ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ КОНВЕЙЕРНОГО ТИПА Российский патент 2014 года по МПК F03B9/00 F03B17/06 E02B9/00 

Заявляемое изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам, предназначенным для преобразования энергии потока текучей среды в электрическую энергию.

Предлагаемая к защите гидроэлектростанция (ГЭС) конвейерного типа позволяет использовать энергию как крупных и малых рек, так и открытых водостоков искусственного происхождения, например магистральных и других водоканалов.

Из уровня техники известны речные гидроэлектростанции, использующие потенциальную энергию воды путем сосредоточения напора в виде разности уровней, из которых наиболее распространены приплотинные гидроэлектростанции, содержащие плотину, водохранилище, здание с рабочими органами в виде гидротурбин, связанных с электрогенераторами (см., например, патент RU 2232289 «Гидроэлектростанция», дата подачи 26.11.2002 г., опубликовано 10.07.2004 г.).

Однако использование приплотинных ГЭС связано с их негативным воздействием на речные экосистемы, возможностью наводнения, вызванного прорывом дамбы, и, как следствие, возникновением социальных проблем, в частности, связанных с переселением жителей. Кроме того, данные конструкции, как правило, громоздки, а стоимость их возведения высока.

Указанные недостатки устранены в бесплотинных гидроэлектростанциях, к которым относится заявляемое изобретение.

Из уровня техники известно устройство для использования энергии морских приливов и отливов, содержащее погруженный в воду корпус и установленный в нем рабочий орган в виде бесконечного лопастного транспортера, огибающего барабаны и кинематически связанного с электрогенератором, при этом корпус снабжен соосно расположенными со стороны барабанов патрубками с установленными в них у противоположных ветвей транспортера поворотными заслонками (см. Авторское свидетельство SU 1020620 «Устройство для использования энергии морских приливов и отливов», дата подачи 15.05.1981 г., опубликовано 30.05.1983 г.).

Недостатки данного устройства обусловлены невозможностью осуществления непрерывной работы, которая зависит от периодичности такого явления, как приливы и отливы.

Известна потоковая гидроэлектростанция, содержащая погруженный в воду корпус и установленный в нем рабочий орган, выполненный в виде цепного лопастного конвейера, огибающего вертикально расположенные звездочки и кинематически связанного с электрогенератором, каждая лопасть конвейера выполнена в виде поворотной вокруг горизонтальной оси заслонки, при этом ось прикреплена к лопасти симметрично с образованием двух частей, одна из которых выполнена тяжелее другой (см. патент RU 2086799 «Потоковая гидроэлектростанция», дата подачи 15.07.1992 г., опубликовано 10.08.1997 г.).

Также известна 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 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 (см. патент RU 2227227 «Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция», дата подачи 13.05.2002 г., опубликовано 20.04.2004 г.).

Кроме того, известен двигатель для утилизации энергии текучей среды, содержащий погруженный в последнюю каркас с проходными окнами, установленные в каркасе с его противоположных сторон с возможностью вращения валы, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий упомянутые валы и снабженный лопастями, закрепленными на нем с возможностью поворота, при этом на внутренних продольных стенках каркаса выполнены направляющие с пазами, а лопасти снабжены штырями с роликами, установленными в упомянутых пазах, при этом каркас размещен своей продольной стороной поперек потока текущей среды, а проходные окна выполнены на его продольных стенках, на участке криволинейного перемещения гибкого элемента установлено с возможностью взаимодействия с лопастями средство для изменения их положения относительно упомянутого гибкого элемента на противоположное, причем лопасти на гибком элементе закреплены своей средней частью и в рабочем состоянии установлены под углом к направлению потока с возможностью перекрывания межлопастных промежутков одной ветви лопастями другой ветви, в каркасе выполнено, по крайней мере, две пары направляющих, штыри с роликами закреплены на боковых кромках лопастей, а ролик каждого штыря помещен в отдельную направляющую соответствующей пары (см. патент RU 2166664 «Двигатель для утилизации энергии текущей среды», дата подачи 19.06.2000 г., опубликовано 10.05.2001 г.).

По совокупности существенных признаков данное устройство наиболее близко к заявляемому изобретению и выбрано в качестве прототипа.

Недостатком всех приведенных гидротехнических сооружений является то, что их установка осуществляется преимущественно в русле реки, что ограничивает область применения данных установок, в частности, использование их на малых реках и малых искусственных каналах, при этом установка, ремонт и обслуживание данного типа гидроэлектростанций требует долговременного прекращения функционирования ГЭС.

Кроме того, для осуществления работы устройство, взятое за прототип, должно быть полностью погружено в текучую среду, вследствие чего происходит замывание в нее песка и водорослей, что, в свою очередь, затрудняет перемещение лопастей и, в конечном итоге, приводит не только к снижению КПД всей установки, но и поломке отдельных ее частей и узлов.

Горизонтальное размещение валов в известном устройстве, как правило, приводит к боковому провисанию гибкого элемента.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности и увеличение мощности гидроэлектростанции.

Указанный технический результат достигается тем, что гидроэлектростанция конвейерного типа, погруженная в текучую среду и включающая каркас с, по меньшей мере, двумя парами направляющих и установленными на нем с противоположных сторон с возможностью вращения валами, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий валы, выполнен в виде замкнутой цепной передачи с закрепленными на нем лопастями, снабженными осями с роликами, согласно изобретению размещена в оборудованном шлюзами канале вдоль потока с частичным погружением корпуса в текучую среду, гибкий элемент состоит из связанных между собой звеньев-кареток с комбинированными лопастями, состоящими из, по меньшей мере, четырех V-образных пластин, расположенных попарно напротив друг друга, при этом пластины в каждой паре параллельны друг другу, валы размещены на разных уровнях и на их торцах установлены колеса, при этом колеса вала, расположенного ниже, выполнены зубчатыми и меньшего диаметра, чем колеса другого вала, вал с колесами меньшего диаметра располагается выше по течению воды, чем вал с колесами большего диаметра.

Лопасти изготовлены из профильного материала, в качестве которого используют, например, листовой гнутый прокатный профиль.

Звено-каретка снабжена четырьмя роликами.

Канал оборудован улавливающим мусор устройством, например, сеткой.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - вид сбоку гидроэлектростанции конвейерного типа;

фиг.2 - поперечный разрез А-А гидроэлектростанции конвейерного типа;

фиг.3 - вид сбоку звена-каретки;

фиг.4 - вид спереди звена-каретки;

фиг.5 - вид сверху звена-каретки;

фиг.6 - схема расположения гидроэлектростанции в канале относительно русла реки.

Предлагаемая к защите гидроэлектростанция конвейерного типа содержит частично погруженный в текучую среду каркас 1 и установленные на нем с возможностью вращения два вала - ведущий 2 и ведомый 3. Валы размещены на разных уровнях и на их торцах смонтированы колеса, причем колеса 4, 5 расположенного ниже ведущего вала выполнены зубчатыми и меньшего диаметра по сравнению с колесами 6, 7 ведомого вала, благодаря чему образован наклон в сторону ведущего вала 2. Ведущий вал 2 находится выше по течению ведомого вала 3.

Колеса 4, 5, 6, 7 охватывает гибкий элемент, представляющий собой замкнутую в виде петли цепную передачу 8, взаимодействующую с колесами обоих валов. Цепная передача 8 образована связанными между собой звеньями-каретками 9, снабженными комбинированными лопастями 10.

Комбинированные лопасти 10 состоят из, по меньшей мере, четырех V-образных пластин с углом раскрытия 20-45°, расположенных попарно напротив друг друга, при этом пластины в каждой паре параллельны друг другу. Такая форма лопастей увеличивает поверхность соприкосновения с потоком и способствует, в том числе, увеличению мощности ГЭС.

Звенья-каретки 9 соединены посредством подвижных щек 11 и снабжены роликами 12, с помощью которых они перемещаются по двум парам направляющих: верхним 13, 14 и нижним 15, 16.

Подвижные щеки 11 выполнены в виде прямоугольных пластин.

Перемещение звеньев-кареток 9 по верхним направляющим 13, 14 происходит под наклоном в сторону зубчатых колес 4, 5, при этом нижние направляющие 15, 16 расположены в горизонтальной плоскости.

Вал 2 с зубчатыми колесами 4, 5 кинематически связан с электрогенератором 17.

Пазы зубчатых колес 4, 5 имеют радиус, равный половине диаметра роликов 12.

Гидроэлектростанцию фиксируют в грунте посредством, например, опор 18, при этом в водную среду погруженными остаются только лопасти, находящиеся при установке гидроэлектростанции на нижних направляющих 15, 16. Крайние опоры гидроэлектростанции являются несущими.

Гидроэлектростанцию устанавливают в канале 19, оборудованном железобетонным лотком 20, вдоль потока текучей среды.

Для увеличения скорости потока канал, в котором установлена ГЭС, может быть расположен ниже по течению вблизи сливной или переливной плотины, создающей перепад воды.

Наличие канала 19 позволяет не только уменьшить влияние ГЭС на окружающую среду, но и повысить скорость потока текучей среды, проходящего через канал, и тем самым увеличить мощность гидроэлектростанции.

В начале канала 19, а также на самом русле реки, устанавливают шлюзы 21, 22 или задвижки для регулировки потока, в том числе при паводках. Канал может быть дополнительно оборудован улавливающим крупный мусор и/или лед устройством, представляющим собой, например, сетку, расположенную перед шлюзами перпендикулярно потоку.

Каждая каретка состоит из двух смонтированных напротив друг друга неподвижных щек 23 и 24, выполненных в виде пластин и соединенных между собой верхними 25, 26 и нижними 27, 28 осями крепления, при этом на верхние оси крепятся лопасти 10, на нижние - ролики 12 и подвижные щеки 11. Для предотвращения смещения лопастей, а также их дополнительной фиксации на оси насажены опорные втулки (на чертеже не показаны).

Предлагаемая гидроэлектростанция может быть оснащена корпусом (на чертеже не показан), погруженным в воду только частично и защищающим верхнюю часть ГЭС, находящуюся над поверхностью воды, от образования в зимний период наледи и сосулек, а также от воздействия на лопасти бокового ветра. Корпус представляет собой сварную полую конструкцию, в торцах которой в нижней части соосно расположены два отверстия для пропуска потока.

Осуществление заявляемого изобретения подтверждено примером конкретного выполнения.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

Каркас 1 гидроэлектростанции устанавливают вдоль потока текучей среды и закрепляют в грунте посредством опор 18, причем ведущий вал 2 находится выше по течению ведомого вала 3. При этом в водную среду погружены только лопасти, находящиеся при установке на нижних направляющих 15, 16.

Проходящий вдоль установки поток текущей среды воздействует на лопасти, благодаря чему звенья-каретки начинают перемещаться по нижним направляющим 15, 16.

Звенья-каретки 9 осуществляют переход с нижних направляющих 15, 16 на верхние направляющие 13, 14 путем прохождения по окружностям колес 6, 7 ведомого вала 3. По верхним направляющим звенья-каретки 9 перемещаются на роликах 12 под действием собственного веса и, проходя через зубчатые колеса 4, 5, ролики 12 зацепляются за их пазы и возвращаются на нижние направляющие 15, 16.

Движение звеньев-кареток с лопастями вызывает непрерывное вращение ведомого и ведущего валов, последний из которых кинематически связан с электрогенератором 17. Ведущий вал 2 передает крутящий момент на вал электрогенератора 17 или на общий вал отбора мощности, если установлено несколько ГЭС.

Таким образом, кинетическая энергия потока преобразуется в электрическую.

Заявляемая конструкция гидроэлектростанции позволяет размещать ее в канале, снабженном шлюзами, что, в свою очередь, позволяет защитить установку от засорения, в том числе мусором, льдом во время паводка, водорослями, а также увеличить мощность, вырабатываемую ГЭС.

Параллельная установка, по меньшей мере, двух гидроэлектростанций позволит обеспечить непрерывную выработку электроэнергии в случае поломки одной из них.

Помимо этого, заявляемое изобретение является экологически чистой установкой и практически не воздействует на флору и фауну водоема.

Кроме того, значительно упрощается доступ к гидроэлектростанции при проведении ремонтных и профилактических работ, появляется возможность вовремя заметить и устранить неполадки.

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам, предназначенным для преобразования энергии потока текучей среды в электрическую энергию. Гидроэлектростанция конвейерного типа, погруженная в текучую среду, включает каркас с, по меньшей мере, двумя парами направляющих и установленными на нем с противоположных сторон с возможностью вращения валами. Один из валов кинематически связан с электрогенератором. Гибкий элемент, охватывающий валы, выполнен в виде замкнутой цепной передачи с закрепленными на нем лопастями, снабженными осями с роликами. Гидроэлектростанция размещена в оборудованном шлюзами канале вдоль потока с частичным погружением корпуса в текучую среду. Гибкий элемент состоит из связанных между собой звеньев-кареток с комбинированными лопастями, состоящими из, по меньшей мере, четырех V-образных пластин, расположенных попарно напротив друг друга. Пластины в каждой паре параллельны друг другу. Валы размещены на разных уровнях и на их торцах установлены колеса. Колеса вала, расположенного ниже, выполнены зубчатыми и меньшего диаметра, чем колеса другого вала. Вал с колесами меньшего диаметра располагается выше по течению воды, чем вал с колесами большего диаметра. Изобретение направлено на повышение надежности и увеличение мощности гидроэлектростанции. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Гидроэлектростанция конвейерного типа, погруженная в текучую среду и включающая каркас с, по меньшей мере, двумя парами направляющих и установленными на нем с противоположных сторон с возможностью вращения валами, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий валы, выполнен в виде замкнутой цепной передачи с закрепленными на нем лопастями, снабженными осями с роликами, отличающаяся тем, что размещена в оборудованном шлюзами канале вдоль потока с частичным погружением корпуса в текучую среду, гибкий элемент состоит из связанных между собой звеньев-кареток с комбинированными лопастями, состоящими из, по меньшей мере, четырех V-образных пластин, расположенных попарно напротив друг друга, при этом пластины в каждой паре параллельны друг другу, валы размещены на разных уровнях и на их торцах установлены колеса, при этом колеса вала, расположенного ниже, выполнены зубчатыми и меньшего диаметра, чем колеса другого вала, вал с колесами меньшего диаметра располагается выше по течению воды, чем вал с колесами большего диаметра.

2. Гидроэлектростанция конвейерного типа по п.1, отличающаяся тем, что лопасти изготовлены из профильного материала, в качестве которого используют, например, листовой гнутый прокатный профиль.

3. Гидроэлектростанция конвейерного типа по п.1, отличающаяся тем, что звено-каретка снабжено четырьмя роликами.

4. Гидроэлектростанция конвейерного типа по п.1, отличающаяся тем, что канал оборудован улавливающим мусор устройством, например сеткой.