БЕСПЛОТИННАЯ ВСЕСЕЗОННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2004 года по МПК F03B9/00 F03B17/06 

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.

Предлагаемые изобретателями гидроэнергетические установки, преобразующие свободное течение воды во вращательное движение вала электрогенератора, по принципу снятия энергии с самотечного потока, можно условно разделить на два основных типа: аэродинамические, у которых турбина раскручивается фигурными крыльчатыми лопастями, использующими аэродинамический эффект, как, к примеру, у пропеллерных ветряков, и тяговые, работу которых упрощенно можно сравнить с работой паруса.

К аэродинамическим можно отнести: лопастной ротор Дарье с вертикальной осью вращения; ряд устройств изобретателя В.Блинова, у которых фигурные лопасти, закрепленные на тросу, опускаются вдоль или поперек потока и за счет раскручивания троса раскручивается вал электрогенератора (имеется более 10 патентов); "донная электростанция" Г.Гинкулова (РФ пат.№2163691, бюл. №6, 2001), у которой гирлянда гидротурбин, закрепленных на параболических тросах, раскручивают их и за счет этого раскручиваются электрогенераторы на том и другом берегу; облегченная геликоидная турбина со спиральными лопастями американского изобретателя А.Горлова (газета "Известия" за 30.04.1998), которую он предложил использовать во Флоридском течении, и др.

К тяговым можно отнести: старинное водяное колесо, у которого часть лопастей поднимается со встречной ветви потока на воздух, чтобы не мешали работе лопасти под нагрузкой в воде; "редуцированные" водяные колеса на замкнутой ленте или тросе типа транспортера, у которых лопасти поднимаются из воды или складываются на встречной ветви потока посредством специальных устройств, или самоскладываются, как, к примеру, купола парашютов у гидроагрегата Г. Стильмана (США, пат.№3867817, 1975); заглубленное водяное колесо, у которого V-образные лопасти, расположенные внутри колеса, при вращении перемещаются по направляющим, увеличивая или уменьшая сопротивление потоку, за счет чего достигается его вращение (Великобритания, пат.№2048391, 1979); ряд гидроагрегатов с вертикальной осью вращения, приближенные к простейшей конструкции цилиндра, как и ротор Савониуса. К примеру "Бесплотинная всесезонная ГЭС" автора подаваемой заявки (РФ, пат.№2171912, бюл. №32, 2001) и др.

Общими недостатками этих известных устройств является то, что они не берут всю энергию текущей воды, с которой соприкасаются (воздействуют). Часть ее уходит по пути наименьшего сопротивления, обтекая конструкцию, а та часть, которая воздействует на рабочую лопасть ротора, производит работу неконцентрированной силой, потому они имеют низкий КПД.

Заглубленные гидроагрегаты с пропеллерными, радиально-осевыми турбинами и им подобные для реализации аэродинамического эффекта требуют большую скорость течения (V_п), чем дает им самотечный поток в реках. Принцип работы у них заложен от ветряков или напорных турбин, для которых вода разгоняется за счет перепада высот. Здесь же, чтобы увеличить скорость вращения турбины, вынуждены уменьшать ее вес, следовательно, и мощность, а за счет применения современных материалов хотя и можно найти оптимальное решение, но ощутимого успеха не добиться. Это наглядно подтверждает пластмассовая облегченная вертушка А.Горлова, которую он вынужден в проекте запланировать на заглубленной платформе во Флоридском течении из-за того, что там V_п всего около 2 м/с, громадное количество - 50000 штук и к ним столько же приспособлений, начиная с электрогенератора, что удорожает проект. К тому же эта группа не может рассматриваться для получения электроэнергии промышленного значения с самотечного потока на реках из-за малых там глубин и отсутствия взаимосвязи размера ротора с руслом по ширине и длине.

В самотечном потоке некоторые преимущества показывают гидроагрегаты, основанные на "тяговом" принципе, имеющие криволинейную лопасть под нагрузкой, способную воспринимать силу скоростного напора так, что скорость течения с потока берется и преобразуется в кубе (V3п

Мягкая основа требует сравнительно сложных узлов крепления лопасти к ней, постоянного контроля, регулировки, замены. К недостаткам этой группы следует отнести и то, что они, как правило, взаимодействуют с двумя ветвями потока: "рабочей" и "встречной", на которой вынуждены убирать лопасть на воздух или складывать в воде уменьшая сопротивление. Увеличение количества лопастей не увеличивает заметно им мощность, 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" (как и трос с гирляндой фигурных лопастей в аэродинамической группе), тем они больше боятся возмущений потока, возникновения нежелательных колебаний, тем более они являются как бы ременной передачей шкива - рабочего колеса гидроагрегата.

Водяные колеса же жесткой конструкции имеют надежную, прочную лопасть, но в силу поднятия лопасти наружу не могут работать всесезонно - ледостав на подавляющем большинстве рек их остановит.

Вывод: будущее имеют заглубленные гидроагрегаты, имеющие жесткую конструкцию с жесткой криволинейной подвижной лопастью, работающей по принципу тяговой и имеющей предельно допустимую площадь лопасти под нагрузкой, насколько позволяют прочностные расчеты. Взаимодействие потока с лопастью(ми) и его прохождение через изделие, 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 эффект может проявить себя в полную меру. Изделие должно обеспечивать взятие потока в работу с обеих сторон, чтобы увеличить концентрацию воды на рабочую часть лопастей, которые не должны затеняться друг другом.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа гидроагрегат американского изобретателя Г.Стильмана - парашютный вариант ленточного колеса (США, пат.№3887817, 1975). На замкнутой петле троса (эллипсе), опущенном вдоль потока, закреплены парашюты, автоматически открывающиеся при попадании на рабочую ветвь непрерывно движущегося троса, который проходит через приводное колесо, раскручивает его и через него раскручивается вал электрогенератора. Раскрытый парашют на рабочей ветви потока, как и криволинейная лопасть, имеет высокий коэффициент преобразования энергии, сложенный же на встречной ветви - низкую величину сопротивления движению в воде. Исключение затенения впереди идущей лопасти (парашюта) последующей несколько компенсируется величиной их раскрытия.

Недостатками известного устройства являются: мягкая основа (материя, трос) приводит к сложности в эксплуатации, на которых останавливались выше; отсутствие второго колеса в месте разворота петли дают нежелательные колебания в системе даже при сравнительно небольшом возмущении потока, что мешает складываться парашютам и четко проходить по приводному колесу; из-за асимметрии приложения усилия к тросу последний смещается от заданного направления строго по потоку, что создает дополнительные помехи.

Целью изобретения является увеличение КПД устройства и надежности в работе.

Увеличение КПД достигается за счет привлечения в работу потока с обеих сторон изделия, исключения затенения криволинейных лопастей друг другом на рабочем участке, а также прохождением этими лопастями пути в обратном направлении в сложенном положении, обеспечивающем наименьшее сопротивление в воде, имеющей замедленное встречное движение. Надежность в работе достигается за счет исполнения устройства из жестких материалов (металл, пластик и т.п.).

В заявленном устройстве "Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция" (БВГЭС) сохраняется принцип работы гидроагрегата Стильмана в смысле обеспечения работы криволинейных лопастей, опущенных вдоль потока, только вместо парашютов на тросе применяются двустворчатые лопасти из жесткого материала, закрепленные на транспортерной цепи и замкнутые в эллипсную петлю, что обеспечивают им барабаны, которые фиксируют конфигурацию петли, преобразуют усилие через жесткую увязку - зубчатое колесо, шестерню и т.п.

Каждая ось двустворчатых лопастей крепится на цепной передаче на определенном расстоянии друг от друга и обеспечивает транспортерной петле некоторую жесткость. Открытие и закрытие створок лопасти происходит автоматически силой потока. Фиксация открытия створок на заданном углу производится ограничителем, выполненным известным способом. Барабаны пустотелые и у торцов имеют зубчатые колеса для цепной передачи, за счет чего и образуется как бы транспортерная лента с осями двустворчатых лопастей. Размеры лопастей тесно увязаны с барабанами, через которые они выходят на рабочую и встречную ветви потока, а диаметр осей барабанов обеспечивает беспрепятственное складывание створок и их открытие.

В отличие от прототипа БВГЭС имеет две замкнутые петли с лопастями, разнесенные от центральной перегородки, которая устанавливается параллельно направлению потока под углом с двойной целью: 1) включение в работу потока с обеих сторон изделия; 2) обеспечение незатенения вновь открывшейся лопастью последующей.

Центральная перегородка является крепежной основой, связывающей клеть и обеспечивающей жесткость всей конструкции.

В начале встречи потока изделием барабаны той и другой петли, названные ведомыми, взаимодействуют друг с другом через устройство передачи обратного вращения и мультипликатор, который дает нужные обороты валу электрогенератора. Барабаны же в конце петли имеют холостой ход и выполняют роль направляющих. Угол разноса петель от перегородки определяется возможностью получения наибольшей незатененной площади лопасти под нагрузкой, но с учетом исключения наибольшего лобового сопротивления потоку самой петлей. Это регулируется количеством лопастей в петле и их размером.

Вращение барабанов происходит за счет движения по ним цепной петли с лопастями как транспортера, которое возникает за счет разницы сопротивления потоку на рабочей ветви открытых лопастей и закрытых на встречной.

Фиксация БВГЭС в потоке имеет несколько вариантов: закрепление на донном фундаменте; закрепление на плавающем средстве с последующим затоплением его в нужном месте; закрепление на катамаране (в реках без ледостоя); фиксация в полводы при помощи якорей и поплавков и др.

Устройство, действие, подтверждение возможности осуществления изобретения, названное "Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция" (БВГЭС) дается с помощью следующих чертежей, схем и пояснений.

На фиг.1, 2 даны фронтальная и горизонтальная проекции БВГЭС (соответственно). На фиг.3 - БВГЭС в аксонометрическом изображении. На фиг.4 показано взаимодействие зубчатых колес барабанов с устройством передачи обратного вращения и мультипликатором.

БВГЭС содержит крепежную клеть 1, усиленную по центру перегородкой 2. С помощью них в начале встречи потока выполняются рядом два приводных барабана 3, а в конце клети (1) по ее углам по барабану холостого хода 4. Барабаны полые и имеют по торцам зубчатые колеса 5, по которым ходит цепная замкнутая передача 6, на которой посредством осей 7 крепятся двустворчатые лопасти 8, что в целом образуют две замкнутые, типа транспортера, петли 9 - правую и левую, разнесенные под углом от центральной перегородки (2). У барабанов (3, 4) фланец 10 и ось 11 выполняется с диаметром, обеспечивающим его прочность, а также возможность свободного и упорядоченного прохода створок лопастей (8). Подключение в работу (под нагрузку) у правой и левой петли (9) лопастей (8) наружными сторонами транспортерной ленты производит вращение ведомых барабанов (3) в разные стороны, потому через устройство передачи обратного вращения 12 раскручивается мультипликатор 13, который передает известным способом нужные обороты электрогенератору 14.

Возможная разная скорость вращения ведомых барабанов (3) из-за разности скорости течения с той или другой стороны изделия выравнивается шестернями устройства обратного вращения (12) и мультипликатора (13) при редуцировании еще до вала электрогенератора (14).

Рассмотрим взаимодействие частей и механизмов БВГЭС и определим оптимальные условия работы, обеспечивающие наибольшую мощность.

Поток, подойдя к конструкции БВГЭС, вынужден разбиться на две части. Чем точнее центральная перегородка (2) установлена по стержню потока и разделяет его на равные части, тем выше КПД изделия, хотя для работы механизмов это не имеет значения - они возьмут и преобразуют в киловатты среднюю силу, что получили лопасти под нагрузкой той и другой цепной транспортерной петли (9), и сплюсуют, поэтому рассмотрим работу одной из них.

Свободно закрепленные створки лопастей (8) у транспортерной петли, проходя через приводной барабан (3), автоматически поднимаются на рабочей ветви потока и удерживаются на заданном угле ограничителем, выполненным одним из известных способов (на чертеже не показано), проходят до барабана холостого хода (4) под нагрузкой от потока и производят работу (см. фиг.2, 3). На барабане холостого хода внутренняя створка лопасти (8), скользя по оси (11) барабана (4), складывается, а вторая створка складывается при выходе на встречную ветвь потока и вместе проходят этот путь, производя сопротивление движению, в основном, трением.

Приводные барабаны (3) той и другой петли (9) вынуждены вращаться в разные стороны, потому на мультипликатор (13) вращение в одном направлении от них приходит через специальное устройство (12). Вал электрогенератора (14) мультипликатор раскручивает с заданными оборотами известным способом.

Диаметр барабанов (3, 4), угол между транспортерной петлей (9) и центральной перегородкой (2), количество лопастей на петле, их ширина определяется возможностью дать наибольшую суммарную площадь лопастей под нагрузку и исключения их затенения, находя оптимальный вариант с учетом общей длины петли и ее лобового сопротивления потоку.

При увеличении длины петли (9) выполняется промежуточный барабан холостого хода (4). Оптимальный угол открытия створок лопасти (8) определится возможностью приблизить ее конфигурацию к криволинейной, чтобы получить наибольшее сопротивление потоку, в то же время добиваясь наибольшей проекции ее на рабочий поток. Для большей эффективности получения лопасти криволинейной ее створки могут быть округлыми, но с учетом, что на встречной ветви потока они не дадут значительного сопротивления движению, что определится в эксперименте для разных размеров лопасти при разных V_п.

Если добиться, что сложенные, гладкостенные, свободно закрепленные створки лопасти, проходя встречную ветвь потока, дают сопротивление движению только трением, то оценочные расчеты показывают, что эта сила более чем в 40 раз меньше силы, получаемой от потока открытой лопастью на рабочей ветви. (R=ρ·c_x·S_л·V_п/2). Определяя R трением безразмерный коэффициент С_тр берем для (сталь крашеная)=0,013-0,017. Так как лопасть обтекается потоком с двух сторон, вводим в расчеты 2·S_л. Определяя лобовое сопротивление открытой криволинейной лопасти R_л вправе взять С_х=1,4, так как у пластины С_х=1,28. V_п принимаем равными с той и другой стороны ветви.

Потеря мощности происходит также за счет раскрутки вала электрогенератора мультипликатором. Сокращение этой потери достигается за счет уменьшения передаточного числа в редукторе, что возможно при применении многополюсного, низкооборотного электрогенератора.

БВГЭС наибольшую эффективность покажет при изготовлении под определенный поток с учетом его глубины, ширины и V_п. При изменении V_п (половодье, паводки) оптимальное снятие энергии достигается за счет резерва в электрогенераторе или работы мультипликатора, как коробки отбора мощности. У больших конструкций возможно применение автоматики. При серийном выпуске БВГЭС возможна стандартизация узлов и агрегатов, в этом случае под реки с разными V_п предусматривается замена электрогенератора и смена шестерни в мультипликаторе.

Установка отдельных БВГЭС в отдаленных местах расширит добычу и обработку сырья на месте. Если сузить русло реки или спрямить излучину деривационным каналом для получения большей V_п, то установленные здесь несколько БВГЭС вдоль потока и суммированные на одном здании дадут электроэнергию промышленного значения по стоимости, не превышающую плотинной ГЭС.

Натурные испытания автором данной заявки БВГЭС с вертикальной осью вращения (пат.№2171912, бюл. №22, 2001) показали, что привлечение в работу потока с обеих сторон изделия криволинейной жесткой лопастью и применение низкооборотного электрогенератора дают хороший коэффициент преобразования энергии потока, проходящего непосредственно через лопасти, ~0,65. Но подобная конструкция не дает возможности увеличить площадь лопасти под нагрузкой в зависимости от длины потока. Предлагаемая же конструкция БВГЭС пригодна для этого, поэтому особо найдет широкое применение на горных реках, где на мелководье увеличение суммарной площади лопастей (8) под нагрузкой возможно только за счет увеличения длины петли (9), что увеличит мощность изделия.

Изобретение предназначено для получения электроэнергии, используя энергию самотечного потока воды на различной глубине в любое время года. Гидроэлектростанция содержит зафиксированную в потоке посредством донного фундамента или плавающего средства крепежную клеть с выполненными рядом в начале встречи потока двумя приводными барабанами, а в конце клетки по ее углам – с барабанами холостого хода. При этом клеть усилена центральной перегородкой. Барабаны выполнены полыми с осями и с расположенными по торцам барабанов зубчатыми колесами, контактирующими с цепной зубчатой передачей. На последней посредством осей закреплены двустворчатые лопасти, образуя замкнутые, типа транспортера, правую и левую петли, выполненные из жесткого материала и разнесенные под углом от центральной перегородки, с обеспечением вращения в разные стороны ведомых барабанов, связанных шестернями устройства обратного вращения и мультипликатора с электрогенератором. Причем створки лопастей закреплены свободно с возможностью открытия и закрытия потоков, при закрытии внутренняя створка лопасти располагается с возможностью скольжения по оси барабана холостого хода, а фиксация открытия створок произведена посредством ограничителя. Изобретение позволяет повысить КПД выработки электроэнергии и надежность работы. 4 ил.

Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция, содержащая зафиксированную в потоке посредством донного фундамента или плавающего средства крепежную клеть с выполненными рядом в начале встречи потока двумя приводными барабанами, а в конце клети по ее углам – с барабанами холостого хода, при этом клеть усилена центральной перегородкой, барабаны выполнены полыми с осями и с расположенными по торцам барабанов зубчатыми колесами, контактирующими с цепной зубчатой передачей, на которой посредством осей закреплены двустворчатые лопасти, образуя замкнутые, типа транспортера, правую и левую петли, выполненные из жесткого материала и разнесенные под углом от центральной перегородки с обеспечением вращения в разные стороны ведомых барабанов, связанных шестернями устройства обратного вращения и мультипликатора с электрогенератором, причем створки лопастей закреплены свободно с возможностью открытия и закрытия потоком, при закрытии внутренняя створка лопасти располагается с возможностью скольжения по оси барабана холостого хода, а фиксация открытия створок произведена посредством ограничителя.