатым веном 23, с которыми введены в зацепление свободно размещенные на концах вала 3 ротора шестерни 25, 26, имеющие возможность зацепления с валом при вращении лишь в одну сторону, за счет их установки на обгонные муфты 27, между зубцами которых и наружной поверхностью вала 3 ротора, размещены шарики или ролики 28 (фиг. 13).
Ось подвеса-качания может быть создана стержнем 22, вынесенным за пределы статора 2 (фиг. 14), а статор на нем подвешен с помощью ушек 29. При этом стержень 22 может быть установлен с возможностью качания в подшипниках 18, закрепленных на опорах, или неподвижно закреплена на опорах, а в ушки 29 она введена свободно.
Для уменьшения размеров обгонной муфты, зубцы под ролики или шарики 28 могут быть выполнены прямо на шестернях 30, 31 (фиг. 15).
Вместо обгонных муфт могут быть применены храповые механизмы, колеса которых связаны с валом, а подпружиненные собачки связаны с торцом шестерни. Или могут быть применены торцовые кулачковые муфты с храповыми зубцами на полумуфтах, одна из которых закреплена на торце шестерни, а другая установлена на валу ротора и поджата к торцу шестерни пружиной.
Для компенсации замедления скорости движения в крайних верхних точках колебания генератора и увеличения ее в нижней точке, влияющих на скорость вращения шестерен и равномерность скорости вращения ротора, на валу ротора между его шестернями и торцами статора может быть закреплен маховик, или маховики, или маховик может быть установлен внутри корпуса статора и совмещен с вентилятором.
Остальные элементы системы аналогичны предыдущим исполнениям.
Принцип работы от предыдущих вариантов отличается только тем, что при качании плавающего средства с подъемом вправо, закрепленные на нем или на опорах зубчатые секторы совершают наклон против часовой стрелки, а шестерня 26 или 31, введенная в зацепление с сектором 23 с внутренним зубчатым венцом, совершает вращение против часовой стрелки, что ведет к заклиниванию роликов 28 ее зубцами и к передаче вращения против часовой стрелки валу 3 ротора, а шестерня 25 или 30, установленная параллельно шестерне 26 и введенная в зацепление с сектором 16 с наружным зубчатым венцом, совершает вращение по часовой стрелке, что ведет к сдвигу роликов 28 во впадину между зубцов и к размыканию этой шестерни с валом ротора. При обратном качании плавающего средства вращение зубчатых колес и их замыкание или размыкание имеет противоположный характер, вращающиеся по часовой стрелке шестерни 26 или 31 размыкаются, а замыкаются шестерни 25 или 30, вращающиеся против часовой стрелки, что сохраняет прежнее направление вращения вала 3 ротора генератора - против часовой стрелки. Для обеспечения одинаковой частоты вращения ротора при его повороте от зубчатых секторов с внутренним и внешним зубчатыми венцами, имеющими разные величины делительных диаметров, адекватно увеличен делительный диаметр у шестерни 26 или 31, либо уменьшен у шестерни 25 или 30, но их прочность, а также размеры и прочность зубчатых венцов будут различными.
Отличием установки и условий работы предлагаемых генераторов на плавающем средстве, является смещение оси качания статора, относительно оси вращения ротора, за пределы статора, созданное закрепленной на опорах осью, в виде стержня или балки, на которой статор подвешен на ушках, с новой кинематической связью этих осей, через секторы зубчатых колес с внешним и внутренним зубчатым венцом и через шестерни, установленные на концах вала ротора, связанные с обгонными муфтами, или с храповыми механизмами, или с торцовыми кулачковыми муфтами, обеспечивающими их зацепление с валом ротора при вращении лишь в одну требуемую сторону.
На фиг. 16…20 показаны новые исполнения гидроволнового генератора 1, у которого статор 2 установлен на опорах 4 с возможностью свободных циклических колебаний (качаний) на угол ±α относительно оси его подвеса-качания 5, имеющей смещение относительно оси 7 вращения вала 3 ротора, за счет подвеса статора на оси 22 с помощью водил 32, в отверстия которых введены концы 3 вала ротора с закрепленными на них шестернями 9.
Для увеличения передаточного отношения зубчатых передач зубчатые секторы с внешним 16 и внутренним 23 венцом смещены относительно шестерен 9 на величину введенных между ними в зацепление блоков сдвоенных зубчатых колес (фиг. 17). При этом для уменьшения размеров шестерен 9 и лучшей компоновки зацеплений с передачей вращения лишь в одну сторону, шестерни 33 и 37 связаны со своими валами 34 и 38, а зубчатые колеса 35 и 36 блоков - связаны с этими валами через шариковые или роликовые обгонные механизмы, у которых храповые зубцы выполнены на валах 34 и 38, а между зубцами и поверхностью отверстия колеса размещены шарики или ролики 28 (фиг. 19), или между зубчатыми колесами блока и их валами могут быть закреплены полумуфты с храповыми зубцами и введенными между ними шариками или роликами. Или зубчатые колеса блока могут быть введены в зацепление с их валами через установленные на их торце храповые механизмы с собачками и пружинами, которые введены в храповые зубчатые колеса, закрепленные или выполненные этих валах. Или между шестернями и колесами блока могут быть установлены торцовые зубчатые муфты, у которых одна полумуфта закреплена или выполнена на торце шестерни, а другая - на торце колеса и прижата к первой полумуфте или к торцовым зубцам шестерни пружиной, установленной с противоположной стороны колеса. Применение блоков зубчатых колес улучшает коррекцию делительных диаметров зубчатых пар, необходимую для обеспечения одинаковой частоты вращения ротора при разном направлении зубчатых венцов ведущих колес 16 и 23.
Исключение реверса ротора возможно также при одинаковых видах зубчатых секторов как с внутренним 23, так и с внешним зубчатым венцом 16, при введении в систему их зубчатого зацепления установленной на одном из торцов генератора паразитной шестерни 40 (фиг. 19).
Для дальнейшего увеличения частоты вращения ротора, количество установленных с каждой стороны статора блоков сдвоенных зубчатых колес, может больше одного, или взамен них возможно применение промежуточных редукторов (в т.ч. многоступенчатых цилиндрических, или планетарных, или волновых и т.д.), установленных на водилах, и/или встроенных на торцах внутри корпуса статора.
Изменения скорости вращения ротора при качании генератора могут быть сглажены установкой маховика на вал ротора, для чего между водилами и торцами статора, с одной или с двух его сторон, введены промежуточные втулки, которые формируют пространство для размещения маховика.
Для ограничения сектора качания статора в пределах угла ±α, с его корпусом или на окончании водила 32, связаны упоры 41 или демпфирующие элементы, которые имеют возможность контакта в крайних точках качания с установленными на опорах и/или на корпусе плавающего средства упругими или жесткими упорами 42. Возможна обратная компоновка - упоры для крайних точек качания установлены на торце или на корпусе статора, а один общий демпфер - на опорах, связанных с корпусом плавающего средства (фиг. 20).
Все остальные конструктивные элементы системы подвеса статора и вращения ротора и условия их работы одинаковы с предыдущим вариантом.
Отличием установки и условий работы предлагаемых генераторов на плавающем средстве является применение блоков сдвоенных зубчатых колес или различного вида редукторов для повышения передаточного отношения, установка пар зубчатых секторов ведущих колес, только с внешними или с внутренними зубчатыми венцами, а на одном из них - паразитной шестерни для выполнения реверса ротора, а также возможностью установки на его валу маховиков для компенсации разной частоты вращения ротора.
На фиг. 21…23 показана установка любых конструкций маятниковых гидроволновых генераторов электрического тока, показанных на фиг. 1…20, у которых ось 5 подвеса статора 2 смещена относительно оси 7 вращения вала 3 ротора и обеспечивает генератору возможность поворота на угол ±α при постоянной ориентации к центру тяготения Земли, на плавающем средстве при качании его волнами. При этом опоры 4 генератора могут быть размещены на корпусе 43 плавающего средства, имеющего кили 44 для его ориентации перпендикулярно движению волны, а шестерни 9, секторы 23 ведущих зубчатых колес, шестерни 33, их оси 34, зубчатые колеса 35 и остальные конструктивные элементы генератора (фиг. 21) адекватны предыдущим исполнениям. Этот вариант предпочтителен при малых волнах, поскольку способствует раскачиванию плавающего средства.
При установке генератора 1 на опорах 4 внутри корпуса 45 плавающего средства (фиг. 22) раскачивание уменьшается, а при установке генератора под корпусом 43 плавающего средства (фиг. 23) с подвешиванием статора 2 в камере 46 на ушках 47 и креплением венца 23 ведущего зубчатого колеса на опорах 48, раскачивание становится минимальным, что предпочтительно при крутой волне. Исходя из этих вариантов установки генератора, возможен выбор акватории моря с разными режимами его волнения.
Возможна также новая установка генераторов, показанных на фиг. 1…20, у которых полуоси или оси подвеса статора и ведущие зубчатые колеса и/или их зубчатые венцы закреплены на поперечных ребрах и/или на продольных перегородках корпуса плавающего средства, с возможностью поворота и постоянной ориентации к центру тяготения Земли свободно подвешенного на них статора, при качании плавающего средства волнами.
На фиг. 24…26 приведены новые варианты установки показанных на фиг. 1…20 маятниковых гидроволновых электрических генераторов, у которых для повышения эффективности работы при различном уровне колебании моря, генератор 1 и система его подвешивания, состоящая из опор 4 и оси подвеса 5, установлены в отдельный герметичный модуль 49, который введен в шахту 50 с фиксаторами 51, 52 для фиксации модуля в крайних положениях, и имеет возможность подъема в шахте в верхнюю часть плавающего средства (фиг. 24) или опускания внутрь корпуса (фиг. 25), или ниже него, в подводное положение (фиг. 26).
На фиг. 27…29 приведены новые варианты установки показанных на фиг. 1…20 маятниковых гидроволновых электрических генераторов, у которых для повышения эффективности работы при различном уровне колебаний моря, генератор 1 и система его подвешивания, состоящая из опор 4 и оси подвеса 5, установлены в отдельный герметичный модуль 49, который введен в шахту 50 с фиксаторами 51 и 52 и имеет возможность подъема наверх плавающего средства (фиг. 27), опускания внутрь его корпуса (фиг. 28) и ниже него (фиг. 28) в подводное положение, а для закрытия шахты и исключения попадания в нее воды, на ней могут быть выполнены ободки 53, между которыми и поверхностью модуля размещены водонепроницаемые уплотнения 54 и установлена сверху крышка 55 с ободками 56, охватывающими модуль при его поднимании, и герметично входящая в шахту при его опускании, а снизу модуля установлена плавучая крышка 57 с аналогичными ободками 58, охватывающими модуль при его опускании и герметично входящими в шахту при его поднимании.
Принцип работы этих способов установки генератора следующий. При подъеме модуля 49 (с помощью соленоидов или закрепленного на модуле каната и установленного на плавающем средстве П-образного подъемника), верхняя часть модуля входит в ободок 56 верхней крышки 55 и поднимается вместе с нею, до фиксации модуля, например, упругими электромагнитными фиксаторами 51, в крайнем положении. Нижняя крышка 57 закрыта. При отключении верхних фиксаторов 51 и опускании модуля 49 до фиксации его внутри корпуса нижними фиксаторами 52, верхняя крышка 55, за счет ее веса и уплотнений 54, плотно закрывает шахту 50 сверху, а при отключении фиксаторов 52 и дальнейшем опускании модуля, его нижняя часть входит в ободок 58 нижней крышки 57 и опускается вместе с нею, до фиксации модуля фиксаторами 52, в крайнем положении. При подъеме модуля крышка 57 закрывает шахту за счет запаса ее плавучести, ободка 58 и уплотнений 54.
На фиг. 30…31 приведены новые варианты установки показанных на фиг. 1…20 маятниковых гидроволновых электрических генераторов, у которых для повышения мощности могут быть использованы два и большее количество установленных рядом друг с другом генераторов 1, вплоть до их установки по вертикальному кругу. При этом генераторы со статорами 2 и валами роторов 3, подвешены на стойках 4, на ушках или водилах 32, которые обеспечивают статорам радиальную ориентацию к оси их качания, а секторы 23 ведущих зубчатых колес адекватно удлинены на новый угол качания статоров.
Для дополнительной выработки электрической энергии при качании генераторов, с наружной и/или с внутренней стороны корпуса подвешенных статоров 2, имеющих радиальную ориентацию к оси их качания (фиг. 31), закреплены дуговые обода 59, центры которых совмещены с осью качания статоров, а параллельно им, на опорах 4 статоров, и/или непосредственно на корпусе плавающего средства, закреплены дуговые обода 60, на которых парно установлены дополнительные электрические катушки с сердечниками и системой возбуждения роторного 61 и статорного 62 типов. Поскольку они вырабатывают электрический ток с иными параметрами, чем установленные на водилах исходные генераторы, введены дополнительные устройства 63 для его синхронизации.
На фиг. 32…34 приведены новые варианты установки приведенных на фиг. 1…30 маятниковых гидроволновых электрических генераторов 1, имеющих статоры 2 и роторы с валами 3, концы которых кинематически связаны с закрепленными на стойках 4 зубчатыми секторами 16 с внешним зубчатым венцом. Генератор имеет возможность качания относительно оси качания 5, которая создана установленной на этих стойках внешней осью 22, а для повышения его энергетического потенциала, на этой оси на стержнях 64 свободно подвешен массивный груз 65, который жестко связан с генератором. В зацепление с зубьями секторов 16 могут быть введены шестерни 33 блоков с зубчатыми колесами 35, которые для исключения реверса вала 3 ротора, с одного торца генератора введены в зацепление с закрепленной на концах этого вала шестерней 9 напрямую, а с другого его торца - через паразитную шестерню 40, которые связаны между собой планками 66 и 67, при этом зубчатые колеса блоков выполнены с возможностью исключения реверса генератора при качке плавающего средства за счет их установки на обгонные муфты, или выполнения на осях 68 блоков храповых зубцов, наклон которых выполнен противоположным за счет разной ориентации осей, а во впадины между зубцами и отверстиями сопряженных с ними зубчатых колес, введены шарики или ролики 28 (фиг. 34). Для удобства размещения блоков зубчатых колес, генератор может быть установлен на поставке 69, а для выполнения одинаковых зубчатых секторов и введенных в зацепление с ними и с валами роторов шестерен и зубатых колес блоков, один из блоков и связующая их планка выполнены со смещением вдоль венца зубчатого сектора в сторону от конца вала ротора, с компенсацией этого смещения размерами паразитной шестерни.
Вместо размещения в отверстиях связующих планок, оси блоков и паразитной шестерни могут быть введены в торцы статоров генераторов. Для роторов с вращением лишь в одну сторону, шестерни на концах их валов могут в них быть завинчены своими осями, резьба которых противоположна направлению отвинчивания при вращении вала ротора. Дополнительным грузом также могут быть устройства для накопления или синхронизации частот электрического тока генераторов. При этом ведущие зубчатые секторы могут быть выполнены как с внешним, так и с внутренним зубчатым венцом.
При исключении дополнительных грузов, связующие планки 66 и 67 заменены закрепленными на торцах корпуса генератора водилами, которые свободно подвешены на осях или на балках 22, закрепленных на стойках 4.
Вместо стоек 4, оси, полуоси и балки 22 для подвеса генераторов, а также зубчатые секторы 16 и/или 23 для вращения их роторов, могут быть закреплены на стенках корпуса или на стенках трюмов плавающего средства.
Принцип работы этих генераторов отличается от рассмотренных на фиг. 16, введением дополнительного груза 65 и исключением реверса вала 3 ротора. При качании плавающего средства с подъемом вправо, закрепленные на нем или на опорах 4 зубчатые секторы 16, при взгляде на них со стороны правого торца генератора 1, совершают наклон против часовой стрелки, а введенные в зацепление с этими секторами шестерни 33 зубчатых блоков и их оси 68 совершают вращение по часовой стрелке, но за счет разного их направления к торцам генератора, храповые зубцы, введенные к отверстия зубчатых колес 35, с левого торца - расклинят, а с правого - заклинят ролики или шарики 28 в отверстии зубчатого колеса, которое начнет вращение по часовой стрелке и передаст его, через паразитную шестерню 40, шестерне 9 на конце вала 3 ротора у правого торца генератора. При подъеме стоек 4 слева, шестерни 33 и их оси 68 начнут вращение против часовой стрелки, что через шарики или ролики 28 расклинит зубчатые колеса 35 с правого торца и заклинит с левого, что приведет во вращение по часовой стрелке шестерню 9 на конце вала 3 ротора у левого торца генератора. Таким образом, вращение по часовой стрелке вала ротора сохранится при любом направлении качания корпуса плавающего средства.
Совокупность перечисленных признаков у приведенных на фиг. 1…34 исполнений генераторов и вариантов их установки на плавающем средстве, позволяет характеризовать их как новые технические решения, неочевидные из базового уровня развития техники. Их реализация возможна в условиях реального промышленного производства, т.к. конструкции генераторов, систем их подвеса и зубчатые колеса аналогичны известным, они лишь приспособлены к новым условиям работы. При этом все приведенные исполнения являются логическим развитием предыдущих вариантов, вытекающих друг из друга, что обеспечивает единство их замысла. Таким образом, возможна классификация всех предложенных в заявке технических решений как изобретений, отвечающих всем требуемым признакам.
Все предлагаемые исполнения генераторов, систем зубчатых колес и варианты их установки на плавающем средстве, при его колебании волнами, позволяют обеспечить стабильное вращение ротора с высокой мощностью и скоростью, с постоянным направлением вращения, что улучшает показатели работы генератора, дополненного лишь несколькими парами зубчатых колес, обгонных муфт и подшипников, при высокой надежности их, и системы в целом, что обеспечивает положительный эффект от их применения.
Реальные варианты исполнения предлагаемых генераторов возможны при любом виде и типоразмерах базовых устройств, что облегчает их выбор, конструирование и изготовление. Отличия имеются лишь в установке их на оси подвеса в корпусе плавающего средства, с вертикальной ориентацией к центру Земли при колебании волнами этого корпуса, и в связанной с ними кинематике для привода вала ротора, зависящей от частоты его вращения.
Пример конкретного выполнения предложенной установки генераторов с нереверсивным ротором в плавающем средстве электростанции рассмотрен на базе варианта, показанного на фиг. 32. На закрепленной в стойках внешней оси свободно подвешен груз, на котором установлен синхронный генератор ОС-51, развивающий эффективную мощность 4 кВт при частоте оборотов в минуту n=1500 мин-1, который со стороны его торцов введен в зацепление с зубчатыми секторами одинаковых размеров, имеющими выпуклые зубчатые венцы, через закрепленные на обоих концах вала ротора генератора шестерни с одним промежуточным блоком зубчатых колес, в которых большое колесо установлено на обгонных муфтах. Высота генератора до оси вращения ротора составляет 160 мм, а диаметр вала ротора составляет величину 36 мм (Справочник по электрическим машинам./Под общ. ред И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 178-179).
Поскольку плавучая прибрежная электростанция более чувствительна к бортовой качке, принимаем подвешивание генераторов в трюмах поперек ее корпуса. Принимаем его длину Lк=70 м, ширину bк=24 м, высоту hк=12 м, осадку ho=6 м (большие размеры корпуса снижают его чувствительность к качке волнами).
Принимаем диапазон высот волн от 1 до 5 м, после чего необходим увод электрической станции в укрытие. Волны высотой hв от 1 до 5 м имеют: длину между их гребнями 
, или от 10,6 до 91 м, и половину периода колебаний τв=0,4√λв, или от 1,3 до 3,8 с. Считаем, что волны между гребнями имеют дуговую форму впадин с пересечением их на гребнях. Тогда угол склона волны будет максимальным у ее вершины и составит величину αв≈arctg(2hв/(λв/2)), или от 20,7° до 12,4°.
Принимаем периоды качки корпуса одинаковыми с волновыми τв, при этом угол αк наклона его относительно метацентра на малых волнах составит величину: αк≈arctg(2hв/(bк/2)), или 4,76°, а на больших - αк≈αв≈12,4°. Потенциальная энергия подъема и опускания генераторов с грузом, общей массой 8,5 т, зависит от разницы высот при наклоне на угол ±αк, которая при радиусе подвеса центра их масс r = 10 м составит hк=r(1-cosαк), или от 0,034 до 0,23 м. Потенциальная энергия при подъеме на эту высоту генератора с грузом составит величину: Eр=mghк, или от 2,83 до 19,16 кДж за 1 наклон корпуса, которая затем переходит в кинетическую энергию вращения ротора, с учетом потерь на трение в 2% и потерь на переход кинетической энергии в электрическую, с учетом кпд генератора из =0,8, что адекватно следующим величинам мощности:
Npmin≈0,98×0,8×2,83 (кДж)/1,3 (с)≈1,7 (кВт),
Npmax≈0,98×0,8×19,16 (кДж)/3,8 (с)≈4 (кВт).
При выполнении груза из чугуна плотностью 7,8 т/м3, в виде куба с размерами 1 м, с учетом массы подставки под генератор, массы генератора, зубчатых колес, опорных планок для их установки и стержней для подвеса груза, возможно достижение требуемых показателей раскачивания.
Максимальную мощность 4 кВт генератор развивает при 1500 об/мин, или при 1500/60=25 с-1. Тогда за полный период колебания волн 2×3,8 с, он совершит nmax=2×3,8×25=190 оборотов. При передаточном отношении шестерни на конце вала ротора и зубчатого колеса в блоке 1:10, паразитная шестерня на зубчатом секторе должна совершить 19 оборотов. При радиусе начальной окружности зубчатого сектора для качения вала ротора генератора r = 9,2 м, максимальная длина дуги качения составит величину:
lmax=πrαmax/360=3,14×9,2×(±12,4°)/360≈±1=2 (м).
На этой дуге 19 оборотов сделает шестерня с делительным диаметром 33 мм, что позволяет выполнить на ней 11 зубьев модуля m=3 мм, который обеспечивает им достаточную прочность для передачи мощности в 4 кВт. Делительный диаметр зубчатых колес в блоке составит 570 мм, что позволяет выполнить на нем 190 зубьев модуля m=3 мм. Тогда делительный диаметр шестерен, закрепленных на концах вала ротора, будет составлять 57 мм, что позволяет выполнить на ней 19 зубьев модуля m=3 мм. Этого диаметра достаточно для установки шестерен на концах вала ротора.
При секторе качания корпуса плавающего средства 4,76° дуга качения паразитной шестерни по зубчатому сектору составит величину:
Lmsn=πrαmsn/360=3,14×9,2×(±4,76°)/360≈±0,38=0,76 (м).
На этой дуге шестерня с делительным диаметром 33 мм сделает 7,4 оборота, что эквивалентно частоте вращения 7,4/(2×1,3)=2,85 с-1, а с учетом передаточного отношения 1:10 зубчатых колес блока и шестерен, частота вращения ротора составит 28,5 с-1, или 1701 об/мин. Однако, при реальной мощности волн 1,7 кВт, такая частота вращения ротора не будет достигнута по причине его реактивного сопротивления движению в магнитном поле, что адекватно уменьшит сектор качания и эту мощность до 1 кВт.
Общая мощность электростанции. В трюме шириной 24-2×0,5=23 м можно разместить 20 таких генераторов в ряд, что обеспечит максимальную мощность 80 кВт, а при длине каждого из 4-х трюмов 15 м, с учетом проходов между генераторами 0,6 м, можно разместить 9×4=36 таких рядов. Тогда общая максимальная мощность электростанции составит 36×80=2880 кВт. При минимальной высоте волны в 1 м, мощность такой электростанции составит 36×20×1=720 кВт. При размещении предложенных электростанций в районах стабильного волнения моря со среднегодовой высотой волн ≈3 м, мощность в 2880 кВт реализуется на 60%, что составляет высокий средний энергетический потенциал 1,7 МВт, однако он растет пропорционально массе грузов, например, при 16 т он увеличится до 3 МВт.
Полученные данные подтверждают целесообразность внедрения таких электрических станций.
Расчет экономической эффективности предложенной электростанции показал, что при 24 часах ее работы за сутки, на протяжении года (или 365 суток), она позволяет произвести около 15000 МВт электроэнергии. При средней стоимости 1 кВт/ч электроэнергии 0,1 $ это обеспечит средний доход около 1,5 млн. $, что при средней стоимости такой электростанции около 5 млн. $ позволяет получить прибыль через три года ее эксплуатации. В сравнении с ветровыми электрическими станциями такой же мощности, площадь, которую занимают предложенные гидроволновые электростанции, будет в 2 раз меньше, при этом они не занимают площадей на суше.
Предложенные гидроволновые электростанции позволяют заменить все эксплуатирующиеся в настоящее время во всем мире атомные и тепловые электростанции для выработки электроэнергии, что при современном ее среднегодовом потреблении около 3500 млрд кВт/год обеспечит годовой экономический эффект до 300 млрд $, который может быть полностью получен через 10 лет при производстве по 2300 шт. таких электростанций в год. С учетом роста мировой потребности в электрической энергии, дальше годовой эффект увеличится до 600 и больше млрд $ в год.
Приведенные технико-экономические показатели подтверждают целесообразность внедрения предложенных электрических станций.
В настоящее время ведется подготовка к изготовлению предлагаемой экспериментальной электростанции на АО "Херсонский судостроительный завод", Украина.
1. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока, содержащий статор и ротор, у которых сердечники с катушками и системой их возбуждения обеспечивают выработку электрического тока при свободном подвесе статора в плавающем средстве, имеющем возможность циклических колебаний на угол ±α при движении волн воды, и выполнении таких же циклических колебаний генератором в поперечной плоскости относительно вертикальной оси за счет его постоянной ориентации к центру тяготения Земли, отличающийся тем, что ось подвеса статора совмещена с осью его свободного качания и смещена относительно оси вращения ротора, а между собой эти оси связаны кинематически через систему зубчатых передач.
2. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве он имеет опоры со стойками или ребрами, которые параллельны торцам статора, и связанную с этими стойками или ребрами горизонтальную ось, которая совмещена с осью подвешивания статора.
3. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена к периферии торцов статора и состоит из закрепленных на опорах двух полуосей, на которых параллельно торцам статора закреплены ведущие зубчатые колеса и введены в зацепление с одной их стороны - с шестернями, закрепленными на противоположных концах вала ротора, а с другой их стороны - с зубчатыми колесами с внутренним зубчатым венцом или с их секторами, закрепленными на торцах у периферии статора.
4. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена к периферии торцов статора или совмещена с ней и состоит из закрепленных на опорах двух полуосей, а их концы у торцов статора выполнены конусной или сферической формы и введены в адекватные им выемки, выполненные напротив на торцах статора, имеющего возможность качания на них, и/или на торцах таких полуосей и напротив них на торцах статора выполнены адекватные выемки конической или сферической формы, между которыми введены шарики, а параллельно плоскости торца статора на этих полуосях и/или на их опорах закреплены ведущие зубчатые колеса или их секторы, центры которых совмещены с осью качания статора, а их зубья введены в зацепление с закрепленными на концах вала ротора шестернями, а для упрощения конструкции ведущее колесо или сектор и введенная с ним в зацепление шестерня на конце вала ротора выполнены только у одного из торцов статора.
5. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена к периферии торцов статора или совмещена с ней и состоит из закрепленных на торце статора двух полуосей, которые введены с возможностью качания в установленные на опорах подшипники, а на одной из опор или на них обеих, параллельно плоскости торца статора закреплен сектор или секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а зубья секторов введены в зацепление с шестернями, закрепленными на противоположных концах вала ротора.
6. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве совмещена с периферией торцов статора и состоит из двух полуосей, выполненных из винтов или шпилек, которые завинчены в торцы статора и закреплены контргайками, и введены с возможностью качания в подшипники, установленные на опорах, а на одной из опор или на них обеих параллельно плоскости торца статора закреплен сектор или секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а зубья секторов введены в зацепление с шестернями, закрепленными на противоположных концах вала ротора.
7. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена за периферию корпуса статора и состоит из закрепленного на его корпусе стержня или балки, которые введены с возможностью качания в подшипники, установленные в опорах, а на одной из опор или на них обеих параллельно плоскости торца статора закреплен сектор или секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а зубья секторов введены в зацепление с шестернями, закрепленными на концах вала ротора.
8. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена за периферию корпуса статора и состоит из закрепленного на опорах стержня или балки, на которых свободно навешены ушки, к которым прикреплен статор, а на одной из опор или на их обеих закреплен параллельно плоскости торца статора сектор или секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а их зубья введены в зацепление с шестернями, закрепленными на противоположных концах вала ротора.
9. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена за периферию корпуса статора и состоит из стержня или балки, которые введены с возможностью качания в подшипники, установленные в опорах, и имеют ушки, к которым прикреплен статор, а на одной из опор или на обеих закреплен параллельно плоскости торца статора сектор или секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а их зубья введены в зацепление с шестернями, закрепленными на противоположных концах вала ротора.
10. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для свободного качания статора на плавающем средстве смещена относительно оси вращения ротора, а для исключения элементов подвешивания статора на опорах закреплены секторы ведущих зубчатых колес с внутренним зубчатым венцом, центры которых совмещены с осью качания статора, а зубья введены в зацепление с закрепленными на концах вала ротора шестернями, а для исключения самопроизвольного вылета генератора из этих зубчатых секторов при крутой волне на них и/или на опорах установлены ограничительные элементы.
11. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве совмещена с периферией торца статора и состоит из двух полуосей, связанных со стойками и этими торцами или смещена за пределы корпуса статора и состоит из стержня или балки, закрепленных на опорах, или введенных с возможностью вращения в закрепленные на опорах подшипники, а на этом стержне или балке свободно подвешены ушки с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а их зубья введены в зацепление с шестернями, установленными на концах вала ротора, а для сглаживания неравномерности вращения ротора на валу ротора между его шестернями и торцами статора закреплен маховики или маховик, или он установлен внутри корпуса статора и совмещен с вентилятором.
12. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена за корпус статора и состоит из стержня или балки, закрепленной на опорах или введенной с возможностью вращения в закрепленные на опорах подшипники, а на этом стержне или на балке свободно подвешены водила с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а их зубья введены в зацепление с шестернями, установленными на концах вала ротора, а для исключения реверса ротора при качании генератора в противоположных направлениях установленные на противоположных концах вала ротора шестерни имеют возможность зацепления при вращении лишь в одну сторону, для чего между ними и валом установлены шариковые или роликовые обгонные муфты, у которых полумуфты с храповыми зубцами в их центральных отверстиях закреплены на торце шестерни, или храповые зубцы выполнены на центральных отверстиях у шестерен, а между зубцами и наружной поверхностью вала размещены шарики или ролики, или между шестернями и валом установлены храповые механизмы, у которых храповые колеса закреплены на валу, а собачки с пружинами установлены на торце шестерни или между шестернями и валом ротора установлены торцовые зубчатые муфты, у которых одна полумуфта закреплена на торце шестерни, а вторая установлена на валу ротора и поджата к первой пружиной, а между одним из венцов зубчатого сектора и шестерней вала ротора, на закрепленной на водиле или на торце статора оси, установлена паразитная шестерня,
13. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена за корпус статора и состоит из стержня или балки, закрепленной на опорах, или введенной с возможностью вращения в закрепленные на опорах подшипники, а на этом стержне или на балке свободно подвешены ушки с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, у которых центры совмещены с осью качания статора, а для исключения реверса ротора при качаниях генератора в противоположных направлениях один сектор выполнен с внешним, а другой с внутренним зубчатым венцом, с которыми введены в зацепление шестерни, установленные с противоположных сторон вала ротора с возможностью их зацепления при вращении лишь в одну сторону, для чего между шестернями и валом установлены шариковые или роликовые обгонные муфты, у которых полумуфты с храповыми зубцами в центральных отверстиях закреплены на торце шестерни или храповые зубцы выполнены в центральных отверстиях у шестерен, а между этими зубцами и наружной поверхностью вала размещены шарики или ролики или между шестернями и валом установлены храповые механизмы, у которых колеса закреплены на валу, а собачки с пружинами установлены на торце шестерни или между шестернями и валом установлены торцовые зубчатые муфты, у которых одна полумуфта закреплена на торце шестерни, а вторая установлена на валу ротора и прижата к первой пружиной.
14. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена за корпус статора и состоит из стержня или балки, закрепленной на опорах, или введенной с возможностью вращения в закрепленные на опорах подшипники, а на этом стержне или на балке свободно подвешены водила с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, у которых центры совмещены с осью качания статора, а для повышения частоты вращения вала ротора между этими секторами и шестернями, установленными с противоположных сторон вала ротора, введены в зацепление блок или блоки зубчатых колес, свободно установленных на осях, закрепленных на водилах или на торцах статора.
15. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена за корпус статора и состоит из стержня или балки, закрепленной на опорах, или введенной с возможностью вращения в закрепленные на опорах подшипники, а на этом стержне или на балке свободно подвешены водила с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, центры которых совмещены с осью качания статора, а на противоположных концах вала ротора закреплены шестерни, между которыми и между зубчатыми секторами введены в зацепление блок или блоки сдвоенных зубчатых колес, установленные на осях, закрепленных на водилах, или на торцах статора, а для исключения реверса ротора при качаниях генератора в противоположных направлениях один из секторов выполнен с внутренним, а другой с внешним зубчатым венцом или при одинаковом виде зубчатых венцов в зацеплении с одним из них введена паразитная шестерня, а для уменьшения габаритов шестерен и улучшения компоновки реверсивных зацеплений с возможностью передачи вращения в одну сторону выполнены зубчатые колеса блоков, шестерни которых жестко связаны со своими валами, а между колесами блока и валами установлены шариковые или роликовые обгонные муфты, у которых полумуфты с храповыми зубцами закреплены на валах шестерен блока или храповые зубцы выполнены на их валах, а между зубцами и отверстием колеса введены шарики или ролики, или между валами шестерен и зубчатыми колесами блока установлены храповые передачи, колеса которых закреплены или выполнены на валу, а собачки с пружинами установлены на торце зубчатого колеса блока или между колесом и шестерней блока установлены торцовые зубчатые муфты, у которых одна полумуфта закреплена или выполнена на торце шестерни блока, а другая закреплена или выполнена на торце колеса блока, которое прижато к первой полумуфте пружиной, установленной с противоположной стороны колеса.
16. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена за корпус статора и состоит из стержня или балки, закрепленной на опорах, или введенной с возможностью вращения в закрепленные на опорах подшипники, а на этом стержне или на балке свободно подвешены водила с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес с одинаковыми зубчатыми венцами, центры которых совмещены с осью качания вала ротора, а для исключения реверса ротора при прямом и обратном качаниях на этих секторах в зацепление с ними введены блоки из шестерен и нереверсивных зубчатых колес, которые установлены на обгонные муфты или на выполненные на осях этих блоков храповые зубцы, наклон которых направлен противоположно за счет разной ориентации этих осей к торцам статора, а во впадины между этими зубцами и отверстиями сопряженных с ними зубчатых колес введены шарики или ролики, при этом одно такое зубчатое колесо введено в зацепление напрямую с закрепленной на конце вала ротора шестерней, а другое - через паразитную шестерню, а для обеспечения одинаковой скорости вращения вала ротора при одинаковых размерах шестерен один из этих блоков и связующая их оси планка выполнены со смещением вдоль венца зубчатого сектора в сторону от поперечной оси ротора с компенсацией величины этого смещения размерами паразитной шестерни.
17. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена за корпус статора и состоит из стержня или балки, закрепленной на опорах, или введенной с возможностью вращения в закрепленные на опорах подшипники, а на этом стержне или на балке свободно подвешены водила с прикрепленным к ним статором, с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, у которых центры совмещены с осью качания статора, а для дальнейшего повышения частоты вращения ротора между секторами ведущих зубчатых колес и шестернями, установленными на противоположных концах вала ротора, введены в зацепление промежуточные редукторы любых видов: многоступенчатые цилиндрические, или волновые, или планетарные, которые закреплены на водилах или встроены на торцах внутри корпуса статора.
18. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что ось для подвешивания и свободного качания статора на плавающем средстве смещена за корпус статора и состоит из стержня или балки, закрепленной на опорах, или введенной с возможностью вращения в закрепленные на опорах подшипники, а на этом стержне или на балке свободно подвешены водила с прикрепленным к ним статором с двух сторон которого, параллельно торцам, закреплены на опорах секторы ведущих зубчатых колес, у которых центры совмещены с осью качания статора, а на противоположных концах вала ротора установлены реверсивные шестерни, между которыми введен в зацепление блок или блоки сдвоенных зубчатых колес или промежуточные редукторы, закрепленные на водилах, а для сглаживания скорости вращения ротора между водилами и торцами статора с одной или с двух его сторон установлены промежуточные втулки, а в этом пространстве на валу ротора закреплены маховики.
19. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по любому из пп. 1-18, отличающийся тем, что для ограничения сектора его качания с корпусом статора связаны упоры или демпфирующие элементы, которые имеют возможность контакта в крайних точках качания генератора с закрепленными на опорах или на корпусе плавающего средства упругими или жесткими упорами.
20. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по любому из пп. 1-18, отличающийся тем, что опоры генератора размещены на, и/или внутри, и/или под корпусом плавающего средства с возможностью поворота и постоянной ориентации к центру тяготения Земли свободно подвешенного на них статора при качании волнами плавающего средства.
21. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по любому из пп. 3-18, отличающийся тем, что полуоси или оси подвешивания статора и ведущие зубчатые колеса и/или их зубчатые венцы установлены на поперечных ребрах и/или на продольных перегородках корпуса и трюмов плавающего средства с возможностью поворота и постоянной ориентации к центру тяготения Земли свободно подвешенного на этих осях или полуосях статора при качании волнами плавающего средства.
22. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по любому из пп. 8-18, отличающийся тем, что с наружной и/или с внутренней стороны корпуса подвешенного статора, имеющего радиальную ориентацию к оси его качания, закреплены дуговые обода, центры которых связаны с осью качания статора, а параллельно им закреплены дуговые обода на опорах генератора и/или на корпусе плавающего средства, а на парных друг другу ободах установлены дополнительные магниты и/или электрические катушки с сердечниками и системой возбуждения роторного и статорного типов.
23. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по любому из пп. 8-18, отличающийся тем, что по дуге их качания, параллельно друг другу осями, установлены два или более генераторов с возможностью их установки по вертикальному кругу, равному дуге качания, при этом секторы ведущих зубчатых колес адекватно увеличены.
24. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по любому из пп. 8-18, отличающийся тем, что для повышения энергетического потенциала генератора он жестко связан с грузом, частью которого служат устройства для накопления и синхронизации вырабатываемого генератором электрического тока.
25. Маятниковый гидроволновой генератор электрического тока по любому из пп. 1-18, отличающийся тем, что для повышения эффективности работы генератора при различном уровне колебания волн он и система его подвеса установлены в отдельный модуль, который введен в шахту с возможностью его подъема на корпус плавающего средства и/или опускания во внутрь корпуса, и/или под корпус в подводное положение, а для удобства эксплуатации сверху и снизу шахты установлены крышки, совмещаемые при подъеме или опускании с модулем, а нижняя крышка выполнена плавучей.
