ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1996 года по МПК F03B13/08 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения электроэнергии.

Известна гидроэлектростанция, содержащая основание, трубопроводы, расположенные на основании, гидротурбины, установленные внутри трубопроводов, блок отбора мощности, установленный на основании и сочлененный своими входами с соответствующим выходом гидротурбин, и генератор, установленный на основании и соединенный своим входом с выходом блока отбора мощности (SU, а. с. N 1366682, кл. F 03 B 13/00, 1988).

Недостатками этой гидроэлектростанции является низкий КПД, сложная конструкция.

Техническим результатом, достигаемым при использовании данного изобретения, является получение более высокого КПД при упрощении конструкции.

Указанный результат достигается за счет того, что гидроэлектростанция снабжена четырьмя гидроцилиндрами, установленными на основании и сообщенными своими внутренними рабочими полостями посредством трубопроводов, которые выполнены одинаковой длины и расположены под углом 90^o друг к другу с образованием контура, четырьмя рычагами с опорами, установленными на основании контура, четырьмя рычагами своих коротких плеч к соответствующим штокам гидроцилиндров, четырьмя системами управления рычагами, установленными на основании и сочлененными своими первыми выходами с концами длинных плеч соответствующих рычагов с возможностью взаимодействия своими вторыми и третьими выходами с концами длинных и коротких плеч рычагов, и четырьмя парами запорных клапанов односторонней проводимости, каждая пара которых установлен внутри одного из трубопроводов, причем в каждой паре клапанов один установлен за, а другой перед соответствующей гидротурбиной.

Введение вышеуказанных признаков позволяет при заполнении жидкой средой трубопроводов и рабочих камер гидроцилиндров осуществит поднятие двух поршней гидроцилиндров в верхнее положение через рычаги. При этом два других поршня гидроцилиндров расположены в крайних верхнем положении поршней гидроцилиндров и одновременное опускание поршней гидроцилиндров вниз, осуществляется при подъеме двух других поршней гидроцилиндров. Такое поднятие через рычаги вверх и самопроизвольное опускание соответствующих поршней гидроцилиндров вниз обеспечивает получение более высокого давления жидкой среды, находящейся в трубопроводах, а, следовательно, и более высокой гидродинамической силы, которая, проходя запорные клапаны, обеспечивает вращение лопастей гидротурбин в двух параллельных трубопроводах одновременно, передавая более высокий вращающий момент в блок отбора мощности, который, в свою очередь, передает его генератору. При этом использование рычагов позволяет производить подъем поршней гидроцилиндров с наименьшими затратами электроэнергии и получить на выходе гидроэлектростанции электроэнергию более высокой мощности, при относительно меньших размерах и габаритах существующих гидроэлектростанций.

На фиг.1 схематично представлена схема гидроэлектростанции; на фиг.2 то же, вид сбоку; на фиг.3 система управления рычагами; на фиг.4 запорные клапаны; на фиг.5 блок отбора мощности; на фиг.6 муфта одностороннего сцепления; на фиг.7 вид А на фиг.6.

Гидроэлектростанция содержит основание 1 (выполненное, например, из железобетона), четыре гидроцилиндра 2, 3, 4 и 5, установленные на основании 1, на равных расстояниях друг от друга и последовательно соединенные под углом 90^o между собой своими внутренними рабочими полостями через четыре трубопровода 6, 7, 8 и 9 и образующие контур (правильный квадрат).

Причем каждый из трубопроводов 6, 7, 8, 9 выполнен из отдельных секций, соединяемых между собой посредством фланцев (на фиг. не показаны). Четыре гидротурбины 10, 11, 12, 13, каждая из которых установлена внутри трубопроводов 6, 7, 8, 9, на равном расстоянии от каждого из гидроцилиндров 2, 3, 4, 5.

Гидроэлектростанция содержит блок 14 отбора мощности, сочлененный своим выходом с входом генератора 15 и своими входами <196> с соответствующими выходами гидротурбин 10, 11, 12, 13; запорные клапаны 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 односторонней проводимости, каждая пара которых установлена внутри трубопроводов 6, 7, 8, 9, за и перед гидротурбинами 10, 11, 12, 13, обеспечивающими протекание жидкой среды в трубопроводах 6, 7, 8, 9 в одну сторону; четыре рычага 24, 25, 26, 27, каждый из которых опирается на соответствующую опору 28, 29, 30, 31, установленных на основании 1 и образующих при этом большее и меньшее плечи. Каждый из концов соответствующего меньшего плеча рычагов 24, 25, 26 и 27 подсоединен к соответствующим штокам гидроцилиндров 2, 3, 4, 5, четыре системы управления 32, 33, 34, 35, каждая из которых установлена на основании 1 под каждым из больших плеч рычагов 24, 25, 26, 27 и соединена соответственно одними своими выходами с концом большего плеча рычагов 24, 25, 26, 27, а другими своими механическими выходами с соответствующими плечами этих рычагов 24, 25, 26, 27.

Механическими выходами систем 33, 34 управления аналогично и для систем 32, 35 являются выводы концевых выключателей 40, 41, 42 и 43, которые своими корпусами закреплены на боковых гранях опор 28, 29, и выводы, расположенные под большим и меньшим плечами рычагов 24, 25 (фиг.2). Входные патрубки 36 и 37 служат для заправки жидкой средой гидроцилиндров 2, 3, 4, 5 и трубопроводов 8, 9, 10, 11 через запорные вентили 38 и 39. В качестве запорных вентилей 38 и 39 используются серийно-выпускаемые водопроводные вентили.

В качестве генератора используется генератор СВФ 1690/185-64 ("Справочник по ремонту и модернизации", "Энергоатомиздат", 1987, стр. 20).

В качестве текучей среды в трубопроводах и гидроцилиндрах используется обычная вода. В качестве трубопроводов используется обычная водопроводная труба из стали марки СТ-3.

Система управления (показана для двух параллельно работающих рычагов, для двух других, параллельно работающих рычагов системы управления аналогичны) содержит: первый ключ 44, подсоединенный своими входами через сетевой выключатель 45 к сети трехфазного переменного напряжения, второй выключатель 46, подсоединенный своими входами через сетевой выключатель 47 к сети трехфазного переменного напряжения; первый магнитный пускатель 48, подсоединенный одним своим выводом к нулевой фазе и взаимодействующий своим штоком (тягой) с подвижными контактами первого ключа 44. Второй магнитный пускатель 49 подсоединен одним своим выводом к нулевой фазе и взаимодействует своим штоком (тягой) с подвижными контактами второго ключа 46; первый двигатель 50 подсоединен своими входами к соответствующим выводам первого ключа 44: первый редуктор 51 сочленен своим входом с валом первого двигателя 50, первая муфта одностороннего сцепления 52, сочленена своим входом с выходом первого редуктора 51; первый барабан 53 с тросом соединен своим корпусом с корпусом первой муфты одностороннего сцепления 52; первый рычаг 24 установлен на опоре 28 и подсоединен концом большего плеча к тросу первого барабана 53, а концом меньшего плеча к поршню гидроцилиндра 2. Первый концевой выключатель 40 подсоединен одним своим выводом к другому выводу первого магнитного пускателя 48, а другим к первому контакту первого ключа 44; второй концевой выключатель 41 подсоединен одним своим выводом к второму контакту первого ключа 44; а вторым выводом к другому выводу первого концевого выключателя 41.

Второй двигатель 54 подсоединен своими входами к соответствующим выводам второго ключа 46; второй редуктор 55 сочленен своим входом с валом второго двигателя 54, вторая муфта одностороннего сцепления 56 сочленена своим входом с выходом второго редуктора 55, второй барабан 57 с тросом сочленен своим корпусом с корпусом муфты одностороннего сцепления 56; второй рычаг 25 установлен на опоре 30 и подсоединен концом большего плеча к тросу второго барабана 57, а концом меньшего плеча к поршню гидроцилиндра 3; третий концевой выключатель 42 подсоединен одним своим концом к второму контакту второго ключа 46 и вторым выводом к первому контакту второго ключа 46; четвертый концевой выключатель 43 подсоединен своим первым выводом к другому выводу третьего концевого выключателя 42 и вторым выводом к другому выводу второго магнитного пускателя 49. Концевые выключатели 40, 41, 42, 43 закреплены на соответствующих опорах 28, 30, расположены по обе стороны опор и взаимодействуют своими управляющими механическими выводами с соответствующими короткими и длинными концами рычагов 24 и 25. В качестве первого и второго магнитных пускателей используются серийно выпускаемые пускатели типа: ПмЕ-2-22-УЗ. В качестве сетевых выключателей использованы серийно выпускаемые выключатели типа: АП-50.ЗМТ. В качестве концевых выключателей использованы серийно выпускаемые концевые выключатели типа ВБ43-02УЗ. В качестве эл. двигателей использованы асинхронные эл.двигатели типа МТ216-6 (А.А.Невзоров "Строительные башенные краны" М. Машиностроение, 1971, с. 128).

В качестве редукторов и барабанов с тросом использованы лебедки (Л-500) башенного крана (КБ-16) (там же, с. 104-115).

В качестве рычагов и опор использованы стрелы и опоры башенного крана (ЕБ-16) (там же, с. 18).

Запорные клапаны 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, каждый содержит корпус 59, в виде шайбы, закрепленной внутри корпуса трубопроводов 6 или 7,8,9; пружину 60, закрепленную одним своим концом на шайбе 59, металлический шарик 61, закрепленный на другом конце пружины 60, фланцы 58 (фиг.4).

Блок отбора мощности содержит корпус 62, установленный и закрепленный на основании 1; ось 63 с продольными пазами (для соединения с муфтами одностороннего сцепления 64 и 65), вертикально установленную относительно основания посредством закрепленных на корпусе 62 и основании 1 подшипников 66 и 67; фланец 68, закрепленный на оси 63 и предназначенный для соединения с входом генератора 15; конические шестерни 79, 80, 81, 82, закрепленные на соответствующих валах 71, 72, 73, 74, входящие в зацепление с соответствующими шестернями 69, 70; причем свободные концы валов 71, 72, 73, 74, сочленены с соответствующими осями гидротурбины 10, 11, 12, 13, а сами валы установлены в соответствующих подшипниках 75, 76, 77, 78 (фиг.5).

Муфты одностороннего сцепления 64 и 65 сочлененные посредством пазов с осью 63, обеспечивают вращение коническим шестерням 69, 70, только в одну сторону, а в другую обеспечивают свободное скольжение (фиг.6, 7).

Каждая муфта одностороннего сцепления содержит цилиндрический пустотелый корпус 83 с внутренними храповыми зубьями 84, направленными своими вершинами в сторону вращения редуктора; фланец 85 с отверстиями 86, 87 для крепления муфт к соответствующим барабанам; пустотелый вал 88 с внутренними пазами 89 с выемками 90, 91, 92, 93, выполненными по внешней поверхности пустотелого вала 88; подпружиненные зубья 94, 95, 96, 97, установленные в выемках 90, 91, 92, 93 и взаимодействующие с храповыми зубьями 84, причем пустотелый вал 88 установлен внутри пустотелого цилиндрического корпуса 83, внутренние пазы 89 служат для сочленения с валом одного из редукторов.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

В исходном состоянии поршни гидроцилиндров 3 и 5 находятся в крайнем верхнем положении, а поршни гидроцилиндров 2 и 4 находятся в крайнем нижнем положении. Через патрубки 36 и 37, вентили 38 и 39 внутренние полости гидроцилиндров 3 и 5 и трубопроводов 6, 7, 8, 9 заполняют водой (фиг.1). Посредством сетевого выключателя 45 подают переменное сетевое напряжение на неподвижные контакты первого ключа 44, а т.к. поршень гидроцилиндра или 4 находятся в крайнем нижнем положении, короткое плечо рычага 24 взаимодействует с управляющим входом второго концевого выключателя 41, который через свои внутренние замкнутые контакты обеспечивает подачу переменного сетевого напряжения через замкнутые контакты первого концевого выключателя 40 на первый магнитный пускатель 48, который своими подвижными контактами замыкает неподвижные контакты первого ключа 44, обеспечивая подачу питания на первый электродвигатель 50. Первый электродвигатель 50 через вал первого редуктора 51 приводит во вращение пустотелый вал 88 первой муфты одностороннего сцепления 52, а через подпружиненные зубья 94, 95, 96, 97 с входящими в зацепление храповыми зубьями 84 приводит во вращение корпус первой муфты одностороннего сцепления 52, и через фланец 85, закрепленный на корпусе первого барабана 53, и сам барабан 53. Первый барабан 53, вращаясь, начинает наматывать трос, закрепленный своим концом к концу длинного плеча рычага 24, и через опору 28 - поднимать вверх поршень гидроцилиндра 2. При движении вверх первого рычага 24 (короткого плеча) второй концевой выключатель 41 теряет механическое взаимодействие со стороны короткого плеча рычага 24 и разрывает замкнутую своими внутренними контактами электрическую цепь. Но первый магнитный пускатель 48 находится в рабочем состоянии т.к. с замкнутых неподвижных контактов первого ключа 44 напряжение сети поступает на первый концевой выключатель 40, а с него на первый магнитный пускатель 48. При возникновении контакта длинного плеча рычага 24 с управляющим входом первого концевого выключателя 40, его контакты разрываются и обесточивается первый магнитный пускатель 48, подвижные контакты которого размыкают контакты (неподвижные) первого ключа 44 и обесточиваются, а на вход первого электродвигателя 50 переменное сетевое напряжение перестает поступать; первый электродвигатель 50 останавливается, останавливается вращение первого редуктора 51, первой муфты одностороннего сцепления 52 и первого барабана 53. Пустотелый вал 88 первой муфты одностороннего сцепления 52 теряет зацепление подпружиненных зубьев 94, 95, 96 и 97 с храповыми зубьями 84 и под действием веса поршня гидроцилиндра 2 первая муфта одностороннего сцепления 52 начинает свободно вращаться в противоположном направлении до тех пор, пока поршень гидроцилиндра 2 не достигнет крайнего нижнего положения (не замкнутся контакты первого концевого выключателя 40 за счет поднятия вверх длинного рычага 24), а вместе с ним короткое плечо рычага 24 не замкнет через механический вход контакты второго концевого выключателя 41 и обеспечит подачу в следующем цикле питания первого магнитного пускателя 48 и первого двигателя 50.

Гидроцилиндры 3 и 5 с находящимися в крайнем верхнем положении своими поршнями включаются в работу в то время, когда поршни гидроцилиндров 2 или 4 находятся в крайнем нижнем положении посредством сетевого выключателя 47, включаемого одновременно с сетевым выключателем 45; на контакты второго ключа 46 и контакты концевых выключателей 42 и 43 поступает напряжение сети, но т. к. поршень гидроцилиндра 3 или 5 находится в крайнем верхнем положении, рычаг 25 своим концом короткого плеча также находится в крайнем верхнем положении, а третий концевой выключатель 42 и четвертый концевой выключатель 43, взаимодействующие с короткими и длинными плечами рычагов 25 в данный момент времени имеют разомкнутые контакты и не обеспечивают подачу сетевого напряжения на второй магнитный пускатель 49 и на второй электродвигатель 54. При движении поршня гидроцилиндров 3 вниз, короткое плечо рычага 25, взаимодействующее с механическим управляющим входом третьего концевого выключателя 42, замыкает своими внутренними контактными электрическую цепь питания и обеспечивает подачу сетевого напряжения на контакты четвертого концевого выключателя 43, который после поднятия длинного плеча рычага 25 вверх и потери механического воздействия на управляющий вход четвертого концевого выключателя 43 замкнет свои внутренние контакты и обеспечит подачу сетевого напряжения на второй магнитный пускатель 49. Второй магнитный пускатель 49 срабатывает и замыкает (своими подвижными контактами) неподвижные контактны второго ключа 46, обеспечивая подачу сетевого напряжения на второй электродвигатель 54. Второй электродвигатель 54 через вал второго редуктора 55 приводит во вращение пустотелый вал 88 второй муфты одностороннего сцепления 56, а через подпружиненные зубья 94, 95, 96, 97 с входящими в зацепление храповыми зубьями 84 приводит во вращение корпус второй муфты одностороннего сцепления 56, а через фланец 85, закрепленный на корпусе второго барабана 57, и сам барабан 57, который, вращаясь, начинает наматывать трос, закрепленный своим концом к концу длинного плеча рычага 25, и через опору 30 поднимать вверх поршень гидроцилиндра 3. Таким образом, обеспечивается синхронный подъем и синхронное опускание двух противоположно расположенных по диагоналям квадратов поршней гидроцилиндров. Поочередный подъем и опускание поршней гидроцилиндров 2 и 4 или 3 и 5 посредством использования рычагов 24, 25, 26, 27 позволяет при подъеме поршней гидроцилиндров 2, 3, 4, 5 затратить минимум электроэнергии, а опускание поршней гидроцилиндров 2, 3, 4, 5 произвести вообще без затрат электроэнергии. Но такой подъем и опускание поршней гидроцилиндров 2, 3, 4, 5 через запорные клапана односторонней проводимости 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, расположенные внутри разъемных выпуклостей трубопроводов 6, 7, 8, 9 и выполненные в виде корпуса (кольца) 59, пружины 60, закрепленной на корпусе 59, и шарика 61, закрепленного на другом конце пружины 60, обеспечивает протекание жидкой среды только в одном направлении по двум параллельно расположенным трубопроводам 6 и 8 или 7 и 9 одновременно, но не обеспечивает протекание жидкости в другом направлении путем перекрывания канала подпружиненным шариком 61. При этом, на жидкую среду, находящуюся в трубопроводах 6, 7, 8, 9 и в гидроцилиндрах 2, 3, 4, 5, действует давление поршней гидроцилиндров 2, 3, 4, 5, определяемое только массой сами поршней, и чем их масса значительней, тем больше и давление. Такое создаваемое давление потока жидкой среды создает более высокую гидродинамическую силу по сравнению с известными решениями и приводит к созданию более высокого вращающего момента гидротурбин 10, 11, 12, 13. Вращающий момент с гидротурбин 10, 11, 12, 13, путем сочлененных валов 71, 72, 73, 74 передается на шестерни (79, 80 или 81, 82), которые находятся в зацеплении с шестернями 69 или 70. При вращении гидротурбин 10 и 12, расположенных друг против друга по прямой линии (в первом цикле) и сочлененных своими выходами при помощи валов 71 и 72 с закрепленными на них шестернями 79, 80, закрепленных на корпусе 62 посредством подшипников 75, 76, вращательный момент (шестернями 79, 80) передается приведенной в зацепление с ними шестерне 70, которая закреплена на корпусе муфты одностороннего сцепления 64 посредством фланца 85 и которая своим пустотелым валом 88 с внутренними пазами 89 сочленена с вертикальным валом 63, имеющим свои продольные пазы и закрепленным внутри корпуса 62 посредством подшипников 66 и 67. Муфта одностороннего сцепления 64 своими подпружиненными зубьями 94, 95, 96, 97 приведена в зацепление с храповыми зубьями 84 и передает вращательный момент с шестерни 70 на вертикальный вал 63, имеющий в своей верхней части фланец 68 для крепления входа генератора 15. Когда вращение гидротурбин 10 и 12 прекратится (первый цикл окончился), тогда шестерни 79 и 80, сочлененные валами 71 и 72 с выходами гидротурбин 10 и 12, остановится, останавливая приведенную с ними в зацепление шестерню 70, закрепленную через фланец 85 с муфтой одностороннего сцепления 64, которая своим пустотелым валом 88 с внутренними пазами 89 соединена с вертикальными валом 63. Т. к. подпружиненные зубья 94, 95, 96, 97 не будут находится в зацеплении с храповыми зубьями 84, а будут утапливаться во внутренних выемках 90, 91, 92, 93 пустотелого вала 88, то пустотелый корпус 83 с храповыми зубьями 84 и соединенный с ним фланец 85 с закрепленной на нем шестерней 70 остановятся, в то время, как пустотелый вал 88 своими внутренними пазами 89 приведенный в зацепление с продольными пазами вертикального вала 63 будет продолжать вращение, т. к. при остановке гидротурбин 10 и 12 (первый цикл) начнут вращаться гидротурбины 11 и 13, передавая вращательный момент на шестерни 81 и 82, сочлененные с выходами гидротурбин 11 и 13 посредством валов 73 и 74. Шестерни 81 и 82 передают вращательный момент приведенной в зацепление с ними шестерне 69, которая своим пустотелым валом 88 с подпружиненными зубьями 94, 95, 96, 97 будет приходить в зацепление с храповыми зубьями 84, передавая тем самым вращательный момент с шестерни 69, закрепленной на фланце 85 муфты одностороннего сцепления 65, пустотелому валу 88, соединенному своими внутренними пазами 89 с продольными пазами вертикального вала 63 с закрепленным в верхней части фланцем 68 для крепления входа генератора 15.

После остановки гидротурбин 11 и 13, сочлененных своими входами посредством валов 73 и 74 с шестернями 81 и 82, приведенными в зацепление с шестерней 69, которая закреплена на фланце 85 муфты одностороннего сцепления 65, соединенном жестко с пустотелым валом 88 и имеющем во внутренней своей полости храповые зубья 84, которые остановившись будут утапливать подпружиненные зубья 94, 95, 96, 97 в выемках 90, 91, 92, 93 пустотелого вала 88, который имея свои внутренние пазы 89 будет приведен в зацепление с продольными пазами вертикального вала 63, в верхней части которого закреплен фланец 68 для крепления входа генератора 15, который будучи жестко соединенным с фланцем 68 в свою очередь закреплен на вертикальном валу 63 и который своими продольными пазами соединен с пустотелым валом 88, муфт одностороннего сцепления 65 и 64, имеющих свои внутренние пазы и связанных с шестернями 69 и 70 фланцами 85, которые взаимодействуют своими подпружиненными зубьями 94, 95, 96, 97 с храповыми зубьями 84, утапливая их (подпружиненные зубья) в выемка 90, 91, 92, 93 или приводя их в зацепление с храповыми зубьями 84, что позволяет шестерням 69, 70 вращаться или стоять по очереди (это зависит от цикла), а вертикальному валу 63 с закрепленными в верхней части фланцем 68 для крепления входа генератора 15, вращаться без перерывов и в одну сторону.

С выхода блока отбора мощности 14 через фланец 68, сочлененный с валом генератора 15, вращающий момент передается на вход генератора 15, который при вращении вала генератора 5 наводит ЭДС во вторичной обмотке генератора 15, с которой снимается переменное напряжение.

Таким образом предлагаемая гидроэлектростанция позволяет получить: более высокое значение гидродинамической силы протекающей в трубопроводах жидкой среды, путем создания более мощного потока жидкой среды в трубопроводах, значения которого определяются только массой поршней гидроцилиндров. При этом предлагаемая гидроэлектростанция при относительно меньших габаритах имеет более высокий КПД относительно существующих, за счет создания большей гидродинамической силы.

Использование: в энергетике при проектировании гидроэлектростанции. Сущность изобретения: гидроэлектростанция снабжена четырьмя гидроцилидрами, сообщенными трубопроводами с образованием контура, а также по числу гидроцилиндров рычагами и системами управления ими и запорными клапанами, каждая пара которых установлена внутри одного из трубопроводов. Причем в каждой паре клапанов один установлен за, а другой - перед соответствующей гидротурбиной. 7 ил.

Гидроэлектростанция, содержащая основание, трубопроводы, расположенные на основании, гидротурбины, установленные внутри трубопроводов, блок отбора мощности, установленный на основании и сочлененный своими входами с соответствующими выходами гидротурбин, и генератор, установленный на основании и соединенный своим входом с выходом блока отбора мощности, отличающаяся тем, что она снабжена четырьмя гидроцилиндрами, установленными на основании и сообщенными своими внутренними рабочими полостями посредством трубопроводов, которые выполнены одинаковой длины и расположены под углом 90^o друг к другу с образованием контура, четырьмя рычагами с опорами, установленными на основании и подсоединенными концами своих коротких плеч к соответствующим штокам гидроцилиндров, четырьмя системами управления рычагами, установленными на основании и сочлененными своими первыми выходами с концами длинных плеч соответствующих рычагов с возможностью взаимодействия своими вторым и третьим выходами с концами длинных и коротких плеч рычагов, и четырьмя парами запорных клапанов односторонней проводимости, каждая пара которых установлена внутри одного из трубопроводов, причем в каждой паре клапанов один установлен за, а другой перед соответствующей гидротурбиной.