Результат интеллектуальной деятельности: МЕХАНИЗМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию.

Известна (патент РФ №2002107, кл. F03D 3/00, F03D 3/06, F03D 5/00, F03D 7/06, опублик. 1993) ветровая энергетическая установка, содержащая закрепленный на горизонтальной опорной поверхности вертикальный вал, связанный с ним ротор, выполненный в виде горизонтальной платформы с флюгером, рабочая поверхность которого размещена в вертикальной плоскости, проходящей через вал, две направляющие, закрепленные на роторе на одинаковом расстоянии по разные стороны от вала параллельно друг другу и рабочей поверхности флюгера, две тележки, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющим, установленные на тележках вертикально и параллельно друг другу две опорные рамы, плоскости которых перпендикулярны направляющим, поворотные лопатки, образующие парусообразные плоскости и установленные на вертикальных осях в опорных рамах, радиальную раздвижную траверсу, шарнирно связанную своей средней точкой с валом и своими концами с тележками, шарнирно связанный с траверсой вал с винтовой поверхностью и размещенный на нем генератор, корпус которого шарнирно закреплен на горизонтальной платформе, причем вал с винтовой поверхностью разделен на два участка, закрутка которых выполнена в противоположные стороны и на каждом из них установлена храповая муфта.

Недостатком этого устройства является малый момент инерции ротора генератора, участвующего в однонаправленном вращении, что снижает энергоотдачу устройства из-за малой величины кинетической энергии, накапливаемой при избыточной скорости ветра и передаваемой генератору при малой скорости ветра.

Наиболее близкой по технической сущности является выбранная за прототип ветроэнергетическая установка, описанная в патенте РФ 2173791, МПК⁷ F03D 3/06. Ее кинематическая схема приведена на фиг.1. Ветроустановка содержит вертикальный вал 2, закрепленный с возможностью вращения относительно горизонтальной опорной поверхности 1, две опорные рамы 3 и 4, плоскости которых вертикальны и параллельны друг другу, установленные в опорных рамах на вертикальных осях поворотные лопатки 5, образующие рабочие парусообразные плоскости, горизонтально расположенный механизм параллелограммного типа, состоящий из связанной жестко своей средней точкой с валом 2 передней поперечной тяги 6, равной и параллельной ей задней поперечной тяги 7, связывающих шарнирно концы поперечных тяг боковых продольных тяг 8 и 9, на которых перпендикулярно к ним вертикально закреплены опорные рамы, параллельной боковым тягам средней продольной тяги 10, передняя и промежуточная точки которой связаны шарнирно соответственно с валом и с серединой задней поперечной тяги, закрепленный в конце средней продольной тяги вертикально и параллельно продольным тягам флюгер 11, выполненный в закрытом корпусе и прикрепленный снизу к опорной поверхности механизм преобразования вращения 12, входная ось которого связана с валом, последовательно установленные на выходной оси механизма преобразования вращения маховик 13 и электрогенератор 14, а также механизм поворота лопаток (не показан).

На фиг.2 приведена кинематическая схема механизма преобразования вращения, обеспечивающего преобразование колебательных движений вала в однонаправленное вращение. Механизм выполнен в виде посаженной на вал входной шестерни 15, связанных с ней внешним зацеплением первой 16 и второй 17 ведущих шестерней, связанных с их валами своими входными валами соответственно первой 18 и второй 19 храповых муфт, посаженных на их выходные валы соответственно первой 20 и второй 21 промежуточных шестерней и связанной с ними соответственно внешним и внутренним зацеплением ведомой шестерни 22, вал которой является выходным валом механизма 12. Временная диаграмма изменения угловой скорости вращения ротора электродвигателя ω_р для этого прототипа показана на фиг.3.

Недостатком конструкции механизма преобразования вращения является наличие постоянной жесткой связи между валом ведомой шестерни 22 и маховиком 13, что при изменении направления отклонения поперечных тяг 6 и 7 (фиг.1) от среднего положения вызывает периодическое торможение - вплоть до полной остановки - маховика и, следовательно, ротора электрогенератора. Таким образом, электрогенератор будет находиться в рабочем режиме лишь часть периода колебаний. Следовательно, средняя мощность вырабатываемой электроэнергии будет низкой. Кроме того, рассмотренные конструкции требуют применения генератора специальной конструкции, например, такой, какая предложена в первом прототипе.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение непрерывности вращения маховика и, соответственно, ротора электрогенератора в течение всего периода колебаний.

Сущность изобретения заключается в том, что в механизм преобразования вращения, содержащий входную шестерню, ведущие шестерни, храповые муфты, промежуточные шестерни, ведомую шестерню, выходной вал, добавлена третья храповая муфта таким образом, что ее входной вал соединен с валом ведомой шестерни, а выходной вал дополнительной храповой муфты последовательно связан с маховиком и ротором электрогенератора.

На фиг.4 показана кинематическая схема механизма преобразования вращения с дополнительной храповой муфтой. Механизм преобразования вращения содержит посаженную на вал 2 входную шестерню 15, связанные с ней внешним зацеплением первую 16 и вторую 17 ведущие шестерни, связанные с их валами своими входными валами соответственно первую 18 и вторую 19 храповые муфты, посаженные на их выходные валы, соответственно первую 20 и вторую 21 промежуточные шестерни, связанную с ними соответственно внутренним и внешним зацеплением ведомую шестерню 22, связанную с ее валом своим входным валом дополнительную храповую муфту 23, выходной вал которой является выходным валом всего механизма преобразования вращения и последовательно связан с маховиком и ротором электрогенератора. Временная диаграмма изменения угловых скоростей в предлагаемом изобретении показана на фиг.5.

Механизм преобразования вращения работает следующим образом. Периодические колебания передней поперечной тяги 6 (фиг.1) вызывают повороты вала 2 (фиг.4) и входной шестерни 15 механизма преобразования вращения. При этом входная шестерня своим внешним зацеплением вращает ведущие шестерни 16 и 17, что, в свою очередь, вызывает вращение входных валов первой 18 и второй 19 храповых муфт. Направление рабочего хода этих муфт различно, поэтому передача вращающего момента от вала 2 ведомой шестерне 22 происходит поочередно от первой 20 или второй 21 промежуточных шестерней в зависимости от направления перемещения опорных рам 3 и 4 (фиг.1). Следовательно, вращение ведомой шестерни 22 (фиг.4) будет однонаправленным. Оно передается входному валу дополнительной храповой муфты 23. Состояние дополнительной храповой муфты зависит от соотношения угловых скоростей вращения ведомой шестерни ω_B и ротора электрогенератора ω_P. Модуль ω_B периодически изменяется от нулевого значения (когда передняя поперечная тяга 6 на фиг.1 изменяет направление вращения после переключения поворотных лопаток 5 - момент времени t₀ на фиг.5) до определенного конечного значения, зависящего от параметров ветроустановки (момент времени t₁ на фиг.5). В моменты времени, когда ω_B меньше, чем ω_P (период t₁-t₂), дополнительная храповая муфта 23 находится в расцепленном состоянии, и ротор электрогенератора 14 получает вращающий момент от раскрученного маховика 13. При возрастании ω_B до значения, равного ω_р (момент времени t₂ на фиг.5), дополнительная храповая муфта 23 входит в зацепленное состояние, маховик 13 и, соответственно, ротор электрогенератора 14 получают ускорение от ветроустановки в течение периода времени t₁-t₃. При уменьшении ω_B (момент времени t₃) дополнительная храповая муфта 23 приходит в расцепленное состояние, не позволяя ветроустановке тормозить маховик 13. Временная диаграмма изменения угловой скорости вращения ротора электродвигателя ω_р в предлагаемом изобретении показана на фиг.6.

Таким образом, наличие дополнительной храповой муфты позволяет поддерживать рабочий режим электрогенератора в течение всего периода колебаний ветроустановки. Следовательно, средняя мощность вырабатываемого ветроэнергетической установкой электричества выше, чем в прототипе. Кроме того, применение данного изобретения позволит для выработки электричества использовать стандартные, т.е. более дешевые, электрогенераторы.