ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2015 года по МПК F03B9/00 F03B13/00 F03B17/06 

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к гидроэлектростанциям для малых рек и каналов, которые могут работать в летних и зимних условиях и иметь достаточную мощность для обеспечения электроэнергией ближайших населенных пунктов и сельскохозяйственных потребителей.

Известна гидроэлектростанция, содержащая установленное в русле реки сооружение с направляющим устройством потока воды и гидроколесом с вертикальной осью вращения, связанным приводом с электрогенератором. Сооружение занимает часть центрального сечения реки и состоит из фундаментной плиты, боковых стен, образующих рабочий канал, и ледорезной опоры перед водозабором, а также конфузор и диффузор ответственно со стороны входа и выхода воды из канала. Одна из боковых стен имеет в рабочем канале секторный полукруглый вырез под гидроколесо (патент на изобретение RU №2020260, кл. 6 F03В 7/00, 1994 г. Аналог).

Недостатком этой гидроэлектростанции является низкая эффективность работы при медленном течении воды у берегов, а также то, что для полезной работы используется часть водного потока реки.

Известна также гидроэлектрическая установка для рек и каналов, содержащая водовод с входным конфузором и выходным диффузором, рабочим органом в виде тележек, соединенных гибким бесконечным органом, охватывающим вертикальные валы, соединенные приводами с генераторами электрического тока. Каждая тележка снабжена лопастью, установленной с возможностью входа в начало и выхода из конца рабочей магистрали (патент Украины на изобретение №97764, кл. F01B 9/00. Прототип).

Недостаток известной установки - неполное использование энергии водного потока, который разделяется на рабочую, вспомогательную и аварийную магистрали. Причем во вспомогательной магистрали поток не только не используется для полезной работы, но и тормозит обратное движение ребер лопастей. Другим недостатком является сложность и ненадежность конструкции установки из-за тросовой связи тележек и большой длины копирующей дорожки вывода и ввода лопастей в рабочую магистраль. Следующим недостатком является невозможность использовать установку в осенне-зимний период, когда водная магистраль покрывается льдом.

По большинству признаков и достигаемому техническому результату данная установка является ближайшим аналогом и принята нами в качестве прототипа.

Техническая задача изобретения - создание гидроэлектростанции, в которой полностью используется водный поток реки или канала и устранено торможение обратного движения лопастей.

Технический результат - повышение эффективности выработки электроэнергии за счет движения лопастей по дуге рабочей магистрали, которая превышает половину окружности большого диаметра, и использование полностью энергии водяного потока водовода.

Техническая задача и результат достигаются тем, что гидроэлектростанция содержит водовод с входным конфузором и выходным диффузором, разделенный вертикальными стенками на рабочую и аварийную магистрали. Рабочий орган выполнен в виде тележек, установленных колесами на рельсовом пути и соединенных с валом, который связан приводом с генератором электрического тока. Каждая тележка имеет лопасть, установленную с возможностью входа в начало и выхода из конца рабочей магистрали. Новым является то, что рабочая магистраль образована в виде дуги половины окружности, сообщенной входом и выходом с прямолинейной аварийной магистралью, на входе которых установлены заслонки. Рельсовый путь выполнен в виде окружности, закреплен на стенках рабочей магистрали и опорной плите, расположенной на поверхности земли в виде половины окружности, примыкающей к стенкам рабочей магистрали. Каждая лопасть рабочего органа установлена на тележках с возможностью вертикальных перемещений и снабжена пружинной защелкой фиксации ее на пальце тележки. Она также снабжена опорными роликами, которые в поднятом положении лопасти взаимодействуют с копирующими дорожками, а также снабжена упорными роликами, взаимодействующими с пружинной защелкой, установленными с двух сторон рельсового пути соответственно на выходе и входе рабочей магистрали для подъема лопастей в конце рабочей магистрали и выведения защелки из зацепления с пальцем в начале рабочей магистрали. Вал с ведущим шкивом привода вращения генератора электрического тока смонтирован на стенках аварийной магистрали в центре рельсового пути и соединен водилами с каждой тележкой рабочего органа посредством серьги для компенсации неточностей монтажа рельсового пути. Поперек конфузора установлено устройство для крошения льда, выполненное в виде закрепленных на оси лопастных роторов и бил, длина которых превышает радиус лопастей ротора.

Причинно-следственная связь новых признаков изобретения с техническим результатом состоит в следующем.

Образование рабочей магистрали в виде дуги половины окружности, сообщенной входом и выходом с прямолинейной аварийной магистралью, на входе которых установлены заслонки, позволило существенно увеличить эффективность работы электростанции за счет увеличения длины пути рабочего органа и увеличения радиуса дуги рабочей магистрали.

Выполнение рельсового пути в виде окружности, закрепленной на стенках рабочей магистрали и опорной плите, расположенной на половине окружности, расположенной на поверхности земли, в виде половины окружности, примыкающей к стенкам рабочей магистрали, позволило упростить привод рабочим органом генератора электрического тока.

Установка каждой лопасти рабочего органа на тележках с возможностью вертикальных перемещений и снабжение пружинной защелкой фиксации ее на пальце тележки позволила упростить вывод лопастей из рабочей магистрали и удерживание над опорной плитой на нерабочем участке движения лопастей.

Снабжение каждой лопасти опорными роликами, взаимодействующими с копирующими дорожками и упорными роликами, взаимодействующими с пружинной защелкой, установленными с двух сторон рельсового пути соответственно на выходе и входе рабочей магистрали, позволило упростить подъем лопастей в конце рабочей магистрали и выведение защелки из зацепления с пальцем в ее начале и устранило сопротивление перемещению лопастей на нерабочем участке пути.

Закрепление вала с ведущим шкивом привода вращения генератора электрического тока на стенках аварийной магистрали в центре рельсового пути и соединение его водилами с каждой тележкой рабочего органа при помощи серьги позволило упростить кинематическую связь рабочего органа с ведущим валом и компенсировать неточности монтажа рельсового пути.

Установка поперек конфузора устройства для крошения льда, выполненного в виде закрепленных на оси лопастных роторов и бил, длина которых превышает радиус лопастей ротора, позволила расширить время эксплуатации гидроэлектростанции при покрытии водовода льдом.

На фиг. 1 показана схема гидроэлектростанции, вид сверху; фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; фиг. 3 - вид Б на фиг. 2 в увеличенном масштабе, показано положение лопастей на тележке рабочего органа в рабочем и нерабочем положениях; фиг. 4 - то же, место В на фиг 1.

Гидроэлектростанция состоит из водовода 1 с железобетонным днищем 2, входным конфузором 3 и выходным диффузором 4, рабочих органов 5 привода вращения от потока воды генератора 6 электрического тока. В конфузоре 3 водовода 1 на железобетонном днище 2 установлены стояки 7 и 8, на верхних концах которых на подшипниковых опорах 9 установлены валы 10 с лопастями 11 полуцилиндрической формы, снабженными билами 12, длина которых превышает радиус лопастей этих роторов. Водовод 1 разделен L-образными стенками 13, направленными в каждой паре горизонтальными полками навстречу друг другу, которые образуют рабочую 14 и аварийную 15 магистрали. Рабочая магистраль 14 выполнена в виде полуцилиндра, а аварийная магистраль 15 - прямолинейной. За конфузором 3 в магистралях 14 и 15 в пазах 16 установлены заслонки 17, управляемые ручными реечными механизмами 18. В центре полуцилиндра рабочей магистрали 14 на L-образных стенках 13 аварийной магистрали 15 закреплена ферма 19, на которой в подшипниковых опорах 20 установлен вал 21, с жестко закрепленным шкивом 22 и плитой 23.

На L-образных стенках 13 и опорной плите 24 смонтирован рельсовый путь 25, на котором установлены колесами 26 шесть тележек 27 рабочих органов 5. На плите 28 тележки 27 образовано поперечное окно 29 и закреплены вертикальные пластины 30 с продольными пазами 31 и пальцами 32. В поперечном окне 29 плиты 28 тележки 27 установлена лопасть 33 с возможностью вертикального перемещения для перекрытия рабочей магистрали 14.

Сверху лопасти 33 закреплена поперечная балка 34, концы которой пропущены в поперечные пазы 31 вертикальных пластин 30. На каждом конце балки 34 закреплены защелки, каждая из которых выполнена, например, в виде вертикальной плоской пружины 35 с зубом 36, расположенным с возможностью зацепления за палец 32, при подъеме лопасти 33 по вертикальному пазу 31 в верхнее положение, и ролик 37. Сверху вертикальных пластин 30 закреплено водило 38, второй конец которого серьгой 39 установлен на шипе 40, закрепленном на плите 23. С двух сторон рельсового пути 25 на входе рабочей магистрали 14 на стояках 41 закреплены ролики 42, а на ее выходе - на стояках 43 копирующая дорожка 44. Шкив 22 соединен ременной передачей 45 с генератором 6 электрического тока, натяжение которой производится натяжным механизмом 46.

Гидроэлектростанция работает следующим образом. Водный поток канала или реки через входной конфузор 3 входит в водовод 1 и разделяется L-образными стенками 13 на рабочую 14 и аварийную 15 магистрали. При этом аварийная магистраль 15 закрыта заслонкой 17, опускаемой по пазам 16 реечным механизмом 18, а рабочая магистраль 14 открыта такой же заслонкой, поднятой аналогичным реечным механизмом. Поток воды, движущийся по рабочей магистрали 14, воздействует на лопасти 33, установленные на шести тележках 27 рабочих органов 5, и перемещает их колесами 26 по круговому рельсовому пути 25, смонтированному сверху L-образных стенок 13 полуцилиндрической рабочей магистрали 14 и на примыкающей к ним полукруглой опорной плите 24. Тележки 27 водилами 38 вращают плиту 23 со шкивом 22, которые жестко закреплены на валу 21. Этот вал установлен подшипниковыми опорами 20 на ферме 19, которая смонтирована на L-образных стенках 13 аварийной магистрали 15 в центре кругового рельсового пути 25. При этом водила 38 соединены с плитой 23 посредством серьги 39, установленной на ее прямоугольном шипе 40, которая компенсируют неточность монтажа рельсового пути 25 относительно вала 21. Шкив 22 ременной передачей 45 передает вращение генератору 6 электрического тока, натяжение которой производится натяжным механизмом 46.

Перед выходом рабочей магистрали 14, сообщенным с аварийной магистралью 15, ролики 37 очередной балки 34, закрепленной сверху каждой лопасти 33, наезжают на наклонные вверх дорожки 44, установленные на стояках 43. Небольшая длина дорожек 44 достаточна для подъема балки 34 по продольным пазам 31 вертикальных пластин 30. Лопасть 33 при этом выдвигается по поперечному окну 29 в плите 28 тележки 27 вверх в нерабочее положение. Зуб 36, закрепленный на плоской пружине 35, входит в зацепление с пальцем 32 на вертикальных пластинах 30. В таком положении тележки 27 перемещаются по части рельсового пути 25, установленного на опорной плите 24. На входе в рабочую магистраль 14 пружины 35 упираются в ролики 42, закрепленные на стояках 41 по обе стороны рельсового пути 25, отжимают пружину 35, зуб 36 выходит из зацепления с пальцами 32 и лопасть 33 под собственным весом падает вниз в рабочую магистраль 14 для взаимодействия с потоком воды. При работе в осенне-зимний период, когда водовод 1 покрыт тонким слоем льда, поток воды вращает лопасти 11 вместе с билами 12 и валом 10, установленным в подшипниковых опорах 9 на стояках 7 и 8, закрепленных на днище 2 поперек конфузора 3. Била 12 крошат лед и в результате этого увеличивают время эксплуатации гидроэлектростанции.

Применение гидроэлектростанции такой конструкции обеспечивает высокую эффективность выработки электроэнергии за счет удлинения пути движения рабочих органов по половине окружности рабочей магистрали. При этом создана возможность увеличения диаметра дуги рабочей магистрали, что является одним из основных факторов повышения мощности. Умножение окружного усилия на лопасти, помноженного на длину радиуса дуги рабочей магистрали, дает крутящий момент в несколько миллионов нм на валу генератора электрического тока. Гидроэлектростанция, оснащенная устройством дробления льда, может работать в зимних условиях, когда река покрыта тонким слоем льда.

Изобретение относится к гидроэнергетике. Гидроэлектростанция содержит водовод 1 с входным конфузором 3 и выходным диффузором 4, разделенный вертикальными стенками 13 на рабочую и аварийную магистрали 14 и 15. Рабочий орган 5 выполнен в виде тележек 27, установленных колесами на рельсовом пути 25 и соединенных с валом 21, связанным с генератором 6. Каждая тележка 27 имеет лопасть 33, установленную с возможностью входа в начало и выхода из конца магистрали 14. Магистраль 14 образована в виде половины окружности, сообщенной входом и выходом с магистралью 15. Рельсовый путь 25 выполнен в виде окружности, закреплен на стенках магистрали 14 и опорной плите 24, расположенной на половине окружности, примыкающей к стенкам магистрали 14. Каждая лопасть 33 установлена на тележках 27 с возможностью вертикальных перемещений и снабжена пружинной защелкой фиксации ее на пальце тележки 27. Вал 21 смонтирован на стенках магистрали 14 и соединен водилами 38 посредством серьги 39 с каждой тележкой 27 для компенсации неточностей монтажа рельсового пути 25. Изобретение направлено на создание гидроэлектростанции, в которой полностью используется водный поток и устранено торможение обратного движения лопастей. 4 ил.

Гидроэлектростанция, содержащая водовод с входным конфузором и выходным диффузором, разделенный вертикальными стенками на рабочую и аварийную магистрали, на входе которых установлены заслонки, рабочий орган, выполненный в виде тележек, установленных колесами на рельсовом пути и соединенных с валом, который связан приводом с генератором электрического тока, при этом каждая тележка имеет лопасть, установленную с возможностью входа в начало и выхода из конца рабочей магистрали, отличающаяся тем, что рабочая магистраль образована в виде половины окружности, сообщенной входом и выходом с прямолинейной аварийной магистралью, рельсовый путь выполнен в виде окружности, закреплен на стенках рабочей магистрали и опорной плите, расположенной на половине окружности, примыкающей к стенкам рабочей магистрали, а каждая лопасть рабочего органа установлена на тележках с возможностью вертикальных перемещений и снабжена пружинной защелкой фиксации ее на пальце тележки и опорными роликами, которые взаимодействуют с копирующими дорожками, а также упорными роликами, взаимодействующими с пружинной защелкой, установленными с двух сторон рельсового пути соответственно на выходе и входе рабочей магистрали для подъема лопастей в конце рабочей магистрали и выведения защелки из зацепления с пальцем в начале рабочей магистрали, при этом вал с ведущим шкивом привода вращения генератора электрического тока смонтирован на стенках аварийной магистрали в центре рельсового пути и соединен водилами с каждой тележкой рабочего органа посредством серьги для компенсации неточностей монтажа рельсового пути, причем поперек конфузора установлено устройство для крошения льда, выполненное в виде закрепленных на оси лопастных роторов и бил, длина которых превышает радиус лопастей роторов.