БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2015 года по МПК F03B7/00 F03B13/10 F03B17/06 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам преобразования энергии самотечного потока (речного и морского течения) в энергию электрическую.

Известна гидроэлектрическая установка, выполненная в виде катамарана, с входным диффузором перед началом рабочего канала и выходным диффузором после его окончания, с основной гидротурбиной в рабочем канале с деталями проточной части, расположенными двумя рядами в шахматном порядке, с валами основных турбин, установленными на корпусах катамарана и кинематически связанными с ними генераторами электрического тока, содержащая также в выходном диффузоре дополнительные гидротурбины с вертикальными осями вращения и кинематически связанными с ними генераторами электрического тока, а корпуса катамарана имеют в плане трапециевидную форму, рабочий канал между корпусами катамарана разделен перегородкой на отдельные рабочие каналы, переходящие в выходном диффузоре во вспомогательные каналы с погруженными в них дополнительными гидротурбинами, детали проточной части основных турбин выполнены в виде ковшей, в конце внешних обводов корпусов катамарана закреплены вихреотводы (см. SU 1474317 A, 23.04.1989, F03B 7/00).

Основными недостатками этой гидроэлектрической установки являются: невозможность функционирования в зимнее время при наличии ледяного покрова; ограниченная зона контакта лопастей основных гидротурбин с потоком воды по причине высокого расположения их осей вращения; высокая материалоемкость из-за необходимости использования катамарана.

Наиболее близкой по своей технической сути и достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция, у которой лопастное колесо со складывающимися лопастями расположено горизонтально, а вертикальный корпус разделен на барабаны и установлен на опоре с возможностью вращения взаимодействием роликов с круглыми направляющими, связанными с наружными поворотными ступенчато открывающимися лопастями, оси вращения которых смещены относительно друг друга на одинаковый угол. Основной и резервный электрогенераторы закреплены на опоре и связаны с корпусом и зубчатым колесом механической передачей. Внутренняя часть корпуса снабжена решетками, являющимися продолжением наружных поворотных лопастей, и неподвижными внутренними лопастями, выполненными из свободно закрепленных створок, опирающихся на решетку. Наружные лопасти установлены с обеспечением перекрытия внутренних лопастей в нерабочем положении и их более раннего вступления в работу (см. RU 1836586 A3, 23.08.1993, F03B 9/00).

Основными недостатками этой бесплотинной гидроэлектростанции для предлагаемого использования являются: расположение электростанции на дне потока воды, где активно перемещаются абразивные частицы песка и другие осадки, негативно влияющие на работоспособность узлов трения; наличие конструктивных узлов, требующих точного кинематического взаимодействия контактных деталей; многоступенчатая кинематическая схема мультипликации, снижающая коэффициент полезного действия устройства.

В основу изобретения поставлена задача обеспечения регулируемой глубины погружения гидроэлектростанции с возможностью расположения ее как на дне водного потока, так и внутри потока в подвесном положении, уменьшения количества ступеней мультипликации, повышающего коэффициент полезного действия, упрощения доставки гидроэлектростанции к месту ее эксплуатации и облегчения обслуживания и ремонта.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в бесплотинной гидроэлектростанции с лопастным колесом и корпусом, установленным на опоре, согласно изобретению, центральная вертикальная часть корпуса выполнена в виде полого герметичного цилиндра, заполняемого по мере необходимости водой или воздухом, а горизонтальная часть корпуса, жестко соединенная с цилиндром, представляет собой ферму, на которой размещены кольцевая дорожка под опорные ролики лопастного колеса, лопастное колесо, вращающееся вокруг полого цилиндра, опора ведомой звездочки первой ступени кинематической схемы передачи оборотов от лопастного колеса к генератору электроэнергии, боковые заграждения, функционально выполняющие роль входного и выходного диффузоров.

Кроме того, лопастное колесо представляет собой пространственную конструкцию в виде кольца, кольцевые стороны которого и внутренняя кольцевая поверхность закрыты, а наружная кольцевая сторона открыта, причем внутреннее пространство лопастного колеса разделено на секторы, в каждом из которых размещена лопасть с возможностью разворота внутри сектора на оси, расположенной со стороны наружной кольцевой поверхности, а свободным концом опирается на кронштейн, закрепленный на внутренней кольцевой поверхности лопастного колеса, кроме того, на внешней стороне внутренней кольцевой поверхности лопастного колеса установлены ролики с вертикальной осью вращения, а под наружной кольцевой поверхностью колеса размещены ролики с горизонтальной осью вращения, посредством которых лопастное колесо при вращении опирается соответственно на боковую поверхность цилиндра и на кольцевую дорожку, расположенную на ферме, а также над наружной кольцевой поверхностью лопастного колеса по его периметру закреплены звездочки цепной передачи.

Кроме того, кинематическая схема вращения от лопастного колеса к генератору электроэнергии трехступенчатая и содержит: в первой ступени передачи - закрепленные на верхней боковой поверхности по периметру лопастного колеса звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, размещенную на оси опоры, закрепленной на ферме; во второй ступени передачи - закрепленную на ведомой звездочке первой ступени раму, по периметру которой закреплены звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, размещенную на оси, закрепленной на верхнем днище цилиндра; в третьей ступени передачи - закрепленную на ведомой звездочке второй ступени раму, по периметру которой закреплены звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, передающую вращение на вал, один конец которого размещен в опоре, закрепленной на верхнем днище цилиндра, а другой выведен на технологическую платформу и содержит конструктивный элемент, при посредстве которого вал взаимодействует с валом генератора электроэнергии.

Кроме того, бесплотинная гидроэлектростанция содержит технологическую платформу, расположенную над цилиндром и жестко с ним связанную, на которой размещены генератор электроэнергии, компрессор, приводы задвижек, обеспечивающих по мере необходимости поступление воды и воздуха в цилиндр, крепежные узлы якорных устройств с приспособлениями для регулирования натяжения гибких связей якорных устройств.

Предложенное техническое решение отличается от прототипа и ему подобных устройств тем, что конструктивная схема соединения вертикальной части корпуса с его горизонтальной частью позволяет располагать бесплотинную гидроэлектростанцию на слабых придонных грунтах водного потока с опорой на большую поверхность нижнего дна цилиндра. При этом подвижные части предложенной гидроэлектростанции располагаются за пределами зоны активного переноса абразивных частиц, перемещаемых потоком воды.

Наличие цилиндра, заполняемого по мере необходимости водой или воздухом, обеспечивает возможность расположения предложенной бесплотинной гидроэлектростанции как на дне водоема, так и непосредственно в толще водяного потока в подвесном положении. Это отличие от прототипа облегчает доставку бесплотинной гидроэлектростанции к месту ее эксплуатации, а в дальнейшем облегчает регламентный осмотр и, в случае необходимости, ремонт подвижных частей устройства.

Наличие закрытых кольцевых поверхностей секторов лопастного колеса в предложенной бесплотинной гидроэлектростанции, в течение времени контакта подвижной лопасти с опорным кронштейном, создает в секторе лопастного колеса пространство в форме ковша, способствуя тем самым повышению силового воздействия потока воды на проворот лопастного колеса.

Использование в кинематической схеме передачи вращения от лопастного колеса к генератору электроэнергии тяговой цепи и звездочек, среди которых одни вращаются, а другие закреплены на вращающихся рамах, позволяет сократить количество ступеней передачи оборотов до трех за счет возможности получения больших передаточных чисел в такой схеме (до 50 и более) и обеспечивает высокий коэффициент полезного действия. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет создавать подобные устройства большей единичной мощности, ограниченной только прочностными свойствами конструкционных материалов.

Техническим результатом заявленного технического решения является расширение области применения бесплотинной гидроэлектростанции за счет расположения ее как на дне водоема, так и непосредственно в толще водяного потока, а простая конструктивная и оригинальная кинематическая схема передачи вращения с лопастного колеса на генератор электроэнергии позволяют создавать бесплотинные гидроэлектростанции большой единичной мощности, ограниченной только прочностными свойствами конструкционных материалов.

Дальнейшая сущность изобретения поясняется совместно с иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - конструктивная схема предложенной бесплотинной гидроэлектростанции, вид сбоку; фиг.2 - схема взаимного расположения функциональных элементов конструкции, вид в плане.

Бесплотинная гидроэлектростанция содержит корпус, вертикальная часть которого выполнена в виде полого герметичного цилиндра 1 с соединенной с ним технологической платформой 2, а горизонтальная часть - в виде фермы 3.

На ферме 3 закреплены кольцевая дорожка 4, опора 5 ведомой звездочки 6 первой ступени мультипликации оборотов лопастного колеса 7, боковые заграждения 8 в виде входного (зона А) и выходного (зона В) диффузоров, а также размещено лопастное колесо 7 в виде кольца с вертикальной осью вращения, верхняя и нижняя поверхности которого закрыты, по периметру кольца в нижней его части расположены опорные ролики 9 с горизонтальной осью вращения, в верхней части - звездочки 10 первой ступени мультипликации оборотов лопастного колеса 7, а на внешней стороне внутренней кольцевой поверхности колеса 7 - ролики 11 с вертикальной осью вращения, посредством которых лопастное колесо 7 при вращении опирается на боковую поверхность цилиндра 1. Внутреннее пространство лопастного колеса 7 разделено на секторы, в каждом из которых размешена лопасть 12 с возможностью разворота ее на оси 13 таким образом, что в зоне активного силового воздействия водного потока на лопасть 12 она контактирует с опорным кронштейном 14 и формирует пространство в виде ковша, а в зоне пассивного воздействия (при обратном направлении движения колеса 7) - разворачивается в сторону наружной кольцевой поверхности лопастного колеса 7, раскрывая тем самым пространство в виде ковша и уменьшая сопротивление вращению лопастного колеса 7.

Кинематическая схема передачи вращения от лопастного колеса 7 к генератору электроэнергии 15, расположенному на технологической платформе 2, трехступенчатая.

Первая ступень кинематической схемы передачи оборотов (мультипликация) включает звездочки 10, закрепленные неподвижно по периметру лопастного колеса 7, тяговую цепь 16, передающую усилие от кругового перемещения звездочек 10, и ведомую звездочку 6, свободно вращающуюся на оси, закрепленной на опоре 5.

Вторая ступень передачи вращения содержит раму 17 с закрепленными на ней звездочками 18, тяговую цепь 19 и ведомую звездочку 20. Рама 17 жестко закреплена на ведомой звездочке 6 первой ступени передачи вращения.

Третья ступень передачи вращения содержит раму 21 с закрепленными на ней звездочками 22, тяговую цепь 23 и звездочку 24, расположенную на вале 25. Рама 21 жестко соединена со звездочкой 20.

Звездочка 24 передает вращение на вал 25, один конец которого размещен в опоре 26, закрепленной на верхнем днище цилиндра 1, а другой конец выведен на технологическую платформу 2 и содержит конструктивный элемент 27, например муфту, при помощи которого вал 25 взаимодействует с валом генератора электроэнергии 15.

На технологической платформе 2 размещены узлы крепления и регулировки натяжения гибких связей 28 якорных устройств, компрессор, помещение для обслуживающего персонала, управление задвижками, регулирующими заполнение цилиндра 1 водой или воздухом, и средства, предусмотренные правилами безопасности для объектов, располагаемых на воде (не показаны ввиду общеизвестности).

Предложенная бесплотинная гидроэлектростанция (ГЭС) работает следующим образом.

Конструкцию бесплотинной гидроэлектростанции с зафиксированными в нерабочем положении лопастями 12 лопастного колеса 7 буксируют в плавучем положении к месту эксплуатации (где заблаговременно установлены якорные устройства) при заполненном воздухом цилиндре 1.

На месте эксплуатации бесплотинной гидроэлектростанции ее закрепляют на якорных устройствах посредством гибких связей 28, путем регулировки натяжения которых гидроэлектростанцию разворачивают входным диффузором (зона А) навстречу потоку, соединяют сеть генератора электроэнергии 15 с подводным кабелем (не показан в виду общеизвестности), разблокируют лопасти 12 лопастного колеса 7 и путем регулируемого заполнения цилиндра 1 водой и необходимого натяжения гибких связей 28 устанавливают бесплотинную гидроэлектростанцию на требуемой глубине водного потока.

Водный поток, проникая через входной диффузор вовнутрь лопастного колеса 7, воздействует на лопасти 12 активной части лопастного колеса 7 и разворачивает их вокруг оси 13 таким образом, что они своим подвижным концом опираются на кронштейн 14 и образуют в секторах активной части лопастного колеса 7 пространство в виде ковша, увеличивая тем самым силовое воздействие водного потока на проворачивание лопастного колеса 7 вокруг оси его вращения. При этом лопастное колесо 7 своей нижней торцевой частью через посредство опорных роликов 9 с горизонтальной осью вращения опирается на кольцевую дорожку 4, а внутренней кольцевой поверхностью через посредство роликов 11 с вертикальной осью вращения - на боковую поверхность цилиндра 1. Лопасти 12, находящиеся в пассивной части лопастного колеса 7, которое вращается в направлении, обратном направлению движения водного потока, проворачиваются вокруг оси 13 и раскрывают дно ковша каждая в своем секторе, следствием чего является уменьшение сопротивления вращению лопастного колеса 7.

При вращении лопастного колеса 7 звездочки 10, закрепленные по его периметру, осуществляют протягивание тяговой цепи 16, передающей вращение на ведомую звездочку 6, размещенную на оси, закрепленной на опоре 5. Далее вращение от звездочки 6 передают на раму 17, жестко соединенную со звездочкой 6, и, посредством закрепленных на раме 17 звездочек 18, осуществляют протягивание цепи 19, при посредстве которой вращение передают на звездочку 20 и закрепленную на ней раму 21. Звездочки 22, закрепленные на раме 21, при ее вращении осуществляют протягивание цепи 23 и через ее посредство передают вращение звездочке 24, расположенной на вале 25. С вала 25 вращение на вал генератора электроэнергии 15 передают посредством конструктивного элемента 27.

К техническим преимуществам предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:

- расширение области применения за счет возможности размещения бесплотинной гидроэлектростанции как на слабых придонных грунтах, так и толще водного потока;

- простая конструктивная схема с небольшим количеством обрабатываемых механическим способом узлов и деталей позволяет создавать бесплотинные гидроэлектростанции больших размеров с большой единичной мощностью, ограниченных только прочностными свойствами конструкционных материалов;

- облегчение транспортировки бесплотинной гидроэлектростанции к месту установки и эксплуатации с помощью буксиров;

- повышение коэффициента полезного действия бесплотинной гидроэлектростанции за счет применения трехступенчатой кинематической схемы передачи крутящего момента (оборотов) с лопастного колеса на генератор электроэнергии.

После описания наилучшего варианта предложенной бесплотинной гидроэлектростанции специалистам в данной области знаний должно быть очевидным, что все вышеописанное является лишь иллюстрационным, а не ограничительным, будучи представленными данным примером исполнения. Многочисленные возможные модификации и варианты конкретного изготовления предложенной бесплотинной гидроэлектростанции, в частности количество лопастей, тип цепей и звездочек в цепных передачах, материалы и прочее, могут изменяться в зависимости от назначения и характера эксплуатации предложенной бесплотинной гидроэлектростанции и, понятно, находятся в пределах объема одного из обычных и естественных подходов в данной области знаний и рассматриваются находящимися в пределах объема предложенного технического решения.

Квинтэссенцией предложенного технического решения является возможность обеспечения проворота лопастей в зоне активного водного потока внутри лопастного колеса, что позволяет создавать пространство в виде ковша, что, в свою очередь, значительно увеличивает силовое воздействие водного потока на проворот лопастного колеса, а наличие входного диффузора способствует формированию водного потока, направляемого на лопасти лопастного колеса, и обеспечивает более раннее вступление их в работу, и, в тоже время, наличие выходного диффузора способствует более полному отбору энергии у водного потока за счет более позднего выхода из контакта с активной части водного потока внутри лопастного колеса, а применение кинематической схемы с высоким передаточным числом ступеней мультипликации обеспечивает повышение коэффициента полезного действия предложенной бесплотинной гидроэлектростанции, и, благодаря совокупности этих совершенствований, предложенное техническое решение приобрело вышеперечисленные и иные преимущества. Использование комбинаций отдельных конструктивных элементов из всей совокупности заявленных, естественно, ограничивает спектр преимуществ, перечисленных выше, поскольку иные конструкции, подобные описанным, уже не требуют никакого творческого подхода от конструкторов и инженеров, и не могут считаться результатами их творческой деятельности или объектами интеллектуальной собственности, соответствующими требованиям действующего законодательства для защиты охранными документами.

Изобретение может быть использовано в гидроэнергетике в качестве устройства для преобразования энергии самотечного водного потока в электроэнергию. Бесплотинная гидроэлектростанция содержит лопастное колесо и корпус, установленный на опоре. Центральная вертикальная часть корпуса выполнена в виде полого герметичного цилиндра, заполняемого по мере необходимости водой или воздухом. Горизонтальная часть корпуса, жестко соединенная с цилиндром, представляет собой ферму, на которой размещены кольцевая дорожка под опорные ролики лопастного колеса, лопастное колесо, вращающееся вокруг полого цилиндра, опора ведомой звездочки 6 первой ступени кинематической схемы передачи оборотов от лопастного колеса к генератору электроэнергии, боковые заграждения, функционально выполняющие роль входного и выходного диффузоров А, В. Изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия, упрощение конструкции, увеличение единичной мощности. 3 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Бесплотинная гидроэлектростанция с лопастным колесом и корпусом, установленным на опоре, отличающаяся тем, что центральная вертикальная часть корпуса выполнена в виде полого герметичного цилиндра, заполняемого по мере необходимости водой или воздухом, а горизонтальная часть корпуса, жестко соединенная с цилиндром, представляет собой ферму, на которой размещены кольцевая дорожка под опорные ролики лопастного колеса, лопастное колесо, вращающееся вокруг полого цилиндра, опора ведомой звездочки первой ступени кинематической схемы передачи оборотов от лопастного колеса к генератору электроэнергии, боковые заграждения, функционально выполняющие роль входного и выходного диффузоров.

2. Бесплотинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что лопастное колесо представляет собой пространственную конструкцию в виде кольца, кольцевые стороны которого и внутренняя кольцевая поверхность закрыты, а наружная кольцевая сторона открыта, причем внутреннее пространство лопастного колеса разделено на секторы, в каждом из которых размещена лопасть с возможностью разворота внутри сектора на оси, расположенной со стороны наружной кольцевой поверхности, а свободным концом опирается на кронштейн, закрепленный на внутренней кольцевой поверхности лопастного колеса, кроме того, на внешней стороне внутренней кольцевой поверхности лопастного колеса установлены ролики с вертикальной осью вращения, а под наружной кольцевой поверхностью колеса размещены ролики с горизонтальной осью вращения, посредством которых лопастное колесо при вращении опирается соответственно на боковую поверхность цилиндра и на кольцевую дорожку, расположенную на ферме, а также над наружной кольцевой поверхностью лопастного колеса по его периметру закреплены звездочки цепной передачи.

3. Бесплотинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что кинематическая схема вращения от лопастного колеса к генератору электроэнергии трехступенчатая и содержит: в первой ступени передачи - закрепленные на верхней боковой поверхности по периметру лопастного колеса звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, размещенную на оси опоры, закрепленной на ферме; во второй ступени передачи - закрепленную на ведомой звездочке первой ступени раму, по периметру которой закреплены звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, размещенную на оси, закрепленной на верхнем днище цилиндра; в третьей ступени передачи - закрепленную на ведомой звездочке второй ступени раму, по периметру которой закреплены звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, передающую вращение на вал, один конец которого размещен в опоре, закрепленной на верхнем днище цилиндра, а другой выведен на технологическую платформу и содержит конструктивный элемент, при посредстве которого вал взаимодействует с валом генератора электроэнергии.

4. Бесплотинная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что содержит технологическую платформу, расположенную над цилиндром и жестко с ним связанную, на которой размещены генератор электроэнергии, компрессор, приводы задвижек, обеспечивающих по мере необходимости поступление воды и воздуха в цилиндр, крепежные узлы якорных устройств с приспособлениями для регулирования натяжения гибких связей якорных устройств.