ПОТОКОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1997 года по МПК F03B9/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике, а более конкретно к гидроэлектростанциям, использующим энергию крупных и малых равнинных рек, придонных морских течений, а также открытых водостоков искусственного происхождения, например магистральных и других каналов.

Известны речные гидроэлектростанции, использующие потенциальную энергию воды путем сосредоточения напора в виде разности уровней, из которых наиболее распространены приплотинные гидроэлектростанции.

Они содержат плотину, водохранилище, здание с рабочими органами в виде гидротурбин, связанных с электрогенераторами, и судоходный шлюз для пропуска судов.

Недостатками приплотинных гидроэлектростанций являются: затопление огромных территорий, занятых пахотными землями, лесами и месторождениями полезных ископаемых, перенос существующей жилой застройки из зоны затопления, загнивание воды в искусственно созданных водохранилищах в результате бурного размножения сине-зеленых водорослей, опасность стихийного бедствия в случае разрушения плотин.

Указанные недостатки устранены в гидроэлектростанциях, непосредственно использующих кинетическую энергию потока жидкости.

Известна потоковая гидроэлектростанция, представляющая собой цепной лопастной конвейер, огибающий звездочки, оси которых установлены перпендикулярно поверхности земли, звездочки в выемках береговой части наиболее глубокого места реки, а лопасти рабочей ветви конвейера в развернутом виде могут свободно проходить в подводящем канале, который расположен в русле реки со стороны берега. Лопасти с вогнутой рабочей поверхностью одним концом шарнирно прикреплены к цепному конвейеру и дополнительно соединены с ним гибкими связями. Для уменьшения нагрузки на нижние подшипники вертикальных валов звездочек имеются воздушные кольцевые резервуары с возможностью уменьшения плавучести последних. Со стороны притока воды установлена поворотная заслонка с приводом (см. патент СССР N 1821, кл. F 03 B 13/12, 1926).

При протекании воды через канал находящиеся на холостой ветви конвейера в сложенном положении лопасти полностью разворачиваются и благодаря наличию гибких связей удерживаются на рабочей ветви перпендикулярно потоку жидкости, обеспечивая перемещение цепного конвейера и вращение звездочек, одна из которых кинематически связана с электрогенератором.

Неравномерная нагрузка на подшипники от массы цепного лопастного конвейера, необходимость применения специальных устройств для уменьшения нагрузки на нижние подшипники звездочек обусловливает сложность конструкции потоковой гидроэлектростанции.

Необходимость размещения в наиболее глубоком месте реки исключает применение на малых реках и каналах.

Мощность гидроэлектростанции при заданных габаритах ограничена конструкцией лопастей.

Указанные недостатки частично устранены в потоковых гидроэлектростанциях с горизонтально расположенным лопастным транспортером.

Известна потоковая гидроэлектростанция, использующая энергию потока жидкости, периодически меняющего свое направление (см. авт. свид. СССР N 1020620, кл. F 03 B 13/12, 1983), которая содержит полностью погруженный в воду корпус и установленный в нем рабочий орган в виде горизонтально расположенного бесконечного лопастного транспортера, огибающего барабаны и кинематически связанного с электрогенератором. Лопасти представляют собой пластины с ровной рабочей поверхностью и жесткими связями, образующие в сечении прямоугольные треугольники с шарнирами в вершинах, с помощью которых они соединены с транспортером. Корпус снабжен соосно расположенными со стороны барабанов патрубками с установленными в них у противоположных ветвей транспортера поворотными заслонками.

Поток воды, движущийся с одного направления попадает в патрубок, закрывая заслонку, и направляется на открытую часть транспортера, вращая барабаны. При этом вторая заслонка открывается, обеспечивая свободный проход воды. При изменении направления потока на противоположное вышеописанный процесс повторяется в обратном порядке.

Необходимость полного погружения корпуса потоковой гидроэлектростанции в воду исключает ее применение на малых реках и каналах.

Мощность гидроэлектростанции при заданных габаритах ограничена конструкцией лопастей.

Задачей настоящего изобретения является повышение мощности потоковой гидроэлектростанции и расширение области применения.

Результат достигается тем, что в известной потоковой гидроэлектростанции, содержащей полностью или частично погруженный под уровень жидкости корпус и установленный в нем рабочий орган в виде цепного лопастного конвейера, огибающего звездочки и кинематически связанного с электрогенератором, лопасти выполнены в виде поворотных вокруг осей заслонок.

Выполнение лопастей в виде поворотных вокруг осей заслонок позволяет при прочих равных условиях увеличить рабочую поверхность лопасти и таким образом повысить мощность гидроэлектростанции.

Частичное погружение корпуса в воду ниже верхней части лопастей на рабочей ветви конвейера обеспечивает расчетное тяговое усилие и делает возможным применение потоковой гидроэлектростанции на малых реках и каналах.

Выполнение лопастей с перекрытием друг друга в горизонтальной плоскости позволяет уменьшить сопротивление движению холостой ветви конвейера.

На фиг. 1 изображен общий вид потоковой гидроэлектростанции в разрезе; на фиг. 2 план на фиг.4; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2.

Потоковая гидроэлектростанция содержит корпус 1 с патрубком 2, конфузором 3 и диффузором 4, звездочки 5, 6, валы 7, 8, цепи 9, лопасти 10 с осями 11, гибкие связи 12, заслонку 13 поворотную, привод 14 и электрогенератор 15.

Корпус 1 представляет собой сварную полую конструкцию, в торцах которой в нижней части соосно расположены два отверстия произвольной, например, прямоугольной формы для пропуска потока воды, и предназначен для установки в нем рабочего органа в виде цепного лопастного конвейера.

К входному отверстию корпуса 1 крепится патрубок 2, который служит для подвода воды и установки заслонки 13 поворотной с приводом 14.

К патрубку 2 на входе жидкости крепится конфузор 3, который предназначен для ускорения потока воды, проходящего через корпус, а на выходе диффузор для выравнивания скоростей внутреннего потока и наружного течения. В случае частичного погружения корпуса 1 в воду конфузор и диффузор выполняются путем соответствующего сужения и расширения внутреннего потока только в горизонтальной плоскости.

Цепной лопастной конвейер состоит из двух цепных передач, содержащих звездочки 5, 6, цепь 9 и валы 7,8, соединенных друг с другом осями 11 равномерно расположенных по длине лопастей 10, выполненных в виде асимметричных поворотных заслонок и служит для преобразования кинетической энергии потока воды, проходящей через нижнюю часть корпуса 1, во вращательное движение вала 7, кинематически связанного с электрогенератором 15.

Лопасти 10 представляют собой пластины произвольной, например прямоугольной, формы с произвольной, например вогнутой, рабочей поверхностью, неподвижно закрепленные на осях 11, относительно которых они делятся на основную длинную и дополнительную короткую части, которые совместно на рабочей ветви конвейера воспринимают давление потока воды и преобразуют его в тяговое усилие цепей 9.

Наличие в лопастях дополнительной короткой части позволяет увеличить рабочую поверхность, что, в свою очередь, дает возможность увеличить отбор мощности от энергии потока и повысить мощность потоковой гидроэлектростанции.

Кроме того, выполнение лопастей 10 в виде асимметричных заслонок с более длинной и тяжелой основной частью позволяет лопастям на рабочей ветви конвейера при остановке потоковой гидроэлектростанции автоматически устанавливаться и находиться в вертикальном положении, что необходимо для последующего пуска.

Тот же эффект может быть достигнут при выполнении лопастей в виде симметричных заслонок, одна их частей которых, выполняющая функцию основной, будет утяжелена.

Рабочие поверхности основной части лопастей 10 соединены с осями 11 соседних лопастей гибкими связями 12, которые предназначены для удержания лопастей на рабочей ветви конвейера в перпендикулярном положении относительно набегающего потока жидкости.

Расстояние между лопастями (шаг) выбирается меньше, чем длина их основной части, что позволяет получить на холостой ветви конвейера наложение лопастей 10 друг на друга с образованием поверхности типа "рыбья чешуя", обладающей минимальным сопротивлением при движении в жидкости или в воздушной среде при частичном погружении корпуса 1 в воду.

Заслонка 13 поворотная с приводом 14 представляет собой неподвижно закрепленную на оси плоскую пластину, форма которой соответствует форме внутреннего поперечного сечения патрубка 2, но несколько меньше последнего и служит для пуска, остановки и регулирования мощности и потоковой гидроэлектростанции при изменении скорости течения жидкости.

Гидростанция работает следующим образом.

В исходном положении полностью погруженный под уровень жидкости корпус 1 заполнен водой, заслонка 13 поворотная закрыта, лопасти 10 на рабочей ветви конвейера находятся в вертикальном положении, а их гибкие связи 12 растянуты на полную длину, но не напряжены, лопасти на холостой ветви конвейера наложены друг на друга, образуя поверхность типа "рабья чешуя", а их гибкие связи полностью провисают, лопасти 10 со своими гибкими связями 12 на звездочках 5, 6 находятся в промежуточном положении.

После открытия заслонки 13 поворотной поток воды через конфузор 3 и патрубок 2 со скоростью, превышающей скорость течения снаружи, поступает в нижнюю часть корпуса 1, в которой находится рабочая ветвь конвейера и жидкость начинает давить на лопасти 10, стремясь повернуть их вокруг осей 11.

Однако поскольку гибкие связи 12, натягиваясь, продолжают удерживать лопасти в первоначальном вертикальном положении, перпендикулярном направлению движения потока, то на рабочих поверхностях лопастей возникает сила давления, которая преобразуется в тяговые усилия цепей 9, вызывающих, в свою очередь, непрерывное вращение звездочек 5, 6, валов 7. 8 и кинематически связанного с валом 7 электрогенератора 15.

Лопасти 10, перемещаясь с рабочей ветвью конвейера на звездочку 5, выходят из зоны потока и входят в зону спокойной воды, находящуюся в верхней части корпуса.

При этом под действием результирующей силы тяжести, представляющей собой разность сил тяжести основной длинной и дополнительной короткой частей лопасти, поворачиваясь вокруг осей 11 начинают накладываться друг на друга до образования на холостой ветви конвейера хорошо обтекаемой поверхности типа "рыбья чешуя" с полным провисанием гибких связей 12.

На звездочке 6 происходит обратный процесс перехода лопастей из зоны спокойной воды в зону потока, сопровождающийся автоматическим полным разворотом лопастей 10 в рабочее положение под действием той же результирующей силы тяжести и удержания их в этом положении с помощью своих полностью растянутых по длине, но не напряженных гибких связей 12.

Далее лопасти перемещаются на рабочую ветвь конвейера и вышеописанный цикл повторяется непрерывно.

Выполнение потоковой гидроэлектростанции, содержащей полностью или частично погруженный под уровень жидкости корпус и установленный в нем рабочий орган в виде цепного лопастного конвейера, огибающего звездочки и кинематически связанного с электрогенератором с лопастями, выполненными в виде поворотных вокруг осей заслонок позволяет повысить мощность гидроэлектростанции.

Частичное погружение корпуса под уровень жидкости делает возможным расширение области применения потоковой гидроэлектростанции.

Выполнение лопастей с перекрытием друг друга в горизонтальной плоскости позволяет уменьшить сопротивление движению холостой ветви конвейера.

В случае признания заявки изобретением прошу на основании Закона присвоить изобретению имя автора.

Использование: в гидроэнергетике, а более конкретно в гидроэлектростанциях, использующих энергию крупных и малых равнинных рек, придонных морских течений, а также магистральных и др. каналов. Сущность изобретения: в погруженном в воду корпусе установлен цепной лопастной конвейер, огибающий вертикально расположенные звездочки и кинематически связанный с электрогенератором, при этом каждая лопасть конвейера выполнена в виде поворотной вокруг горизонтальной оси заслонки, причем ось прикреплена к лопасти симметрично с образованием двух частей, одна из которых тяжелее другой, а расстояние между осями соседних лопастей выполнено меньшим, чем длина лопасти. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Потоковая гидроэлектростанция, содержащая погруженный в воду корпус и установленный в нем рабочий орган, выполненный в виде цепного лопастного конвейера, огибающего вертикально расположенные звездочки и кинематически связанного с электрогенератором, отличающаяся тем, что каждая лопасть конвейера выполнена в виде поворотной вокруг горизонтальной оси заслонки, при этом ось прикреплена к лопасти симметрично с образованием двух частей, одна из которых выполнена тяжелее другой. 2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между осями соседних лопастей выполнено меньшим, чем длина лопасти.