ПРИБОЙНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1994 года по МПК F03B13/12 F03B13/18 

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к использованию энергии прибойного потока, возникающего на берегах морей, океанов и других крупных водоемов естественного или искусственного происхождения.

Известны гидроэлектростанции, использующие энергию прибойного потока. Прибойные гидроэлектростанции имеют установленную в зоне действия прибойного потока поворотную вокруг горизонтальной оси платформу со сдвижными щитами и расположенное вне этой зоны здание, в котором установлены вертикальные воздушные цилиндры с поршнями, соединенные через коллектор с воздушной турбиной и электрогенератором. Подвижный конец платформы и выходящие вверх штоки поршней соединены между собой несколькими тросами (по числу цилиндров), перекинутыми через блоки, имеющиеся на концах горизонтальных траверс и на вертикальных стойках, к которым ниже неподвижно крепятся траверсы в средней своей части. Стойки, в свою очередь, укреплены в верхней части ближайшей к морю стены здания. В исходном положении платформа под действием веса поршней повернута на некоторый угол вокруг горизонтальной оси против часовой стрелки относительно спокойной поверхности моря. При рабочем ходе под тяжестью накатившегося на нее прямого прибойного потока (наката), платформа поворачивается по часовой стрелке, а поршни в цилиндрах поднимаются, сжимая находящийся в них воздух, который поступает в турбину, вызывая ее вращение.

Ввиду колебаний силы прибойного потока здание с воздушными цилиндрами, турбиной и электрогенератором должно располагаться на значительном расстоянии от уреза воды при спокойном состоянии моря. Использование весьма длинных горизонтальных траверс для соединения тросами поворотной платформы и воздушных цилиндров, а также возможность обрыва и заклинивания тросов ведет к снижению надежности работы прибойной гидроэлектростанции. Указанный недостаток устранен в прибойных гидроэлектростанциях с турбинами, работающими непосредственно на морской воде, поступающей под давлением из поршневых насосов, приводимых в действие прибойным потоком. Известная прибойная гидроэлектростанция содержит качающуюся вокруг горизонтальной оси частично погруженную в воду лопасть и расположенные над уровнем воды поршневой насос, гидротурбину и электрогенератор. Лопасть кинематически связана с поршнем насоса с помощью вала, закрепленного на нем рычага и кривошипа. Насос соединен с морем и гидротурбиной. Под действием прямого прибойного потока (наката) лопасть отклоняется и через вал, рычаг и кривошип приводит в действие насос. Под действием обратного прибойного потока (отката) лопасть отклоняется в обратном направлении. Сложность кинематической связи между качающейся лопастью и поршневым насосом.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности прибойной гидроэлектростанции.

Указанная цель достигается тем, что в прибойной гидроэлектростанции, содержащей лопасть, качающуюся вокруг горизонтальной оси, поршневой насос и гидротурбину с электрогенератором лопасть и поршневой насос расположены под уровнем поверхности воды и выполнены качающимися вокруг вертикальных осей.

Рабочая поверхность лопасти может быть выполнена переменной с помощью силового гидроцилиндра.

Расположение лопасти и поршневого насоса под уровнем поверхности воды и выполнение их качающимися вокруг вертикальных осей позволит упростить кинематическую связь между лопастью и поршневым насосом.

Выполнение рабочей поверхности лопасти переменной с помощью силового гидроцилиндра обеспечивает стабилизацию нагрузки прибойной гидроэлектростанции при изменении силы прибоя.

На фиг. 1 изображен общий вид прибойной гидроэлектростанции в исходном положении, план; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - общий вид поршневого насоса, разрез.

Прибойная гидроэлектростанция состоит из двух укрепленных в зоне прибоя на некотором расстоянии друг от друга вертикальных опор 1, 2, к одной из которых ниже уровня поверхности воды шарнирно крепится качающаяся лопасть 3, а к другой - качающийся поршневой насос 4, шток которого в свою очередь шарнирно соединен с лопастью. Выше уровня поверхности воды на вертикальных опорах 1, 2 крепится площадка, на которой установлены гидротурбина 5, соединенная с помощью компенсатора 6 с поршневым насосом 4, и связанный с ней электрогенератор 7. Направление створа, в котором находятся обе опоры, перпендикулярно направлению прямого и обратного прибойных потоков (наката и отката), преобладающему в месте установки гидроэлектростанции. Вертикальные опоры 1, 2 предназначены для шарнирного крепления под водой качающихся лопасти 3 и поршневого насоса 4, а также крепления над водой рабочей площадки для установки гидротурбины 5 и электрогенератора 7 и представляют собой сваи произвольного поперечного сечения, например круглого.

Опора 1 для крепления лопасти имеет на поверхности по высоте две пары горизонтальных кронштейнов с соосно расположенными на одной вертикальной оси отверстиями для шарнирного соединения с соответствующими кронштейнами качающейся лопасти 3, а опора 2 для крепления поршневого насоса 4 - одну пару горизонтальных кронштейнов.

Качающаяся лопасть состоит из вертикально расположенных неподвижной и подвижной относительно друг друга пластин жесткой конструкции и силового гидроцилиндра 8 и предназначена для восприятия давления прямого и обратного прибойных потоков и передачи его поршневому насосу 4.

Неподвижная пластина произвольной, например прямоугольной формы, в плане с одной стороны имеет по высоте два горизонтальных кронштейна с соосно расположенными отверстиями для шарнирного соединения с опорой 1, а со стороны насоса сверху и снизу по всей длине - два Г-образных выступа.

Выступы служат направляющими при продольном перемещении подвижной пластины вдоль поверхности неподвижной и одновременно являются фиксаторами от ее перемещения в поперечном направлении под действием силы тяжести, благодаря чему обе пластины под давлением прибойных потоков работают, как единое целое.

Подвижная пластина с одной стороны имеет расположенный посредине по высоте горизонтальный кронштейн с отверстием для шарнирного соединения со штоком поршневого насоса 4.

Силовой гидроцилиндр 8 предназначен для изменения рабочей поверхности качающейся лопасти 3 путем продольного перемещения подвижной пластины и расположен на неподвижной пластине со стороны, противоположной поршневому насосу 4. При этом корпус силового гидроцилиндра крепится к неподвижной пластине лопасти, а конец штока с поршнем - к подвижной.

Поршневой насос 4 состоит из цилиндра 9 с крышкой 10, поршня 11 со штоком 12, корпусов 13, 14 клапанных коробок с крышками 15, 16, трубопроводов 17, 18, тарельчатых всасывающих клапанов 19, 20 и нагнетательных клапанов 21, 22, пружин 23, 24, скобы 25 и напорного коллектора 26.

В горизонтально расположенном цилиндре 9 передний торец открыт и снабжен фланцем для крепления крышки 10, а на боковой поверхности со стороны вертикальной опоры 2 имеется кронштейн с отверстием для шарнирного крепления к опоре.

На боковой поверхности цилиндра со стороны диаметрально противоположной кронштейну выполнены два окна для соединения его внутренней полости с корпусами 13, 14 клапанных коробок.

Для монтажа поршня 11 со штоком 12 на цилиндре имеется фланцевая крышка 10. Пропуск штока в цилиндр 9 осуществляется через отверстие с сальником, расположенное в центре крышки.

Цилиндр для попеременного соединения с морем и отвода воды под давлением в напорный коллектор 26 снабжен двумя клапанными коробками, расположенными в зоне окон.

Корпуса 13, 14 клапанных коробок выполнены в виде горизонтально расположенных прямоугольных призм, которые со стороны окон имеют дно, а с противоположной стороны открыты и разделены на две равные части вертикальными перегородками. Открытые и закрытые торцы корпусов снабжены фланцами для крепления крышек 15, 16 и присоединения к цилиндру 9.

Для монтажа всасывающих клапанов 19, 20, нагнетательных клапанов 21, 22 и пружин 23, 24 в корпусах 13, 14 имеются фланцевые крышки 15, 16.

Все фланцевые соединения по периметру примыкания и вертикальные перегородки со стороны крышек уплотнены эластичными прокладками. В передних боковых стенках корпусов 13, 14 правее вертикальных перегородок имеются по одному отверстию для соединения клапанных коробок с морем, а в дне - с внутренней полостью цилиндра. Аналогичные отверстия в боковых стенках и дне имеются левее вертикальных перегородок и служат соответственно для соединения клапанных коробок с помощью трубопроводов 17, 18 с напорным коллектором 26 и отвода воды под давлением из внутренней полости цилиндра 9. Отверстия в дне корпусов клапанных коробок закрыты тарельчатыми всасывающими клапанами 19, 20 и нагнетательными клапанами 21, 22.

Прижатие всасывающих клапанов к входным отверстиям производится с помощью пружин 23, закрепленных одним концом с помощью шайб и шплинтов на стержнях клапанов 19, 20, а другим - упирающимся в дно корпусом 13, 14.

Прижатие нагнетательных клапанов к входным отверстиям осуществляется с помощью пружин 24, упирающихся одним концом в тарелки клапанов 21, 22, а другим - в крышки 15, 16 клапанных коробок.

Внутри цилиндра 9 находится поршень 11, который неподвижно закреплен посредине левой утолщенной части штока 12 и может перемещаться возвратно-поступательно под действием качающейся лопасти 3. Утолщенные части штока по обе стороны поршня являются упорами, ограничивающими перемещение поршня 11 в зоне окон.

На конце правой части штока 12 имеется резьба для крепления и фиксации скобы 25 с двумя соосно расположенными отверстиями. Скоба служит для шарнирного соединения штока с горизонтальным кронштейном подвижной пластины качающейся лопасти 3.

Снаружи цилиндра 9 на боковой поверхности под углом 90^о к плоскости кронштейна со стороны поверхности воды имеется напорный коллектор 26, который с помощью компенсатора 6 соединяется с гидротурбиной 5, установленной на рабочей площадке.

Напорный коллектор предназначен для сбора воды под давлением, поступающей из внутренней полости цилиндра по трубопроводам 17, 18, и представляет собой закрытую с обоих торцов трубу с отводящим патрубком, расположенном в зоне кронштейна с целью минимизации углов поворота в шарнирах компенсатора при качании цилиндра вокруг вертикальной опоры 2.

Компенсатор представляет собой четырехшарнирный трубопровод с двумя конечными и двумя промежуточными шарнирами.

Трубы компенсаторов расположены под определенными углами β и γ, в вершинах которых находятся промежуточные шарниры, благодаря чему они могут поворачиваться вокруг шарниров, изменяя углы и одновременно - расстояния между концевыми шарнирами.

Компенсаторы служат для шарнирного соединения напорного коллектора 26 поршневого насоса 4 с гидротурбиной 5 с учетом изменения расстояния между ними на величину дуги, описываемой патрубком напорного коллектора во время работы прибойной гидроэлектростанции.

Гидротурбина 5 соединена с электрогенератором 7, который предназначен для получения электроэнергии.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

В исходном положении подвижная пластина качающейся лопасти 3 частично выдвинута из неподвижной пластины на величину, равную половине хода поршня силового гидроцилиндра; лопасть повернута на некоторый угол, например α/2, в сторону набегающего прямого прибойного потока (наката); шток 12 поршневого насоса 4 полностью выдвинут из цилиндра 9, а поршень 11 находится в крайнем правом положении; насос, компенсатор 6 и гидротурбина 5 заполнены водой.

При взаимодействии качающейся лопасти с движущейся массой воды кинематическая энергия прибоя преобразуется в давление, которое поворачивает лопасть вокруг ее вертикальной оси по часовой стрелке, а последняя через шток перемещает поршень насоса влево до упора и одновременно поворачивает насос вокруг его вертикальной оси по часовой стрелке со сдвигом по фазе (угол поворота насоса в каждый данный момент меньше угла поворота лопасти). При этом по мере повышения давления в нижней части цилиндра 9 сжимается пружина 24 нагнетательного клапана 22, клапан открывается и вода под давлением через корпус 14 клапанной коробки, трубопровод 18, напорный коллектор 26 и компенсатор 6 поступает в гидротурбину 5, вызывая вращение гидротурбины и связанного с ней электрогенератора 7. Одновременно в верхней части цилиндра под действием разряжения сжимается пружина 23 всасывающего клапана 19, клапан открывается и вода из моря через входное отверстие в боковой стенке корпуса 13 клапанной коробки поступает в цилиндр 9.

После прохождения прямого прибойного потока качающаяся лопасть 3 оказывается повернутой на некоторый угол, например α/2, в сторону набегающего обратного прибойного потока (отката), т. е. полный угол поворота лопасти составляет α, шток 12 поршневого насоса 4 полностью втянут внутрь цилиндра 9, а поршень 11 находится в крайнем левом положении.

При взаимодействии качающейся лопасти с движущейся массой воды кинетическая энергия прибоя преобразуется в давление, которое поворачивает лопасть вокруг ее вертикальной оси против часовой стрелки, а последняя через шток перемещает поршень насоса вправо до упора и одновременно поворачивает насос вокруг его вертикальной оси против часовой стрелки со сдвигом по фазе (угол поворота насоса в каждый данный момент меньше угла поворота лопасти).

При этом по мере повышения давления в верхней части цилиндра 9 сжимается пружина 24 нагнетательного клапана 21, клапан открывается и вода под давлением через корпус 13 клапанной коробки, трубопровод 17, напорный коллектор 26 и компенсатор 6 поступает в гидротурбину 5, вызывая вращение гидротурбины и связанного с ней электрогенератора 7. Одновременно в нижней части цилиндра под действием разряжения сжимается пружина 23 всасывающего клапана 20, клапан открывается и вода из моря через входное отверстие в боковой стенке корпуса 14 клапанной коробки поступает в цилиндр 9.

Далее вышеописанный цикл повторяется непрерывно, а лопасть 3 и поршневой насос качаются каждый вокруг своей вертикальной оси.

При увеличении силы прибоя выше расчетной подвижная пластина качающейся лопасти 3 начинает перемещаться внутрь неподвижной пластины с помощью силового гидроцилиндра, рабочая поверхность лопасти уменьшается и наоборот.

В обоих случаях нагрузка прибойной гидроэлектростанции стабилизируется.

Расположение лопасти и поршневого насоса под уровнем поверхности воды и выполнение их качающимися вокруг вертикальных осей позволяют упростить конструкцию и повысить надежность.

Выполнение рабочей поверхности качающейся лопасти переменной с помощью силового гидроцилиндра стабилизирует нагрузку прибойной гидроэлектростанции.

(56) Авторское свидетельство СССР N 1192463, кл. F 03 B 13/12, 1987.

Использование: в гидроэнергетике, а именно в гидроэлектростанциях, преобразующих энергию прибойных волн. Сущность изобретения: на вертикальных сваях 1, 2 под уровнем поверхности воды установлены лопасть 3 и поршневой насос 4, выполненные качающимися вокруг вертикальных осей путем шарнирного соединения штока насоса 4 с лопастью 3. Поршневой насос 4 с помощью компенсатора 6 соединен с гидротурбиной 5, установленной на площадке над уровнем поверхности воды. Рабочая поверхность лопасти 3 выполнена переменной с помощью силового гидроцилиндра. При изменении силы прибоя подвижная плита лопасти 3 перемещается вдоль неподвижной плиты по направляющим при помощи силового гидроцилиндра, увеличивая или уменьшая рабочую поверхность лопасти 3, что позволяет стабилизировать нагрузку прибойной гидроэлектростанции. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ПРИБОЙНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, содержащая волноприемную лопасть, установленную с возможностью качания относительно оси, поршневой насос и гидротурбину с электрогенератором, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения надежности в работе гидроэлектростанции, лопасть и поршневой насос расположены под уровнем воды и установлены с возможностью качания вокруг вертикальных осей. 2. Гидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью стабилизации нагрузки при изменении силы прибоя, рабочая поверхность лопасти выполнена переменной с помощью силового гидроцилиндра.