ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1994 года по МПК F03B13/10 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано преимущественно в передвижных микроэлектростанциях.

Известно устройство [1] - плавучие гидроэлектростанции, где водяной двигатель подвешивается к понтонам, плавающим на воде таким образом, что пропеллерное колесо гидродвигателя опускается в текущую воду реки, и протекающая вода, вращая колесо двигателя, позволяет получать некоторое количество энергии.

К недостаткам устройства [1] относятся следующие:
установка плавучих гидроэлектростанций возможна только на глубоких реках глубиной 2-3 м;
сложность передачи момента от вала колеса устройства к валу машине-орудию с большим передаточным числом;
сложность монтажа понтонов для удержания устройства в русле реки, которые должны удерживать устройство на плаву и одновременно противостоять силам опрокидывающего момента и силам горизонтального смещения устройства, образованным скоростным напором воды.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является гидроэлектростанция [2] , содержащая несущую раму, погруженную под уровень воды, установленный на ней горизонтальный ряд реактивных гидротурбин, размещенных в отдельных корпусах и соединенных при помощи конических зубчатых передач с выходным валом при помощи муфт свободного хода, где упомянутые валы выполнены за одно целое с образованием общего вала отбора мощности, связанного с электрогенератором, а корпуса выполнены сетчатыми.

Однако к недостаткам устройства [2] относятся следующие.

Конструкция устройства [2] требует применения плавучих понтонов как элементов, удерживающих устройство в русле реки, громоздкость которых возрастает с увеличением мощности устройства, когда необходимо применять достаточно мощные крепежные устройства, удерживающие понтоны от опрокидывающего момента, образованного давлением воды на передние стенки рамы и на ее площадь между реактивными турбинами, которые расположены вертикально к направлению движения водостока;
применять достаточно мощные устройства, удерживающие понтоны от сил горизонтального их смещения, образованных давлением воды на названную вертикальную стенку рамы.

При установке устройства [2] на дне реки оно требует применения достаточно мощных растяжек или якорей, призванных удерживать устройство на дне реки, громоздкость или масса которых возрастает с увеличением мощности и габаритов устройства, так как они должны удерживать устройство одновременно от сил опрокидывающего момента и от сил его горизонтального смещения по дну реки, образованных давлением воды на переднюю стенку рамы, расположенную к водотоку перпендикулярно.

При варианте установки устройства на дне реки оно не защищено от засорения песком и мелким гравием передней стенки, рамы и гидротурбины, так как песок и гравий не промываются водотоком под нижней стенкой рамы, чем снижается надежность работы устройства или происходит полный отказ его в работе.

При любом расположении устройства в русле реки оно сильно подвержено силам опрокидывающего момента и силам его горизонтального смещения, образованным скоростным напором воды, так как геометрия расположения элементов его конструкции друг к другу никак не формирует водоток и не использует его энергию для удержания устройства в русле реки.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности в работе устройства.

Это достигается тем, что оно снабжено наклонной к водотоку передней стенкой рамы под встречным углом к направлению его движения, к которой жестко прикреплена пластина большей площади названной стенки, а к боковым поверхностям рамы жестко прикреплены одними концами стойки, другие концы которых жестко прикреплены к горизонтальному поддону, расположенному под рамой, причем между нижней кромкой пластины и поддоном образован просвет прямоугольной формы для выхода части воды под пластиной устройства.

Существенными отличительными признаками предлагаемого устройства являются следующие.

Передняя стенка рамы наклонена под встречным углом к водотоку (в пределах 70^о к дну реки).

К передней стенке рамы жестко прикреплена пластина, имеющая большую площадь встречи с водотоком, чем площадь передней стенки рамы.

Поддон горизонтально расположен под нижней кромкой пластины и на некотором расстоянии от названной кромки, чем образован просвет для выхода части воды из устройства в заторможенный слой воды за устройством.

Геометрическое расположение элементов конструкции устройства, образующих односторонний прямоугольный конус, широкой частью направленный навстречу движению водотока, а узкой частью (просветом - соплом) в сторону движения водотока, что выполнено наклоном пластины (под встречным углом к направлению движения водотока) и горизонтальным расположением поддона, расположенного под рамой и пластиной, где между нижней кромкой пластины и поддоном имеется просвет (сопло конуса прямоугольного сечения), и в названном конусе сформирована часть водотока в прямоугольную струю, а энергия этого водотока (силы реакции этой струи) используется против сил смещения устройства, образованных напором воды.

На фиг.1-3 показана гидроэлектростанция.

Устройство содержит раму 1, гидротурбины 2, корпус 3 гидротурбины, конические зубчатые передачи 4, электрогенератор 5, муфты 6 свободного хода, выходной вал 7, тканевые оболочки 8, тканевы входные направляющие элементы 9, наклонную переднюю стенку 10 рамы, пластину 11, стойки 12, горизонтальный поддон 13.

Связь между элементами конструкции осуществляется следующим образом.

На несущей раме 1 жестко закреплен ряд реактивных гидротурбин 2, размещенных в отдельных корпусах 3, соединенных при помощи конических зубчатых передач 4 с выходными валами и генератором 5, причем гидротурбины 2 соединены с выходными валами при помощи муфт 6 свободного хода, упомянутые валы выполнены за одно целое с образованием общего вала 7 отбора мощности, связанного электрически с электрогенератором 5, последний установлен на основании рамы 1, корпуса 3 выполнены сетчатыми и снабжены тканевыми оболочками 8, рама 1 снабжена расположенными по ее периметру тканевыми входными направляющими элементами 9, наклонная передняя стенка 10 рамы 1 жестко соединена с пластиной 11, а, например, к боковым стенкам рамы 1 жестко прикреплены одними концами стойки 12, другие концы которых жестко прикреплены к горизонтальному поддону 13, расположенному на некотором расстоянии от нижней кромки пластины 11, между нижней кромкой пластины 11 и поддоном 13 образован прямоугольный просвет.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

Во время работы гидроэлектростанция устанавливается поперек течения реки, тканевые входные направляющие элементы 9 ориентируют поток воды в сетчатые корпуса 3, на гидротурбины 2, которые через муфты 6 свободного хода и при помощи конических зубчатых передач 4 вращают выходной вал 7, приводящий электрогенератор 5, установленный на основании рамы 1 и охлаждаемый водой, когда установка гидроэлектростанции производится на дно реки на поддон 13, при этом часть водотока проходит через гидротурбины 2 и выходит из них за устройство с меньшей скоростью движения воды (заторможенной), а часть водотока встречается с наклонной встречно водотоку пластиной 11, прижимается ею к горизонтально расположенному поддону 13 к дну реки и направляется названными элементами 11, 13 в просвет - сопло между нижней кромкой пластины 11 и горизонтальным поддоном 13, куда названная часть воды выходит с большой скоростью прямоугольной струей, которая ударяется в заторможенный слой воды за устройством, при этом образуются реактивные силы этой струи, направленные против сил смещения устройства водотоком реки, образованных скоростным напором воды. При относительном равенстве этих сил устройство устойчиво удерживается от сил его смещения. Наклонное расположение пластины 11 встречно водотоку способствует уменьшению опрокидывающего момента устройства от напора водотока, так как вес воды, вес устройства, давление воды на поддон 13 проходящей струи сводят к минимуму опрокидывающий момент, образованный скоростным напором воды, воздействующим на устройство, и оно остается неподвижным в русле реки.

В варианте установки предлагаемого устройства на понтонах указанные реактивные силы прямоугольной струи, выходящей из сопла прямоугольного конуса, и силы давления воды на поддон 13 остаются эффективными в работе, что упрощает силы сдвига и силы опрокидывающего момента, образованные водотоком реки, когда понтон остается нагруженным только весом устройства.

Совокупность и связь всех перечисленных элементов предлагаемого устройства обеспечивают совместную их работу, определяют достижение поставленной цели и дают следующий положительный эффект.

Достигаются высокая эффективность и надежность его в работе за счет повышения его устойчивости при установке устройства на дне реки от влияния сил опрокидывающего момента и от сил, смещающих устройство по дну реки, что позволяет существенно уменьшить стоимость и габариты конструкций его крепления к дну реки, когда для предлагаемого устройства оказывается достаточным применение только страхующих элементов от непредвиденных поворотов устройства в водотоке реки.

Достигаются эффективность и надежность его в работе за счет повышения его устойчивости в потоке воды при установке устройства на понтоне от сил опрокидывающего момента и от влияния сил смещения устройства по направлению течения воды, что позволяет существенно уменьшить стоимость и габариты конструкции понтонов, основное назначение которых сводится к удержанию устройства у поверхности воды и удержанию его от разворота в водотоке.

Изготовление устройства предлагаемой конструкции позволяет создавать из таких устройств надежные в работе модули бесплотинных ГЭС различной мощности для конкретных рек, их глубин и скорости течения воды, в которых песок, мелкий гравий и другие плавучие элементы промываются протоком воды, выходящим из устройства в прямоугольный просвет между нижней кромкой пластины и его поддоном.

Создание устройств и надежных в работе названных модулей бесплотинных ГЭС позволяет эффективно использовать энергию скоростного напора воды в горных реках и в лотковых водоводах, расположенных в горных районах, где скорость течения воды и ее энергетический запас намного больше, чем в равнинных реках (при одинаковом ее расходе), где можно создать гибкую систему бесплотинных ГЭС мощностью, например, до 3 кВт, где находится большое число индивидуальных и сельскохозяйственных электропотребителей.

Создание предлагаемого устройства и на его основе модулей БГЭС позволяет создать гибкие системы бесплотинных ГЭС на низменных реках с большим расходом воды и скоростью течения 1-3 м/c, где можно получать мощность от одного модуля (устройства) до 10-30 кВт, если использовать поперечное сечение русла реки около 10 м² и т.д. (56) 1. Гидроэнергетические установки мелкой и средней мощности. /Под ред. Ф.Т.Марковского. ГНТИ МЛ. Киев, М., 1952, с. 27.

2. Авторское свидетельство СССР N 1300188, кл. F 03 B 13/12, 1979.

Сущность изобретения: на несущей раме установлен горизонтальный ряд реактивных турбин, соединенных с выходными валами муфтами свободного хода. Валы выполнены за одно целое с образованием общего вала отбора мощности, связанного с электрогенератором, установленным на основании рамы. Корпуса гидротурбин выполнены сетчатыми и снабжены тканевыми оболочками. Рама снабжена расположенными по периметру тканевыми входными направляющими элементами. Рама снабжена расположенными наклонно навстречу движению водотока козырьком и жестко соединенной с ним и имеющей большую площадь пластиной. Горизонтальный поддон установлен под рамой с образованием с нижней кромкой пластины щелевого сопла для выхода воды под рамой. Стойки прикреплены одними концами к боковым поверхностям рамы, другими концами - к поддону. 3 ил.

ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, содержащая несущую раму, установленный на ней горизонтальный ряд реактивных турбин, соединенных с выходными валами при помощи муфт свободного хода, причем валы выполнены за одно целое с образованием общего вала отбора мощности, связанного с электрогенератором, а последний установлен на основании рамы, корпуса гидротурбин выполнены сетчатыми и снабжены тканевыми оболочками, при этом рама снабжена расположенными по ее периметру тканевыми входными направлющими элементами, отличающаяся тем, что рама снабжена расположенными наклонно навстречу движению водотока козырьком и жестко соединенной с ним и имеющей большую площадь пластиной, горизонтальным поддоном, установленным под рамой с образованием с нижней кромкой пластины щелевого сопла для выхода воды под рамой, и стойками, прикрепленными одним концом к боковым поверхностям рамы, а другими концами - к поддону.