Ветроводоподъемная установка

(51) 03 1/00 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Ветроводоподъемная установка содержит многолопастное ветроколесо с серповидными лопастями, преобразующее устройство снабжено шарнирным двухзвенным механизмом, состоящим из штанги и тяги, и вертлюгом, соединяющие коромысло с толкателем, а кривошип соединен с коромыслом посредством шатуна со сферическими шарнирами на концах. Лопасти ветроколеса установлены жестко на внутренних и наружном ободах, которые закреплены к коротким и длинным спицам, установленным на ступице ветроколеса. Поверхность серповидных лопастей образована из частей поверхностей двух цилиндров разного диаметра, имеющего скрутку по длине. В продольном сечении они имеют форму трапеции,расширяющихся от центра ветроколеса к его вершине. Длинные спицы устанавливаются через каждые три или четыре коротких спицы.(72) Абдикаиров Абдигали Сарбасов Дастан Джурмаханбетович Нурпеисова Гулнара Байболовна Нурлыбаев Куат Копжасарович Утешев Валерий Леонидович Сопов Юрий Васильевич(73) Товарищество с ограниченной ответственностью Казахский научноисследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства(56) Инновационный патент РК 21342, 03 1/00, 15.06.2009(57) Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроводоподъемных установках. Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроводоподъемных установках. Известна ветроэнергетическая установка (патент 2008091162 А 1, кл. 03 1/00, от 31.07.2008) с многолопастной турбиной, содержащая лопасти,связанные диаметрально попарно эластичными соединениями. Имеется также эластичный механизм обратного хода, инициирующий и поддерживающий вращение турбины. Механизм использования энергии в виде троса, связывает передние кромки каждой пары диаметрально противоположных лопастей, ввинченных в обод колеса со спицами. Турбина имеет шестнадцать аэродинамических профилированных лопастей,имеющих изменяющийся вогнутый профиль. Недостатками установки являются сложность и недостаточная жесткость конструкции турбины и,как следствие, ненадежность работы установки при достаточно сильных ветрах. Известна ветроэнергетическая установка (патент 2007003672 А 2, кл. 03 11/04, от 11.01.2007) для перекачки воды и выработки электроэнергии, содержащая ветровую турбину,имеющую ряд лопастей, установленных между двумя опорными элементами в форме концентричных колец. Турбина прикреплена к валу ротора с применением крепежных элементов,имеющих низкий коэффициент аэродинамического сопротивления. Лопасти имеют форму крыла. Между концами лопасти, в плоскости вращения,образован угол закрутки. Лопасти расположены в наружной трети ротора, и выполнены из материала с малой удельной массой. Недостатками установки являются отсутствие буревой защиты и регулирования угла заклинения(атаки) лопастей, а следовательно низкая надежность работы установки. Известна портативная ветроэнергетическая установка (патент 7218013 В 2, кл.03 11/04,от 15.05.2007) содержащая мачту,поддерживающую ветровую турбину с возможностью подъема, опускания и ее демонтажа ветровую турбину с лонжеронами и, по меньшей мере, с шестью лопастями с профилированными кулачками, обеспечивающими вращение лопастей относительно лонжеронов при перемещении лопастей к концу лонжеронов. Недостатками установки являются сложность и громоздкость (металлоемкость) конструкции мачты. Известна многолопастная ветроэнергетическая установка (патент 2005015010 А 1, кл. 03 1/06, от 17.02.2005), содержащая рабочее колесо ветровой турбины, имеющее наружное и внутреннее цилиндрические кольца, между которыми проходят профилированные рабочие лопасти турбины,занимая 3/5 пространства между наружным и внутренним кольцом. Лопасти имеют профиль в форме дуги, и трапецеидальную форму. Ширина лопасти вблизи наружного кольца больше ширины в зоне внутреннего кольца. Недостатками установки является недостаточная надежность работы установки, обусловленное недостаточной жесткостью плоских дугообразных лопастей ветроколеса. Наиболее близкой по конструкции к предлагаемой ветроводоподъемной установке является ветроустановка для подъема воды с защитой от ураганных ветров (инновационный патент РК 21342, кл. 03 1/00, от 16.06.2008),содержащая многолопастное ветроколесо с плоскими лопастями, установленное с наветренной стороны на валу устройства, преобразующего вращательное движение ветроколеса в возвратнопоступальное движение толкателя, а с подветренной стороны вала установлен кривошип, соединенный через шатун с коромыслом, на другом конце которого(коромысла) закреплен шарнирно толкатель, соединенный через шток с поршневым насосом. Преобразующее устройство установлено в общую станину, которая посредством кронштейна закреплена на поворотной головке с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси. Недостатком ветроустановки является недостаточная надежность и эффективность работы установки, вследствие ненадежной конструкции ветроколеса и устройства,преобразующего вращательное движение ветроколеса в возвратнопоступальное движение толкателя. Обусловлено это тем, что при работе установки, т.е. при вращении вала с кривошипом, происходит изменение угла между кривошипом и шатуном, а также между шатуном и коромыслом устройства,преобразующего вращательное движение ветроколеса в возвратно-поступальное движение толкателя. При этом угол между кривошипом и шатуном - уменьшается при движении кривошипа из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку, а между шатуном и коромыслом наоборот угол соответственно увеличивается. Вследствие того, что цилиндрические шарниры, используемые в конструкции этих узлов, при работе не допускают существенного отклонения шатуна в плоскости перпендикулярной оси вращения кривошипа и колебания коромысла, в этих узлах возникают большие изгибающие усилия, которые приводят к поломке шатуна и кривошипа или шатуна и коромысла. Наряду с этим из-за того, что толкатель непосредственно соединен с коромыслом, при работе установки колебательные движения коромысла приводят к отклонению толкателя в ту и иную сторону от вертикальной оси, что является причиной возникновения дополнительных знакопеременных изгибающих моментов на толкатель, и как следствие этого - поломки толкателя или коромысла. А плоские лопасти ветроколеса не обладают достаточной жесткостью и при сильных ветрах, изгибаясь, часто выходят из строя. Задача изобретения создание ветроводоподъемной установки надежно и эффективно работающей как при расчетных скоростях ветра (нормальный режим), так и при сильных (выше расчетной скорости) ветрах, т.е. в положении буревой защиты. Технический результат,получаемый изобретением,заключается в снижении изгибающих и динамических нагрузок на узлы и детали преобразующего устройства в повышении надежности работы преобразующего устройства и ветроколеса в обеспечении подъема воды и в повышении надежности и эффективности работы ветроводоподъемной установки как при расчетных скоростях ветра, так и при сильных ветрах в положении буревой защиты, а также срока ее службы. Задача изобретения решается следующим образом ветроводоподъемная установка снабжается многолопастным тихоходным ветроколесом с серповидными лопастями,а устройство,преобразующее вращательное движение ветроколеса в возвратно-поступальное движение толкателя, наряду с валом, кривошипом, шатуном и коромыслом снабжается двухзвенным шарнирным механизмом и вертлюгом посредством которых осуществляется соединение коромысла с толкателем, а кривошип и коромысло соединяются между собой посредством шатуна со сферическими шарнирами на концах. Такая конструкция преобразующего устройства позволяет существенно снизить величину изгибающих моментов действующих на шатун и толкатель. Применение серповидных лопастей повышает надежность конструкции и эффективность работы ветроколеса. В совокупности все это позволяет повысить(обеспечить) надежность и эффективность работы ветроводоподъемной установки. Технически это осуществлено следующим образом. Ветроустановка содержит многолопастное ветроколесо с серповидными лопастями,закрепленными на ободах и установленное с наветренной стороны на валу устройства,преобразующего вращательное движение ветроколеса в возвратно-поступальное движение толкателя. Толкатель соединен с одним концом коромысла преобразующего устройства через двухзвенный шарнирный механизм и вертлюгу. А другой конец коромысла соединен с кривошипом посредством шатуна со сферическими шарнирами на концах. Толкатель через шток соединен с поршневым насосом. На фигуре 1 - изображена ветроводоподъемная установка (вид сбоку) на фигуре 2 - многолопастное ветроколесо с серповидными лопастями на фиг. 3- вид А - узел крепления лопасти к внутренним ободам на фиг. 4 - кинематическая схема устройства,преобразующего вращательное движение ветроколеса в возвратно-поступальное движение толкателя в положении нормальный режим в момент нахождения кривошипа в нижней мертвой точке на фиг. 5 - то же, в момент нахождения кривошипа в верхней мертвой точке на фиг. 6 - кинематическая схема устройства,преобразующего вращательное движение ветроколеса в возвратно-поступальное движение толкателя в положении буревая защита в момент нахождения кривошипа в нижней мертвой точке на фигуре 7 - то же, в момент нахождения кривошипа в верхней мертвой точке. Ветроводоподъемная установка (фиг. 1 - фиг. 7) состоит из мачты 1, поворотной головки 2,ветроколеса 3, флюгирующего устройства 4,буревой защиты и поршневого насоса 5,устанавливаемого в колодце или скважине 6. Ветроколесо 3 состоит из ступицы 7,серповидных лопастей 8, ободов - внутренних 9 и 10 и наружного 11, длинных 13 и коротких 14 спиц. Поверхность серповидной лопасти образована из частей поверхностей двух цилиндров разного диаметра и имеющего скрутку по длине. В продольном сечении лопасть имеет форму трапеции расширяющего от центра ветроколеса. На махи 12 лопасти жестко закреплены фланцы 15 при помощи которых лопасть закрепляется неподвижно к внутреннему ободу 10 болтовыми соединениями 16 с определенным углом заклинения (атаки). Конец маха 12 центрируется на втулке 17 при помощи конического соединения 18 и 19. Наружный обод 11 крепится к длинным спицам 13, а внутренние обода 9 и 10 крепятся как к коротким 14, так и к длинным спицам 13. При этом длинные спицы устанавливаются через каждые три или четыре короткие спицы. Наружный обод может иметь аэродинамическую форму или может быть выполнен круглой формы. Буревая защита состоит из ветряной лопаты 20 и уравновешивающего механизма, состоящего из блоков 21, троса 22, груза 23 и демпфера 24. Поворотная головка 2 установлена в верхней части мачты 1 на вертикальную ось с возможностью вращения вокруг нее. Сверху к поворотной головке жестко прикреплен кронштейн 25. К кронштейну с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси установлен корпус 26 преобразующего устройства. В корпусе установлены вал 27, на одном конце которого с наветренной стороны установлено ветроколесо 3, а в противоположном конце - кривошип 28 коромысло 29, один конец которого соединен с кривошипом посредством шатуна 30 со сферическими шарнирами на концах, а на другой конец коромысла соединен посредством двухзвенного шарнирного механизма, состоящего из штанги 31 и тяги 32, а также через вертлюги 33 с толкателем 34,закрепленный к штоку (на чертеже не показано) поршневого насоса 5. К поворотной головке 2 перпендикулярно к плоскости вращения ветроколеса в рабочем положении крепится флюгирующее устройство 4 для установки ветроколеса на ветер. К ветряной лопате 20 закреплен конец троса 22 уравновешивающего механизма. К другому концу троса 22,перекинутому через блоки 21, которые закреплены на флюгирующем устройстве 4, подвешен груз 23. Демпфер 24 установлен на кронштейне 25 с наветренной его стороны. При наличии ветра воздушный поток одновременно воздействует на ветроколесо 3 и ветряную лопату 20. Вращаясь, ветроколесо 3, через вал 27, кривошип 28, шатун 30 приводит в 3 колебательное движение коромысло 29. В свою очередь, коромысло, через двухзвенный механизм,состоящего из штаги 31 и тяги 32, вертлюгу 33 и толкатель 34 приводит в возвратно-поступательное движение шток поршневого насоса 5, который производит подъем воды из колодца (скважины) 6 по водоподъемному трубопроводу в емкость 35. Оттуда вода по желобу 36 подается на поение животных или на другие цели. Вода также,непосредственно из емкости, по трубопроводам может подаваться в жилые или производственные помещения (на чертеже не показаны). В диапазоне рабочих скоростей ветра, давление, создаваемое на ветряную лопату 20, уравновешивается моментом,создаваемым силой тяжести ветроколеса 3. При скорости ветра, превышающей рабочую скорость,давление, создаваемое на ветряную лопату 20,увеличивается, и оно преодолевает момент сопротивления, создаваемое ветроколесом 3. Ветроколесо 3 начинает отклоняться из фронтальной плоскости в горизонтальную плоскость. При этом вместе с ветроколесом отклоняется и корпус 26 преобразующего устройства. Так как корпус преобразующего устройства представляет собой жесткую конструкцию, то даже при отклонении корпуса точки крепления вала 27 и коромысла 29 к корпусу 26 и их взаиморасположение в пространстве не изменятся. Следовательно,преобразующее устройство будет работать как, и в первоначальном положении ветроколеса. Применение двухзвенного механизма, состоящего из штанги 31 и тяги 32,позволяет удерживать толкатель 34 вертикально на линии оси штока поршневого насоса, тем самым,уменьшая (или даже исключая) вероятность действия изгибающих усилий на толкатель. Использование шатуна со сферическими шарнирами в узлах соединения его с кривошипом и коромыслом существенно снижают величину изгибающих усилий в этих узлах. Поэтому, даже и в отклоненном на достаточно большой угол ветроколесе,ветроустановка будет производить подъем воды из колодца (скважины), что невозможно в известных ветроводоподъемных установках. Наряду с этим,при отклоненном положении ветроколеса уменьшаются динамические нагрузки воздушного потока на ветроустановку, а ее устойчивость против опрокидывания увеличивается. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ветроводоподъемная установка, состоящая из мачты, ветроколеса, преобразующего устройства,установленного на общую станину, буревой защиты отличающаяся тем, что содержит многолопастное ветроколесо с серповидными лопастями,преобразующее устройство снабжено шарнирным двухзвенным механизмом, состоящим из штанги и тяги, и вертлюгом, соединяющие коромысло с толкателем, а кривошип соединен с коромыслом посредством шатуна со сферическими шарнирами на концах. 2. Ветроводоподъемная установка по п.1 отличающаяся тем, что лопасти ветроколеса установлены жестко на внутреннем и наружном ободах. 3. Ветроводоподъемная установка по п.1 отличающаяся тем, что ободы ветроколеса закреплены жестко к коротким и длинным спицам,установленным на ступице ветроколеса. 4. Ветроводоподъемная установка по п.1 отличающаяся тем,что поверхность серповидных лопастей образована из частей поверхностей двух цилиндров разного диаметра,имеющего скрутку по длине. 5. Ветроводоподъемная установка по п.1 отличающаяся тем, что серповидные лопасти в продольном сечении имеют форму трапеции,расширяющихся от центра ветроколеса к его вершине. 6. Ветроводоподъемная установка по п. 3 отличающаяся тем,что длинные спицы устанавливаются через каждые три или четыре коротких спицы.