ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F03B7/00 F03B13/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике и касается установок, использующих течение воды для производства электроэнергии и перекачки воды, например в оросительных системах.

Известно устройство для генерирования электроэнергии за счет использования кинетической энергии воды, содержащее корпус плавсредства с водопроводящим каналом, лопастные колеса с криволинейными лопастями, закрепленные на валах, кинематически связанных с электрогенератором (см. RU 2049924 С1, МПК⁶ F 03 В 7/00,17/00, 1995).

Технический недостаток известного устройства для генерирования электроэнергии за счет течения воды: сложность конструкции и, как следствие, недостаточная высокая надежность; наличие большого количества генераторов, что диктует необходимость сложной синхронизации вырабатываемого электротока.

Известна также гидроэлектрическая установка, содержащая плавучее основание, выполненное в виде катамарана, между корпусами которого образован канал, размещенный в последнем транспортер с валами и бесконечной лентой с закрепленными на ней лопатками, и электрогенератор, кинематически связанный с валом транспортера (SU 1474317 А1, МПК⁴ F 03 В 7/00, 1989).

Технический недостаток данной установки: недостаточная надежность из-за наличия работающей в воде транспортерной ленты; нерациональный режим работы электрогенератора, функционирующего на малых оборотах из-за отсутствия повышающей передачи; ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия средств для перекачки воды, что отрицательно сказывается на водообеспечении оросительных систем.

Наиболее близким к заявленному устройству является гидроэлектрическая установка, описанная в заявке Франции №1175566, МПК F 03 B 7/00, 27.03.1959.

Известная гидроэлектрическая установка содержит плавучее основание, выполненное в виде катамарана, между корпусами которого образован канал, размещенное в последнем водяное колесо с закрепленными на его наружной поверхности лопатками и электрогенератор, кинематически связанный с валом водяного колеса, при этом диаметр водяного колеса меньше его длины.

Однако и данная установка не обеспечивает надежность работы и оптимизацию режима работы электрогенератора.

Задачей изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей установки, оптимизация режима работы электрогенератора.

Указанный технический результат достигается за счет того, что гидроэлектрическая установка содержит плавучее основание, выполненное в виде катамарана, между корпусами которого образован канал, размещенное в последнем водяное колесо с закрепленными на его наружной поверхности лопатками и электрогенератор, кинематически связанный с валом водяного колеса, при этом диаметр водяного колеса меньше его длины. Торцы водяного колеса закрыты, фронтальный профиль лопаток водяного колеса выполнен по логарифмической спирали. Установка снабжена водяным насосом, привод электрогенератора выполнен в виде размещенной внутри колеса повышающей зубчатой волновой передачи - мультипликатора, гибкое колесо которого связано с торцом водяного колеса, выходной вал мультипликатора совмещен с валами водяного колеса и электрогенератора, который посредством повышающей ременной передачи связан с водяным насосом, ведущий шкив ременной передачи установлен на валу электрогенератора, при этом на валах ременной передачи установлены управляемые муфты. При этом отношение диаметра к длине водяного колеса составляет 1:1,3...1:2,0.

Изобретение поясняется графическим материалом.

На фиг.1 изображен общий вид гидроэлектрической установки, вид в плане; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - кинематическая схема установки.

Гидроэлектрическая установка содержит плавучее основание в виде катамарана 1, между корпусами 2 которого образован рабочий канал 3. В последнем размещено водяное колесо 4, у которого диаметр D меньше длины L. На наружной поверхности колеса 4 закреплены лопатки 5, фронтальный профиль которых выполнен по логарифмической спирали. Внутри колеса 4 размещен мультипликатор 6, выходной вал 7 которого совмещен с валом колеса 4 и кинематически связан с электрогенератором 8 и дополнительно снабжен водяным насосом 9. На входе в рабочий канал 3 предусмотрена сетка 10, между корпусами 2 установлены мостки 11, охватывающие водяное колесо 4.

Мультипликатор 6 выполнен в виде повышающей зубчатой волновой передачи; в ней наружное зубчатое колесо 12 с внутренним зацеплением снабжено фланцем 13, жестко соединенным с выходным валом 7, который выведен за пределы торца 14 водяного колеса 4. Продолжением гибкого зубчатого колеса 15 (с наружными зубьями) является гибкая цилиндрическая обечайка 16, скрепленная с противоположным торцом 17 водяного колеса. Генератор волн (водило) 18 мультипликатора скреплен с неподвижным валом 19, который выведен за пределы торца 17 и зафиксирован от поворота. Генератор волн 18 снабжен роликами, их количество равно, как правило, двум.

Между валами 19 и 7 мультипликатора и соответствующими торцами 17 и 14 водяного колеса 4 предусмотрены уплотнения, вследствие чего внутренняя полость водяного колеса 4 (с мультипликатором 6) герметизирована.

На валу 7 (сбоку водяного колеса 4) установлен ведущий шкив 20 ременной передачи 21, являющейся кинематической связью между валом 7, электрогенератором 8 и водяным насосом 9. Ременная передача выполнена повышающей, ведущий шкив 20 которой имеет больший диаметр; вал этого шкива посредством управляемой муфты 22 связан с генератором. Ведомый шкив 23 (меньшего диаметра) ременной передачи 21 посредством своей управляемой муфты 24 связан с насосом 9, имеющим всасывающий 25 и нагнетательный 26 патрубки. Расчетная частота вращения: водяного колеса 4 n_к=100 мин^-1; электрогенератора 8 n_г=1500 мин^-1; водяного насоса 9 n_н=3000 мин^-1. В связи с этим ориентировочные передаточные числа повышающих передач: мультипликатора 6 i_м=n_к/n_г≈0,067; ременной передачи 21 i_п=n_г/n_н=0,5; как известно, мультипликатор - повышающая зубчатая волновая передача может обеспечить и меньшие значения передаточных чисел. Отношение диаметра к длине водяного колеса 4 D:L=1:1,3...1:2,0 (подтверждено экспериментально на лабораторной установке). Установка может быть снабжена якорями 27.

Гидроэлектрическая установка работает следующим образом. Установка используется, как правило, на малых реках, в том числе у водозаборов для оросительных систем. Установку буксируют на намеченное место с помощью, например, якорей 27. Вода устремляется в рабочий канал 3 между корпусами 2 плавучего основания - катамарана 1. За счет сужения потока в канале 3 скорость течения воды возрастает, после чего поток воды воздействует на лопатки 5 водяного колеса 4 и приводит его во вращение в опорах основания 1. За счет выполнения фронтальных профилей лопаток 5 по логарифмической спирали снижаются гидравлические потери в процессе преобразования энергии потока воды в механическую энергию вращающегося водяного колеса 4.

Колесо 4, вращаясь, увлекает за собой (своим торцом 17) гибкую цилиндрическую обечайку 16 и связанное с ней гибкое зубчатое колесо 15 (с наружными зубьями). За счет того, что на гибкое колесо (с его внутренней стороны) своими роликами воздействует генератор волн 18 - с двух сторон, зубья гибкого колеса 15 в двух местах входят в зацепление с внутренними зубьями наружного зубчатого колеса 12. На гибком зубчатом колесе 15 количество зубьев z₁ меньше числа зубьев z₂ наружного зубчатого колеса 12 (z₁<Z₂; Z₂-_Z1=k), при этом k равно или кратно числу волн-роликов генератора 18. Вследствие этого наружное зубчатое колесо 12 вовлекается в ускоренное вращение с передаточным отношением мультипликатора 6 к_м=к/z₂.

Выходной вал 7 мультипликатора 6 приводит во вращение ведущий шкив 20, который посредством повышающей ременной передачи 21 приводит во вращение ведомый шкив 23. В зависимости от условий эксплуатации возможны, по крайней мере, три режима работы гидроэлектрической установки:

1) электрогенератор 8 задействован, водяной насос 9 не используется (в этом режиме управляемая муфта 22 включена, муфта 24 выключена, ведомый шкив 23 вращается вхолостую);

2) задействован водяной насос 9, генератор 8 не используется (управляемая муфта 24 включена, муфта 22 выключена, повышающая ременная передача 21 находится под нагрузкой);

3) задействованы и работают совместно генератор 8 и насос 9 (обе управляемые муфты 22 и 24 включены, ременная передача 21 находится под нагрузкой). Совместная работа генератора 8 и насоса 9 возможна при интенсивном потоке воды в реке или при ограниченной потребности в электроэнергии. При работе водяного насоса 9 вода забирается из реки посредством всасывающего патрубка 25 и подается в водную, например оросительную, магистраль через нагнетательный патрубок 26.

Таким образом, указанные режимы работы установки достигаются при простой кинематической схеме, вследствие чего возрастает надежность работы системы, а генератор и насос задействуются при оптимальной частоте вращения. Наряду с этим обеспечивается расширение функциональных возможностей установки и рациональное использование энергии воды.

Установка предназначена для производства электроэнергии и перекачки воды. Устройство содержит плавучее основание, выполненное в виде катамарана, между корпусами которого образован канал, в котором размещено водяное колесо с закрепленными на его наружной поверхности лопатками и электрогенератор, кинематически связанный с валом водяного колеса. При этом диаметр водяного колеса меньше его длины. Торцы водяного колеса закрыты, фронтальный профиль лопаток водяного колеса выполнен по логарифмической спирали. Кроме того установка снабжена водяным насосом, а привод электрогенератора выполнен в виде повышающей зубчатой волновой передачи - мультипликатора, гибкое колесо которого связано с торцом водяного колеса. Выходной вал мультипликатора совмещен с валами водяного колеса и электрогенератора, который посредством повышающей ременной передачи связан с водяным насосом, ведущий шкив ременной передачи установлен на валу электрогенератора, при этом на валах ременной передачи установлены управляемые муфты. Конструкция установки позволяет осуществить повышение надежности и ее функциональных возможностей. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Гидроэлектрическая установка, содержащая плавучее основание, выполненное в виде катамарана, между корпусами которого образован канал, размещенное в последнем водяное колесо с закрепленными на его наружной поверхности лопатками и электрогенератор, кинематически связанный с валом водяного колеса, при этом диаметр водяного колеса меньше его длины, отличающаяся тем, что торцы водяного колеса закрыты, фронтальный профиль лопаток водяного колеса выполнен по логарифмической спирали, установка снабжена водяным насосом, привод электрогенератора выполнен в виде размещенной внутри водяного колеса повышающей зубчатой волновой передачи - мультипликатора, гибкое колесо которого связано с торцом водяного колеса, выходной вал мультипликатора совмещен с валами водяного колеса и электрогенератора, который посредством повышающей ременной передачи связан с водяным насосом, ведущий шкив ременной передачи установлен на валу электрогенератора, при этом на валах ременной передачи установлены управляемые муфты.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что отношение диаметра к длине водяного колеса составляет 1:1,3...1:2,0.