ШНЕКОВАЯ МИНИ ГЭС Российский патент 2021 года по МПК F03B17/06 

Настоящее изобретение относится к бесплотинным ГЭС и предназначено для преобразования энергии гидравлического потока малых рек и водотоков в электрическую энергию.

Известны многочисленные варианты использования шнеков в конструкциях ветро и гидропреобразователей, например, «Ветродвигатель» автора Смульского И. И. по авторскому свидетельству СССР № 1225912, МПК F03D 5/00.

Устройство содержит вал с закрепленными на нем спиральными лопастями. Вал установлен к горизонтальной плоскости под углом равным углу наклона спиральных лопастей. Вал кинематически соединен с электрическим генератором. Для установки на поток ветра вал закрепляется на верхней и нижней подшипниковых опорах.

Данный движитель может при условии соблюдении водостойкости работать и в потоках воды. Однако недостатком его является малая площадь ометания потоком, определенная поверхностью лопастей шнека, что ограничивает его производительность.

Известен так же «Шнековый ветроротор» автора Смульского И.И. по патенту РФ №2101560, МПК F03D 5/00.

Данное устройство содержит вал и закрепленные на валу воронкообразные спиральные лопасти. Вал сопряжен с мачтой через верхнюю и нижнюю подшипниковые опоры. Мачта установлена в шарнире и закреплена растяжками. Вращение от вала через мультипликатор передается электрогенератору.

Наличие воронкообразных спиральных лопастей позволяет повысить производительность устройства, однако его основным недостатком так же остается малая площадь ометания потоком.

Известна так же шнековая ГЭС «Archimedes screw: Copley Hydropaver Generator» из описания «Future Energy Yorkshire» [электронный ресурс], режим доступа: www. fev.org.uk.

В данном устройстве протяженный шнек установлен наклонно в узком канале, в который подается поток воды из верхнего бьефа плотины. Поток регулируется таким образом, чтобы он воздействовал только на нижние кромки лопастей, и выливался в нижний бьеф водоема.

Недостатком подобной конструкции является ограниченность области использования шнекового движителя, так как требуется наличие плотины, создающей запас потенциальной гидравлической энергии.

Кроме того, данное устройство лишено мобильности его установки на равнинных реках, не оснащенных плотинами.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является «Бесплотинная шнековая гидроэлектростанция» авторов Попова А.И., Щеклеина С.Е. и Попова Д.А. по патенту на полезную модель РФ № 94642, МПК F03D 5/00, F03B 17/00.

Устройство содержит основание, на котором размещены под углом к потоку и друг к другу два шнека, состоящие из валов, на которых размещены спиральные лопасти. Нижние концы валов по направлению потока соединены редуктором, верхний конец одного из валов через кардан подключен к электрогенератору, а верхний конец другого вала через кардан, упорный подшипник и гибкую тягу соединен с опорой на берегу реки.

Недостатком данного устройства является так же ограниченная производительность по выработке электроэнергии, обусловленная только объемом воды, поступающего на лопасти двух шнеков, расположенных V-образно по отношению к друг к другу и направлению потока воды.

Назначение предлагаемого изобретения в устранении указанного недостатка, расширению функциональных возможностей и создание «Шнековой мини ГЭС» с высокой производительностью по выработке электроэнергии от свободно текущих потоков.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в следующем:

- увеличена производительность устройства за счет увеличения площади ометания потока (площади захвата объема гидравлического потока) путем размещения на общем основании с внешней стороны каждого шнека со спиральными лопастями параллелограммов, на шарнирах которых расположены лопасти, направляющие поток на спиральные лопасти шнеков;

- увеличена суммарная мощность шнеков, работающих с противоположным направлением вращения и находящихся, в «гидравлическом зацеплении», так как валы шнеков расположены вдоль оси потока параллельно к друг к другу и соединены кинематически шестернями редуктора;

- увеличена производительность устройства за счет применения воронкообразных спиральных лопастей шнеков.

Технический результат достигается за счет того, что в «Шнековой ГЭС» валы двух шнеков с противоположной круткой спиральных лопастей расположены на общем основании параллельно друг к другу и направлены вдоль оси потока, на валах установлены шестерни редуктора, с внешней стороны каждого шнека на основании размещены параллелограммы, на шарнирах которых закреплены лопасти, направляющие потоки воды на спиральные лопасти шнеков под углом около 45 градусов для одного шнека и под углом около 315 градусов относительно оси потока для другого шнека, причем каждый параллелограмм оснащен приводом для изменения угла наклона направляющих поток лопастей, а спиральные лопасти шнеков выполнены воронкообразными.

На чертеже Фиг. 1 изображен вид сверху «Шнековой мини ГЭС», конструкция которой размещена на общем основании, а на Фиг. 2 - кинематическая схема согласования направления вращения шнеков при использовании шестерен редуктора малых размеров.

Устройство содержит два шнека со спиральными лопастями противоположной крутки: левого и правого вращения на валах 1, 2, на которых так же закреплены шестерни 3, 4, а к валу одного из них присоединен электрогенератор 5, причем с внешней стороны шнека левого вращения (против часовой стрелки) размещен параллелограмм с направляющими поток лопастями 6, размещенных на его подвижных шарнирах 7, имеющий неподвижные шарниры 8, закрепленные в основании и привод 9 подвижных шарниров. Аналогично со стороны шнека правого вращения (по часовой стрелке) размещен параллелограмм с направляющими поток лопастями 10, закрепленными так же на подвижных шарнирах и имеющий свой привод 11, а вся конструкция устройства размещена на общем основании 12, причем при использовании шестерней малого диаметра и для согласования направлений вращения шнеков, суммирующих крутящий момент, может использоваться кинематическая схема (Фиг. 2), где 13, например, цепная передача.

«Шнековая мини ГЭС» работает следующим образом. На дно реки устанавливается и закрепляется основание 12 таким образом, чтобы оси валов 1, 2, на которых закреплены лопасти шнеков, совпадали с направлением V потока воды. C помощью приводов 9 и 11, или вручную устанавливается параллелограммами оптимальный угол наклона направляющих поток V лопастей 6 для одного шнека и лопастей 10 для другого шнека, например, 45 градусов и 315 градусов относительно оси потока. Направляющие лопасти 6, 10 могут быть прямыми или криволинейными, а их длина зависит от необходимости увеличения объема воды, подающегося на спиральные лопасти шнеков.

Шнеки имеют противоположную крутку лопастей и противоположное направление вращения, а за счет их близкого параллельного размещения возникает эффект «гидравлического зацепления», увеличивающий их суммарную мощность. По данным из книги: Волшаник В. В., Орехов Г. В. Низконапорные гидравлические двигатели. Монография. - М. 2009, 392 с., на с. 179 указывается: «…гидророторам необходимо придавать, как это показали исследования проведенные Б. С. Блиновым, противоположное вращение заборниками друг к другу… Мощность каждого из таких роторов, работающих в «гидравлическом зацеплении» увеличивается на 45 процентов по сравнению с мощностью одиночного ротора».

Валы 1, 2 шнеков соединены шестернями 3, 4 редуктора и передают общий крутящий момент непосредственно на низкооборотный электрогенератор 5 или через мультипликатор на высокооборотный генератор. Замена шестерней 3, 4 большого диаметра на шестерни малого диаметра может быть реализована при необходимости по схеме Фиг. 2 с использованием, например, цепной передачи 13.

Повышение производительности преобразования гидравлической энергии в электрическую может быть так же достигнуто путем использования воронкообразных спиральных лопастей шнеков, эффект использования которых доказан в работе Смульского И. И. Шнековый ветроротор. Патент РФ № 2101560. МПК F03D 5/00. Кроме того, подобные воронкообразные лопасти менее критичны к точности направления на них действующего потока.

На территории РФ расположено огромное число поселений, не оснащенных централизованными электрическими сетями, и использующих, как правило, двигатели на привозном топливе. В стране так же имеется большое число рек, речушек и водотоков, гидравлическая энергия которых не используется.

Предлагаемая «Шнековая мини ГЭС» не требует возведения плотин, имеет малые затраты на их изготовление и обслуживание, поэтому может найти широкое применение в качестве автономного источника энергии для малых поселений.

Изобретение относится к бесплотинным ГЭС и предназначено для преобразования энергии гидравлического потока малых рек и водотоков в электрическую энергию. Шнековая мини ГЭС содержит установленные на основании 12 два шнека с противоположной круткой спиральных лопастей на их валах 1, 2, редуктор, вал 1 соединен с электрогенератором 5. Валы 1, 2 расположены параллельно друг другу и направлены вдоль оси потока. На валах 1, 2 установлены шестерни 3, 4 редуктора. С внешней стороны каждого шнека на основании 12 размещены параллелограммы, на шарнирах 7 которых закреплены лопасти 6, 10, направляющие поток на лопасти шнеков, под углом 45 градусов для одного шнека и под углом 315 градусов относительно оси потока для другого шнека. Каждый параллелограмм оснащен приводом 9, 11 для изменения углов наклона направляющих поток лопастей 6, 10. Лопасти шнеков выполнены воронкообразными. Изобретение направлено на увеличение производительности устройства и суммарной мощности шнеков. 2 ил.

Шнековая мини ГЭС, содержащая на основании два шнека с противоположной круткой спиральных лопастей на их валах, редуктор, вал одного из шнеков соединен с электрическим генератором, отличающаяся тем, что валы шнеков расположены параллельно друг другу и направлены вдоль оси потока, на валах установлены шестерни редуктора, с внешней стороны каждого шнека на основании размещены параллелограммы, на шарнирах которых закреплены лопасти, направляющие поток на спиральные лопасти шнеков, под углом 45 градусов для одного шнека и под углом 315 градусов относительно оси потока для другого шнека, причем каждый параллелограмм оснащен приводом для изменения углов наклона направляющих поток лопастей, а спиральные лопасти шнеков выполнены воронкообразными.