ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F03B17/06 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам для преобразования энергии водяных потоков и морских приливов и отливов в электрическую энергию.

Известна лопасть энергетической установки, содержащая две поворотные створки, шарнирно соединенные между собой и снабженные ограничителями поворота. Каждая створка выполнена в виде соединенного с оболочкой каркаса с системой пересекающихся струн, а ограничители поворота выполнены в виде гибких тяг, закрепленных концами на каркасах (авт. св. N 1255737, кл. F 03 D 3/00, 1986).

Недостатками известной установки являются следующие: 1). При складывании каркасов из двух створок гибкие оболочки при движении против ветра создают излишнюю парусность, что увеличивает аэродинамическое сопротивление при обратном ходе лопастей. Это приводит к снижению КПД. 2). Применение лопастей в водной среде невозможно. Это снижает функциональные возможности установки. 3). В процессе работы лопастей возможно механическое повреждение гибкой оболочки и ее неустойчивая работа, например при водных и снежных осадках, а также пылевых загрязнениях, особенно химически агрессивных, а в случае атмосферных осадков утяжеляется вес лопастей, так как гибкая оболочка будет забиваться снегом или водой.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является энергетическая установка, содержащая корпус, снабженный ротором, размещенным на валу и имеющим лопасти, выполненные в виде поворотных лопаток. Лопасти имеют держатель, прикрепленный к валу. Лопатки установлены с возможностью поворота относительно держателя вокруг осей поворота, направленных параллельно валу. Соответствующие лопаткам упоры расположены в плоскости лопасти и закреплены на держателе. При этом по меньшей мере одна из лопаток лопасти выполнена в виде по меньшей мере двух пластин, установленных с возможностью поворота одна относительно другой вокруг оси, и снабжена фиксаторами. По меньшей мере одна из лопаток каждой лопасти может быть выполнена в виде трех пластин, средняя из которых соединена с возможностью поворота с двумя соседними и снабжена одним фиксатором. Пластины снабжены ограничителями их взаимного поворота в направлении, противоположном направлению вращения вала. Кроме этого дополнительные лопасти разнесены вдоль вала, установлены парами и сгруппированы по меньшей мере в одну секцию, состоящую из "n" пар лопастей. Установка содержит элемент, соединяющий вал с энергопреобразующим устройством, который расположен на валу между двумя секциями пар лопастей (Патент СССР N 1362405, кл. F 03 D 3/00, F 03 B 17/06, 1987).

Недостатками известной энергетической установки являются: 1) сложность конструкции, так как лопасти выполнены из отдельных лопаток, состоящих по меньшей мере из двух пластин; 2) значительная металлоемкость установки из-за большого количества металла, затрачиваемого на ограничители взаимного поворота пластин каждой лопасти; 3) ограниченный диапазон применения из-за невозможности использования установки для преобразования энергии морских приливов и отливов в электрическую энергию.

Заявляемое изобретение направлено на решение технической задачи повышения КПД и улучшения энергетических показателей лопастей рабочего колеса при вращении в водяном потоке за счет снижения гидравлического сопротивления холостого хода лопастей.

Для решения указанной технической задачи в энергетической установке, содержащей корпус, снабженный ротором, размещенным на валу и имеющим лопасти, выполненные в виде поворотных пластин, снабженных фиксаторами и ограничителями, элемент, соединяющий вал с энергопреобразующим устройством, расположенный на валу (согласно изобретению) ротор выполнен в виде по меньшей мере двух рабочих колес, каждое из которых содержит ступицу и закрепленные на ней по меньшей мере три параллельных ряда радиальных спиц с установленными на них ободами, каждая лопасть рабочего колеса выполнена в виде по меньшей мере двух пластин, имеющих общую ось вращения с возможностью разворота пластин каждой лопасти на угол не более 90^о в противоположные стороны перпендикулярно оси рабочего колеса во время рабочего хода и складывания навстречу друг другу во время холостого хода, корпус выполнен в виде понтонной платформы, при этом ротор размещен в нижней части корпуса. Кроме этого, спицы среднего обода каждого рабочего колеса служат осями вращения пластин лопастей. Спицы крайних ободов каждого рабочего колеса служат ограничителями поворота пластин каждой лопасти и упорами во время рабочего хода лопасти. Согласно изобретению средний обод каждого рабочего колеса снабжен ребром жесткости, в котором в местах верхних концов складывания пластин каждой лопасти установлен двухсторонний электромагнитный амортизатор-фиксатор, содержащий по меньшей мере два амортизационных башмака с ограничителями хода движения, внутри которых размещена пружина, и катушку соленоида, расположенную внутри ребра жесткости.

Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения позволяет достичь следующие технические результаты:
улучшение энергетических показателей лопастей рабочего колеса за счет придания им свойств "утиной лапы", имеющих рабочий и холостой ход с пониженным гидравлическим сопротивлением;
возможность создания автономных источников электроэнергии любой мощности за счет компоновки установки в виде батарейных агрегатов;
получение экологически чистым способом электроэнергии за счет использования энергии водных потоков, морских приливов и отливов, при этом в гидроэнергетике возможно освобождение затопленных земельных площадей, улучшение условий нереста для проходных рыб и естественная регенерация очистных свойств рек;
простота конструкции и возможность изготовления в любых производственных условиях.

На фиг. 1 изображена энергетическая установка при размещении на море, вид сверху; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1 (якоря подняты); на фиг. 3 узел I на фиг. 2; на фиг. 4 и 5 принцип работы рабочего колеса на приливно-отливных течениях; на фиг. 6 энергетическая установка при размещении на реке (береговой вариант), стрелками показано направление течения реки.

Энергетическая установка смонтирована на понтонной платформе 1 (фиг. 1 и 2), которая содержит производственные и бытовые помещения. К производственным помещениям относятся: генераторная 2, колодцы 3 и камера 4. В генераторном помещении 2 находятся электрические генераторы (основной и резервный), аккумуляторы, лебедки подъема и травления якорей, отопительная система. Из генераторного помещения 2 имеются люки для доступа к подшипниковым узлам элемента, соединяющего вал с энергообразующим устройством.

Под понтонной платформой 1 (фиг. 2) ниже уровня воды и максимальной толщины промерзания воды в зимнее время расположен ротор, выполненный в виде по меньшей мере двух рабочих колес 5, установленных на общем валу 6, который вращается в четырех коренных подшипниках, два из которых располагаются в колодцах 3, а остальные два в камере 4, из которой идет цепная передача на редуктор вала электрического генератора.

Каждое рабочее колесо 5 содержит ступицу 7, (фиг. 4-6) к которой с помощью по меньшей мере трех параллельных рядов спиц крепятся три обода 8, 9 и 10. Спицы 11 (фиг. 3) среднего обода 9 каждого рабочего колеса 5 служат осями вращения лопастей, выполненных в виде по меньшей мере двух пластин 12 и 13. Пластины 12 и 13 каждой лопасти шарнирно закреплены на спицах с возможностью поворота на угол не более 90^о в противоположные стороны перпендикулярно оси рабочего колеса 5. Спицы 14 (фиг. 4-6), крайних ободов 8 и 10 рабочего колеса 5 служат ограничителями поворота пластин 12 и 13 каждой лопасти и упорами во время рабочего хода лопасти.

На ребре жесткости 15 среднего обода 9 (фиг. 3) каждого рабочего колеса 5, в местах верхних концов складывания пластин 12 и 13 каждой лопасти, установлен двухсторонний электромагнитный амортизатор-фиксатор, предназначенный для фиксации складывания и удерживания пластин 12 и 13 лопасти по среднему ободу 9 при холостом ходе и отталкивания пластин 12 и 13 лопасти в начале рабочего хода для ускорения их разворота. Двухсторонний электромагнитный амортизатор-фиксатор состоит из двух амортизационных башмаков 16 с ограничителями хода движения, внутри которых размещена пружина 17 с гильзой 18. Внутри ребра жесткости 15 обода 9 смонтирована двухсекционная катушка соленоида 19 с разным направлением навивки обмотки, закрытая с обеих сторон крышками 20 с уплотнениями, защищающими обмотку от попадания влаги. Внутри среднего обода 9 проходит канал, в котором размещен питающий кабель 21 с отводами к катушкам соленоида (по числу лопастей). Удерживание пластин 12 и 13 лопастей в состоянии холостого хода автоматически регулируется до их перехода в рабочую зону (изменением полярности электромагнитов пластины 12 и 13 лопасти отталкиваются в разные стороны).

При размещении энергетической установки на реке (фиг. 6) следует учитывать постоянное направление течения для подбора оптимальной глубины погружения рабочего колеса 5. Один из концов ведущего вала 6 находится в подшипнике ступицы 22, расположенной на стойке 23, установленной на фундамент 24, размещенный на дне реки. Другой конец ведущего вала 6 проходит через подшипниковый узел с сальником 25 в прибрежный колодец 26, имеет на конце ведущую звездочку и с помощью цепной передачи передает вращение на редуктор вала электрического генератора, установленного в генераторной на берегу реки.

Энергетическая установка крепится к речному или морскому дну четырьмя якорями 27, места установки которых обозначаются буерепами (фиг. 1). На палубе понтонной платформы 1 установлены причальные кнехты 28 (фиг. 1 и 2). Для якорей 27 имеются канатные ящики, куда лебедками убираются цепи во время транспортного положения при буксировке.

Энергетическая установка работает следующим образом.

При вращении рабочих колес 5 по направлению движения водяного потока, на одной половине пластины 12 и 13 лопастей полностью раскрыты (зона рабочего хода), при этом у другой половины лопастей пластины 12 и 13 сжаты и фиксированы относительно среднего обода 9 (зона холостого хода). По мере выхода каждой лопасти из зоны холостого хода пластины 12 и 13 отталкиваются друг от друга изменением полярности электромагнитов амортизаторов- фиксаторов и пружины 17, и под действием движущейся массы жидкости упираются в спицы крайних ободов 8 и 10 рабочего колеса 5, создавая крутящий момент передаваемый на общий вал 6, с которого механическое вращение передается на вал электрического генератора, вырабатывающего электрическую энергию.

Энергетическая установка (береговой вариант) может быть размещена на реках со скоростью течения воды не менее 3 км/ч, при этом рабочие колеса 5 должны быть размещены ниже уровня сезонного промерзания воды.

При размещении энергетической установки (или нескольких) вдоль морского побережья для использования приливно-отливных течений в зависимости от осадки, расположение ее выбирается с учетом наименьшей глубины при отливе. Вращение рабочих колес 5 осуществляется в одну сторону независимо от прилива или отлива, так как при этом изменяется положение зон холостого и рабочего хода на противоположные (фиг. 4 и 5).

Сущность: корпус снабжен ротором, размещенным на валу и имеющим лопасти. Лопасти выполнены в виде поворотнных пластин, снабженных фиксаторами и ограничителями. Элемент соединяет вал с энергообразующим устройством. Ротор выполнен в виде рабочих колес, содержащих ступицу и закрепленные на ней параллельные ряды радиальных спиц с установленными на них ободами. Каждая лопасть выполнена в виде пластин, имеющих общую ось вращения с возможностью разворота пластин каждой лопасти на угол не более 90° в противоположные стороны перпендикулярно оси рабочего колеса во время рабочего хода и складывания навстречу друг другу во время холостого хода. Корпус выполнен в виде понтонной платформы. Ротор размещен в нижней части корпуса. Спицы среднего обода каждого колеса служат осями вращения пластин. Спицы крайних ободов служат ограничителями поворота пластин каждой лопасти и упорами во время рабочего хода лопасти 4 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая корпус, снабженный ротором, размещенным на валу и имеющим лопасти, выполненные в виде поворотных пластин, снабженных фиксаторами и ограничителями, и элкмент, соединяющий вал с энергопреобразующим устройством, отличающаяся тем, что ротор выполнен в виде по меньшей мере двух рабочих колес, каждое из которых содержит ступицу и закрепленные на ней по меньшей мере три параллельных ряда радиальных спиц с установленными на них ободами, каждая лопасть рабочего колеса выполнена в виде по меньшей мере двух пластин, имеющих общую ось вращения с возможностью разворота пластин каждой лопасти на угол не более 90^o в противоположные стороны перпендикулярно оси рабочего колеса во время рабочего хода и складывания навстречу друг другу во время холостого хода, корпус выполнен в видепонтонной платформы, при этом ротор размещен в нижней части корпуса. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что спицы среднего обода каждого рабочего колеса служат осями вращения пластин лопастей. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что спицы крайних ободов каждого рабочего колеса служат ограничителями поворота пластин каждой лопасти и упорами во время рабочего хода лопасти. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средний обод каждого рабочего колеса снабжен ребром жесткости, в котором в местах верхних концов складывания пластин каждой лопасти установлен двусторонний электромагнитный амортизатор-фиксатор. 5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что электромагнитный амортизатор-фиксатор содержит по меньшей мере два амортизационных башмака с ограничителями хода движения, внутри которых размещена пружина, и катушку соленоидаю расположенную внутри ребра жесткости.