ПОГРУЖНАЯ СВОБОДНОПОТОЧНАЯ МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2005 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к конструкции свободнопоточных микрогидроэлектростанций, преобразующих кинетическую энергию свободного потока воды в электрическую.

Известна гидроэлектростанция на потоке (патент RU 2148184 С1, кл. F 03 В 13/00, опубл. 27.04.2000 г.), преобразующая механическую энергию проточной воды в электрическую, агрегатами, имеющими лопасти для восприятия воздействия потока, закрепленными на горизонтальных рамах, имеющих сборную конструкцию, перемещающихся по направляющим береговых опор, заделанных в грунт. Рама размещена над каналом (руслом) и перемещается вверх-вниз, на ней смонтированы колеса с лопастями агрегата, погруженные в воду и соединенные с электрогенератором. Перед агрегатом смонтирован регулятор потока воды. На дне канала (русла) выполнена набетонка, создающая оптимальную геометрию потока в вертикальном сечении. Вертикальные перемещения рамы по направляющим обеспечивают оптимальное погружение лопастей при изменении уровня воды в канале (русле). Для увеличения мощности гидроэлектростанции в канале размещается несколько агрегатов.

Недостаток такой гидроэлектростанции - необходимость в выполнении строительно-монтажных работ в стенках канала и на его дне. Поскольку наличие естественного русла с вертикальными стенками и необходимыми скоростными характеристиками потока маловероятно, потребуется создание специального канала и его оборудование. Гидротехнические работы при сооружении такой гидроэлектростанции значительны по объему и дорогостоящи, кроме того, металлоконструкция объекта сложна и дорогостояща.

Известна также гидроэлектростанция (патент RU 2088724 С1, кл. Е 02 В 9/00, опубл. 27.08.97), включающая плавучий элемент, закрепленный в потоке воды в реке с возможностью вертикального перемещения при изменении уровня воды, и закрепленную на плавучем элементе проточную часть, между входным раструбом и выпускным трубопроводом, на котором установлена гидротурбина, соединенная с генератором, причем концевой участок выпускного трубопровода плавучего элемента расположен за его пределами под уровнем воды и выполнен с увеличивающейся по направлению движения потока площадью поперечного сечения, причем поперечное сечение концевого участка выпускного трубопровода имеет многолепестковую форму или концевой участок выпускного трубопровода разветвлен на две и более трубы, а сам плавучий элемент размещен в проране.

Недостатками такой гидроэлектростанции являются сложность и нетехнологичность конструкции, обусловленные наличием катамарана и, особенно, сложной конструкцией водовода с плавно изменяющимися его сечением и формой. Кроме того, такая гидроэлектростанция требует создания гидротехнических сооружений: канала и насыпи с прораном определенного размера в нем.

Известна также автономная водопогруженная свободнопоточная микрогидроэлектростанция (свидетельство РФ на полезную модель №23317, кл. F 03 В 13/00, опубликованная в БИПМ №16 2002 г.), содержащая электрогенератор, неподвижно закрепленный водопогруженный модуль, включающий гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенной через расположенную в гондоле зубчатую передачу с валом электрогенератора, причем электрогенератор размещен ниже уровня воды и установлен в герметичном корпусе, соединенном с гондолой мультипликатора, вертикально расположенной герметичной трубой, размеры которой выбраны исходя из условий образования в районе электрогенератора воздушной подушки, достаточной для предотвращения проникновения воды в корпус электрогенератора. Применение на погруженной микрогидроэлектростанции типового электрогенератора привело к герметизации корпуса, в котором он размещен и к использованию зубчатой передачи - мультипликатора.

Недостаток такой гидроэлектростанции - сложность и нетехнологичность конструкции герметичного корпуса и привода с механическим мультипликатором, снижающие надежность установки и приводящие к большой трудоемкости и стоимости ее изготовления.

Задачей изобретения является снижение затрат на изготовление и монтаж гидроэлектростанции за счет упрощения ее конструкции и технологии монтажа-демонтажа микрогидроэлектростанции.

Поставленная задача решается тем, что в погружной свободнопоточной микрогидроэлектростанции, включающей гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенную с погруженным в воду герметизированным электрогенератором, согласно изобретению микрогидроэлектростанция оснащена состоящей из секций несущей рамой, на концах которой установлены щиты, образующие на входе потока воды конфузор, а на выходе - диффузор, в качестве электрогенератора использован низкоскоростной генератор, вал которого соединен непосредственно с валом гидротурбины, выполненной из отдельных секций, смонтированных в подшипниковых опорах, а каждая секция содержит один или более лопастных движителей, смещенных относительно друг друга на равный угол, каждый из движителей состоит из двух противоположно направленных лопастей, каждая из которых представляет собой профиль НАСА, модифицированный выполнением впадины на нижней плоскости, максимальная глубина которой составляет 10-14% от максимальной высоты профиля, и установленных на стойках, которые закреплены на валу гидротурбины с возможностью фиксированного перемещения лопастей в радиальном и угловом направлениях.

Этот технический результат достигается за счет того, что рама с агрегатом погружена, находится в погруженном состоянии, например на дне реки, или закреплена на плавсредстве. Такое размещение не требует дорогостоящих гидротехнических работ, позволяет обеспечить быструю установку, демонтаж или перебазирование на новое место микрогидроэлектростанции. Кроме того, применение низкоскоростного генератора позволяет исключить из конструкции два дорогостоящих элемента - герметичную капсулу и механическую передачу-мультипликатор.

Изобретение поясняется графическим материалом. На фиг.1 изображен общий вид микрогидроэлектростанции; на фиг.2 - секция гидротурбины; на фиг.3 - конструкция лопастного движителя с устройствами регулировки частоты вращения колеса и угла атаки лопасти; на фиг.4 - сечение лопасти гидротурбины.

Микрогидроэлектростанция содержит гидротурбину с горизонтальной осью 1 вращения, соединенную с погруженным в воду герметизированным электрогенератором 2, которые смонтированы на несущей конструкции в виде рамы 3 со щитами на концах 4, 5, образующими на входе потока воды конфузор, а на выходе - диффузор. Рама 3 для упрощения изготовления, транспортировки и монтажа состоит из двух жестко закрепленных секций, собираемых на месте установки микроГЭС, рама 3 устанавливается на дне реки или крепится на плавсредстве.

В качестве электрогенератора 2 использован низкоскоростной генератор, соединенный непосредственно с осью 1 гидротурбины, выполненной из отдельных секций (фиг.2), смонтированных в подшипниковых опорах 6, 7 (фиг.1). Каждая секция гидротурбины содержит один или более лопастных движителей 8 (фиг.2), смещенных друг относительно друга на равный угол (на фиг.1 пример выполнения секции, состоящей из трех движителей, смещенных на угол 120°) и состоящих из двух противоположно направленных лопастей 9, имеющих специальный профиль (фиг.4), закрепленных на стойках 10 (фиг.3) с помощью кронштейнов 11, с возможностью фиксированного перемещения лопастей в радиальном и угловом направлениях. На стойках 10 выполнены ступицы 12 с клеммовым соединением 13 для закрепления на валу гидротурбины, имеющем на концах шлицевые участки 14, которыми он установлен в шлицевые втулки двух подшипниковых опор 6, 7, закрепленных на раме 3. Количество движителей в секции и секций в гидротурбине зависит от мощности микроГЭС (длины гидротурбины). Первая секция гидротурбины одним концом вставлена в полый шлицевый вал низкоскоростного электрогенератора 2, установленного на раме и имеет только одну внешнюю опору. Сечение лопасти 9 гидротурбины (фиг.4) представляет собой профиль НАСА, модифицированный выполнением на нижней плоскости впадины, уменьшающей сечение хвостовой части для увеличения снимаемой с потока воды энергии. Размер максимальной глубины впадины а (фиг.4) составляет 10-14% от максимальной высоты профиля и получен моделированием.

Регулировка частоты вращения гидротурбины и электрогенератора (частота переменного тока) выполняется перемещением кронштейна 11 лопасти 9 по стойкам 10 лопастного движителя 8 с последующей фиксацией резьбовым соединением 15. Изменение угла атаки лопасти достигается поворотом лопасти 9 относительно стойки 10 лопастного движителя 8 (фиг.3) за счет толщины прокладки 16 между лопастью и кронштейном 11, к которому лопасть крепится. Для повышения скоростного напора и эффективности использования потока воды гидротурбина смонтирована между боковыми щитами 4 и 5, закрепленными на концевых конструкциях 17, смонтированных на раме 3.

Погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция работает следующим образом.

Поток воды за счет разности скоростей на внутренней и внешней стороне лопасти 9 создает подъемную силу, увеличенную выполнением впадины на нижней плоскости лопасти, вращающую лопастные движители 8 и вал низкоскоростного генератора 2, превращающего кинетическую энергию вращения гидротурбины в переменный электрический ток.

Таким образом, предлагаемая микрогидроэлектростанция позволяет снизить затраты на ее производство, упрощает и удешевляет ее монтаж и эксплуатацию и промышленно применима.

Устройство предназначено для преобразования кинетической энергии свободного потока воды в электрическую. Микрогидроэлектростанция содержит гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенную с погруженным в воду герметизированным электрогенератором. При этом она оснащена состоящей из секций несущей рамой, на концах которой установлены щиты, образующие на входе потока воды конфузор, а на выходе – диффузор. В качестве электрогенератора использован низкоскоростной генератор, вал которого соединен непосредственно с валом гидротурбины, выполненной из отдельных секций, смонтированных в подшипниковых опорах. Каждая секция содержит один или более лопастных движителей, смещенных относительно друг друга на равный угол. Каждый из движителей состоит из двух противоположно направленных лопастей, представляющих собой профиль НАСА, модифицированный выполнением впадины на нижней плоскости, максимальная глубина которой составляет 10-14% от максимальной высоты профиля, и установленных на стойках, которые закреплены на валу гидротурбины с возможностью фиксированного перемещения лопастей в радиальном и угловом направлениях. Конструкция микрогидроэлектростанции позволяет снизить затраты на ее изготовление и монтаж. 4 ил.

Погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция, включающая гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенную с погруженным в воду герметизированным электрогенератором, отличающаяся тем, что микрогидроэлектростанция оснащена состоящей из секций несущей рамой, на концах которой установлены щиты, образующие на входе потока воды конфузор, а на выходе - диффузор, в качестве электрогенератора использован низкоскоростной генератор, вал которого соединен непосредственно с валом гидротурбины, выполненной из отдельных секций, смонтированных в подшипниковых опорах, а каждая секция содержит один или более лопастных движителей, смещенных относительно друг друга на равный угол, каждый из движителей состоит из двух противоположно направленных лопастей, каждая из которых представляет собой профиль НАСА, модифицированный выполнением впадины на нижней плоскости, максимальная глубина которой составляет 10-14% от максимальной высоты профиля, и установленных на стойках, которые закреплены на валу гидротурбины с возможностью фиксированного перемещения лопастей в радиальном и угловом направлениях.