БЕСПЛОТИННАЯ ВСЕСЕЗОННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2001 года по МПК F03B17/06 F03B13/10 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности, к гидроэлектростанциям, которые могут быть установлены в самотечном потоке воды на различной глубине и работать в любое время года.

Имеется группа гидроэнергетических установок, где принцип преобразования свободного течения воды во вращательное движение гидроагрегата осуществляется или за счет создания динамической нагрузки скоростным напором на лопасть в рабочей части потока и поднятия ее из воды, или складывания во встречной, или при помощи устройств отсекания встречного потока от другой части лопасти, или при помощи фигурных лопастей разного профиля, или фигурных лопастей пропеллерного типа. Улучшение показателей, повышение КПД осуществляется за счет оптимизации самой конструкции лопасти, механизмов передачи энергии, расположения по отношению к потоку, применения современных материалов и. т.п. Но главные основные усилия конструкторов сводятся к тому, чтобы увеличивая лопасть под воздействием в потоке, а в некоторых гидроагрегатах часть лопасти, добиться чтобы она максимально работала, а другая лопасть или часть лопасти не мешала работе. Решение этой задачи осуществляется посредством известных:
- водяных колес, убирающих лопасть со встречного потока путем поднятия ее из воды;
- водяного колеса (заявка Великобритании N 2048391, 1979 г.), заглубленного в воду, у которого V-образные лопасти, расположенные внутри колеса, при вращении перемещаются по направляющим, увеличивая или уменьшая сопротивление потоку, за счет чего достигается его вращение;
- "редуцированного" водяного колеса-транспортера, убирающего лопасти путем поднятия их из воды или складывания на встречном потоке посредством специальных устройств или самоскладывания как, к примеру, мягкие купола парашютов (патент США N 3867817, 1975 г.);
- имеется ряд устройств, где трос с закрепленными на нем фигурными лопастями опускается в воду вдоль потока или поперек и за счет его раскручивания снимается энергия на берегу или на плавающем средстве (особенно большую группу здесь дал изобретатель В.С. Блинов);
- имеются различные русловые гидроагрегаты, где концентрируют поток через камеру и пропускают его на рабочую часть фигурной лопасти, для другой же части встречный поток отсекается за счет перекрытия части камеры специальными устройствами;
- имеется ряд гидроагрегатов с вертикальной осью вращения, как лопастной ротор Дарье, или использующие простейшую конструкцию цилиндра, как в роторе Савониуса.

Общими недостатками известных устройств является то, что они при своих сравнительно больших общих размерах не берут всю энергию текущей воды, с которой соприкасаются (воздействуют), имеют низкий КПД. Увеличение же площади рабочей лопасти не пропорционально увеличивает общий размер конструкции, ее вес, расход материалов, прочностные расчеты. Некоторые преимущества показывают "редуцированные" водяные колеса на мягкой основе, могущие работать и в толще воды, и при некоторых усовершенствованиях выдавать энергию и из-подо льда. Но и они имеют ряд существенных недостатков. Увеличение количества лопастей в потоке не увеличивает заметно мощность ГЭС, так как, чтобы каждая лопасть получила максимально возможную энергию, необходимо увеличить расстояние между ними для исключения взаимного влияния, а с увеличением расстояния между лопастями не только растут общая длина мягкого "водяного колеса", расход материалов, но и увеличивается общее сопротивление движению, падает КПД. Также, чем длиннее подобное мягкое сравнительно легкое "водяное колесо" или трос с гирляндой фигурных лопастей, тем они больше боятся возмущений потока, возникновения нежелательных колебаний, тем более они являются как бы ременной передачей шкива - рабочего колеса гидроагрегата. Мягкая основа требует сравнительно сложных узлов крепления лопасти к ней. Они не могут быть долговечными, требуют постоянного контроля, технического обслуживания и регулировки, следовательно, не могут стать основой для получения стабильной энергии для промышленных нужд. Водяные колеса же жесткой конструкции имеют надежную, прочную лопасть, но в силу поднятия лопасти наружу не могут работать постоянно - ледостав, ледоход на подавляющем большинстве рек их остановят.

Заглубленные же гидроагрегаты с жесткими пропеллерными, радиально-осевыми турбинами и им подобные для реализации аэродинамического эффекта просят большую скорость течения (V), чем дает самотечный поток воды, и сам принцип работы у них заложен от напорных турбин или ветряков. Они, как бы, от них отпочковались. К тому же, эта группа не может рассматриваться для получения электроэнергии промышленного значения с самотечного потока на реках из-за малых там глубин, а взаимодействие с потоком по ширине и длине у них отсутствует. Их преимущество перед другими гидроагрегатами, особенно типа, "тяговых" на мягкой основе, имея большую скорость вращения турбины, иметь меньшее передаточное число в мультипликаторе для раскрутки вала электрогенератора становится не столь существенным. А без редуцирования в самотечном потоке и им, как правило, не обойтись. Их "аэродинамический" эффект тесно связан со скоростью течения и весом турбины - чем меньше скорость, тем меньше просит веса, следовательно меньше на выходе мощность. Или, чтобы увеличить скорость вращения турбины вынуждены уменьшать ее вес, а за счет применения современных материалов, хотя и найдешь оптимальный вариант, заметно мощность не увеличить.

В этом ряду особо следует остановиться на так называемой "геликондной турбине со спиральными лопастями" американского изобретателя А. Горлова (Газета "Известия" за 30.04.1998 г.). Наглядно видно с каким трудом он пытается решить эти противоречия. Во Флоридском течение при V ≈ 2 м/сек на громадной платформе вынуждены закреплять 50 тысяч облегченных турбин малюток (l = 0,84 м, d = 1,0 м, вес = 35 кг, N - 2,7 кВ) способных вращаться в 2-3 раза быстрее скорости потока (?!). Если учесть, что к ним потребуется 50 тыс. электрогенераторов и выводов от них на единый пульт, то можно удивляться дороговизне проекта при сложности его тех. обслуживания. Проект вызывает сомнение в практичности, хотя в отличие от неудачного внедрения здесь же ротора Стильмана "тягового типа" (с парашютами) - это создание антипода-турбины, работающей на принципе только аэродинамического эффекта. Следует учесть, что ротор Стильмана мог бы работать и при V_п = 1,0 м/сек и даже менее, а Горлова навряд ли - он любит скорость, как ветряк. Тот и другой не могут быть универсальными, т. к. каждый работает только на своем принципе, резко отличающемся друг от друга, и стоят на разных полюсах.

Вывод: будущность имеют заглубленные гидроагрегаты, имеющие жесткую конструкцию с жесткой криволинейной подвижной лопастью, приближенной по площади к "тяговым" настолько насколько позволяют прочностные расчеты. Взаимодействие потока с лопастью (ми) и его прохождение через устройство, включая и опору, учитывает действующие силы по принципу "аэродинамических" в пользу работы лопасти. То есть, тот и другой принцип должен присутствовать, создавая оптимальные условия работы лопасти. Но, все таки, главным должен быть "тяговый", так как самотечный поток воды не имеет тех скоростей течения, где "аэродинамический" фактор может проявить себя в полную меру.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является выбранное в качестве прототипа устройство названное "Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция Г.И. Озерова", (патент N 1836586 зарегестрирован в Государственном реестре изобретений СССР 13.10.1992 г.), у которой вертикальный корпус разделен на барабаны и установлен на опоре с возможностью вращения взаимодействием роликов с круглыми направляющими, связанными с наружными поворотными ступенчато открывающимися лопастями, оси вращения которых смещены относительно друг друга на одинаковый угол. Основной и резервный электрогенераторы закреплены на опоре и связаны с корпусом и зубчатым колесом механической передачей. Внутренняя часть корпуса снабжена решетками, являющимися продолжением наружных поворотных лопастей, и неподвижными внутренними лопастями, выполненными из свободно закрепленных створок, опирающихся на решетку. Наружные лопасти установлены с обеспечением перекрытия внутренних лопастей в нерабочем положении и их более раннего вступления в работу.

Целью изобретения является увеличение мощности Бесплотинной Всесезонной ГЭС (БВГЭС) за счет вовлечения в работу отсекаемой половины потока, так называемой встречной ветви, дополнительными лопастями, а также равномерного распределения нагрузки на опору и сам ротор за счет приложения действующих сил на конструкцию со всех сторон.

Указанная цель достигается тем, что ротор вместо вращения на вертикальной опоре по внутренним и внешним круглым направляющим, как в прототипе, в заявляемом устройстве вращается на подшипниках центрального вала, который увязан с клетью, несущей здесь основную роль опоры изделия, на которой выполняется только внешняя круглая направляющая для роликов, если это просят прочностные расчеты в иных конструкциях. За счет центрального вала и клети удерживаются четыре или шесть (по кругу) вращающихся рамы, на концах которых имеются дополнительные поворачивающиеся на своих осях лопасти, работающие на встречной ветви потока по принципу флюгера, а передающееся от них усилие в другую от вращения барабанов сторону через устройство передачи обратного вращения, дается в едином направлении.

В заявляемом устройстве сохраняется очередность и принцип работы внутренней створчатой и внешней подвижной ступенчатой лопастей прототипа, но к раскручиванию вала электрогенератора добавляется дополнительная сила, получаемая за счет дополнительной, так называемой, флюгерной лопасти (третьей по виду), работающей на встречной ветви потока и вращающейся навстречу вращения барабанов с теми двумя лопастями (внутренней и внешней). Раскрутка вала электрогенератора той и другой силой в едином направлением обеспечивается устройством передачи обратного вращения.

Ось флюгерной лопасти вынесена на раме за конец подвижной ступенчатой лопасти, где она могла бы свободно рыскать, как флюгер, но за счет простейших ограничителей и упоров вынуждена занимать оптимальное положение на точках круга. Рассмотрим ее работу на фиг. 2. Примем, что поток подходит к точке А₁, флюгерная лопасть настроена производить работу, вращаясь по ходу часовой стрелки, ступенчатая со створчатой против. Определим действующие силы, как определяли подвижной ступенчатой в прототипе.

Рабочий участок флюгерной лопасти A₁, B₁, C₁. Наибольшая проекция площади лопасти (S_л) в точке В₁. На участке A₁, B₁ растет проекция площади лопасти настолько, насколько она у другой убывает на участке В₁, C₁. Следовательно ее силу, получаемую как S_л от сопротивления потоку, определим по формуле R_л.ф= C_x•ρ•S_лV²/2, где C_x - безразмерный коэффициент, ρ - плотность воды, т/м³. Участок C₁, D₁, A₁ флюгерная лопасть проходит во флюгерном положении и ее сопротивление потоку определим по формуле силы сопротивления трению R_тр= C_тр•ρ•2S_л•V²/2 (2S_л берем потому, что трение происходит с двух сторон лопасти. Примем обе стороны с одинаковым C_тр, т.к. насколько выгнутая сторона более обтекаемая чем пластины, настолько вогнутая менее). Во сколько раз сила флюгерной лопасти в рабочей части потока больше противоположной силы от ее трения определится в соотношении C_х/2C_тр. Зная, что у пластины C_х = 1,28 вправе ждать у криволинейной лопасти C_х, не менее 1,4, и если С_тр для "сталь крашеная" = 0,013-0,017, то видим, что при любых S_л и V_п будет R_л.ф. больше R_тр в сорок раз. Сила лобового сопротивления флюгерной лопасти на участке C₁, D₁, A₁, будет также незначительной и ее можно определить по этой же формуле, приняв проекцию оси лопасти на поток за S.

Четыре или шесть рам (в зависимости от размеров конструкции и V_п), несущие флюгерные лопасти, охватывают барабаны, прототипа сверху и снизу, а крепятся на одном валу с ними за счет своих подшипников, обоймы которых позволяют им вращаться в другом направлении. Но вверху к муфте этого подшипника рама флюгерной лопасти присоединяется через зубчатое рабочее колесо с внутренней нарезкой, которое является частью устройства преобразования вращения в едином направлении (фиг. 5).

Оценочные расчеты показывают, что прибавка в конструкцию БВГЭС флюгерной лопасти, берущей силу со встречной ветви потока принесет следующие положительные результаты:
1. Не дает свободно сбрасываться на другую сторону ротора, в, так называемую, встречную ветвь более 50% потока, в расчете на общую площадь конструкции. (Здесь не было препятствия, потому считаем более 50% уходило потока в сторону).

2. Увеличит суммарную лопасть под нагрузкой на 35-40%, следовательно настолько и КПД.

3. Обеспечит равномерную нагрузку на клеть БВГЭС и ротор.

4. Позволит не в ущерб равномерного вращения выполнить ротор на один барабан меньше.

(Натурные испытания БВГЭС, состоящего из трех барабанов (фиг. 6) на "Водном полигоне" отводящего канала Ириклинской ГРЭС при V_п = 1,2 м/сек подтвердили эти расчеты. Конструкция показала КПД = 0,65).

Устройство, действие, подтверждение возможности осуществления изобретения, названное "Бесплотинная Всесезонная Гидроэлектростанция" (БВГЭС), состоящей из двух барабанов с внутренними створчатыми лопастями и подвижными ступенчатыми работающими на одной ветви потока и флюгерными работающими на другой, поясняется с помощью следующих чертежей, схем и фотографии.

На фиг. 1, 2 даны фронтальная и горизонтальная проекция БВГЭС (соответственно). На фиг. 3 - БВГЭС в аксономатрическом изображении. На фиг. 4 показано взаимодействие лопастей с мультипликатором и устройством передачи обратного вращения. На фиг. 5 изображено устройство передачи обратного вращения в разрезе. На фиг. 6 дана фотография БВГЭС перед спуском в гнездо "Катамарана" для натурных испытаний в потоке.

БВГЭС содержит клеть 1, на которой посредством центрального вала 2 закрепляется ротор 3 с мультипликатором 4 и электрогенератором 5. Ротор 3 для работы с одной стороны потока имеет лопасть внутреннюю створчатую 6 и наружную поворотную ступенчатую лопасть 7, на концах ступеней которой выполнены карманы 8 для более быстрого поднятия их потоком в рабочее состояние. Оси ступенчатых поворотных лопастей 7 образуют остов цилиндра 9, который особо вырисовывается если все поворотные ступени приложить на остов. Цилиндр 9 разбит на барабаны 10, каждый из которых по окружности может иметь четыре или шесть (в зависимости от размеров конструкции и V_п) ступенчатых наружных лопастей 7 и створчатых внутренних 6 (Рассматриваем конструкцию с двумя барабанами и четырьмя лопастями по окружности). Конструктивно барабаны 10 могут изготовляться отдельно друг от друга и затем скрепляться образуя цилиндр 9, а для равномерного вращения ротора 3 оси лопастей у барабанов смещаются на угол равный 360^o, деленные на количество осей. Барабаны 10 могут образовываться и делением единого остова цилиндра 10 перемещением на нем осей лопастей на расчетный угол. В этом случае оси барабанов являются сквозными на всю высоту цилиндра 9, что дает ему дополнительную прочность. (Вариант определится габаритами БВГЭС и прочностными расчетами). Цилиндр 9 крепится на центральном валу 2 на опорных подшипниках 11.

Над и под цилиндром 9, на центральном валу 2, на подшипниках качения 12 крепится рама 13, на концах которой выполнена флюгерная лопасть 14. Количество их (по окружности) может быть четыре или шесть, что зависит от диаметра ротора 3 и V_п. В некоторых конструкциях, особенно под равнинные реки, рама 13 с флюгерными лопастями 14 может выполняться под каждый барабан 10, что усложнит конструкцию, но даст более равномерное вращение ротору 3, также за счет перемещения их осей. Для прочности все рамы 13 увязываются вверху и внизу жесткой стяжкой.

Флюгерная лопасть 14 за счет простейших приспособлений (на схемах не показано) на встречной ветви потока для наружной поворотной ступенчатой 7 и внутренней створчатой 6, где они вынуждены выходить из работы, ложится на раму 13, принимая нагрузку от потока (фиг. 2, точка B, наибольшая проекция ее на поток), а на рабочей ветви для тех лопастей 6, 7, отключается от работы, принимая флюгерное положение (наименьшее лобовое сопротивление имеет в точке D₁). Для исключения задевания ступенчатой 7 и флюгерной 14 лопастей друг за друга при встречном вращении по кругу последняя выполняется на 10% уже расстояния от остова цилиндра 10 до оси флюгерной лопасти 14. В то же время следует отметить, что некоторое задевание друг за друга можно допустить, так как оно будет происходить в воде в форме скольжения, а не удара, при относительно малых скоростях, по лопастям свободно вращающимся на своих осях, и это задевание будет помогать друг другу занять оптимальное положение в данный момент движения по кругу. Конструктивно можно, усилив точки соприкосновения лопастей, увеличить S_л флюгерной 14.

Для увеличения коэффициента C_x флюгерная лопасть 14 выполняется, как и лопасти в прототипе, изогнутая радиусом цилиндра 10. В изделиях, где рама 13 увеличила диаметр ротора 3 настолько, что конструкция просит усиления, выполняется устройство, как и в прототипе: ротор 3 подвешивается вверху и опирается внизу роликами на круглую направляющую. (В испытываемой БВГЭС (фиг. 6) рама 13 с разнесенными осями флюгерных лопастей 14 на расстояние 3,4 м подвешивается на круглой направляющей только верх).

Редуцирование вращения происходит за счет известного мультипликатора 4 добавленного устройством передачи обратного вращения, которое состоит из наружной обоймы подшипника качения 12, которое не только удерживает раму 13 флюгерной лопасти 14 на центральном валу 2 внизу и вверху, а и позволяет ей вращаться в обратном направлении от вращения вала, который раскручивается лопастями прототипа 6, 7. Вверху рама 13 крепится к обойме подшипника качения 12 через зубчатое рабочее колесо с обратной нарезкой 16, которая передает свое вращение основной шестерни 17, Этой же основной шестерни 17 передается вращение в этом же направлении и от шестерни центрального вала 18. На оси основной шестерни 17 закреплена промежуточная шестерня мультипликатора 19, с которой через шестерню 20 раскручивается вал электрогенератора. Разная скорость вращения флюгерных лопастей 14 и ступенчатых 7 из-за хождения по окружностям с разным диаметром учитывается при проектировании мультипликатора, по известным законам механики, в пользу наименьших потерь, при редуцировании.

Рассмотрим взаимодействие частей и механизмов БВГЭС. Поток, подойдя к конструкции со стороны точки A, разбивается на две ветви. На правой ветви карман 8 первой ступени лопасти 7, подойдя к точке A поднимает ее, дав возможность внутренней створчатой 6 занять рабочее положение. Если она заневолена с первой ступенью, то примет поток вместе с ней, а если свободно подвешена, порыскав в тубулентном течении, займет оптимальное положение у точки D. Поднявшаяся вторая ступень образует с внутренней общую лопасть равную по длине примерно двум радиусам цилидра 9. Ее наибольшая проекция на поток будет в точке D. Далее на участке DC ее проекция будет убывать настолько, насколько расти у другой на участке AD. Общая лопасть вращает центральный вал 2 ротора 3 против хода часовой стрелки и через свою шестерню 18 передает усилие, на основную шестерню 17.

Как разобрали выше аналогично взаимодействует с потоком и флюгерная лопасть 14. Ее усилия через зубчатое рабочее колесо с обратной нарезкой 16 приложатся к вращению основной шестерни 17 в едином направлении, а оно придет к валу электрогенератора через другие шестерни мультипликатора. Конструкции с частями и механизмами, как круглых направляющих под ролики, мультипликатора, электрогенератора.

Источники информации
1. Плащев А.В., Чекмаров В.А. Гидрография СССР. Л., 1978 г.

2. Реки и озера Советского Союза (справочные данные). Государственный гидрологический институт. Л., 1971 г.

3. Государственный водный кадастр. Бассейны Оби. Л., 1984 г.

4. Галахов В.А. Расчет и анализ водноледового баланса центрального Алтая (на примере Катунского хребта). Автореферат. М., 1981 г.

5. Скоцеляс И. И. Внутригодовое распределение стока рек горного Алтая. Автореферат. Л., 1975 г.

6. Губин Ф.Ф. Гидроэлектрические станции. М., 1972 г.

7. Ильиных И.И. Гидроэлектростанции. М., 1982 г.

8. Берштейн Л.Б. Приливные электростанции. Л., 1961 г.

9. Технико-экономические показатели малых ГЭС с прямоточным гидроагрегатом. Пер. с англ. Л., 1984 г.

10. Конструкция и эксплуатация гидростанций на Роне. Малые гидроцентрали повторного использования. Пер. с ранц. Л., 1985 г.

11. Гидравлические миниэлектростанции и перспективы их применения. Пер. с исп. Л., 1985 г.

12. Авторские свидетельства, патенты фонда Патентной библиотеки (Бережковская набережная, 24) по МКИ по наличию на 1990 г.

13. Газета "Известия" за 30.04.1998 г.

Гидроэлектростанция предназначена для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию в любое время года. Устройство содержит заглубленный в поток вертикальный корпус ротора, разделенный на барабаны со смещенными по окружности лопастями для равномерной работы. Лопастей имеется три вида: внутренние створчатые, поворотные ступенчатые и флюгерные. Последние вращаются в обратном направлении от барабанов, так как работают на встречной ветви потока. Передача вращения в едином направлении осуществляется за счет устройства, увязанного с центральным валом ротора и мультипликатором. Все части и механизмы закрепляются в клети, которая является основой крепления конструкции в потоке. Гидроэлектростанция позволяет увеличить мощность и может быть установлена в потоке воды на различной глубине. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция, содержащая вертикальный корпус, разделенный на барабаны и установленный на опоре с возможностью вращения посредством взаимодействия роликов с круглыми направляющими, связанными с наружными поворотными ступенчатооткрывающимися лопастями, оси вращения которых смещены относительно друг друга на одинаковый угол и имеющих продолжение внутрь барабана за счет свободно закрепленных створок, причем наружные поворотные лопасти установлены с обеспечением перекрытия внутренних лопастей на встречной ветви потока и их более раннее привлечение под нагрузку в рабочей ветви потока, основной и резервный электрогенераторы закреплены на опоре и связаны с корпусом и зубчатым колесом посредством механической передачи, отличающаяся тем, что для снятия энергии со встречной ветви потока на корпусе ротора выполнены свободно вращающиеся лопасти, работающие по принципу флюгера, которые закреплены на концах рам, охватывающих ротор сверху и снизу, а вращение их по округу, в обратном направлении от барабанов, осуществляется на подшипниках качения насаженных на центральном валу ротора. 2. Гидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что центральный вал ротора закрепляется посредством опорных подшипников в клети, которая является основой крепления всей конструкции с частями и механизмами, как круглых направляющих под ролики, мультипликатора, электрогенератора. 3. Гидроэлектростанция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что механическая передача, посредством которой раскручивается вал электрогенератора, снабжена устройством передачи обратного направления вращения, которое включает подшипники качения с муфтой на центральном валу ротора, зубчатое рабочее колесо жестко скрепленного с рамами флюгерных лопастей, с которого посредством основной шестерни передается направление вращения в единую сторону с шестерней центрального вала.