МОДУЛЬ РЕЧНОЙ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (ВАРИАНТЫ) И РЕЧНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДИН ТАКОЙ МОДУЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2023 года по МПК F03B17/06 

Предложенное техническое решение относится к бесплотинным энергетическим установкам и может быть использовано для получения электрической энергии от потока движущейся среды, образуемой, например, от реки, канала и прочих водоемов с подвижным течением (далее, река).

В настоящее время, конструкция используемых гидроэлектростанций (далее, ГЭС) не претерпевает существенных изменений и достигла пика своего эволюционного развития, однако задачи по повышению мощности, КПД, эффективности работы ГЭС, стоят как никогда остро, в связи с постоянным поднятием цен на топливо и его образующемся дефиците во многих районах на планете.

Широко известны ГЭС плотинного типа, построенные на основе основательных конструкций и имеющие модули преобразования энергии воды, пропущенной через плотину, однако их эффективность и КПД работы недостаточно высока, а конструкция сложная и громоздкая.

В качестве прототипа может быть принят патент RU 94642 U1, 27.05.2010, раскрывающий бесплотинную шнековую гидроэлектростанцию, содержащую валы с закрепленными на них винтовыми лопастями, образующими одно- или многозаходные шнеки, расположенные на основании под углом к потоку реки, нижние по направлению потока концы валов объединены в горизонтальной плоскости через редуктор, верхний конец одного вала подключен через кардан к генератору, а верхний конец другого вала соединен через кардан с упорным подшипником, который через гибкую тягу соединен с натяжным устройством, расположенным и закрепленным на противоположном берегу реки.

Его недостатком является то, что устройство имеет низкий КПД при громоздкости конструкции, перетянутой через всю реку.

В основу данной группы изобретений поставлена задача разработать конструкцию модуля речной ГЭС и речной ГЭС, содержащей, по меньшей мере, один такой модуль, устраняющих указанные недостатки известного устройства.

Техническим результатом является повышение эффективности и КПД устройства с одновременной компактностью и простотой конструкции.

Данный технический результат достигается тем, что модуль речной ГЭС по первому варианту включает раму, состоящую из основания рамы и опор,

закрепленные на данных опорах два горизонтальных вала, каждый из которых содержит винт с переменным шагом, причем данные винты являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения и выполненные с возможностью вращения при работе в разные стороны,

горизонтальные валы связаны с нижним коническим редуктором, выходной вал которого взаимодействует с верхним редуктором, который, в свою очередь, передает вращение на вентильный генератор, содержащий генератор переменного тока и выпрямительный блок.

Модуль речной гидроэлектростанции (ГЭС), по второму варианту включает раму, состоящую из основания рамы и опоры, расположенной по центру,

нижний конический редуктор, закрепленный на опоре, включает два горизонтальных вала, каждый из которых содержит консольно закрепленный винт с переменным шагом, причем данные винты являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения и выполненные с возможностью вращения при работе в разные стороны,

выходной вал нижнего конического редуктора взаимодействует с верхним редуктором, который, в свою очередь, передает вращение на вентильный генератор, содержащий генератор переменного тока и выпрямительный блок.

Верхний редуктор является цилиндрическим соосным редуктором.

Верхний редуктор является коническим редуктором.

Винт выполнен по типу геометрического геликоида.

Винт содержит, по меньшей мере, одно ребро жесткости, закрепленное по его поверхности в соответствии с его образующими поверхностями.

Вентильный генератор размещен на раме.

Данный технический результат, также достигается тем, что речная ГЭС, содержит платформу с закрепленным, по меньшей мере, одним модулем речной ГЭС, выполненным в соответствии с п. 1 или с п. 2.

Платформа речной ГЭС крепится на плавсредстве.

Платформа речной ГЭС крепится на вертикальных опорах.

Далее, предложенная группа изобретений будет подробно рассмотрена с учетом иллюстраций, где на:

Фиг. 1 представлен общий вид в изометрии модуля речной ГЭС по 1 варианту.

Фиг. 2 - схематический вид модуля речной ГЭС с горизонтально-ориентированным вентильным генератором.

Фиг. 3 - схематический вид модуля речной ГЭС с вертикально-ориентированным вентильным генератором.

Фиг. 4 - речная ГЭС на плавсредстве.

Фиг. 5 - схематический вид речной ГЭС с четырьмя модулями на вертикальных опорах.

Фиг. 6 представлен общий вид в изометрии модуля речной ГЭС по 2 варианту.

Где поз:

1 - рама;

2 - основание рамы;

3 - опора;

4 - горизонтальный вал;

5 - винт;

6 - нижний конический редуктор;

7 - верхний редуктор;

8 - вентильный генератор;

9 - платформа.

Модуль речной ГЭС включает раму 1, состоящую из основания рамы 2 и опор 3. Как правило, детали рамы 1 выполняются из стойкого к коррозии металла, для обеспечения долговечности и прочности конструкции. Количество опор 3 для первого варианта может быть различным, однако минимум должны быть две крайние опоры для крепления краев горизонтальных валов 4 и центральная опора 3 для крепления нижнего конического редуктора 6.

На крайних опорах 3 фиксируются с возможностью вращения два горизонтальных вала 4, размещенных на одной оси.

Каждый из двух горизонтальных валов 4 содержит винт 5 с переменным шагом. Длина и ширина винта 5 подбираются в каждом конкретном случае индивидуально, учитывая глубину реки, скорость ее течения, глубину промерзания, размер рамы 1, необходимую вырабатываемую расчетную мощность и пр. Переменный шаг винта 5 обеспечит создание большей закручиваемости потока воды, для передачи энергии вращения потока на второй (с направлением вращения в противоположную сторону) винт 5, что обеспечивает большее ускорение и большую скорость вращения и повышает эффективность и КПД устройства.

Винты 5 являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения и выполненные с возможностью вращения при работе в разные стороны. Винты 5 размещаются на одной оси, друг за другом и располагаются на реке, торцевой стороной близко к параллельному положению относительно течения. Такое размещение является компактным, экономит место, позволяет дополнительно к силе течения реки задействовать поток воды от вращения первого винта 5, создающий дополнительную силу отталкивания для второго винта 5. Компактное размещение модуля с двумя винтами 5 на одной оси позволяет использовать большее количество модулей для повышения эффективности и КПД устройства.

Как вариант, винт 5 может быть выполнен по типу геометрического геликоида. Такие винты 5 проходят в направлении вдоль и с отклонением по/против часовой стрелки относительно горизонтальных валов 2. Каждый из винтов 5 плавно поворачивается (закручивается по винту) на определенный угол. Винт 5 также повернут и по часовой стрелке относительно горизонтального вала 2. Углы поворота винта 5 также зависят от размера винта, скорости потока воды, глубины погружения и пр.

Кроме того, геликоидная форма винта, проходящая вдоль горизонтального вала 2, увеличивает площадь контакта с водой, тем самым увеличивая скорость вращения винта 5, при его достаточно компактной ширине. Кроме того, водяной поток, попадая на начало винта 5, далее, проходя по его глубине, разгоняется к концу винта 5, обеспечивая ускорение воды по глубине винта 5, тем самым создавая дополнительную силу водяного потока, для передачи энергии вращения на второй винт 5, находящийся за ним. Такое выполнение, создает больше энергии на дальний размещенный винт 5, поскольку форма геликоида обеспечивает большую силу закручивания потока воды, что положительно сказывается на повышении эффективности и КПД устройства.

Винт 5 может содержать, по меньшей мере, одно ребро жесткости (на чертеже не показано), закрепленное по его поверхности в соответствии с его образующими поверхностями. Ребро или несколько ребер жесткости обеспечивают повышение жесткости винтам 5 при уменьшении их толщины и массы, что положительно скажется на скорости вращения и повышении эффективности и КПД системы.

Горизонтальные валы 4 с внутренней их стороны, связаны с нижним коническим редуктором 6. Связь валов 4 с нижним коническим редуктором 6 выполняется, как правило, через зубчатые передачи. Для этого, конец каждого горизонтального вала 4 связывают с выходным валом нижнего конического редуктора 6. Сам же нижний конический редуктор 6 крепится к элементам опоры 3, размешенной по центру. Нижний конический редуктор 6 обеспечивает прием вращения от горизонтальных валов 4 с винтами 5 и передачу вращения через его выходной вал верхнему редуктору 7.

Верхний редуктор 7 является либо цилиндрическим соосным редуктором, либо коническим редуктором, при этом конический редуктор изменяет направление вращения под углом (фиг. 2), а цилиндрический соосный редуктор оставляет ось вращения параллельно вертикальному выходному валу, проходящему от нижнего конического редуктора 6. Задача верхнего редуктора 7 является - принять вращение от нижнего конического редуктора 6 и передать его на вентильный генератор 8.

Вентильный генератор 8 имеет в своей основе генератор переменного тока и выпрямительный блок. Принцип работы выпрямительного блока не являются предметом защиты данной заявки, поэтому подробно раскрываться не будет. Вентильный генератор 8, как правило, размещается на раме 1.

По второму варианту выполнения, устройство включает одну опору 3, размещенную по центру. Нижний конический редуктор 6 закрепляется на опоре 3, размещенной по центру. Нижний конический редуктор 6 включает два горизонтальных вала 4, каждый из которых содержит консольно закрепленный винт 5 с переменным шагом. Данные винты 5 являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения и выполнены с возможностью вращения при работе в разные стороны.

Выходной вал нижнего конического редуктора 6, также как и по первому варианту, взаимодействует с верхним редуктором 7, который, в свою очередь, передает вращение на вентильный генератор 8, содержащий генератор переменного тока и выпрямительный блок.

Речная ГЭС, содержит платформу 9 (см. фиг. 4, 5, 6) с закрепленным, по меньшей мере, одним модулем речной ГЭС, выполненным в соответствии с изложенным в п. 1 или в п. 2 их выполнением. Так, на фиг. 4 изображено выполнение речной ГЭС с платформой 9, закрепленной на плавсредстве. На фиг. 5, 6 речная ГЭС с платформой 9, которая крепится стационарно ко дну посредством вертикальных опор. Платформа 9 может представлять собой металлическую основу (раму) или же выполняться в виде монолитной основы, для крепления к ней, по меньшей мере, одного модуля речной ГЭС. Средства крепления модуля речной ГЭС к платформе 9 могут быть любыми, для обеспечения надежной фиксации указанного модуля речной ГЭС.

Принцип использования предложенной группы устройств следующий.

Модуль речной ГЭС устанавливается на платформу 9, чтобы торцевая сторона винта 5 была параллельна течению реки.

Под действием течения реки первый винт 5 с переменным шагом начинает вращение. Поток воды закручивается по профилю винта 5, ускоряясь в конце профиля, передавая энергию течения реки на второй (задний) винт 5, который имеет противоположное направление вращения и который под действием течения и от закрученного потока воды первого винта 5 вращается в противоположную сторону. Винты 5 передают вращение через горизонтальные валы 4 на нижний конический редуктор 6. Через выходной вал нижнего конического редуктора 6 вращение передается на верхний редуктор 7, который, в свою очередь, передает вращение на вентильный генератор 8. Происходит вырабатывание энергии.

Пример 1

Модуль речной ГЭС включает раму 1, состоящую из основания рамы 2 и опор 3.

Горизонтальные валы 4 содержат винты 5 с переменным шагом. Винты 5 являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения. Винты 5 содержат по одному ребру жесткости, закрепленному по его поверхности в соответствии с его образующими поверхностями.

Горизонтальные валы 4 связаны с нижним коническим редуктором 6, выходной вал которого взаимодействует с верхним редуктором 7 (цилиндрический соосный редуктор), который в свою очередь передает вращение на вентильный генератор 8, имеющий генератор переменного тока и выпрямительный блок.

Пример 2

Модуль речной ГЭС включает раму 1, состоящую из основания рамы 2 и опор 3.

Горизонтальные валы 4 содержат винты 5 с переменным шагом. Винты 5 являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения. Винты 5 выполнены по типу геометрического геликоида.

Горизонтальные валы 4 связаны с нижним коническим редуктором 6, выходной вал которого взаимодействует с верхним редуктором 7 (конический редуктор), который в свою очередь передает вращение на вентильный генератор 8, имеющий генератор переменного тока и выпрямительный блок.

Пример 3

Модуль речной ГЭС включает раму 1, состоящую из основания рамы 2 и опоры 3, размещенной по центру.

Горизонтальные валы 4 содержат консольно закрепленные винты 5 с переменным шагом. Винты 5 являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения. Винты 5 содержат по три ребра жесткости, закрепленных по его поверхности в соответствии с его образующими поверхностями.

Горизонтальные валы 4 связаны с нижним коническим редуктором 6, выходной вал которого взаимодействует с верхним редуктором 7 (цилиндрический соосный редуктор), который в свою очередь передает вращение на вентильный генератор 8, имеющий генератор переменного тока и выпрямительный блок.

Пример 4

Речная ГЭС, содержит платформу 9 с закрепленными четырьмя модулями речной ГЭС. Платформа 9 крепится на вертикальных опорах ко дну.

Модуль речной ГЭС включает раму 1, состоящую из основания рамы 2 и опор 3.

Горизонтальные валы 4 содержат винты 5 с переменным шагом. Винты 5 являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения.

Горизонтальные валы 4 связаны с нижним коническим редуктором 6, выходной вал которого взаимодействует с верхним редуктором 7 (конический редуктор), который в свою очередь передает вращение на вентильный генератор 8, имеющий генератор переменного тока и выпрямительный блок.

Пример 5

Речная ГЭС, содержит платформу 9 с закрепленными двумя модулями речной ГЭС. Платформа 9 крепится на вертикальных опорах ко дну.

Модуль речной ГЭС включает раму 1, состоящую из основания рамы 2 и опоры 3, размещенной по центру.

Горизонтальные валы 4 содержат консольно закрепленные винты 5 с переменным шагом. Винты 5 являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения.

Горизонтальные валы 4 связаны с нижним коническим редуктором 6, выходной вал которого взаимодействует с верхним редуктором 7 (конический редуктор), который в свою очередь передает вращение на вентильный генератор 8, имеющий генератор переменного тока и выпрямительный блок.

Предложенная группа изобретений обеспечивает повышение эффективности и КПД устройства с одновременной компактностью и простотой конструкции.

Группа изобретений относится к бесплотинным энергетическим установкам и может быть использована для получения электрической энергии от потока движущейся среды. По первому варианту модуль речной гидроэлектростанции включает раму 1, состоящую из основания рамы 1 и опор 3, закрепленные на опорах 3 два горизонтальных вала 4, каждый из которых содержит винт 5 с переменным шагом. Винты 5 являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения и выполнены с возможностью вращения при работе в разные стороны. Валы 4 связаны с нижним коническим редуктором 6, выходной вал которого взаимодействует с верхним редуктором 7, который, в свою очередь, передает вращение на вентильный генератор 8, содержащий генератор переменного тока и выпрямительный блок. Группа изобретений направлена на повышение эффективности и КПД устройства с одновременной компактностью и простотой конструкции. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Модуль речной гидроэлектростанции (ГЭС), характеризующийся тем, что включает раму, состоящую из основания рамы и опор,

закрепленные на данных опорах два горизонтальных вала, каждый из которых содержит винт с переменным шагом, причем данные винты являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения и выполнены с возможностью вращения при работе в разные стороны,

горизонтальные валы связаны с нижним коническим редуктором, выходной вал которого взаимодействует с верхним редуктором, который, в свою очередь, передает вращение на вентильный генератор, содержащий генератор переменного тока и выпрямительный блок.

2. Модуль речной гидроэлектростанции (ГЭС), характеризующийся тем, что включает раму, состоящую из основания рамы и опоры, расположенной по центру,

нижний конический редуктор, закрепленный на опоре, включает два горизонтальных вала, каждый из которых содержит консольно закрепленный винт с переменным шагом, причем данные винты являются разнонаправленными, расположены друг за другом на одной оси вращения и выполнены с возможностью вращения при работе в разные стороны,

выходной вал нижнего конического редуктора взаимодействует с верхним редуктором, который, в свою очередь, передает вращение на вентильный генератор, содержащий генератор переменного тока и выпрямительный блок.

3. Модуль речной ГЭС по любому из пп. 1, 2, характеризующийся тем, что верхний редуктор является цилиндрическим соосным редуктором.

4. Модуль речной ГЭС по любому из пп. 1, 2, характеризующийся тем, что верхний редуктор является коническим редуктором.

5. Модуль речной ГЭС по любому из пп. 1, 2, характеризующийся тем, что винт выполнен по типу геометрического геликоида.

6. Модуль речной ГЭС по любому из пп. 1, 2, характеризующийся тем, что винт содержит, по меньшей мере, одно ребро жесткости, закрепленное по его поверхности в соответствии с его образующими поверхностями.

7. Модуль речной ГЭС по любому из пп. 1, 2, характеризующийся тем, что вентильный генератор размещен на раме.

8. Речная гидроэлектростанция (ГЭС), характеризующаяся тем, что содержит платформу с закрепленным, по меньшей мере, одним модулем речной ГЭС, выполненным в соответствии с п. 1.

9. Речная ГЭС, характеризующаяся тем, что содержит платформу с закрепленным, по меньшей мере, одним модулем речной ГЭС, выполненным в соответствии с п. 2.

10. Речная ГЭС по любому из пп. 7, 8, характеризующаяся тем, что платформа речной ГЭС крепится на плавсредстве.

11. Речная ГЭС по любому из пп. 7, 8, характеризующаяся тем, что платформа речной ГЭС крепится на вертикальных опорах.