УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОДЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ Российский патент 2007 года по МПК F03B7/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к устройствам для преобразования энергии малых потоков воды с небольшими расходами и напорами в электроэнергию, и может быть использовано для энергоснабжения предприятий сельского хозяйства и малого бизнеса, расположенных в горах и труднодоступных, удаленных районах.

Известно устройство для преобразования энергии воды, содержащее водяное колесо, например верхненаливное, из жестко соединенных барабана, боковых стенок и лопаток изогнутой формы, водоподводящую и водоотводящую системы (Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы. Учебное пособие для энергетических и политехнических вузов. М.: "Высшая школа". - 1969. - С.8).

Недостатком описанного устройства является низкий коэффициент полезного действия (кпд), обусловленный тем, что форма лопаток водяного колеса не обеспечивает удержание достаточного количества воды в карманах при повороте водяного колеса.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство для преобразования энергии воды в электроэнергию, содержащее водяное колесо из жестко соединенных барабана, боковых стенок, лопаток и ступицы, жестко скрепленной спицами с барабаном, соединенное механической передачей посредством редуктора с электрогенератором, подшипниковые узлы, опоры, водоподводящую и водоотводящую системы, при этом водяное колесо посредством ступицы и подшипниковых узлов установлено на валу, который закреплен на опорах. Пространство, ограниченное двумя соседними лопатками, барабаном и боковыми стенками, образует карман водяного колеса (Gerald Muller, Klemens Kauppert. Old watermills - Britain's new source of energy? // New civil engineer international. - March. - 2003. - p.21-24).

Недостатками описанного устройства являются низкий кпд, обусловленный тем, что наполняемость карманов водяного колеса составляет не более 60-70% от максимально возможного, при этом часть воды выливается из карманов водяного колеса при его повороте из-за невозможности ее удержания, сложная в изготовлении конструкция лопаток и необходимость использования их в большом количестве; а также сложность эксплуатации вследствие использования электрогенератора.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения кпд, надежности и удобства эксплуатации, упрощение конструкции.

Повышение кпд, надежности и удобства эксплуатации, упрощение конструкции достигается тем, что устройство для преобразования энергии воды в электроэнергию содержит водяное колесо из жестко соединенных барабана, боковых стенок, лопаток и ступицы, жестко скрепленной спицами с барабаном, соединенное механической передачей посредством редуктора с электрогенератором, подшипниковые узлы, опоры, водоподводящую и водоотводящую системы, и снабжено водоудерживающим элементом, установленным от нижней по вертикальной оси точки боковых стенок со стороны рабочей части водяного колеса на расстоянии 5-10 мм и выполненным радиально изогнутым с углом охвата, равным 150-165°, и шириной, равной ширине водяного колеса, при этом каждая из лопаток водяного колеса выполнена в виде пластины из двух частей, угол между которыми равен 120-140°, а отношение длины одной части пластины к длине другой части, закрепленной на барабане, равно 1/1,5-1/2,0, с углом к касательной в месте контакта пластины и барабана, равным 25-45°, количество лопаток выбрано с учетом того, что расстояние между ними по внешнему диаметру боковых стенок равно 0,25-0,35 м, причем водяное колесо посредством ступицы и подшипниковых узлов установлено на оси, закрепленной на опорах, а в качестве электрогенератора использован асинхронный двигатель, связанный с системой автоматического управления, включающей блок коммутационной и измерительной аппаратуры, к которому подключены блоки конденсаторов возбуждения, тиристорных преобразователей, полезной нагрузки, и блок регулирования, защиты и управления, соединенный с блоком тиристорных преобразователей, к которому присоединены блоки балластной нагрузки и конденсаторов возбуждения, при этом механическая передача выполнена в виде цепной передачи, ведущая звездочка которой закреплена на спицах водяного колеса.

Повышение кпд устройства путем увеличения вращательного момента вследствие более полного наполнения водой карманов водяного колеса и удержания воды в них при повороте обеспечивается за счет того, что устройство снабжено водоудерживающим элементом, установленным от нижней по вертикальной оси точки боковых стенок со стороны рабочей части водяного колеса на расстоянии 5-10 мм и выполненным радиально изогнутым с углом охвата, равным 150-165°, и шириной, равной ширине водяного колеса, при этом каждая из лопаток водяного колеса выполнена в виде пластины из двух частей, угол между которыми равен 120-140°, а отношение длины одной части пластины к длине другой части, закрепленной на барабане, равно 1/1,5-1/2,0, с углом к касательной в месте контакта пластины и барабана, равным 25-45°, количество лопаток выбрано с учетом того, что расстояние между ними по внешнему диаметру боковых стенок равно 0,25-0,35 м, причем водяное колесо посредством ступицы и подшипниковых узлов установлено на оси, закрепленной на опорах.

Повышение надежности и удобства эксплуатации обеспечивается за счет того, что в качестве электрогенератора использован асинхронный двигатель, связанный с системой автоматического управления, включающей блок коммутационной и измерительной аппаратуры, к которому подключены блоки конденсаторов возбуждения, тиристорных преобразователей, полезной нагрузки, и блок регулирования, защиты и управления, соединенный с блоком тиристорных преобразователей, к которому присоединены блоки балластной нагрузки и конденсаторов возбуждения, при этом механическая передача выполнена в виде цепной передачи, ведущая звездочка которой закреплена на спицах водяного колеса.

Упрощение конструкции достигается сокращением количества лопаток, выполненных простой в изготовлении формы.

Установление водоудерживающего элемента на расстоянии 5-10 мм от внешнего диаметра боковых стенок водяного колеса является оптимальным, так как обеспечивает удержание воды в карманах до нижней точки поворота водяного колеса, так как при таком зазоре из карманов выливается небольшой объем воды.

Угол охвата водоудерживающего элемента, равный 150-165°, является оптимальным и выбран исходя из количества лопаток и внешнего диаметра водяного колеса таким образом, что верхняя кромка водоудерживающего элемента не мешает воде свободно заполнять карманы водяного колеса, находящиеся в верхнем рабочем положении, а нижняя кромка не мешает воде свободно выливаться из карманов водяного колеса в самой нижней точке расположения.

Выполнение каждой из лопаток водяного колеса в виде пластины из двух частей, угол между которыми равен 120-140°, а отношение длины одной части пластины к длине другой части, закрепленной на барабане, равно 1/1,5-1/2,0, с углом к касательной в месте контакта пластины и барабана, равным 25-45°, является целесообразным, так как обеспечивает оптимальный залив воды в карманы водяного колеса и их опустошение, а также способствует расположению центра тяжести воды в карманах, находящихся при повороте около горизонтальной плоскости водяного колеса, ближе к внешнему диаметру боковых стенок, что приводит к увеличению вращательного момента водяного колеса и, следовательно, к увеличению кпд предлагаемого устройства.

Расстояние между лопатками по внешнему диаметру боковых стенок, равное 0,25-0,35 м, является целесообразным, позволяя выбрать оптимальное количество лопаток и создавая условия для их удобного крепления к барабану и боковым стенкам водяного колеса, так как при расстоянии меньшем 0,25 м возникают сложности с креплением лопаток, а при расстоянии большем 0,35 м уменьшается количество лопаток, что отрицательно влияет на кпд.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство для преобразования энергии воды в электроэнергию, продольный разрез; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - то же, вид 1; на фиг.4 изображена блок-схема системы автоматического управления.

Кроме того, на фиг.1 показан угол охвата водоудерживающего элемента ϕ, на фиг.3 показано:

l - расстояние, на котором водоудерживающий элемент расположен от водяного колеса;

α - угол между двумя частями пластины;

а - длина одной части пластины;

b - длина другой части пластины, закрепленной на барабане;

β - угол с касательной в месте контакта пластины и барабана;

l₁ - расстояние между лопатками по внешнему диаметру боковых стенок.

Устройство для преобразования энергии воды в электроэнергию содержит водяное колесо, состоящее из жестко соединенных между собой барабана 1, двух боковых стенок 2, лопаток 3 и ступицы 4, жестко скрепленной спицами 5 с барабаном 1. Водяное колесо соединено механической передачей, выполненной в виде цепной передачи 6, посредством редуктора 7 с асинхронного двигателя 8, в качестве которого использован трехфазный асинхронный двигатель общепромышленного использования. Устройство также содержит подшипниковые узлы 9, опоры 10, водоподводящую 11 и водоотводящую 12 системы. Устройство снабжено водоудерживающим элементом 13, который установлен от нижней по вертикальной оси точки боковых стенок 2 со стороны рабочей части водяного колеса на расстоянии (l) 5-10 мм и выполнен радиально изогнутым с углом охвата (ϕ), равным 150-165°, и шириной, равной ширине водяного колеса. Водоудерживающий элемент 13, выполненный, например, из металлического листа, не допускает преждевременного опустошения карманов водяного колеса и позволяет использовать водяное колесо, изготовленное не только в производственных условиях, но и в условиях ремонтных мастерских, выполненное с невысокой точностью.

Каждая из лопаток 3 водяного колеса выполнена в виде плоской согнутой пластины, угол (α) между частями которой равен 120-140°, а отношение одной части пластины (а) к длине другой части (b), закрепленной на барабане 1, равно 1/1,5-1/2,0, с углом к касательной в месте контакта пластины и барабана (β), равным 25-45°. Ширина лопаток 3 соответствует ширине барабана 1. Лопатки 3 жестко соединены с последним по ширине и торцами с боковыми стенками 2. Количество лопаток 3 выбирается с учетом того, что расстояние (l₁) между ними по внешнему диаметру боковых стенок 2 равно 0,25-0,35 м. Лопатки 3 загнуты против вращения водяного колеса и потока падающей воды.

Водяное колесо посредством ступицы 4 и подшипниковых узлов 9 установлено на оси 14, закрепленной на опорах 10. Использование оси 14 облегчает и упрощает конструкцию предлагаемого устройства.

Трехфазный асинхронный двигатель (АД) 8 связан с системой автоматического управления (САУ) 15, включающей блок коммутационной и измерительной аппаратуры (БКИА) 16, к которому подключаются блоки конденсаторов возбуждения (БКВ) 17, тиристорных преобразователей (БТП) 18, полезной нагрузки (БПН) 19, и блок регулирования, защиты и управления (БРЗУ) 20, соединенный с БТП 18, к которому присоединены блок балластной нагрузки (ББН) 21, в качестве которого используется трехфазный водяной котел, и БКВ 17. САУ 15 предназначена для стабилизации выходных параметров трехфазного АД 8, работающего в режиме генератора, таких как амплитуда и частота вырабатываемого напряжения, отклонения которых от номинальных параметров могут быть вызваны колебаниями расхода воды и мощности полезной нагрузки, а также несбалансированностью водяного колеса. При этом ведущая звездочка 22 цепной передачи 6 закреплена на спицах 5 водяного колеса, а ведомая звездочка 23 установлена на тихоходном валу двухступенчатого редуктора 7, быстроходный вал которого связан с трехфазным АД 8.

Устройство для преобразования энергии воды в электроэнергию работает следующим образом.

Вода из водохранилища (на чертежах не показано) по водоподводящей системе 11 поступает сверху на водяное колесо. Под действием силы тяжести воды, удерживаемой в карманах водоудерживающим элементом 13, водяное колесо приводится во вращение вокруг оси 14, закрепленной на опорах 10. Вода выливается из карманов в самой нижней точке водяного колеса. Создаваемый при этом вращательный момент, зависящий от общей массы воды в карманах водяного колеса, передается от ведущей звездочки 22 цепной передачи 6, закрепленной на спицах водяного колеса, на ведомую звездочку 23 и далее от редуктора 7 к трехфазному АД 8, который четырехпроводным кабелем подключен к САУ 15. При определенной скорости вращения ротора трехфазного АД 8, к статорным обмоткам которого через БКИА 16 подключены конденсаторы возбуждения БКВ 17, на зажимах трехфазного АД 8 возникает напряжение. Вырабатываемое напряжение со статорных обмоток трехфазного АД 8 через БКИА 16 поступает на БРЗУ 20, который вырабатывает сигналы управления тиристорами БТП 18, подключающими через БКИА 16 к трехфазному АД 8 балластную нагрузку ББН 21 мощностью, соответствующей механической мощности, сообщаемой ротору АД 8 от водяного колеса. БРЗУ 20 также вырабатывает сигналы управления тиристорами БТП 18, которые производят подключение и отключение добавочных конденсаторов БКВ 17 для стабилизации частоты вырабатываемого напряжения. При подключении к трехфазному АД 8 через БКИА 16 полезной нагрузки БПН 19 БРЗУ 20 вырабатывает сигналы управления тиристорами БТП 18, которые частично или полностью отключают балластную нагрузку ББН 21 и, при необходимости, подключают или отключают добавочные конденсаторы БКВ 17, создавая на зажимах трехфазного АД 8 напряжение определенной амплитуды и частоты.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает высоким кпд, надежно и удобно в эксплуатации, имеет длительный срок использования, не требует присутствия квалифицированного персонала, вырабатывает электроэнергию с заданными параметрами и может быть использовано для энергоснабжения удаленных автономных потребителей, при этом водяное колесо просто в изготовлении и может быть выполнено из металла или дерева в любой мастерской без применения дорогостоящего специального оборудования, кроме того, водяное колесо может работать при различных напорах от 0,5 м и более.

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии малых потоков воды с небольшими расходами и напорами в электроэнергию. Устройство для преобразования энергии воды в электроэнергию содержит водяное колесо из жестко соединенных барабана, боковых стенок, лопаток и ступицы, жестко скрепленной спицами с барабаном, соединенное механической передачей посредством редуктора с электрогенератором, подшипниковые узлы, опоры, водоподводящую и водоотводящую системы. Оно снабжено водоудерживающим элементом, установленным от нижней по вертикальной оси точки боковых стенок со стороны рабочей части водяного колеса на расстоянии 5-10 мм и выполненным радиально изогнутым с углом охвата, равным 150-165°, и шириной, равной ширине водяного колеса, при этом каждая из лопаток водяного колеса выполнена в виде пластин из двух частей, угол между которыми равен 120-140°, а отношение длины одной части пластины к длине другой части, закрепленной на барабане, равно 1/1,5-1/2,0, с углом к касательной в месте контакта пластины и барабана, равным 25-45°, количество лопаток выбрано с учетом того, что расстояние между ними по внешнему периметру боковых стенок равно 0,25-0,35 м. Водяное колесо посредством ступицы и подшипниковых узлов установлено на оси, закрепленной на опорах. В качестве электрогенератора использован асинхронный двигатель, связанный с системой автоматического управления, включающей блок коммутационной и измерительной аппаратуры, к которому подключены блоки конденсаторов возбуждения, тиристорных преобразователей, полезной нагрузки, и блок регулирования, защиты и управления, соединенный с блоком тиристорных преобразователей, к которому присоединены блоки балластной нагрузки и конденсаторов возбуждения. Механическая передача выполнена в виде цепной передачи, ведущая звездочка которой закреплена на спицах водяного колеса. Заявляемое изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия, надежность и удобство эксплуатации устройства, упростить его конструкцию. 4 ил.

Устройство для преобразования энергии воды в электроэнергию, содержащее водяное колесо из жестко соединенных барабана, боковых стенок, лопаток и ступицы, жестко скрепленной спицами с барабаном, соединенное механической передачей посредством редуктора с электрогенератором, подшипниковые узлы, опоры, водоподводящую и водоотводящую системы, отличающееся тем, что оно снабжено водоудерживающим элементом, установленным от нижней по вертикальной оси точки боковых стенок со стороны рабочей части водяного колеса на расстоянии 5-10 мм и выполненным радиально изогнутым с углом охвата, равным 150-165°, и шириной, равной ширине водяного колеса, при этом каждая из лопаток водяного колеса выполнена в виде пластины из двух частей, угол между которыми равен 120-140°, а отношение длины одной части пластины к длине другой части, закрепленной на барабане, равно 1/1,5-1/2,0, с углом к касательной в месте контакта пластины и барабана, равным 25-45°, количество лопаток выбрано с учетом того, что расстояние между ними по внешнему диаметру боковых стенок равно 0,25-0,35 м, причем водяное колесо посредством ступицы и подшипниковых узлов установлено на оси, закрепленной на опорах, а в качестве электрогенератора использован асинхронный двигатель, связанный с системой автоматического управления, включающей блок коммутационной и измерительной аппаратуры, к которому подключены блоки конденсаторов возбуждения, тиристорных преобразователей, полезной нагрузки, и блок регулирования, защиты и управления, соединенного с блоком тиристорных преобразователей, к которому присоединены блоки балластной нагрузки и конденсаторов возбуждения, при этом механическая передача выполнена в виде цепной передачи, ведущая звездочка которой закреплена на спицах водяного колеса.