УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ РЕЧНОГО ПОТОКА Российский патент 2002 года по МПК F03B7/00 F03B13/00 F03B17/06 

Изобретение относится к области гидроэнергетики, а более точно к гидроэлектростанциям.

Известно устройство для использования энергии речного потока, содержащее корпус в виде плавучего основания на реке с гидроагрегатом, включающим горизонтальный вал с рабочим органом в виде лопастей, перпендикулярных валу, который соединен с генератором электроэнергии (см. описание изобретения по а.с. СССР 1513176, F 03 В 7/06 от 15.12.1988).

Указанное устройство не позволяет создавать большой вращающий момент на валу рабочего органа из-за возникновения опрокидывающей водной и ветровой нагрузки на плавучее основание при увеличении длины рабочих лопастей, что существенно ограничивает использование имеющейся кинетической энергии естественного потока воды реки для получения электроэнергии.

Известно устройство для использования энергии речного потока, наиболее близкое к предложенному изобретению, содержащее корпус, выполненный в виде бетонированного берега, и установленный в нем гидроагрегат, турбина которого выполнена с вертикальным валом и лопастями, сориентированными в вертикальной плоскости с возможностью выступания за тело корпуса, а вал соединен с электрогенератором посредством муфты (см. патент Российской Федерации 2020260 C1, МПК 7 F 03 В 7/00 от 30.09.1994).

Существенным недостатком указанного устройства является малый охват вод реки как по ее ширине, так и по протяженности процессом преобразования их кинетической энергии в электрическую, что ограничивает количество электроэнергии, которое можно получить на реке при его применении. Это связано с тем, что с помощью такого устройства возможно использование энергии лишь прибрежных вод, которая меньше энергии вод реки, протекающих ближе к фарватеру. При этом устройство не обеспечивает какого-либо увеличения напора и скорости течения воды, движущейся вдоль его корпуса по сравнению с естественным, что ограничивает мощность электростанции. Кроме того, работа турбины в бетонированном береге приводит к вращению воды, заполняющей нишу корпуса, и значительной турбулизации ее потока в рабочей зоне лопастей, особенно если они удлиненные, что ухудшает гидродинамические характеристики работы турбины и снижает мощность электростанции, которая могла бы быть при имеющемся напоре воды, протекающей вдоль корпуса.

Задачей предложенного изобретения является повышение охвата вод реки процессом преобразования их кинетической энергии в электрическую для увеличения получения электроэнергии на реке.

Поставленная задача решается устройством для использования энергии речного потока, содержащим корпус с гидроагрегатом, турбина которого выполнена с вертикальным валом и лопастями, сориентированными в вертикальной плоскости с возможностью выступания за тело корпуса, отличающимся тем, что согласно изобретению корпус выполнен в виде протяженной вдоль реки плотины с поперечными проемами, в которых установлены гидроагрегаты, причем их вертикальные валы смещены относительно продольной оси плотины с возможностью контакта поверхности рабочих лопастей с потоком воды при их вращении в попутном с ним направлении и их закрытия телом плотины при встречном направлении вращения, а вал соединен с электрогенератором посредством повышающего редуктора.

Желательно, чтобы плотина была выполнена в виде гребенки из нескольких параллельных плотин, расположенных вдоль реки.

Целесообразно, чтобы лопасти были соединены с валом гидроагрегата посредством горизонтальных рычагов с вертикальными шарнирами и ограничителями поворота лопастей с возможностью перегиба при направлении их вращения навстречу потоку воды и выпрямления при попутном ему направлении вращения.

Существенными признаками изобретения являются выполнение корпуса в виде протяженной вдоль реки плотины с поперечными проемами; установка в поперечных проемах гидроагрегатов; выполнение вертикальных валов гидроагрегатов смещенными относительно продольной оси протяженной вдоль реки плотины с возможностью контакта поверхности рабочих лопастей с потоком воды при их вращении в попутном с ним направлении и их закрытия телом плотины при встречном направлении вращения; соединение вала гидроагрегата с электрогенератором посредством повышающего редуктора.

Указанные существенные признаки являются отличительными признаками изобретения и в свой совокупности повышают динамические параметры - напор и скорость естественного потока вод реки за счет обтекания неразрывной струи воды протяженной вдоль реки плотины с установленными в ее проемах гидроагрегатами, рабочие лопасти которых выступают за тело корпуса плотины. Это обеспечивает увеличение оборотов, вращающего момента и мощности на валах гидроагрегатов, преобразуемых в высокие обороты электрогенераторов посредством повышающих редукторов. Причем выполнение корпуса в виде плотины, протяженной вдоль реки, с размещением в ее проемах гидроагрегатов и благодаря этому возможность размещения их практически на любом участке русла реки как по ее протяженности, так и по ширине позволяет наиболее эффективно использовать кинетическую энергию потока воды реки для преобразования в электрическую. Это обеспечивает увеличение охвата вод реки процессом преобразования их кинетической энергии в электрическую при повышенном отборе энергии воды гидроагрегатами для увеличения получения электроэнергии на реке.

При этом выполнение плотины в виде гребенки из нескольких параллельных плотин, расположенных вдоль реки, дополнительно повышает динамические параметры - напор и скорость естественного потока воды, протекающего вдоль нее, и увеличивает охват вод реки процессом преобразования их кинетической энергии в электрическую.

Кроме того, соединение рабочих лопастей с валом гидроагрегата посредством горизонтальных рычагов с вертикальным шарниром и ограничителями поворота лопастей с возможностью перегиба при направлении их вращения навстречу потоку воды и выпрямления при попутном ему направлении вращения снижает непроизводительные гидравлические сопротивления при вращении турбины и позволяет использовать удлиненные лопасти, что увеличивает вращающий момент на валу гидроагрегата и мощность электростанции, дополнительно повышая охват вод реки процессом преобразования их кинетической энергии в электрическую.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг.1 - схематичное расположение гидроэлектроагрегата в плотине, вид спереди в разрезе; на фиг.2 - гидроагрегат, вид сверху.

На чертежах показаны: берег реки 1; плотина 2 с поперечными проемами 3; турбина гидроагрегата с рабочими лопастями 4 на горизонтальных рычагах 5, установленных на вертикальном валу 6, шарнирами 7 и ограничителями 8 поворота лопастей; уплотнения 9, радиальные подшипники 10 и упорные подшипники 11 на вертикальном валу; повышающий редуктор 12 с большой ведущей шестерней 13, связанной с вертикальным валом гидроагрегата, и малой ведомой шестерней 14, связанной с валом ротора электрогенератора 15; защитный кожух 16, закрывающий электрогенератор и редуктор; монтажные втулки 17.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Вдоль реки, желательно на участке фарватера с наибольшей скоростью течения воды, сооружают плотину 2 из железобетонных или металлических конструкций с поперечными проемами 3.

В поперечных проемах 3 плотины 2 устанавливают турбины гидроагрегатов с рабочими лопастями 4 на горизонтальных рычагах 5, связанных с вертикальным валом 6.

При этом вертикальные валы 6 турбин смещены относительно продольной оси плотины 2 с возможностью контакта сориентированных в вертикальной плоскости поверхностей рабочих лопастей 4 с потоком воды, протекающим вдоль плотины, при их вращении в попутном с ним направлении и их закрытия телом плотины при встречном направлении вращения.

Горизонтальные рычаги 5 снабжены шарнирами 7 и ограничителями 8 поворота лопастей 4 для возможности перегиба при их вращении в направлении навстречу естественному потоку воды в реке и выпрямления при попутном ему направлении вращения. Вертикальный вал 6 установлен в плотине 2 на радиальных подшипниках 10 и упорных подшипниках 11, которые закрыты уплотнениями 9, предотвращающими попадание воды в подшипники 10 и 11.

Вертикальный вал 6 соединяют с электрогенератором 15 через повышающий редуктор 12. Для защиты электрогенератора 15 и редуктора 12 их закрывают кожухом 16. Для облегчения монтажа и демонтажа предварительно собранного гидроагрегата в плотине 2 используют монтажные втулки 17.

Для более плавного перегиба и выпрямления рабочих лопастей 4 на горизонтальных рычагах 5 при их вращении желательно на шарнирах 7 устанавливать специальные пружинные амортизаторы с фиксаторами (не показаны). Форма рабочих лопастей может быть вертикально-плоской, плоско-изогнутой или чашечной.

Описанное устройство работает следующим образом. Естественный поток воды в реке, обтекая с боковых сторон протяженную плотину 2, из поперечных проемов 3 которой выступают сориентированные в вертикальной плоскости рабочие лопасти 4, по условию неразрывности струи увеличивает скорость своего течения и сосредотачивает свой напор вдоль всего корпуса плотины 2. Этот напор воды вращает рабочие лопасти 4 с горизонтальными рычагами 5 и соединенный с ними вертикальный вал 6 гидроагрегата. При этом вращающий момент, создаваемый на вертикальном валу 6 гидроагрегата рабочими лопастями 4 с рычагами 5, через повышающий редуктор 12 обеспечивает высокие обороты вала ротора электрогенератора 15, вырабатывающего электроэнергию.

Важным для получения большого вращающего момента на валу 6 гидроагрегата является то, что горизонтальные рычаги, погруженные в воду, при своем вращении в направлении против течения реки почти не испытывают напора воды, так как вместе с рабочими лопастями 4, поворачивающимися на шарнирах 7, оказываются закрытыми от него корпусом плотины 2. Это позволяет использовать удлиненные рабочие лопасти 4.

Подводное расположение гидроагрегатов и закрытие электрогенератора 15, редуктора 12 и другого вспомогательного оборудования герметичным защитным кожухом 16 позволяет электростанции работать в условиях ее затопления, например в период весеннего наводнения, или под толщей льда, т.е. круглый год.

Промышленное использование предложенного устройства позволяет увеличить получение электроэнергии на реке путем повышения охвата вод реки процессом преобразования их кинетической энергии в электрическую за счет повышения динамических параметров естественного потока воды реки при возможности установки практически неограниченного количества упомянутых гидроагрегатов на плотине, сооружаемой вдоль реки на всей ее акватории, как по протяженности, так и по ширине, создания при этом максимального контакта рабочих лопастей гидроагрегатов с потоком воды в реке и увеличения вращающего момента на валу каждого гидроагрегата через горизонтальные рычаги рабочих лопастей.

Использование устройства не препятствует судоходству и проходу рыбы по реке. Большим преимуществом устройства является то, что оно может сооружаться поэтапно путем наращивания длины плотины с установкой гидроэлектроагрегатов в ее проемах, что позволяет получать электроэнергию с момента установки первого агрегата и увеличивать ее производство по мере продолжения строительства, а в итоге получать неограниченное количество электроэнергии от неисчерпаемого источника.

Устройство предназначено для преобразования энергии речного потока в электрическую. Устройство содержит корпус с гидроагрегатом, турбина которого выполнена с вертикальным валом и лопастями, сориентированными в вертикальной плоскости с возможностью выступания за тело корпуса, и электрогенератор. Корпус выполнен в виде протяженной вдоль реки плотины с поперечными проемами, в которых установлены гидроагрегаты. Вертикальные валы последних смещены относительно продольной оси плотины с возможностью контакта поверхности рабочих лопастей с потоком воды при их вращении в попутном с ним направлении и их закрытия телом плотины при встречном направлении вращения, а вал соединен с электрогенератором посредством повышающего редуктора. Конструкция устройства позволяет получать электроэнергию с момента установки первого агрегата и увеличивать ее производство по мере продолжения строительства плотины. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для использования энергии речного потока, содержащее корпус с гидроагрегатом, турбина которого выполнена с вертикальным валом и лопастями, сориентированными в вертикальной плоскости с возможностью выступания за тело корпуса, и электрогенератор, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде протяженной вдоль реки плотины с поперечными проемами, в которых установлены гидроагрегаты, причем их вертикальные валы смещены относительно продольной оси плотины с возможностью контакта поверхности рабочих лопастей с потоком воды при их вращении в попутном с ним направлении и их закрытия телом плотины при встречном направлении вращения, а вал соединен с электрогенератором посредством повышающего редуктора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что плотина выполнена в виде гребенки из нескольких параллельных плотин, расположенных вдоль реки. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что лопасти соединены с валом гидроагрегата посредством горизонтальных рычагов с вертикальными шарнирами и ограничителями поворота лопастей с возможностью перегиба при направлении их вращения навстречу потоку воды и выпрямления при попутном ему направлении вращения.