ВОЛНОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СУДИЛОВСКОГО А.Г. Российский патент 1997 года по МПК F03B13/18 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к гидроэлектростанциям, использующих энергию волн, возникающих на поверхности морей, океанов и других крупных водохранилищ естественного или искусственного происхождения.

Известны гидроэлектростанции, использующие энергию волн.

Известная волновая гидроэлектростанция (патент СССР N 4950, кл. F 03 B 13/12, 1928) имеет сферической формы поплавки, которые шарнирно присоединены к кронштейнам, закрепленным на перемещаемой по плотине раме. Поплавки приводят в движение подпружиненные поршни, перемещающиеся в цилиндрах также присоединенных к раме и снабженных отверстиями для заполнения их водой и телескопическими нагнетательными трубами для подачи воды под давлением к гидротурбине. Последняя установлена на гребне плотины, а рама на ее стене, обращенной к открытому морю. В исходном положении цилиндры заполнены водой, а поршни и связанные с ними шарнирно с помощью рычагов поплавки находятся в крайнем левом положении. Под действием набегающей волны поплавки приближаются к стене плотины и, сжимая поршнями воду в цилиндрах, нагнетают ее по телескопическим трубам наверх к гидротурбине, которая, вращаясь, приводит в действие электрогенератор.

Преобразователь энергии волн крепится на специальной плотине, которая служит также для установки гидротурбины и связанного с ней электрогенератора, что приводит к сложности конструкции.

Указанный недостаток устранен в волновых гидроэлектростанциях, не имеющих плотин.

Известная волновая гидроэлектростанция (патент Японии N 55-46510, кл. E 03 B 13/12, 1980) состоит из поплавка, плавающего на поверхности воды, соединенного с ним одноцилиндрового поршневого компрессора и турбины, установленных над водой на стационарной платформе.

Поплавок снабжен вертикальным штоком, перемещающимся в направляющих, верхний конец которого шарнирно соединен с качающимся неравноплечим рычагом, ось которого в виде сферического шарнира, в свою очередь, может перемещаться в горизонтальных направляющих.

Второй конец неравноплечего рычага шарнирно соединен со штоком поршня, перемещающегося возвратно-поступательно в цилиндре компрессора. Вертикальный шток поршня также снабжен направляющими.

Сжатый воздух из компрессора направляется в турбину, которая приводит во вращение рабочую машину, например электрогенератор.

Сложность кинематической связи между поплавком и установленным на платформе компрессором приводит к сложности конструкции.

Ненадежность работы возникает в результате возможности заклинивания штока в направляющих на волнении.

Наиболее близким к изобретению является волновая электростанция, описанная в заявке Франции N 2467999, кл. F 03 B 13/12, 1981 г и содержащая рычаг с поплавками на концах, качающийся вокруг установленной посередине горизонтальной оси и связанный с ним через соединительные элементы электрогенератор.

При изменении длины волны не всегда обеспечивается наибольший КПД волновой гидроэлектростанции, когда один из поплавков рычага находится на гребне волны, а другой во впадине.

Задача изобретения возможность получения максимального КПД в широком диапазоне длин используемых волн.

Это достигается за счет того, что рычаг выполнен переменной длины с помощью силового гидроцилиндра, при этом на оси рычага могут быть установлены по меньшей мере два рычага разной длины.

На фиг. 1 изображен общий вид волновой гидроэлектростанции в исходном положении спереди; на фиг. 2 план на фиг. 1; на фиг. 3 вид А на фиг. 2; на фиг. 4 общий вид поршневого насоса в разрезе; на фиг. 5 вид Б на фиг. 4.

Волновая гидроэлектростанция состоит из двух укрепленных в зоне волнения на некотором расстоянии друг от друга вертикальных опор 1 частично выступающих над поверхностью воды с горизонтальной установленной между ними в верхней части опор осью 2, вокруг которой могут качаться с частотой волнения два равноплечих рычага 3 и 4 разной длины с поплавками 5 на концах и силовыми гидроцилиндрами 6 и 7 в центре.

На площадке выше уровня воды на рамах 8 установлены поршневые насосы 9, которые с одной стороны с помощью штоков, а также хомутов 10 и цапф 11, имеющихся на поплавках 5, соединены с последними, а другой с помощью компенсаторов 12, всасывающего коллектора 13 и напорного коллектора 14 соединены с морем и гидротурбиной 15, которая в свою очередь, связана с электрогенератором 16.

Направление створа, в котором находятся обе опоры, перпендикулярно направлению движения волн, преобладающему в месте установки гидроэлектростанции.

Вертикальные опоры 1 предназначены для крепления оси 2 и представляют собой сваи произвольного поперечного сечения, например квадратного, в верхней части которых имеются по одному сквозному отверстию для пропуска оси.

Ось 2 служит для возможности качения равноплечих рычагов 3 и 4 с поплавками 5 и силовыми гидроцилиндрами 6 и 7 в соответствии с периодичностью волнения и закреплена горизонтально в верхней части расположенных по концам оси опор 1 с помощью крепежных деталей.

Высота оси 2 от уровня спокойной поверхности моря (в штиль) равна разности между радиусом поплавков и высотой их ватерлинии.

Равноплечие рычаги 3 и 4 предназначены для неподвижного регулируемого соединения поплавков 5 между собой и их независимого качения вокруг оси 2 с частотой волнения.

Длина каждого рычага определяется длиной расчетной волны синусоидального профиля, при которой один из его поплавков находится на вершине гребня волны, другой в середине впадины, а ход поршней соответствующих поршневых насосов максимальный.

Рычаги имеют телескопическую конструкцию и состоят из трубчатой центральной части с отверстием посередине для пропуска оси 2 и двух входящих в нее с торцов симметрично расположенных боковых стержней, на наружных концах которых установлены поплавки 5.

Сверху на центральных частях равноплечих рычагов 3 и 4 имеются кронштейны для крепления силовых гидроцилиндров 6 и 7, штоки которых, в свою очередь, крепятся к боковым стержням.

Поплавки 5 служат для создания выталкивающей силы и сил сцепления с жидкостью. Кроме того, при качении равноплечих рычагов 3 и 4 поплавки перемещаются возвратно-поступательно в горизонтальном направлении.

Поплавки 5 представляют собой закрытые полые емкости произвольной, например сферической, формы, которые крепятся на концах рычагов.

Для передачи возникающих усилий штокам поршневых насосов 9 на каждом поплавке имеются по две горизонтально расположенные цапфы 11, шарнирно соединенные с хомутом 10 дугообразной формы.

Силовые гидроцилиндры 6 и 7 с двумя поршнями и штоками каждый предназначены для изменения длины равноплечих рычагов 3 и 4 путем одновременного симметричного продольного перемещения боковых стержней в трубчатых центральных частях рычагов, что позволяет стабилизировать нагрузку волновой гидроэлектростанции при изменении силы волнения.

Корпуса гидроцилиндров неподвижно крепятся сверху на центральных частях рычагов с помощью кронштейнов, а концы штоков с поршнями к боковым стержням.

Габариты силовых гидроцилиндров 6 и 7 определяются длиной равноплечих рычагов и степенью ее регулирования.

Рамы 8 служат для подвижного крепления поршневых насосов 9 на площадке выше уровня воды с целью компенсации возвратно-поступательного перемещения в горизонтальном направлении поплавков 5 при качании их на рычагах 3 и 4 вокруг оси 2 во время работы волновой гидроэлектростанции и представляют собой каждая две П-образные конструкции, обращенные поперечинами к площадке и соединенные между собой в верхней части с боков пластинами с двумя горизонтальными пазами для прохода цапф поршневых насосов.

Поршневые насосы установлены между П-образными конструкциями, а в площадке под ними имеются пазы для проходов штоков, соединяющих насосы с поплавками.

Поршневые насосы 9 подвижно крепятся на цапфах между П-образными конструкциями рам 8 с возможностью возвратно-поступательного перемещения в горизонтальном направлении и состоят каждый из цилиндра 17 с цапфами18 и крышкой 19, поршня 20 со штоком 21, корпусов 22 и 23 клапанных коробок с крышками 24 и 25, трубопроводов 26 29, тарельчатых всасывающих клапанов 30 и 31 и нагнетательных клапанов 32 и 33, пружин 34 и 35, всасывающего коллектора 36 и напорного коллектора 37.

В вертикально расположенном цилиндре 17 нижний торец открыт и снабжен фланцем для крепления крышки 19, а на боковой поверхности снаружи посередине имеются две горизонтально расположенные цапфы 18 для подвижного крепления цилиндра в пазах рамы 8.

Под углом 90^o в плане на боковой поверхности выполнены два окна для соединения его внутренней полости с корпусами 22 и 23 клапанных коробок, а с противоположной стороны имеются кронштейны для крепления всасывающего коллектора 36 и напорного коллектора 37.

Для монтажа поршня 20 со штоком 21 на цилиндре имеется фланцевая крышка 19. Пропуск штока в цилиндр 17 осуществляется через отверстие с сальником, расположенное в центре крышки.

Цилиндр для попеременного соединения со всасывающим коллектором 36 и отвода воды под давлением в напорный коллектор 37 снабжен двумя клапанными коробками, расположенными в зоне окон.

Корпуса 22 и 23 клапанных коробок выполнены в виде вертикально расположенных прямоугольных призм, которые со стороны окон имеют дно, и с противоположной стороны открыты и разделены на две равные части горизонтальными перегородками.

Открытые и закрытые торцы корпусов снабжены фланцами для крепления крышек 24 и 25 и присоединения к цилиндру 17.

Для монтажа всасывающих клапанов 30 и 31, нагнетательных клапанов 32 и 33 и пружин 34 и 35 в корпусах 22 и 23 имеются фланцевые крышки 24 и 25.

Все фланцевые соединения по периметру примыкания и горизонтальные перегородки со стороны крышек уплотнены эластичными прокладками.

В передних боковых стенках корпусов 22 и 23 выше горизонтальных перегородок имеются по одному отверстию для соединения трубопроводами 26 и 27 со всасывающим трубопроводом 36, а в дне с внутренней полостью цилиндра.

Аналогичные отверстия в заданных боковых стенках и дне имеются ниже горизонтальных перегородок и служат соответственно для соединения клапанных коробок с помощью трубопроводов 28 и 29 с напорным коллектором 37 и отвода воды под давлением из внутренней полости цилиндра 17.

Отверстия в дне корпусов клапанных коробок закрыты тарельчатыми всасывающими клапанами 30 и 31 и нагнетательными клапанами 32 и 33.

Прижатие всасывающих клапанов к входным отверстиям производится с помощью пружин 34, закрепленных одним концом с помощью шайб и шплинтов на стержнях клапанов 30 и 31, а другим упирающихся в дно корпусов 22 и 23.

Прижатие нагнетательных клапанов к выходным отверстиям осуществляется с помощью пружин 35, упирающихся одним концом в тарелки клапанов 32 и 33, а другим в крышки 24 и 25 клапанных коробок.

Внутри цилиндра 17 находится поршень 20, который неподвижно закреплен посредине верхней утолщенной части штока 21 и может перемещаться возвратно-поступательно в вертикальном направлении (рабочий ход), совершая одновременно небольшие возвратно-поступательные перемещения в горизонтальном направлении под действием связанного с ним одного из поплавков 5, качающегося на соответствующем рычаге вокруг оси 2.

Утолщенные части штока по обе стороны поршня являются упорами, ограничивающими перемещение поршня 20 в зоне окон.

Снаружи цилиндра 17 на боковой поверхности под углом 150^o в плане относительно окон имеется всасывающий коллектор 36, который с помощью компенсатора 12 соединен со всасывающим коллектором 13 волновой гидроэлектростанции, а последний с морем.

Всасывающий коллектор предназначен для подвода воды во внутреннюю полость цилиндра и представляет собой закрытую с обоих торцов вертикальную трубу, которая на кронштейнах крепится к цилиндру 17 и имеет отверстия и патрубок в нижней части.

Отверстия служат для соединения с помощью трубопроводов 26 и 27 с корпусами 22 и 23 клапанных коробок, а патрубок для шарнирного соединения с компенсатором.

Снаружи цилиндра 17 на боковой поверхности под углом 180^o в плане относительно оси окон имеется напорный коллектор 37, который с помощью компенсатора 12 соединен с напорным коллектором волновой гидроэлектростанции, а последний с гидротурбиной 15.

Напорный коллектор предназначен для сбора воды под давлением, поступающей из внутренней полости цилиндра и представляет собой закрытую с обоих торцов вертикальную трубу, которая на кронштейнах крепится к цилиндру 17 и имеет два отверстия и патрубок в нижней части.

Отверстия служат для соединения с помощью трубопроводов 28 и 29 с корпусами 22 и 23 клапанных коробок, а патрубок для шарнирного соединения с компенсатором.

Хомуты 10 предназначены для соединения штоков 21 поршневых насосов 9 с поплавками 5. Хомуты выполнены в виде жестких конструкций дугообразной формы, которые посередине неподвижно прикреплены к штокам, а концами шарнирно к цапфам 11 поплавков.

Компенсаторы 12 служат для шарнирного соединения всасывающих коллектором 35 и напорных коллекторов 37 поршневых насосов 9 со всасывающим коллектором 13 и напорным коллектором 14 волновой гидроэлектростанции, а с помощью последних с морем и гидротурбиной 15 соответственно.

Компенсаторы представляют собой 3-хшарнирные трубопроводы с двумя концевыми и одним промежуточным шарнирами.

Трубы компенсаторов 12 расположены под определенными острыми углами, в вершинах которых находятся промежуточные шарниры, благодаря чему они могут поворачиваться вокруг шарниров и, изменяя углы, и одновременно расстояния между концевыми шарнирами, которые крепятся к патрубкам коллекторов 36 и 37 подвижных поршневых насосов 9 или неподвижных коллекторов 13 и 14 волновой гидроэлектростанции.

Всасывающий коллектор 13 волновой гидроэлектростанции предназначен для подвода воды из моря к всасывающим коллекторам 36 поршневых насосов 9 с помощью компенсаторов 12 и представляют собой трубопровод с патрубками, к которым крепятся концевые шарниры соответствующих компенсаторов.

Напорный коллектор 14 волновой гидроэлектростанции служит для сбора воды под давлением, поступающей из напорных коллекторов 37 поршневых насосов 9 с помощью компенсаторов 12, а также подвода ее к гидротурбине 15 и представляет собой трубопровод с патрубками, к которым крепятся концевые шарниры соответствующих компенсаторов.

Гидротурбина 15 соединена с электрогенератором 16, который предназначен для получения электроэнергии.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

В исходном положении поршневые насосы 9, коллекторы 36 и 37 насосов, коллекторы 13 и 14 гидроэлектростанции, компенсаторы 12 и гидротурбина 15 заполнены водой.

Рассмотрим работу равноплечевого рычага 3 с поплавками 5 на концах и соединенных с ними поршневых насосов 9 на волнении с расчетной для данного рычага длиной волны, при которой левый поплавок находится на вершине гребня волны, правый в середине впадины, а ход поршней насосов максимальный.

При этом боковые стержни рычага 3 частично выдвинуты из трубчатой центральной части на величину, равную половине хода каждого из поршней силового гидроцилиндра 6, а цапфы корпусов поршневых насосов 9 в продольных пазах рам 8 находятся в среднем положении.

В процессе прохождения волны в направлении справа налево равноплечий рычаг 4 начинает поворачиваться вокруг оси 2 против часовой стрелки в результате того, что левый поплавок 5 опускается по склону волны с гребня во впадину по дуге окружности с радиусом, равным расстоянию между центрами оси и поплавка на высоту, равную высоте расчетной волны, а правый поплавок 5 в это время поднимается из впадины на гребень набегающей волны по той же траектории.

Одновременно оба поплавка совершают небольшие возвратно-поступательные перемещения в горизонтальном направлении.

Находящийся в крайнем верхнем положении поршень 19 со штоком 20 поршневого насоса 9, соединенного с левым поплавком 5, начинает опускаться, а сам насос на цапфах перемещается вдоль пазов рамы 8 из среднего положения в крайнее левое (в момент прохождения поплавком уровня спокойного моря) и обратно, совершая возвратно-поступательное движение. При этом по мере повышения давления в нижней части цилиндра 17 сжимается пружина 35 нагнетательного клапана 33, клапан открывается и вода под давлением через корпус 23 клапанной коробки, трубопровод 29, напорный коллектор 37, компенсатор 12 и напорный коллектор 14 поступает в гидротурбину 15, вызывая вращение гидротурбины и связанного с ней электрогенератора 16.

Одновременно в верхней части цилиндра под действием разряжения сжимается пружина 34 всасывающего клапана 30, клапан открывается, и вода из моря через всасывающий коллектор 13, компенсатор 12, всасывающий коллектор 36, трубопровод 26 и корпус 22 клапанной коробки поступает в цилиндр 17.

При опускании левого поплавка 5 по склону волны с гребня во впадину острые углы между подвижными трубами в вершинах компенсаторов 12 сначала увеличиваются, а затем снова уменьшаются до первоначальной величины, компенсируя периодические изменения расстояний между коллекторами 36 и 37 поршневого насоса 9, шарнирно соединенного с левым поплавком и неподвижными коллекторами 13 и 14 волновой гидроэлектростанции.

В процессе прохождения волны в направлении справа налево равноплечий рычаг 3 начинает поворачиваться вокруг оси 2 против часовой стрелки в результате того, что правый поплавок 5 поднимается по склону волны с впадины на гребень по дуге окружности с радиусом, равным расстоянию между центрами оси и поплавка на высоту, равную высоте расчетной волны, а левый поплавок 5 в это время спускается с гребня во впадину набегающей волны по той же траектории.

Одновременно оба поплавка совершают небольшие возвратно-поступательные перемещения в горизонтальном направлении.

Находящийся в крайнем нижнем положении поршень 19 со штоком 21 поршневого насоса 9, соединенного с правым поплавком 5, начинает подниматься, а сам насос на цапфах перемещается вдоль пазов рамы 8 из среднего положения в крайнее правое (в момент прохождения поплавком уровня спокойного моря) и обратно, совершая возвратно-поступательные движения.

При этом по мере повышения давления в верхней части цилиндра 17 сжимается пружина 35 нагнетательного клапана 32, клапан открывается и вода под давлением через корпус 22 клапанной коробки, трубопровод 28, напорный коллектор 37компенсатор 12 и напорный коллектор 14 поступает в гидротурбину 15, вызывая вращение гидротурбины и связанного с ней гидрогенератора 16.

Одновременно в нижней части цилиндра под действием разряжения сжимается пружина 34 всасывающего клапана 31, клапан открывается, и вода из моря через всасывающий коллектор 13, компенсатор 12, всасывающий коллектор 36, трубопровод 27 и корпус 23 клапанной коробки поступает в цилиндр 17.

При поднимании правого поплавка 5 по склону волны из впадины на гребень острые углы между подвижными трубами в вершинах компенсаторов 12 сначала увеличиваются, а затем снова уменьшаются до первоначальной величины, компенсируя периодические изменения расстояний между коллекторами 36 и 37 поршневого насоса 9, шарнирно соединенного с правым поплавком и неподвижными коллекторами 13 и 14 волновой гидроэлектростанции.

Далее вышеописанный цикл повторяется непрерывно.

При увеличении длины волны выше расчетной для равноплечего рычага 3 боковые стержни начинают перемещаться внутрь трубчатой цилиндрической части с помощью поршней и штоков силового гидроцилиндра 6, амплитуда качаний рычага уменьшается и наоборот.

В обоих случаях нагрузка волной гидроэлектростанции стабилизируется.

Аналогично работает равноплечий рычаг 4 с поплавками 5 на концах и соединенными с ними поршневыми насосами 9 на волнении с расчетной для данного рычага длиной волны, при которой левый поплавок находится на вершине гребня волны, правый в середине впадины, а ход поршней насосов максимальный.

Рычаги 3 и 4 качаются вокруг оси 2 одновременно и независимо друг от друга с частотой волнения.

В зависимости от соотношения длин равноплечих рычагов их одноименные поплавки 5 (левые или правые) могут работать в одной фазе (на гребнях волн) или в противоположных фазах (один на гребне, а второй во впадине).

Все поршневые насосы 9 соединены параллельно и работают на коллекторы 13 и 14 волновой гидроэлектростанции.

Расположение по меньшей мере двух поплавков на концах равноплечего рычага, качающегося вокруг горизонтальной оси, позволяет упростить конструкцию и повысить надежность.

Выполнение рычага переменной длины с помощью силового гидроцилиндра стабилизирует нагрузку волновой гидроэлектростанции при изменении силы волнения.

Установка на оси по меньшей мере двух равноплечих рычагов разной длины дает возможность расширения длин используемых волн.

Использование: в гидроэнергетике, в частности в волновых гидроэлектростанциях. Сущность изобретения: волновая гидроэлектростанция содержит равноплечий рычаг с поплавками на концах, качающийся вокруг установленной посередине горизонтальной оси, и связанный с ним через соединительные элементы электрогенератор, при этом рычаг выполнен переменной длины с помощью силового гидроцилиндра, а на оси могут быть установлены по меньшей мере два рычага разной длины. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Волновая гидроэлектростанция, содержащая равноплечий рычаг с поплавками на концах, качающийся вокруг установленной посередине горизонтальной оси и связанный с ним через соединительные элементы электрогенератор, отличающаяся тем, что рычаг выполнен переменной длины с помощью силового гидроцилиндра. 2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что на оси установлены по меньшей мере два рычага разной длины.