Пристрій для створення обертового моменту вала генератора електричного струму

Реферат: UA 95316 U UA 95316 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технології виробництва екологічно чистої електричної енергії і може знайти застосування в електроенергетичній та інших галузях промисловості як альтернативне джерело енергії. Відомі пристрої, що створюють обертовий момент вала генератора електричного струму, використовують у своїй роботі енергію потоку води, перегрітої пари, двигунів внутрішнього згорання вуглеводневого палива на гідро-, тепло-, атомних електростанціях та автономних бензино-, дизель-генераторах. Найбільш близьким аналогом пристрою, що заявляється, є двигун внутрішнього згорання (далі - ДВЗ), котрий створює обертовий момент вала генератора в автономному бензиновому або дизель-генераторі [11] за рахунок енергії згоряння бензинового чи дизельного палива в камерах згоряння ДВЗ, що призводить до поступально-зворотного руху поршнів, який під дією вихлопних газів перетворюється в обертовий рух колінвала, котрий з'єднаний з валом електрогенератора. Загальною суттєвою ознакою аналогу та пристрою, що заявляється, є спосіб створення обертового моменту вала електрогенератора, при якому величина обертового (крутного) моменту, створена дією приводної сили на елементи приводного пристрою, передається з вала пристрою на з'єднаний з ним вал електрогенератора. Відмінним є природа сили, котра приводить в обертовий рух вал пристроїв, що порівнюються: якщо в аналогу приводна сила виникає в результаті спалення вуглеводневого палива, то в заявленому пристрої приводною силою являється гравітаційна сила Землі [2]. Таким чином, технічний результат по створенню обертового моменту вала електричного генератора заявлений пристрій отримує без застосування будь-якого палива, чого не може досягти ближній аналог. В основу корисної моделі поставлена технічна задача по створенню обертового моменту вала електричного генератора виключно дією сили земного тяжіння [2] на конструктивні елементи пристрою, що дасть мінімальний вплив на навколишнє середовище при виробництві електроенергії за допомогою заявленого пристрою, а також економічний ефект по причині відсутності в собівартості виробленої електроенергії паливної складової. Поставлена технічна задача вирішується тим, що в пристрої, який містить виготовлений із тугоплавкої сталі вал на опорних підшипниках кочення, що закріплені в нерухомій сталевій станині, до якого в точці, яка ділить довжину вала порівно, жорстко закріплений кінець важеля визначеної довжини металевих стержня або труби, на іншому кінці котрого закріплений вантаж визначеної величини маси, до одного кінця вала приєднаний зубчатий редуктор тягового низькообертового двигуна, а до іншого - приводне зубчате колесо з титанового сплаву, котре зубчатою передачею з'єднане з підвищувальним зубчатим редуктором, що з'єднаний з валом електрогенератора, який є спільним з валом накопичувача кінетичної енергії у формі сталевого циліндру, розміри якого розраховані відповідно до величини потужності електрогенератора. Така конструкція дозволяє передавати величину обертового моменту вала пристрою на спільний з валом накопичувача кінетичної енергії вал електрогенератора, а також доводити число обертів вала пристрою з величини, яка рівна один оберт за одну секунду, до величини номінального числа обертів nном вала електрогенератора. Обертовий момент вала пристрою створює сила тяжіння [2], котра рівна вазі вантажу, яка діє на плече сили, котрим являється довжина важеля, яким з'єднані вантаж з валом пристрою, тим самим створюючи момент сили [3] ваги вантажу, величина якого сумарно з величиною обертового моменту тягового двигуна передається з вала пристрою на вал електрогенератора. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких зображено: на Фіг. 1 - Схема пристрою. Вигляд зверху. В статичному стані пристрій містить вал 10, що вільно обертається навколо своєї осі завдяки опорним підшипникам 11, котрі закріплені на нерухомій сталеній станині (на схемі не показана). До точки на валу 10, яка ділить довжину вала порівно, жорстко закріплений кінець металевого важеля 14 довжиною L,м у вигляді металевого стержня (труби) із ст. 65-90, а до іншого кінця важеля 14 закріплений нерухомий вантаж 13 масою m, кг. До одного кінця вала 10 приєднаний понижуючий зубчатий редуктор 12, котрий з'єднаний з валом 15 тягового малообертового електродвигуна, з передаточним числом N1 , що понижує номінальну швидкість обертання вала 15 електродвигуна n15 до числа обертів вала 10 пристрою то в 1 оберт за 1 секунду: n10  1 об/сек. На іншому кінці вала 10 закріплене приводне зубчате колесо 9 специфічної форми (перетин D  D Фіг. 4), котре приводить в обертовий рух зубчате колесо 8 на валу 7 підвищувального 1 UA 95316 U 5 10 15 20 зубчатого редуктора 6, котрий з'єднаний з валом 5 накопичувача кінетичної енергії 4, який з'єднаний з валом 1 електрогенератора муфтою 2. Високошвидкісні підшипники 3 в нерухомій сталевій станині забезпечують вільне обертання валів 1 і 5 з накопичувачем 4 із швидкістю номінального числа обертів nном вала електрогенератора. На Фіг. 2. Накопичувач кінетичної енергії 4. Повздовжній перетин по валу 1 електрогенератора. Перетин A  A Фіг. 1. Накопичувач 4 з валом 5, виготовлений з цільної заготовки тугоплавкого металу марки ст. 100, вільно обертається на високошвидкісних опорних підшипниках 3, котрі закріплені в нерухомій стальній станині, із швидкістю nном електрогенератора. На вільному кінці вала 5 жорстко закріплене зубчате колесо 61 редуктора 6. Інший кінець вала 5 з'єднується з валом 1 ротора 102 генератора 101 муфтою з'єднання 2. Створений вагою вантажу 13 пристрою обертовий момент вала пристрою передається на вал 1 генератора 101 через зубчате колесо 61 підвищувального редуктора 6 протягом 1/3 секунди кожного одного оберту вала 10 пристрою. За цей час накопичувач 4 разом з ротором 102 накопичує такий об'єм кінетичної енергії [7], котрий забезпечує номінальне число обертів nном вала 1 ротора 102 по інерції протягом 2/3 секунди кожного оберту вала 10 пристрою, коли величина обертового моменту вала 10 не передається на вал 1 ротора 102. Тому параметри накопичувача 4 мають такі значення: m 4  m102 , кг; d 4 2d102 , м; d5  d1 , м; де: m 4 - маса накопичувача 4 з валом 5; 25 30 35 40 45 50 m102 - маса ротора 102 з валом 1 (паспортні дані генератора 101); d 4 - діаметр циліндра накопичувача 4; d102 - діаметр ротора 102 генератора 101; d5 - діаметр вала 5 накопичувача 4; d1 - діаметр вала 1 ротора 102. Відповідно: I4  2I102 ; де: I4 - момент інерції [6| накопичувач 4; I102 - момент інерції ротора 102 генератора 101 (паспортні дані генератора). На Фіг. 3. Зубчаті редуктори 12, 6. Повздовжні перетини. Редуктор 6. Перетин за B  B , Фіг. 1. Підвищувальний редуктор 6 призначений для забезпечення номінальної величини числа обертів nном вала 1 електрогенератора та містить два зубчаті колеса 62 та 61, котрі з'єднані зубчатою передачею з передаточним числом N2 Саме тіло коліс 62, 61 виконане з легких металів типу дюраль чи силумін, а їх зубці однакової висоти, товщини та кроку між ними виконані з тугоплавкої сталі чи титану. Колесо 62 жорстко закріплене на валу 7, який закріплений на підшипниках кочення в стінках металевого кожуха 63. Колесо 61 жорстко закріплене на валу 5 накопичувача 4. Вали 5 та 7 розташовані паралельно один до одного, а їх центри - на одній лінії, котра строго паралельна поверхні Землі. Замість зубчатої передачі коліс 62 і 61 редуктора 6 допускається використання ремінної передачі з таким самим передаточним числом N2 , котре визначене згідно [5]: N2  nном / n7  d62 / d61 , де: N2 - передаточне число редуктора 6; nном - номінальне число обертів вала 1 генератора, об/сек.; n 7 - число обертів вала 7, об/сек.; d62 - діаметр колеса 62, м; d61 - діаметр колеса 61, м. Редуктор 12. Перетин C  C Фіг. 1 2 UA 95316 U 5 10 Понижуючий редуктор 12 призначений для забезпечення обертання вала 10 пристрою із швидкістю 1 оберт за 1 секунду та містить два зубчатих колеса 122 і 121, виконані з металу марки ст. 90, котрі з'єднані конічними зубцями однакової товщини, висоти та кроку між ними. Колеса 122 і 121 поміщені в захисний кожух 123, виконаний з металу марки ст. 65. Колесо 122 жорстко закріплене на валу 10 пристрою, а колесо 121 - на валу 15 тягового електродвигуна. Вали 10 та 15 розташовані паралельно один до одного, а їх центри - на одній лінії, котра строго паралельна поверхні Землі. Передаточне число редуктора 12 визначене згідно [5]: N1  n15 / n10  d122 / d121 , де: N1 - передаточне число редуктора 12, n15 - номінальне число обертів вала 15 тягового електродвигуна, об/сек.; 15 20 25 30 35 40 45 50 n10  1 об/сек - число обертів вала 10 пристрою; d122 - діаметр колеса 122, м; d121 - діаметр колеса 121, м. на Фіг. 4. Приводне зубчате колесо 9. Повздовжній перетин за D  D Фіг. 1. Приводне зубчате колесо 9 (сегментне) жорстко закріплене на валу 10 пристрою і призначене для передачі створеного обертового моменту з вала 10 на вал 7, а також для збільшення швидкості обертання вала 7 з колесом 8 від 1 об/сек. до величини n 8 , об/сек. На валу 7 жорстко закріплені як зубчате колесо 8, так і колесо 62 редуктора 6 Фіг. 3. Колесо 9 та 8 виконані з титанового сплаву і по мірі обертового руху частково з'єднуються конічними зубцями однакової товщини, висоти та кроку між ними. Колесо 9 виготовлене шляхом спилювання (видалення) частини його зубців по окружності колеса з залишком зубців в секторі 120° тіла колеса. Вали 10 і 7 розташовані паралельно один одному, а їх центри знаходяться на одній лінії, котра строго паралельна поверхні Землі. Площина коліс 9 і 8 перпендикулярна площині валів 10 і 7, в якій вони знаходяться. Відстань між валами 10 та 7 встановлюється такою, щоб між кінцем зубця колеса 8 та тілом колеса 9 без зубців був зазор в 1 мм. Передаточне число зубчатої передачі з вала 10 на вал 7 визначене згідно [5]: N3  n7 / n10  d9 / d8 , де: N3 - передаточне число, n 7 - число обертів вала 7, об/сек.; n10  1 об/сек., швидкість обертів вала 10; d9 - діаметр колеса 9, м; d8 - діаметр колеса 8, м. Тривалість з'єднання коліс 9 і 8 складає 1/3 секунди кожного одного оберту вала 10, а тривалість часу, коли колеса 9 і 8 роз'єднані, складає 2/3 секунди кожного оберту вала 10. На Фіг. 5. Діаграма просторових положень вантажу 13 одного оберту вала 10 пристрою. Вантаж 13 на важелі 14 довжиною L та приводне колесо 9 жорстко закріплені на валу 10 таким чином, що проекція важеля 14 умовно ділить сектор в 120° колеса 9 з зубцями на 2 рівні частини. Взаємне розташування не змінюється при будь-якому положенні вантажу 13 на траєкторії руху при обертанні вала 10 навколо своєї осі. Вантаж 13 робить 1 оберт за 1 секунду навколо вала 10 з початкового положення A долаючи шлях довжиною S  2 L , м; де: S - шлях, який проходить вантаж 13 за 1 оберт (довжина траєкторії руху центру ваги вантажу 13), м;   3,14 ; L - радіус траєкторії руху центру ваги вантажу 13, м. В положенні вантажу A зубчаті колеса 8 та 9 не з'єднані. У положенні B початок з'єднання зубців коліс 9 та 8. В положенні C - зубці коліс 8 і 9 роз'єднуються. Таким чином, передача обертового моменту з вала 10 на вал 7 триває 1/3 секунди, коли вантаж 13 проходить шлях по 3 UA 95316 U 5 10 15 20 25 траєкторії з положення B до положення C . З положення C до положення B по стрілці вантаж 13 рухається за рахунок сумарної дії фізичних величин: обертового моменту тягового двигуна 15 Фіг. 1; моменту інерції [6] маси вантажу 13, моменту інерції [6] маси колеса 9. На вантаж 13 діє сила земного тяжіння [2], котра рівна вазі вантажу: F  P  m13  g, н, де: F - сила, яка діє на вантаж 13; P , m13 - вага та маса вантажу 13 відповідно; 2 g  9,81 м/сек - прискорення вільного падіння. Величина сили ваги вантажу 13 діє на плече сили, котрим є довжина важеля 14, та створює момент сили [3] величиною: M  F  L, н  м ; де: M - момент сили, обертовий момент вала 10 пристрою; F - сила земного тяжіння; L - радіус кола траєкторії руху вантажу, довжина важеля 14, м. Робота, яку виконує вантаж за 1 оберт [9]: A  F  S , дж, де: A - робота вантажу 13, який долає шлях S , F - сила ваги вантажу 13, S - довжина траєкторії руху центру ваги вантажу 13. Потужність, яку розвиває вантаж 13 за один оберт [10]: N13  A / t , вт; де: N13 - потужність, що розвиває вантаж 13 за 1 оберт, A - робота, що виконує вантаж 13 за 1 оберт, t  1 сек. - час 1 оберту вантажу 13. Потужність, що розвиває пристрій: Nпр  Р15  N3  0,5Pном  N13  15Pном , вт, , де: Nпр - потужність пристрою; 30 P15 - потужність тягового двигуна 15 Фіг. 1; N13 - потужність, яку розвиває вантаж 13 за 1 оберт; Pном - номінальна потужність електрогенератора. Таким чином, по розрахованих величинах маси вантажу 13 ( m13 ) та довжини важеля 14 ( L ), потужності пристрою Nпр цілком достатньо для забезпечення роботи електрогенератора 35 40 45 50 потужністю Pном в робочому режимі, так як протягом часу, коли обертовий момент вала 10 передається на вал 1 генератора, потужність пристрою Nпр досягає величини, котра більша величини Pном в 1,5 рази. На Фіг. 6. Пристрій. Взаємне просторове розташування елементів. Всі вали 15, 10, 7, 5 та з'єднаний з ним вал 1, розташовані паралельно один до одного, а їх довжини лежать в одній площині, котра строго паралельна площині поверхні Землі. Всі площини зубчатих коліс 121, 122, 9, 8, 61, 62 розташовані перпендикулярно до площини валів 15, 10, 7, 5 та 1, а важіль 4 - перпендикулярно до осі вала 10. Розміри, матеріали виготовлення та параметри фізичних величин конструктивних елементів заявленого пристрою для створення обертового моменту вала генератора електричного струму потужністю 1 кВт мають наступні значення*: технічні характеристики генератора (паспортні дані): номінальна потужність - Pном  1 кВт; номінальне число обертів - nном =3000 об/хв=50 об/сек.; величина крутного моменту - Mоб  3,3н  м ; 2 момент інерції ротора I  0,3 кгм ; діаметр ротора - d102  0,07 м; 1. Тяговий 10-полюсний двигун 15: 4 UA 95316 U номінальна потужність - N15  0,5 кВт; номінальне число обертів n15 =600 об/хв=10 об/сек.; 5 10 15 20 25 30 35 крутний момент вала ротора M15  8 нм;2. Знижувальний редуктор 12. Зубчате колесо 121, 122 з металу марки ст. 90, з конічними зубцями висотою h  5 мм, кроком 2,5мм, d121  0,05 м, d122  0,5 м. Передаточне число N1  0,5 / 0,05  10 . 3. Вал 10, з металу круг d  20 мм, ст. 100, довжина 0,5 м, опорні підшипники 11 кулькові закритого типу. 4. Важіль 14, труба d 4  18 мм, ст. 20, L  10 м. , 5. Вантаж 13, метал ст. 3, чавун, масою m13  20 кг. 6. Зубчате секторне колесо 9, d9  0,5 м, титановий сплав, зубці конічні: висота 5 мм, крок 2 мм. 7. Підвищувальний редуктор 6. Зубчаті колеса 8, 62, 61 діаметрами d8  0,05 м, d62  0,25 м, d61  0,05 м. Передаточне число N2  0,25 / 0,05  5 . Матеріал: дюраль, силумін. Зубці титанова наплавка конічної форми: висота 5 мм, крок 2 мм. * - всі приведені як приклад величини - розрахункові. 8. Накопичувач 4. Циліндр з металу ст. 100 масою 2,5 кг, діаметр основи 0,1 м висотою 0,05 м, високошвидкісні опорні підшипники 3, голчаті, закритого типу. 9. Загальне передаточне число з вала пристрою на вал електрогенератора N  nном / n10  50 / 1  50 . 10. Електроживлення двигуна 15: від стороннього джерела (енергосистеми) або від генератора електричного струму 1. 11. Муфта з'єднання 2: трубчатого типу з болтовим з'єднанням. 12. Пристрій встановлено на станині з металічного профілю (кутник) ∟50505 мм, котра закріплена в армованій бетонній плиті товщиною 200 мм марки 500, арматурою марки А-8, А10. 13. Обертовий момент на валу 10, що створює вага вантажу 13 на важелі 14: Mпр  m13  g  L  20  9,81  10  196 нм, , де: Mпр обертовий момент на валу 10, що створює вага вантажу 13; m13 - маса вантажу 13, кг; 2 g  9,81 - прискорення вільного падіння, м/сек ; L - довжина важеля 14, м. 14. Обертовий момент, що передає на вал 10 двигун 15: M151  M15  N1  8  10  80 нм, де: M15 - крутний момент на валу двигуна 15; N1 - передаточне число редуктора 12 з колесами 121 і 122. 15. Загальний обертовий момент на валу 10: M  M151  Mпр  80  196  276 нм, де: M151 - обертовий момент, який передає двигун 15 на вал 10; Mпр - обертовий момент, який створює вага вантажу 13. 40 16. Величина обертового моменту, електрогенератора: Mкр  M / N  276 / 50  5,5 нм, який передає вал 10 пристрою на вал 1 де: M кр - величина крутного моменту вала 1 генератора, переданий з вала 10 пристрою; 45 50 M - величина загального обертового моменту вала 10 пристрою; N - передаточне число зубчатої передачі з вала 10 на вал 1 електрогенератора. Для електрогенераторів більшої потужності довжина важеля 14 пристрою збільшується до 1,5 м, а маса вантажу 13 збільшується кратно потужності електрогенератора. З метою зменшення навантаження на опорні підшипники 11, на одному валу 10 закріплюються декілька вантажів 13 на важелях 14 розрахованої сумарної величини маси без порушення взаємного розташування з іншими елементами пристрою. Пристрій працює таким чином: при встановленому в положенні A Фіг. 5 вантажі 13 та непрацюючими електрогенераторі 1 і тяговому електродвигуні 15 ротор електрогенератора 5 UA 95316 U 5 10 15 20 25 30 35 розганяється стороннім приводним механізмом до величини nном , об/сек., при цьому вал 10 пристрою з вантажем 13 на важелі 14, зубчате колесо 9 та редуктор 12 з колесами 122, 121 залишаються нерухомими по причині того, що колеса 9 та 8 не з'єднані своїми зубцями, як видно на Фіг. 5. При досягненні вала 1 з накопичувачем 4 обертів величиною nном сторонній механізм від'єднується, а двигун 15 та генератор 1 вмикаються в роботу. Під дією сили земного тяжіння та додаткової величини обертового моменту двигуна 15, котрий передається на вал 10 через колеса 121 і 122 редуктора 12, вантаж 13 на важелі 14 здійснює обертовий рух із швидкістю 1 оберт за 1 секунду. Створений дією сили ваги вантажу 13 на важіль 14 обертовий момент вала 10 передається на вал 1 електрогенератора з накопичувачем 4 через зубчате колесо 9 та підвищувальний редуктор 6 з колесами 8, 62 і 61, а величина обертового моменту вала 1 буде рівною величині обертового моменту вала 10, котра зменшена в загальне передаточне число N при зубчатій передачі з вала 10 на вал 1. Передача обертового моменту з вала 10 на вал 1 триває 1/3 секунди кожного одного оберту вала 10 з вантажем 13, а решту 2/3 секунди кожного оберту номінальне число обертів nном вала електрогенератора забезпечується за рахунок кінетичної енергії [7] ротора електрогенератора та накопичувача кінетичної енергії 4 на одному валу з цим ротором. Безперервність обертового руху вала 10 пристрою забезпечує дія об'єднаних фізичних факторів: додаткова величина обертового моменту тягового двигуна 15, сумарна величина моментів інерції [6] маси вала 10, важеля 14, вантажу 13 та зубчатого колеса 9. Джерела інформації: 1.http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0 %97 %D0 %B0 %D0 %BA%D0 %BE%D0 %BD %D0 %B7 %D 0 %B%D0 %B5 %D1 %80 %D0 %B5 %D0 %B6 %D0 %B5 %D0 %BD%D0 %BD%D1 %8F_%D0 %B 5 %D0 %BD%D0 %B5 %D1 %80 %D0 %B3 %D1 %96 %D1 %97 - закон збереження енергії. 2. Справочник но элементарной математике, механике и физике. Издание 12-е. Изд. "Наука и техника". Минск 1973. Редактор Н.И. Кузнецов С*0222-48/М316-73. Стр. 109 п. 39. Притяжение тел землей. 3. Там же, C. 98 п. 17. Момент силы. 4. Там же, C. 90 п. 6. Кинематика. 5. Там же, C. 91 п. 8. Закон передач зубчатых колес. 6. Там же, C. 106 п. 34. Момент инерции цилиндра, круга. 7. Там же, C. 107 п. 35. Кинетическая энергия. 8. Там же, C. 93 п. 12. Центростремительное ускорение. 9. Там же, C. 103 п. 26. Работа. 10. Там же, C. 104 п. 30. Мощность. 11. Net… Бензо- та дизель-генератори. Опис роботи. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 Пристрій для створення обертового моменту вала генератора електричного струму, що містить вал на опорних підшипниках в металевій нерухомій станині з закріпленим посеред його довжини важелем з вантажем, до однієї сторони якого приєднаний тяговий електродвигун зі знижувальним редуктором, а до іншої закріплене секторне зубчате колесо, з'єднане підвищувальним редуктором та накопичувачем кінетичної енергії на спільному з генератором електричного струму валу, який відрізняється тим, що величина створеного дією сили земного тяжіння на вантаж пристрою, тобто його вагою на плече сили довжини важеля, обертового моменту вала пристрою, який обертається із швидкістю 1 об/сек., більша переданої через підвищувальний редуктор на вал генератора електричного струму величини обертового моменту в nном , об/сек. число разів: Mоб  Мпр / nном , нм; де: Моб - обертовий або крутний момент вала генератора електричного струму, нм; М пр - обертовий або крутний момент вала пристрою, нм; nном номінальне число обертів вала генератора 6 електричного струму, об/сек. UA 95316 U 7 UA 95316 U 8 UA 95316 U 9 UA 95316 U 10 UA 95316 U 11 UA 95316 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 12