Вітросилова установка

Реферат: Вітросилова установка містить поворотну щоглу і жорстку несиметрично профільовану вітрильну секцію з гострою задньою кромкою, виконану з можливістю повороту навколо горизонтальної осі, що збігається з центром тиску вітрила і проходить через площину симетрії щогли, а також елементи приводу. Щогла виконана у вигляді потовщеної передньої кромки крильового профілю, при цьому вітрило і щогла по всій довжині їх сполучення виконані з можливістю щільного нерухомого з'єднання при робочому положенні вітрила. UA 97692 U (12) UA 97692 U UA 97692 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до транспортних засобів, що використовують для руху енергії вітру. Вітрило як рушій, що використовує енергію вітру, відомий протягом тисячоліть, але його розвиток триває. У ряді випадків доцільна заміна традиційного м'якого вітрила на жорстке, причому найбільш ефективним є жорстке вітрило, яке представляє собою несиметричний авіаційний крильовий профіль. При використанні несиметричних крильових профілів як вітрила основною технічною проблемою є зміна кривизни сторін профілю, необхідна при кожній зміні галсу. Ця проблема настільки істотна, що до теперішнього часу саме вона стримує застосування таких вітрил в практичних цілях. Спроби використовувати симетричні авіаційні профілі (а. с. №1065297) виявилися невдалими, так як за коефіцієнтом підіймальної сили жорсткі вітрила з симетричним профілем поступаються навіть м'яким вітрилам. Вітрило-крило по а. с. №1024362 складний за конструкцією, а отриманий профіль зі змінною кривизною далекий від оптимального. Найбільш близькою по технічній суті до заявленого пристрою є вітросилова установка, що містить виконану з можливістю повороту щоглу, візки, що переміщаються уздовж неї, з установленими на них жорсткими поворотними вітрилами з несиметричним крильовим профілем з потовщеною передньою і гострою задньою кромками, при цьому кожне вітрило складається з двох секцій, виконаних з можливістю повороту на 180° навколо їх загальної горизонтальної осі, що проходить через площину симетрії щогли, бічні поверхні якої, що сполучаються з вітрильними секціями, паралельні один одному (а. с. СРСР №1382740, МКІ В63Η 9/00, від 1988р.). Дана вітросилова установка, вибрана як прототип, має комплексний недолік, що полягає в складності конструкції і недосконалості аеродинамічних властивостей вітрильної системи. При тій же сумарній висоті вітрильної системи наявність великої кількості вітрильних ярусів малої висоти призведе до ускладнення конструкції насамперед через зростання числа елементів приводу, а високі вітрильні секції, при меншому числі ярусів, зажадають від приводу більш високої кутової точності установки секцій вітрил в робоче положення для точного збігання вітрильної секції та щогли. Крім цього вітрове навантаження буде значно більше деформувати більш високі секції (приклад - виражена деформація крила літака при зльоті), причому передня і задня секції вітрила через різницю в пристрої (і, значить, в жорсткості) будуть деформуватися по-різному, додатково порушуючи аеродинаміку парусної системи під вітровим навантаженням. Іншим недоліком, що знижує аеродинамічні властивості даної вітросилової установки, є наявність технологічних проміжків, як горизонтальних, між ярусами вітрил, так і вертикальних, між щоглою і прилеглими до неї секціями кожного вітрила. Такі проміжки повинні неминуче знижувати підйомну силу вітрила із-за перетікання через них повітря із зони підвищеного тиску в розряджену зону. У відмінності від прототипу пропонований пристрій дозволяє отримати вітрило вибраної висоти у вигляді суцільного крильового профілю без аеродинамічних дефектів через неузгоджену деформацію частин вітрильної системи зі спрощеним управлінням при змінах галсу. В основу корисної моделі поставлено задачу спрощення конструкції вітросилової установки з одночасним підвищенням її аеродинамічних властивостей. Поставлена задача вирішується тим, що в вітросиловій установці, яка містить поворотну щоглу і жорстку профільовану вітрильну секцію з гострою задньою кромкою, виконану з можливістю повороту навколо горизонтальної осі, що збігається з центром тиску вітрила і проходить через площину симетрії щогли, а також елементи приводу повороту, щогла виконана у вигляді потовщеною передньою кромки крильового профілю, при цьому вітрильна секція і щогла виконані з можливістю нерухомого з'єднання між собою на всій довжині їх сполучення в робочому положенні вітрила. Поставлена задача вирішується також тим, що вітрильна секція виконана з можливістю лінійного переміщення вздовж осі свого обертання і обладнана приводом для такого переміщення. Докладені креслення зображують: Фіг. 1-4 - принципова схема зміни сторін кривизни крильового профілю, складеного з секції вітрила і щогли, з їх взаємною фіксацією в робочому стані (горизонтальні перерізи): Фіг. 1 - складений профіль в робочому положенні перед зміною галсу; Фіг. 2 - підготовка до повороту вітрила, секція вітрила відсунута від щогли; Фіг. 3 - вітрильна секція повернена на 180°; 1 UA 97692 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Фіг. 4 - складений профіль в робочому положенні, відповідному новому галсу. Фіг. 5 - схема управління вітрилом за допомогою пневматичного приводу. Фіг. 6 - розріз А-А Фіг. 5. Фіг. 7 - зовнішній вигляд вітрила з складовим крильовим профілем в робочому положенні. Фіг. 8-11 - пневматична схема приводу для повороту вітрила на 180° і на 90°. Приклад втілення вітросилової установки, що заявляється, містить такі основні позиції: 1 - секція вітрила з клиноподібним пазом; 2 - щогла з клиноподібним виступом на стороні, що звернена до вітрильної секції; 3 - пневмоциліндр для лінійного переміщення вітрильної секції; 4 - поршень; 5- вісь вітрила, виконана у вигляді вала з шліцьовою ділянкою під шестірню; 6 - шестірня приводу повороту вітрила; 7 пнемоциліндр для повороту вітрильної секції; 8 - поршень; 9 - шток; 10 - зубчаста рейка; 11 кронштейн для кріплення тандему пневмоциліндрів; індекси "а" і "б" на Фіг. 7-10 присвоєні однойменним позиціям в тандемі пневмоциліндрів. Вітросилова установка, що заявляється, працює таким чином. У робочому положенні при русі вітрильного транспортного засобу заданим галсом вітрильна секція 1 впритул наближена до щогли 2, утворюючи спільно з нею крильовий профіль без проміжку (Фіг. 1). Перед зміною галсу щоглу з вітрилом встановлюють у флюгерне положення (зменшуючи цим вітрове навантаження на вузли пристрою), потім відсувають вітрильну секцію 1 від щогли 2, забезпечуючи між ними проміжок d, завідомо достатній для вільного повороту вітрила при всіх можливих пружних деформаціях вузлів системи (Фіг. 2), після чого повертають вітрильну секцію 1 навколо її осі на 180°, забезпечуючи зміну кривизни сторін профілю (Фіг. 3), і знову з'єднують вітрильну секцію 1 з щоглою 2, відновлюючи суцільний крильовий профіль (Фіг. 4). Після цього поворотом щогли вітрило виводять з флюгерного положення і встановлюють у положення, що відповідає новому галсу. Для фіксованого з'єднання вітрила і щогли без наскрізного проміжку пропонується на зверненої до вітрила стороні щогли виконати клиноподібний (у перерізі) виступ, а на сполученої з щоглою стороні вітрила - відповідну клиноподібну западину до нього. Така форма цих поверхонь на всій довжині їх взаємного сполучення дозволить не тільки повністю усунути проміжки в з'єднанні за рахунок натягу по похилих площинах, а й забезпечить точне поєднання частин складеного вітрила: відкритий в основі паз на вітрилі "ловитиме" загострений виступ на щоглі при їх зближенні. При цьому виступ на щоглі додасть їй жорсткості. Для переміщення вітрила уздовж його осі, а також для повороту вітрила при зміні галсів необхідні приводні пристрої. Як виконавчі механізми таких приводів можуть бути використані будь-які відомі пристрої: електромеханічні (мотор-редуктори), гідравлічні (гідромотори або гідроциліндри) або пневматичні. Пневматичний привід на основі пневмоциліндрів відрізняється надійністю, компактністю і малою вагою, а також простотою, в тому числі в управлінні. Для управління пневмоциліндром достатньо подати в одну його порожнину стисле повітря (іншу його порожнину при цьому просто з'єднують з атмосферою), причому швидкість спрацьовування такого приводу буде залежати тільки від кількості стислого повітря, що подається в одиницю часу. Слід особливо відзначити безпеку пневмоприводу в умовах підвищеної вологості (на відміну від електроприводу) і його екологічність (на відміну від гідроприводу, в якому як робоча рідина використовуються технічні масла). Особливістю приводу на основі циліндрів з робочим тілом, що стискається, є нестійкість поршня в його проміжних положеннях, однак такий привід жорстко позиціонується в крайніх точках переміщення між механічними упорами, при цьому рухливі елементи приводу в кінці кожного ходу виявляються притиснутими до відповідного упору стислим повітрям із зусиллям, заданим площею поршня і величиною тиску в пневмосистемі. У запропонованій схемі управління вітрильною системою ця особливість пневмоприводу є перевагою, так як такий привід забезпечує переміщення між заданими позиціями, чітко визначеними положенням упорів, без додаткового контролю за завершенням кожної операції, а також забезпечує пружну фіксацію системи в цих крайніх точках без додаткових затрат енергії. Пропонований, як приклад, пневмопривід управління вітрилом діє таким чином (Фіг. 5-6). Перед зміною галсу вітрило переводять у флюгерне положення і з'єднують підпоршневу порожнину циліндра 3 з джерелом стислого повітря (ним може бути компресор в машинному відділенні або балон з стислим повітрям), а його надпоршневу (штокову) порожнину - з атмосферою (комунікації стислого повітря не показані), при цьому поршень 4 під впливом створеного перепаду тисків робить повний хід s, впливаючи на вал 5, який переміщається крізь шестерню 6 завдяки їх рухливому шліцьовому з'єднанню (не показане) і відсуває вітрильну секцію 1 від щогли 2 на відстань s з метою створення проміжку d (див. Фіг. 2), достатнього для 2 UA 97692 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вільного повороту вітрила. Потім стисле повітря подають у порожнину циліндра 7, поршень 8 якого також робить повний хід, переміщаючи при цьому за допомогою штока 9 зубчасту рейку 10 і провертаючи нею шестірню 6, насаджену на шліци вала 5, що забезпечує поворот вітрильної секції 1 на 180°. Поворот вітрила на заданий кут забезпечують конструктивно, шляхом узгодження робочого діаметра шестірні 6 на осі вітрила з довжиною переміщення зубчастої рейки 10 за один повний хід поршня 8 між упорами. Після перевороту вітрила тиск в порожнині циліндра зберігають і вітрило залишається зафіксованим в новому положенні. Для відновлення цільного крильового профілю стисле повітря подають у надпоршневу (штокову) порожнину пневмоциліндра 3, при цьому його поршень 4 разом з віссю 5 переміщається, притягаючи із заданим зусиллям вітрильну секцію 1 до щогли 2 і забезпечуючи пружний натяг в їх клиноподібному сполученні, що виключає наявність проміжку в з'єднанні. При цьому клиноподібна форма поверхонь вітрильної секції 1 і щогли 2, що сполучаються, забезпечує точне з'єднання навіть за наявності в них розбіжних пружних деформацій, які, проте, не можуть бути значними у флюгерному положенні вітрильної системи. Таким чином, управління описаними операціями зводиться до комутації робочих потоків стислого повітря, які здійснюються будь-якими відомими пристроями, причому як в режимі ручного управління кожною операцією, так і в автоматичному режимі, коли після команди оператора "зміна галсу" всі необхідні для цього кроки послідовно реалізуються відомими засобами пневмоавтоматики. Зовнішній вигляд вітрила в робочому положенні наведено на Фіг. 3, на якій показаний випадок з не повністю вбудованим в щоглу 2 горизонтальним пневмоциліндром 3, виступаючій частині якого надана обтічна форма. Наведена схема проста і ефективна, проте потребує доповнення, якщо технологія управління вітрилом передбачає також його установку ще і в горизонтальну площину (тобто вітрило необхідно повертати не тільки на 180°, але і на 90°). Для вирішення цієї задачі досить одиночний циліндр в системі приводу повороту вітрила замінити на рівний йому за сумарним ходом тандем з двох циліндрів з незалежним управлінням, спільний хід яких забезпечує поворот вітрила на 180°, отже, хід тільки одного циліндра забезпечить поворот вітрила на 90° (Фіг. 8-11) Зі схем на Фіг. 8 зрозуміло, що якщо тиск подати в однойменні порожнини обох пневмоциліндрів (Фіг. 8 і Фіг. 9), то вітрило обернеться на 180°, а якщо в різнойменні (в будь-якій комбінації) - то на 90°, так як хід рейки у другому випадку складе 50 % від її повного ходу (Фіг. 10 і Фіг. 11). Досягається це тим, що на кронштейні 11 нерухомо закріплений тільки один з циліндрів тандему (з індексом "б"), а другий (з індексом "а") - рухливий і переміщається штоком нерухомого циліндра. Пропоноване ефективне вітрило з простим керуванням може знайти застосування в водних транспортних засобах найширшого діапазону (від віндсерфінгу і яхт різного класу до вантажних судів), а також на льодових і колісних буєрах, при цьому на безмоторних вітрильних засобах стисле повітря для управління вітрилом можна резервувати в балонах високого тиску, а в процесі використання редукувати його до робочого тиску. Зміна вітрила в горизонтальну площину є способом зменшення вітрового навантаження, а також може бути затребуваний технологією укладання вітрила в неробочому стані. Окрім відомого способу збирання вітрил шляхом завалювання їх на палубу разом з щоглою, можливо більш раціональне розміщення вітрила на палубі, при якому вітрило попередньо переводиться в горизонтальну площину, а потім опускається разом з щоглою (нижня половина якої при цьому йде у трюмний колодязь) і укладається на палубу впоперек або по діагоналі, наприклад, між люками на вантажних суднах. Джерела інформації: 1. A.c. CCCP№ 1065297 2. А.с. СССР№ 1024362 3. А.с. СССР №1382740 МКІ В63Η 9/00 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 1. Вітросилова установка, що містить поворотну щоглу і жорстку несиметрично профільовану вітрильну секцію з гострою задньою кромкою, виконану з можливістю повороту навколо горизонтальної осі, що збігається з центром тиску вітрила і проходить через площину симетрії щогли, а також елементи приводу, яка відрізняється тим, що щогла виконана у вигляді потовщеної передньої кромки крильового профілю, при цьому вітрило і щогла по всій довжині їх 3 UA 97692 U 5 сполучення виконані з можливістю щільного нерухомого з'єднання при робочому положенні вітрила. 2. Вітросилова установка за п. 1, яка відрізняється тим, що вітрило виконане з можливістю лінійного переміщення уздовж осі його обертання і обладнане приводом для такого переміщення. 4 UA 97692 U 5 UA 97692 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 6