Механізм для перетворення обертального руху роторної вітроелектростанції

1. Механізм для перетворення обертального руху роторної вітроелектростанції, що містить корпус, встановлені в ньому з можливістю обертання 3 83740 великі габарити і вагу ведучого колеса, вимагає значної точності для виготовлення крупної і масивної деталі, чутливий до температурних навантажень, вимагає використання машинного залу великої площі і т.д. і т.п. При русі такого пристрою, в зачепленні завжди матимуть місце ударні навантаження, що згубно впливають на його роботу і моторесурс. Найбільш близьким пропонованому є механізм по а. с. СРСР № 1546751 (МКИ F 16Н 25/20, Ме ханизм для преобразования вращательного движения во вращательно-поступательное / В.А. Ночевкин, В.М. Солодовниченко и А.С. Офицеров), що містить корпус, встановлений в ньому робочий вал, виконаний у вигляді гвинта, гайку, що взаємодіє з ним, встановлену в опорах, і кінематичний ланцюг, що пов'язує гвинт з гайкою. Остання виконана у вигляді встановленого з можливістю обертання ексцентрично по відношенню до осі гвинта і виконаного у вигляді порожнистого циліндра водила, встановлених в нім двох барабанів, жорстко закріплених відповідно на гвинті і гайці і зв'язаних між собою за допомогою попередньої закрученої пружини, і двох гнучких зв'язків, одні кінці яких закріплені на внутрішній поверхні водила, а інші - на відповідних барабанах. Проте цей пристрій має недоліки, оскільки володіє властивістю прискорювача зворотнообертального руху. В межах одного обороту ведучого водила поточна величина передавального відношення, яка може змінюватися в широкому інтервалі значень, через кожні пів періоду міняє свій знак на протилежний. В результаті, середнє значення передавального відношення за один оборот водила відповідає одиниці. Тому, за один оборот ведучого валу ведені вали здійснюють також один оборот, і даний механізм не може бути використаний напряму у якості мультиплікатор для прискорення обертального руху, наприклад, вітродвигуна при перетворенні механічної енергії в електричну за допомогою електрогенераторів. У основу даного винаходу покладено завдання створення одноступінчатого механічного мультиплікатора для прискорення обертального руху, що володіє високими ваговою віддачею по потужності і ККД при значному спрощенні конструкції по відношенню до аналогів і придатного до використання у складі вітроелектростанції. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що в механізмі для перетворення обертального руху роторного вітродвигуна, що містить корпус, встановлені у ньому з можливістю обертання вали, водило, встановлене на ведучому валу, ексцентрично по відношенню до други х валів, кінематичний ланцюг, що зв'язує водило з веденими валами за допомогою гнучких зв'язків, одні з кінців яких закріплені на водилі. При цьому, в механізм введена багатошківна пасова передача, шківи якої встановлені на ведених валах, взаємозв'язаних з електрогенераторами, а другі кінці гнучких зв’язуючих елементів закріплені на пасу пасової передачі. На відміну від прототипу, у якого ведені органи, збільшують та зменшують свої швидкості та змінюють напрям свого відносного руху і при цьо 4 му здійснюють один оборот на кожен один оборот ведучої ланки, у пропозиції ведені органи рухаються тільки в одному напрямі і здійснюють ряд оборотів на один оборот ведучої ланки. При цьому, середня величина мультиплікації руху може бути встановлена в широких межах. В результаті цього, за рахунок введення в механізм багатошківної пасової передачі і взаємозв'язку паса з водилом за допомогою гнучких зв'язків, з'явилася можливість отримання гнучкого некруглого аналога барабану, що постійно обертається убік водила і що має добрий фрикційний зв'язок зі шківами. При такій конструкції вся передача відрізняється малою матеріаломісткістю, а отже, високою ваговою віддачею по потужності, здібна до значної мультиплікації кутової швидкості при відносно невеликій кількості елементів, що її становлять, відрізняється простотою конструкції, малою вартістю і володіє значним ККД по відношенню до аналогів. За рахунок проведених нововведень у пропонованого винаходу з'явилися нові якісні і кількісні переваги, що дозволяє використовувати його як мультиплікатор обертального руху від робочих приводних органів тихо хідного карусельного вітродвигуна на швидкохідні вали генераторів електричної енергії. На фіг. 1 представлений пропонований механізм у складі трилопатевого карусельного парусного вітродвигуна Солодовніченка згідно декларативного патенту України № 55941 МПК F03D3/00, на фіг. 2 - перетин А-А по фіг. 1, на фіг. 3 - перетини Б-Б по фіг. 2, на фіг. 4-6 - схеми механізму з різною кількістю шківів і принциповою побудовою. На щоглі 1 (фіг. 1) в підшипникових опорах встановлений вертикальний вал 2, на верхньому кінці якого жорстко закріплене трилопатеве вітроколесо-водило 3 з лопатнями 4 і пов'язаними з ними робочими лопатками 5, які обладнані оснащенням з гнучкими вітрилами значної загальної вітроприймальної площі з легкої і міцної технічної тканини (детально не показано). Нижній кінець валу 2 взаємозв'язаний з муфтою попередження зворотного ходу 6, яка закріплена на щоглі 1. З установкою під кутом 120° щодо один одного навколо вертикальної осі до щогли 1 жорстко прикріплено три кронштейни 7, на кінцях яких встановлені генератори електричного струму 8 з майданчиками для їх технічного обслуго вування (не показані). У одній горизонтальній площині на валах генераторів 8 встановлені шківи 9 клинопасової передачі, взаємозв'язані між собою за допомогою клинового пасу 10. Для різних конструкцій вітроелектростанцій пасова передача може бути виконана з плоским, зубчастим, багатоклиновим для потужних установок і іншими пасами, окрім круглих. Останнім пасам властиво обертатися при роботі навколо своєї замкнутої осьової направляючої. Для визначення натягнення пасової передачі, один або декілька з електрогенераторів 8 встановлені на рухомих санчатах (не показано), а останні можуть бути жорстко закріплені на кронштейнах 7. Всі генератори електрично взаємозв'язані через 5 83740 відповідну електоапаратуру з навантаженням (не показано). Над генераторами 8 і гілками пасової передачі встановлені навіси, призначені для захисту їх від атмосферних опадів. З пасом 10 в точках А (фіг. 1, 2) одними з своїх кінців закріплені гнучкі зв’язуючі елементи, виконані з легких і міцних плоских технічних стропів 11. Другими своїми кінцями ці стропи 11 шарнірне сполучені з консольними кінцями штирів 12 (точки Б), які прикріплені з нижніх сторін до лопаток 5. Місця кріплення штирів 12 на лопатнях 4 визначено так, щоб єдине коло з радіусом від осі валу 2 до точок Б було таким, щоб охоплювати пасову передачу і мав місце невеликий гарантований зазор між цим колом і шківами 9. Довжини стропів від точок А до точок Б вибрано із запасом більше міжцентрової відстані між сусідніми шківами 9. Жорстка скелетна основа вітроколеса 3 додатково виконує також функцію водила пасового мультиплікаційного пристрою. Кожен з шківів 9 виконаний комбінованим (фіг. 3), з клиновим струмком під пас 10, а також, з розширеною циліндровою поверхнею, обмеженою буртиками під опору для стропів 11. У загальному випадку, кількість шківів 9 пасової передачі і взаємозв'язаних з ними генераторів 8, а також кількість стропів 11, що сполучають водило 3 з пасом 10, може бути різним. Обмеженням тут є те, що із збільшенням кількості шківів, зменшується кут обхва ту кожного з шківів пасом, крім того, ускладнюється конструкція і неодмінно зменшується ККД передачі. На фіг. 4-5 представлені приклади можливих варіантів мультиплікаторів обертального руху, обладнаних пасовими передачами з двома і п'я тьма шківами 9 і одним гнучким сполучним стропом 11. На фіг. 6 представлений приклад найбільш загального випадку механізму перетворення обертального руху з шківами різних діаметральних розмірів, встановлених у вершинах неправильного багатокутника (чотирьохкутника). Пристрій працює наступним чином: При натиску вітр у в обертання з напрямом проти годинникової стрілки, як показано на фіг. 2, приводиться ведуче вітроколесо 3. За рахунок натягнення стропів 11 в рух захоплюється пас 10, а від нього в обертання приводяться шківи 9 і ротори генераторів електричної енергії 8. В результаті, механічна енергія обертання, визначена кінетичною енергією вітру, перетвориться в електричну енергію з подачею її споживачам або накопичення акумуляторними пристроями. При русі вітроколеса 3, точки шарнірного кріплення стропів 11 до лопаток 5, відмічені як точки Б, рухатимуться по єдиному колу Б (показано пунктирною лінією), а точки А, з огляду на те, що стропи 11 вибрані по довжині більше міжцентрової відстані сусідніх шківів 9, рухатимуться по стаціонарній траєкторії натягнення паса 10 (замкнута А). Вільні кінці стропів 11 періодично наближатимуться до прямих ділянок гілок пасової передачі, лягатимуть на них, перегинатимуться по ходу р уху через черговий шків 9, а потім будуть віддалятися 6 від цих ділянок і так далі. Точки А і Б не можуть опинитися на одній прямій лінії натягнення вільного від контакту з пасом 10 кінця кожного із стропів 11 і будуть завжди розділені одна від другої перегином через один з шківів 9, що визначає роботу пасової передачі в нормальному режимі з ведучим пасом 10 і всіма веденими шківами 9. Передатне відношення по потоку передачі потужності, від ветроколеса-водила 3 на шківи 9, є змінною у функції кута повороту водила величиною, яка за своїм значенням буде менше одиниці і більше нуля. Мінімальне її значення буде близьке відношенню робочого діаметру шківа 9 до діаметру кола Б. Періодичність зміни цього передавального відношення, в межах одного повного обороту водила, відповідає кількості шківів 9 в пасової передачі. Діапазон зміни передавального відношення буде тим ближче наближатися до одиниці, чим більше буде шківів в багатошківній пасовій передачі, а, точніше, чим ближче до кола Б наближатиметься зігнута замкнута траєкторія руху точок А (замкнута А). ККД же мультиплікатора буде тим вище, за інших рівних умов, ніж менше шківів включено в пасову передачу. Коефіцієнт мультиплікації обертального руху механізму є величиною, зворотною величині передавального відношення, і буде тим більше і стабільніше по значенню, ніж ближче замкнута А відповідатиме колу Б і чим більше відрізнятиметься по діаметру останнє коло по відношенню до робочих діаметрів шківів 9. Всі кінематичні і силові параметри пропонованої роторної вітроелектростанції функціонально залежать від її принципових і конструктивних особливостей і тісно пов'язані між собою, а також із швидкістю вітру і щільністю його повітряного потоку. Величина останнього фактора залежить від складу і температури повітря, а також від величини атмосферного тиску. Чим вище швидкість вітру і більше щільність повітря, тим вище енергетичний потенціал повітряного потоку, причому в прямо пропорційній залежності від щільності повітря і прямої кубічної залежності від його швидкості. Так, що, якщо швидкість вітру збільшиться в два рази, то потужність його потоку збільшиться у вісім разів, якщо швидкість - в три рази, потужність - в двадцять сім разів. Момент опору для вітроколеса 3 залежить, в основному, від навантаження в електричній мережі, коефіцієнта мультиплікації, який три рази (по кількості шківів 9) плавно змінюється по величині від мінімуму до максимуму і назад в межах одного обороту вітроколеса-водила 3, а також від ККД мультиплікатора, який функціонально (у зворотній пропорції) пов'язаний з коефіцієнтом мультиплікації. Рушійний момент вітроколеса буде тим вище, чим більше парусність його робочих лопаток і чим вище їх енергоуловлююча здатність, чим більше швидкість вітру і чим менше кутова швидкість вітроколеса 3. 7 83740 Куто ва ж швидкість вітроколеса 3 навіть при постійній швидкості вітру буде тим менше, чим більшим буде момент його опору. Звідси витікає, що на пропонованій вітроелектростанциї з даним мультиплікатором обертального руху в складі, має місце елемент автоматичного ефекту по стабілізації кутової швидкості роторів електрогенераторів 8. Цей ефект ще додатково посилюється за рахунок інерційних властивостей самого вітроколеса 3. При збільшенні моменту опору руху вітроколеса 3 воно рухатиметься з негативним кутовим прискоренням і працюватиме як маховик: віддаватиме накопичену кінетичну енергію і збільшуватиме рушійний момент. Все це, спільно, сприятиме стабілізації кутової швидкості обертання роторів генераторів К. Для попередження повороту ві троколеса 3 в протилежне робочому напряму сторону, яке приведе до ослаблення натягнення і зльоту з направляючих шківів 9 стропів 11, що може випадково 8 відбутися в період штилю, служить муфта зворотного ходу 6. Таким чином, за рахунок запропонуванню, створений одноступінчатий механічний мультиплікатор для прискорення обертального руху, що володіє достатньо високим ККД та високою ваговою віддачею по потужності при значному спрощенні конструкції по відношенню до аналогів і придатного до використання у складі вітроелектростанції. Найбільше застосування пропозиції може мати місце на роторних вітроелектростанціях для прискорення обертального руху електрогенераторів. Досягнення поставленої мети підтверджене експериментальними дослідженнями макетних зразків мультиплікаторів в лабораторних умовах кафедри «Обладнання підприємств легкої промисловості та побутового обслуговування» Херсонського національного технічного університету. 9 Комп’ютерна в ерстка Д. Шев ерун 83740 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601