ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ГИДРОДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Российский патент 2015 года по МПК F03B13/10 F03B17/06 

Описание патента на изобретение RU2567347C1

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть применено как самостоятельно для выработки электроэнергии, так и в составе плотинных гидроэлектростанций (ГЭС), деривационных ГЭС, свободнопоточных ГЭС в системах водоснабжения, водоотведения и водотоках каналов.

Из уровня техники известна речная деривационная гидроэлектростанция, содержащая обводной канал, турбины и генераторы, установленные в нем, при этом гидроэлектростанция дополнительно снабжена турбинами и генераторами, установленными на стыке реки и обводного канала и в обводном канале вниз по течению с образованием каскада, причем гидроэлектростанция выполнена бесплотинной (RU 2023201 С1, 2007 г.).

Известная гидроэлектростанция конструктивно излишне сложна, не позволяет автоматически удерживать равномерное распределение нагрузок между турбинами, а также имеет недостаточно высокий КПД из-за невысокой скорости вращения турбин.

Наиболее близкой к предложенной является каскадная гидроэлектростанция, включающая канал круглого сечения, сообщенный своим входом с инициирующим динамичный поток водоемом, а своим выходом - с атмосферой, и ортогональные турбины, расположенные внутри канала; канал представляет собой собранную из соединительных звеньев трубу с разнесенными по длине трубы турбинами, а турбины выполнены в виде трубных модулей с выходом ведущего вала и возможностью установки модулей между соединительными звеньями трубы, при этом в каждом модуле расположены две лопасти в форме дуги, связанные с валом, соединенным с соответствующим генератором (RU 2483159 С1, опубл. 27.05.2013).

Наиболее близким к предложенному способу является способ получения и тиражирования электроэнергии, реализуемый данной ГЭС, по которому разгоняют гидропоток в гидродинамической трубе за счет давления столба воды на входе в ГДТ и выброса воды в атмосферу, воздействуют гидропотоком на лопасти гидродвигателей, последовательно установленных в ГДТ, и преобразуют вращение роторов гидродвигателей в электроэнергию посредством генераторов (RU 2483159 С1, опубл. 27.05.2013).

Известная гидроэлектростанция конструктивно проста, и в ней обеспечено равномерное распределение нагрузок между турбинами. Однако она также имеет недостаточно высокий КПД из-за невысокой скорости вращения турбин.

Наиболее близкой к предложенному гидродвигателю является многоярусная турбина ортогонального энергетического агрегата, каждый ярус турбины выполнен с лопастями стреловидной формы, изогнутыми по винтовым линиям и симметрично наклоненными от места сопряжения лопастей смежных ярусов в виде острия стрелы в противоположном к лопастям соседнего яруса турбины направлении (RU 2462612 С1, опубл. 27.09.2012).

Лопасти турбины имеют неизменяемый профиль, поэтому в некоторых своих положениях они не способствуют созданию силы тяги лопастей, что ограничивает скорость вращения турбины.

Задачей изобретения является создание высокоэффективной ГЭС с высоким КПД.

Задача решается гидродвигателем для использования на ГДЭС, ротор которого включает установленные на валу два маховика, а каждая лопасть гидродвигателя выполнена из двух полулопастей, каждая из которых установлена с помощью прямых шипов в подшипниках маховиков с возможностью качания, предпочтительно на 8-10 градусов, относительно хорды лопасти, расположенной вдоль оси ротора при этом полулопасти находятся в зубчатом зацеплении друг с другом посредством одного зуба, выполненного на одной полулопасти, и двух зубьев, выполненных на другой полулопасти.

В предпочтительном варианте выполнения каждая полулопасть имеет симметричный профиль, поперечное сечение первой полулопасти каждой лопасти имеет заостренный конец, обращенный навстречу потоку, расширяется и сужается в сторону второй полулопасти, при этом ось качания первой полулопасти расположена в наибольшем ее продольном сечении, перпендикулярном ее плоскости симметрии, длина первой полулопасти в поперечном сечении составляет 2/5 хорды лопасти, вторая полулопасть плавно сужается в поперечном сечении в направлении от первой полулопасти и заканчивается тупым концом, а при нулевом угле атаки оси качания полулопастей пересекают хорду лопасти на расстояниях 1/5 хорды и 3,5/5 хорды от вершины острия ведущей полулопасти соответственно.

Задача также решается гидродинамической электростанцией (ГДЭС), содержащей по меньшей мере одну гидродинамическую трубу (ГДТ), верхняя часть которой сообщена с водоемом, а нижняя - с атмосферой, и размещенные по длине ГДТ гидроагрегаты, каждый из которых включает гидродвигатель и соединенный с его валом генератор, при этом согласно изобретению каждый гидроагрегат включает также соединенный с валом гидродвигателя разгонный двигатель, ГДТ имеет прямоугольное сечение, а каждый гидродвигатель выполнен вышеописанным образом.

Задача также решается способом получения и тиражирования электроэнергии с помощью данной гидродинамической электростанции, заключающимся в том, что разгоняют гидропоток в гидродинамической трубе за счет давления столба воды на входе в ГДТ и выброса воды в атмосферу, воздействуют гидропотоком на лопасти гидродвигателей, последовательно установленных в ГДТ, и преобразуют вращение роторов гидродвигателей в электроэнергию посредством генераторов, и характеризующимся тем, что с помощью разгонных двигателей разгоняют лопасти соответствующих гидродвигателей до скорости, превышающей скорость потока, набегающего на лопасти каждого гидродвигателя.

Технический результат от использования предложенных способа и ГДЭС заключается в повышении скорости вращения лопастей за счет их изменяемого профиля и одновременно в повышении скорости потока, омывающего лопасти, за счет использования разгонных двигателей в каждом гидроагрегате. Линейная скорость лопасти гидродвигателя превышает скорость гидропотока в ГДТ на коэффициент быстроходности, который определяется отношением линейной скорости лопасти к скорости гидропотока в пределах 13-15 раз.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 показана предложенная ГДЭС в плане.

На фиг. 2 показан гидродвигатель, вид спереди (со стороны боковой стенки ГДТ) с частичным разрезом.

На фиг. 3 - вид на гидродвигатель сверху с частичным разрезом.

На фиг. 4 - поперечный разрез гидродвигателя в плоскости, перпендикулярной оси ротора в процессе работы.

На фиг. 5 - поперечный разрез лопасти гидродвигателя при нулевом угле атаки.

На фиг. 6 - вид лопасти на фиг. 5 сверху.

На фиг. 7 - поперечный разрез лопасти гидродвигателя при угле атаки, отличном от нуля.

Предложенная гидродинамическая электростанция содержит несколько (или одну) гидродинамических труб (ГДТ) 1. В каждой ГДТ 1 входная часть соединена через шандорный затвор 2 и приемную камеру с верхним бьефом водохранилища 3, а выходная часть 4 - с атмосферой. На фиг. 1 также показаны плотина 5, русло реки 6 и отводящий канал 7. В машинном зале 8 по длине каждой ГДТ 1 установлены высокоскоростные гидроагрегаты 9 с определенным шагом в зависимости от мощности гидроагрегатов. Каждый гидроагрегат 9 включает гидродвигатель 10 и соединенные с его валом с одной стороны генератор 11 и с другой стороны разгонный двигатель 12 - рекуператор электроэнергии.

В предпочтительном варианте ГДЭС имеет две ГДТ 1, одна из которых работает постоянно, а вторая включается в периоды пиковых нагрузок (зимний период, суточные пиковые нагрузки) и во время ремонта другой трубы.

Внутри каждой ГДТ 1 прямоугольного сечения установлен корпус 13 гидродвигателя 10, в котором на валу 14 с двух сторон на шпонках установлены маховики ротора 15, которые соединены друг с другом по ободам установленными на прямых шипах шатунно-лопастными механизмами изменяемого профиля в виде качающихся лопастей 16. Лопастям 16 присвоено имя «лопасти Ушаковой изменяемого профиля».

Высота прямоугольного сечения ГДТ 1 равна диаметру маховиков ротора 15 гидродвигателя 10. Съемная крышка 17 гидродвигателя 10 с помощью болтов соединена в корпусом 13.

Маховики ротора 15 расположены в углублениях боковых стенок ГДТ 1, так что ширина ГДТ 1, обозначенная на фиг. 3 как «В», равна размеру посадки маховиков (расстоянию между роторами). Высота ГДТ 1 (глубина), обозначенная на фиг. 2 «h», равна высоте корпуса 13 от днища до крышки.

Вал 14 выходит через стенки ГДТ, опираясь концами на подшипники. На тонком конце вала 14 насажена на шпонках муфта для соединения с разгонным двигателем 12. На большем по диаметру конце вала 14 насажена муфта для подсоединения генератора 11.

Каждая лопасть 16 гидродвигателя 10 выполнена из двух полулопастей - первой ведущей полулопасти 17 и второй ведомой полулопасти 18 (фиг. 5, 6). Полулопасти 17 и 18 имеют каждая прямые шипы 19 и 20, которые вставлены в подшипники, закрепленные на ободах ротора 15 с возможностью поворота на углы 8-10 градусов. Углы поворота полулопастей 17, 18 ограничены приваренными на ободах ротора 15 пластинами 21, 22. Таким образом, каждая полулопасть 17, 18 является качающейся, преимущественно на 8-10 градусов относительно хорды лопасти 16, расположенной вдоль оси ротора 15. Полулопасти 17, 18 находятся в зубчатом зацеплении друг с другом. На фиг. 5 показано, что на первой полулопасти 17 выполнены два зуба 23, а на второй полулопасти 18 выполнен один зуб 24. (Возможен обратный вариант: один зуб на первой полулопасти 17 и два зуба на второй полулопасти 18). Зубья 23 и 24 имеют профиль, обеспечивающий обкатывание зуба 24 по обращенным к нему поверхностям зубьев 23, как это имеет место при зубчатом зацеплении колес.

Полулопасти 17 и 18 имеют симметричный профиль, первая ведущая полулопасть 17 заострена с одного конца, расширяется в направлении к зубчатому зацеплению. Вторая ведомая полулопасть 18 плавно сужается в направлении к свободному концу и заканчивается тупым концом толщиной 3-5 мм. Поверхности второй полулопасти 18 являются продолжениями поверхностей первой полулопасти 17. Длина первой полулопасти 17 в поперечном сечении равна 2/5 хорды лопасти, длина второй полулопасти 18 равна 3/5 хорды. Хорда равна сумме длин полулопастей: 2/5+3/5=1. Углы атаки лопасти 16 при воздействии потока воды могут быть положительными, отрицательными или равными нулю. (При положительных и отрицательных углах атаки поворот концов полулопастей 17 и 18 составляет ±6-10 мм.) При нулевом угле атаки лопасть 16 имеет симметричный профиль. При положительных и отрицательных углах атаки - S-образный профиль.

Способ получения и тиражирования электроэнергии и работа ГДЭС и гидродвигателя осуществляются следующим образом.

На первой стадии происходит разгон гидропотока в ГДТ 1 за счет давления столба воды Н на входе в ГДТ 1 и выброса воды в атмосферу. Скорость V воды, вытекающей из хвостового отверстия ГДТ, определяется по формуле V2=2gH. На второй стадии происходит разгон лопастей 16 гидродвигателей 10 до скоростей, превышающих скорости потока в 13-15 раз. При воздействии гидропотока на качающиеся лопасти 16 полулопасти 17 и 18 меняют свое положение на 8-10 градусов относительно хорды лопасти 16 за счет поворота вокруг своих осей.

Синхронизация поворота полулопастей 17 и 18 обеспечивается за счет их зубчатого зацепления. При повороте полулопастей 17 и 18 в своих положениях при положительном и отрицательном углах атаки лопасти 16 приобретают S-образный профиль за счет своей вышеописанной геометрии (фиг. 4).

За один оборот маховиков ротора 15 на 360 градусов лопасти 16 изменяемого профиля Ушаковой меняют свой профиль четыре раза: а) при повороте от 0 до 3 градусов - симметричный профиль со знаком +; б) от 3 до 180 градусов - S-образный профиль со знаком +; в) от 180 до 183 градусов - симметричный профиль со знаком -; г) от 183 до 360 градусов - S-образный профиль со знаком -. Как при положительном так и при отрицательном углах атаки (от 3 до 180 градусов - S-образный профиль со знаком + и от 183 до 360 градусов - S-образный профиль со знаком -) смещение перерезывающей силы от нагрузки смещено от оси вращения вала 14 в сторону острия ведущей полулопасти 17 всегда влево, что дает произведение перерезывающей силы на плечо смещения перерезывающей силы h1, что приводит к положительному результату, направленному в сторону вращения лопасти 16 изменяемого профиля Ушаковой (дополнительное увеличение мощности).

Омывающий лопасть 16 S-образного профиля высокоскоростной поток создает подъемную силу лопасти. Проекция подъемной силы лопасти 16 на вектор линейной скорости создает силу тяги лопасти. Кавитация, возникающая в высокоскоростном потоке, способствует уменьшению вязкости жидкости и, соответственно, уменьшению сопротивления вращения ротора 15 гидродвигателя 10. Лопасти 16 гидродвигателей 10 S-образного изменяемого профиля будут способствовать ускорению водного потока, играя роль насоса для прокачки воды.

После разгона лопастей 16 включаются разгонные двигатели 12, которые дополнительно разгоняют лопасти 16 и роторы 15 гидродвигателей 10, и скорость потока нарастает по длине ГДТ 1. Разгонные двигатели 12 - рекуператоры позволяют гидродвигателям 10 преодолеть сопротивление вращения силами тяги лопастей, поддерживать скорости вращения роторов 15 гидродвигателей 10 в нужных параметрах (3000 или 2250 об/мин). Кроме того, при снижении нагрузок в линии электропередачи (ЛЭП) и увеличении оборотов разгонный двигатель 12 - рекуператор способен возвращать в сеть (ЛЭП) электрическую энергию (рекуперация), снижая до проектных показателей обороты высокоскоростных гидроагрегатов 8.

Вращение роторов 15 гидродвигателей 10 передается на валы генераторов 11, преобразующих вращение вала в электроэнергию.

Предложенная группа изобретений позволяет повысить КПД выработки электроэнергии на ГДЭС за счет увеличения скорости вращения лопастей роторов гидродвигателей.

Похожие патенты RU2567347C1

название год авторы номер документа
АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 2014
  • Ушаков Эдуард Александрович
RU2582379C1
НАПЛАВНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ПОДВОДНОЙ ТУРБИНОЙ 2004
  • Ушаков Григорий Германович
RU2269672C1
Бесплотинная инерционная гидроэлектростанция 2016
  • Зайцев Анатолий Николаевич
RU2637771C1
БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 1998
  • Ушаков Г.Г.
  • Болтухин Н.Я.
RU2173745C2
Гидроэлектростанция 1980
  • Калинин Олег Иванович
  • Калинин Валентин Иванович
  • Картелев Борис Григорьевич
SU889787A1
БЕСПЛОТИННАЯ ВСЕСЕЗОННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 1999
  • Озеров Г.И.
RU2171912C2
РУСЛОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ РУССКОГО ИНЖЕНЕРА ЖЕЛЕЗНЯКОВА СЕРГЕЯ ТИМОФЕЕВИЧА 2013
  • Железняков Сергей Тимофеевич
RU2557836C2
ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 1995
  • Горлов Василий Алексеевич
  • Горлов Иван Алексеевич
RU2108482C1
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА 2011
  • Кирдякин Александр Алексеевич
  • Савин Игорь Игоревич
RU2457357C2
СИММЕТРИЧЕСКАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 2006
  • Моргунов Геннадий Михайлович
  • Моргунов Кирилл Геннадьевич
RU2338086C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 567 347 C1

Реферат патента 2015 года ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ГИДРОДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Группа изобретений относится к гидроэнергетике и может быть использована как самостоятельно для выработки электроэнергии, так и в составе плотинных гидроэлектростанций (ГЭС), деривационных ГЭС, свободнопоточных ГЭС в системах водоснабжения, водоотведения и водотоках каналов. Гидродинамическая электростанция содержит по меньшей мере одну гидродинамическую трубу 1 (ГДТ), верхняя часть которой сообщена с водоемом, а нижняя - с атмосферой, и размещенные по длине ГДТ 1 гидроагрегаты, каждый из которых включает гидродвигатель и соединенный с его валом генератор. Каждый гидроагрегат включает также соединенный с валом гидродвигателя разгонный двигатель. ГДТ 1 имеет прямоугольное сечение. Каждый гидродвигатель включает ротор с установленными на двух маховиках 15 качающимися лопастями 16 изменяемого профиля, расположенными поперек ГДТ 1 вдоль вала. Группа изобретений позволяет повысить скорость вращения лопастей изменяемого профиля и одновременно повысить скорость потока, омывающего лопасти. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула изобретения RU 2 567 347 C1

1. Гидродвигатель, содержащий ротор с установленными на нем качающимися лопастями, причем ротор включает установленные на валу два маховика, а каждая лопасть гидродвигателя выполнена из двух полулопастей, каждая из которых установлена с помощью прямых шипов в подшипниках маховиков с возможностью качания относительно хорды лопасти, при этом полулопасти находятся в зубчатом зацеплении друг с другом посредством одного зуба, выполненного на одной полулопасти, и двух зубьев, выполненных на другой полулопасти.

2. Гидродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что полулопасти установлены с возможностью качания на 8-10 градусов относительно хорды лопасти.

3. Гидродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что каждая полулопасть имеет симметричный профиль, поперечное сечение первой полулопасти каждой лопасти имеет заостренный конец, расширяется в направлении к зубчатому зацеплению, длина первой полулопасти в поперечном сечении составляет 2/5 хорды лопасти, а вторая полулопасть плавно сужается в поперечном сечении в направлении от первой полулопасти и заканчивается тупым концом, а при нулевом угле атаки оси качания полулопастей пересекают хорду лопасти на расстояниях 1/5 хорды и 3,5/5 хорды от вершины острия ведущей полулопасти соответственно.

4. Гидродинамическая электростанция, содержащая по меньшей мере одну гидродинамическую трубу (ГДТ), верхняя часть которой сообщена с водоемом, а нижняя - с атмосферой, и последовательно размещенные по длине ГДТ гидроагрегаты, каждый из которых включает гидродвигатель и соединенный с его валом генератор, отличающаяся тем, что каждый гидроагрегат включает также соединенный с валом гидродвигателя разгонный двигатель, ГДТ имеет прямоугольное сечение, а каждый гидродвигатель выполнен по любому из пп. 1-3.

5. Электростанция по п. 4, отличающаяся тем, что каждый разгонный двигатель является рекуператором электроэнергии.

6. Способ получения и тиражирования электроэнергии с помощью гидродинамической электростанции по любому из пп. 4-5, заключающийся в том, что разгоняют гидропоток в гидродинамической трубе за счет давления столба воды на входе в ГДТ и выброса воды в атмосферу, воздействуют гидропотоком на лопасти гидродвигателей, последовательно установленных в ГДТ, и преобразуют вращение роторов гидродвигателей в электроэнергию посредством генераторов, причем с помощью разгонных двигателей дополнительно разгоняют лопасти соответствующих гидродвигателей до скорости, превышающей скорость потока, набегающего на лопасти каждого гидродвигателя.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2567347C1

КАСКАДНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 2011
  • Минченко Александр Иосифович
  • Злобина Анаит Патвакановна
  • Спирин Евгений Анатольевич
RU2483159C1

RU 2 567 347 C1

Авторы

Ушаков Эдуард Александрович

Даты

2015-11-10Публикация

2014-09-29Подача