ГИДРОЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕЧЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к энергетике и может использоваться для преобразования энергии океанических, морских и речных течений в электроэнергию.

Известно наиболее близкое к изобретению техническое решение (патент РФ №2052658), в котором гидроагрегат содержит под первым гидроагрегатом соосно установленный снизу второй аналогичный гидроагрегат с ориентацией лопастей, обеспечивающей вращение его ротора в противоположном направлении относительно верхнего, а расположенные друг к другу не вращающиеся корпуса гидроагрегатов закреплены на крестовидной раме, соединенной концами кронштейнов с расположенным вне траектории вращения лопастей несущим каркасом, который закреплен снизу плавающей платформой, удерживаемой на плаву или устанавливаемой на глубину с помощью тросовых растяжек, прикрепляемых к донным балластным якорям.

Недостатками этого решения являются сравнительно низкий КПД и невозможность использовать установку достаточно эффективно в широком диапазоне скоростей водных течений.

Техническим результатом изобретения является возможность использования энергии водных течений, начиная с относительно небольших скоростей, а также обеспечение высокой энергетической эффективности во всем значимом диапазоне изменений скорости течений.

Технический результат достигается тем, что в гидроэнергоустановке, содержащей по меньшей мере два установленные друг над другом с возможностью вращения в противоположные стороны лопастных ротора с вертикальной осью вращения, электрогенераторы и систему крепления к дну, нижний полый кольцевой лопастной ротор прижат к верхнему полому кольцевому ротору за счет избыточной плавучести нижнего ротора и электромагнитного взаимодействия индукторов верхнего ротора и магнитопровода нижнего ротора, концы лопастей роторов соединены полыми ободами, напряженными с помощью тросов, закрепленных на опоре в виде центрального пилона, нижний конец которого непосредственно или через промежуточную опору с избыточной плавучестью закреплен на дне водного бассейна, лопасти роторов выполнены полыми, с разделительными стенками и системой отверстий на каждой стороне лопасти, полости лопастей соединены с полостями ободов.

Кроме того, в гидроэнергоустановке обода, объединяющие концы лопастей, заполнены водой или воздухом под избыточным давлением, а полости лопастей соединены с полостями ободов через управляемые клапаны.

Конструкция также предусматривает объединение блоков индукторов линейных генераторов, расположенных, например, на верхнем кольце ротора, электрическими кабелями, некоторые из которых по оттяжкам выведены на центральный пилон, где размещены гидроизолированные токосъемные кольца.

Кроме того, верхний кольцевой ротор, несущий индукторы линейною (дугового) генератора растяжками связан с радиально-упорным подшипником, расположенным на верху полого центрального пилона, заполненного воздухом.

Кроме того, нижний кольцевой ротор напряжен горизонтальными растяжками, связывающими его с радиальным подшипником, закрепленным на центральном пилоне.

Кроме того, верхний ротор снабжен Г-обратными консолями, несущими тормозные накладки на которые ложиться кольцевая тормозная полка нижнего ротора при устранении его избыточной плавучести за счет выпуска воздуха из внутренних полостей нижнего ротора и заполнении их водой при отключении электрогенератора.

технический результат достигается также и тем, что роторы, растяжки, прилегающие к роторам, снабжены обтекателями гидродинамического профиля, причем верхний обтекатель в носовой части имеет вертикальный спуск, перекрывающий горизонтальную щель между обтекателями. Эффективность установки повышается за счет того, что диаметр роторов превышает длину лопастей, что обеспечивает восстановление энергии потока на подходе к тыльному ряду лопастей.

Конструкция также предусматривает внутренние полости кольцевых роторов и пилона. заполненные кислородно-азотной смесью под давлением, превышающим давление воды, окружающей установку.

Объединение нндукторов в блоки с равными номинальными скоростями якоря позволяет начинать использовать энергию течений с относительно небольших значений скорости течений и обеспечивает высокую энергетическую эффективность гидронергоустановки во всем значимом диапазоне изменений скорости течений за счет оптимального выбора скорости вращения роторов для каждого диапазона изменений скорости течений.

Управление циркуляцией на лопастях позволяет расширить диапазон скоростей течений, отвечающих максимуму КПД, и за этот счет увеличить выработку энергии и повысить эффективность установки.

В целом предлагаемая установка позволяет использовать тянущую силу крыла, возникающую при его обтекании с углами атаки меньше критического, эффект турбулентного перемешивания водных потоков, обеспечивающий восстановление энергии течений на подходе к мыльному строю лопастей, эффект взаимной компенсации крутящих моментов и поперечных сил, действующих на лопасти, движущиеся в противоположных направлениях, эффект повышения тянущей силы крыла за счет управления циркуляцией на крыле путем подачи струи в пограничный слой на крыле, эффект повышения экономичности электрического генератора при удвоении скорости пересечения магнитных полей индуктора и якоря генератора.

На фиг.1 дан общий вид гидроэнергоустановки для преобразования энергии лечений.

На фиг.2 показан в вертикальном разрезе роторный блок гидроэнергоустановки.

На фиг.3 и вертикальном разрезе показана часть центрального пилона, где расположен механический стояночный тормоз.

На фиг.4 дана схема поперечного разреза по лопасти с управляемой циркуляцией и показаны изменения коэффициента подъемной силы в зависимости от импульса струи и угла атаки.

Гидроэнергоустановка включает в себя по меньшей мере один над другим два полых кольцевых ротора 1 и 2 в форме правильных многоугольников или торов, на которых вертикально закреплены лопасти гидродинамического профиля 3, ориентированные в противоположных направлениях соответственно на верхнем 1 и нижнем 2 роторах. Концы лопастей 3 обоих заделаны в полые прочные обода 4 с хорошо обтекаемой формой поперечного сечения. Верхний кольцевой ротор 1, несущий индукторы линейного генератора 5, растяжками 6 связан с радиально-упорным подшипником 7, расположенным на верху полого центрального пилона 8, заполненного воздухом. Нижний полый кольцевой ротор 2, несущий полосу 9 из электропроводящего материала и магнитопровод 10, и имеющий избыточную плавучесть, прижат к верхнему кольцевому ротору 1 за счет избыточной плавучести и электромагнитного взаимодействия индукторов 5 и магнитопровода 10. Фиксированный зазор между индукторами 5 и полосой 9, обеспечен металлофторопластовыми колодками 12, которые закреплены на роторе 1, а рабочая поверхность которых скользит по дорожке на роторе 2. Кольцевой ротор 2 напряжен под денежном горизонтальных растяжек 13, связывающих его с радиальным металлофторопластовым подшипником 14, закрепленным на центральном пилоне 8. Верхний кольцевой ротор 1 также напряжен субгоризонтальными тросами, идущими к радиально-упорному подшипнику, расположенному чуть выше радиального подшипника 14. Наклонные и субгоризонтальные троса идут только из тех углов, в которых закреплены лопасти 3. Верхний ротор 1 снабжен Г-образными консолями 15, несущими тормозные накладки 16, на которые ложится тормозная полка 17 нижнего ротора 2 при устранении избыточной плавучести за счет выпускания воздуха из внутренних полостей нижнего ротора через клапаны 11 и заполнения их водой при отключении электрогенератора. Верхний и нижний роторы 1 и 2, а также примыкающие к ним участки растяжек 6 защищены обтекателями гидродинамического профиля 18, причем верхний обтекатель в носовой части имеет вертикальный спуск, перекрывающий горизонтальную щель между обтекателями. Верхнее кольцо ротора 1 снабжено тормозными щитками (не показаны), открывающимися при превышении скорости движения роторов расчетных значений или но сигналу системы управления, контролирующей работу установки. На центральном пилоне в зоне радиально-упорного подшипники расположен механический стояночный тормоз 19, фиксирующий положение роторов неработающей установки и выполняющий также функции аварийного торможения.

Внутренние полости кольцевых роторов 1 и 2 заполнены кислородно-азотной смесью под давлением, превышающим давление воды, окружающей установку. Кольцевые роторы 1 и 2 снабжены шлюзовыми камерами, позволяющими при необходимости проникнуть в полости кольцевых роторов обслуживающему персоналу. Балластные полости нижнего кольцевого ротора 2 заполнены воздухом и по горизонтальным тросам соединены с внутренней полостью центрального пилоны, что позволяет продувать эти полости и восстанавливать плавучесть нижнего кольца ротора 2 после аварийных остановок.

Обода 4, объединяющие концы лопастей 3, выполнены полыми и заполнены водой или воздухом под избыточным давлением, поддерживаемым насосами. Лопасти 3 также выполнены полыми с продольными разделительным и стенками и системой отверстий на каждой стороне лопасти 3. Полости лопастей 3 соединены с полостями ободов 4 через регулирующие устройства, управляемые системой автоматики. Обода напряжены с помощью тросов, закрепленных по схеме велосипедного колеса на металлофторопластовых подшипниках центрального пилона 8.

Индукторы 5 линейного генератора объединены в блоки, имеющие разные номинальные скорости движения якоря и работающие на электрическую сеть в определенном диапазоне изменения скорости течений. Блоки индукторов линейного генератора объединены силовыми электрическими кабелями, часть которых но оттяжкам выводятся на центральный пилон 8, где в гидроизолированной камере располагаются токосъемные кольца, обеспечивающие выдачу электрической мощности в сеть.

Верх пилона 8 и верхний обод 4 установки заглублены под нижнюю поверхность возможного ледяного покрова, а в районах с отсутствием льда - под минимальный уровень поверхности воды в штормовых волнах. Нижний конец пилона 8 непосредственно или через промежуточную опору с избыточной плавучестью закреплен на дне с помощью свай или при большой глубине воды закреплен системой якорных тросов, обеспечивающих его вертикальную и боковую устойчивость при избыточной плавучести системы.

Кроме этого при работе гидроэнергоустановки используется система автоматического управления и контроля, включающая датчики скорости потока, фазовой мощности, выработки, вибрации, систему анализа данных, выдачи команд управления и механизмы реализации команд.

Энергоустановка работает следующим образом.

При скорости течения, например, 0,5 м/сек по сигналу от датчика скорости продувают балластные цистерны нижнего кольца ротора 2, оно всплывает с тормозных колодок 17, стояночный тормоз 19 на центральном пилоне 8 отключается.

Под действием потока лопасти 3 верхнего 1 и нижнего 2 роторов установки начинают двигаться в противоположных направлениях и разгоняются до скорости около 1,5 м/сек. По сигналу датчика оборотов включается первая группа симметрично расположенных индукторов 5 генератора, рассчитанных на относительную скорость 3 м/сек и включается система оптимизации циркуляции на лопастях 3 обоих роторов. При увеличении мощности выше определенного предела по сигналу датчика мощности включаются остальные индукторы 5 первой группы, работающие на относительно низком напряжении. При увеличении мощности до определенного значения (примерно 15% от номинала) по сигналу датчика мощности производят отключение индукторов с низким напряжением и напрямую к сети высокого напряжения подключают группу индукторов 5 с общей мощностью порядка 40-50% от номинала. При дальнейшем увеличении мощности по сигналу датчика мощности подключают остальную группу индукторов 5 до общей номинальной мощности. При снижении мощности отключение групп индукторов 5 производят в обратном порядке. При мощности, большей номинала на 20-30%, по сигналу датчика скорости лопастей 3, часть индукторов 5 переводят в режим электродинамического торможения, а в случае обрыва электрической сети включают систему струйного торможения на лопастях 3 с использованием регулирующих устройств и щитки гидродинамического торможения и при необходимости аварийное торможение путем сброса воздуха из балластных камер нижнего кольца ротора 2 с приводом клапанов 11 от резервной аккумуляторной батареи.

Поскольку крутящий момент, развиваемый лопастями 3 на верхнем и нижнем кольцах соответственно роторов 1 и 2, должен быть одинаковым, абсолютная скорость верхнего кольца ротора 1 увеличивается, а нижнего кольца ротора 2 уменьшается (при сохранении относительной скорости колец) с соответствующим уменьшением крутящего момента на верхнем кольце и увеличением крутящего момента на нижнем кольце до их выравнивания.

Центральный пилон 8 выполнен разъемным с сопрягающим узлом, расположенным между верхним и нижним кольцами роторов. В этом случае каждый из роторов в сухом доке собирается отдельно и транспортируется наплаву до места монтажа установки. В зоне монтажа нижний ярус подтапливается и ставится на заранее подготовленное основание. После этого пилон верхнею яруса по направляющим вводится в пилон нижнего яруса, закрепляется, снимаются наклонные троса нижнею яруса, обеспечивающие его вертикальную жесткость во время транспортировки, продуваются балластные камеры нижнего яруса, устанавливаются тормозные консоли 15 верхнего кольцевого ротора 1.

Число нар кольцевых роторов, закрепляемых на одном центральном пилоне 8, может быть увеличено.

Изобретение предназначено для преобразования энергии течений в электроэнергию. Гидроэнергоустановка содержит один над другим два кольцевых лопастных ротора с вертикальной осью вращения, установленные с возможностью вращения и противоположные стороны, линейные (дуговые) электрогенераторы и основание и виде закрепленного ко дну центрального пилона. Нижний полый кольцевой лопастной ротор прижат к верхнему полому кольцевому ротору за счет избыточной плавучести и электромагнитного взаимодействия индукторов верхнего ротора и магнитопровода нижнего ротора, концы лопастей роторов объединены полыми ободами, заполненными водой или воздухом под избыточным давлением, лопасти роторов также выполнены полыми с продольными разделительными стенками и системой отверстий на каждой стороне лопасти. Полости лопастей роторов соединены с полостями ободов через управляемые клапаны. Блоки индукторов, расположенные на кольце верхнего ротора, объединены силовыми электрическими кабелями. Устройство позволяет повысить КПД преобразования в широком диапазоне изменения скорости течения. 7 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Гидроэнергоустановка для преобразования энергии течения, содержащая, по меньшей мере, два установленные друг над другом с возможностью вращения в противоположные стороны лопастных ротора с вертикальной осью вращения, электрогенераторы и систему крепления к дну, отличающаяся тем, что нижний полый кольцевой лопастной ротор прижат к верхнему полому кольцевому ротору за счет избыточной плавучести и электромагнитного взаимодействия индукторов верхнего ротора и магнитопровода нижнего ротора, концы лопастей роторов объединены полыми ободами, напряженными с помощью тросов, закрепленных на опоре в виде центрального пилона, нижний конец которого закреплен на дне водного бассейна, лопасти роторов выполнены полыми, с разделительными стенками и системой отверстий на каждой стороне лопасти, полости лопастей соединены с полостями ободов.2. Гидроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что обода, объединяющие концы лопастей, заполнены водой или воздухом под избыточным давлением, а полости лопастей соединены с полостями ободов через регулирующие устройства.3. Гидроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что блоки индукторов, расположенных на верхнем кольце ротора, объединены электрическими кабелями, часть из которых по оттяжкам выведены на центральный пилон, где размещены гидроизолированные токосъемные кольца.4. Гидроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что верхний кольцевой ротор, несущий индукторы линейного генератора, растяжками связан с радиально-упорным подшипником, расположенным на верху полого центрального пилона, заполненного воздухом.5. Гидроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что нижний кольцевой ротор напряжен горизонтальными растяжками, связывающими его с радиальным подшипником, закрепленным на центральном пилоне.6. Гидроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что верхний ротор снабжен Г-образными консолями, несущими тормозные накладки, на которые ложится тормозящая полка нижнего ротора при устранении избыточной плавучести за счет выпуска воздуха из внутренних полостей нижнего ротора и заполнении их водой при отключении электрогенератора.7. Гидроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что роторы, растяжки, прилегающие к роторам, снабжены обтекателями гидродинамического профиля, причем верхний обтекатель в носовой части имеет вертикальный спуск, перекрывающий горизонтальную щель между обтекателями, диаметр роторов больше длины лопастей.8. Гидроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что внутренние полости кольцевых роторов заполнены кислородно-азотной смесью под давлением, превышающим давление воды, окружающей установку.