WO2014011134A1

WO2014011134A1 - Бесплотинная гидроэлектростанция

Info

Publication number: WO2014011134A1
Application number: PCT/UA2012/000074
Authority: WO
Inventors: Виктор Иванович КРИВЧИКОВ; Дмитрий Иванович АКИШИН
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2015-01-09
Also published as: UA104072C2

Description

БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

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

Предшествующий уровень техники

Известна гидроэлектрическая установка, выполненная в виде катамарана, с входным диффузором перед началом рабочего кана- ла и выходным диффузором после его окончания, с основной гид- ротурбиной в рабочем канале с деталями проточной части, распо- ложенными 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 вер- тикальными осями вращения и кинематически связанными с ними генераторами электрического тока, а корпуса катамарана имеют в плане трапециевидную форму, рабочий канал между корпусами ка- тамарана 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 кон- це внешних обводов корпусов катамарана закреплены вихреотводы (см. авторское свидетельство СССР Ns 1474317 по классу F03B 7/00 опубликованное 15.06.2001 года, в Бюл. N° 5 за 2001 год).

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 распо- ложения их осей вращения; высокая материалоемкость из-за необ- ходимости использования катамарана.

Наиболее близким по своей технической сути и достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является бесплотинная всесе- зонная гидроэлектростанция, у которой лопастное колесо со скла- дывающимися лопастями расположено горизонтально, а вертикаль- ный корпус разделен на барабаны и установлен на опоре с возмож- ностью вращения взаимодействием роликов с круглыми направ- ляющими, связанными с наружными поворотными ступенчато от- крывающимися лопастями, оси вращения которых смещены относи- тельно друг друга на одинаковый угол. Основной и резервный элек- трогенераторы закреплены на опоре и связаны с корпусом и зубча- тым колесом механической передачей. Внутренняя часть корпуса снабжена решетками, являющимися продолжением наружных пово- ротных лопастей, и неподвижными внутренними лопастями, выпол- ненными из свободно закрепленных створок, опирающихся на ре- шетку. Наружные лопасти установлены с обеспечением перекрытия внутренних лопастей в нерабочем положении и их более раннего вступления в работу (см. патент Российской Федерации N^Q 1836586 по классу F03B 9/00 опубликованный 13.10.1993 года)

Основными недостатками этой бесплотинной гидроэлектро- станции для предлагаемого использования являются: расположение электростанции на дне потока воды, где активно перемещаются аб- разивные 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.

Решаемая задача

В основу изобретения поставлена задача обеспечения регули- руемой глубины погружения гидроэлектростанции с возможностью расположения ее как на дне водного потока, так и внутри потока в подвесном положении, уменьшения количества ступеней мультип- ликации, повышающее коэффициент полезного действия, упроще- ния доставки гидроэлектростанции к месту ее эксплуатации и облег- чения обслуживания и ремонта.

Сущность изобретения

Решение поставленной задачи достигается тем, что бесплотин- ная гидроэлектростанция с горизонтальным расположением лопа- стного колеса и вертикальным 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 ро- лики лопастного колеса, лопастное колесо, опора ведомой звездоч- ки первой ступени кинематической схемы мультипликации оборотов от лопастного колеса к генератору электроэнергии, боковые заграж- дения, функционально выполняющие роль входного и выходного диффузоров.

Кроме того, лопастное колесо бесплотинной гидроэлектростан- ции представляет собой пространственную конструкцию в виде кольца, боковые (торцевые) стороны которого закрыты, наружная кольцевая сторона открыта, а внутренняя кольцевая сторона пере- крыта кронштейнами. 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. На внешней стороне внутренней кольцевой поверхности лопастного колеса установлены ролики с вертикальной осью вращения, посредством которых лопа- стное колесо при вращении опирается на боковую поверхность ци- линдра, внутри сектора на внутренней кольцевой поверхности коле- са размещен кронштейн, на который опирается своим подвижным концом лопасть лопастного колеса при активном воздействии на нее водного потока, при этом внутри сектора образуется пространство в виде ковша, способствующее более эффективному силовому воз- действию водного потока на проворот лопастного колеса.

Кроме того, на нижней боковой (торцевой) поверхности л опаст- ного колеса размещены опорные ролики с горизонтальной осью вра- щения, посредством которых колесо опирается на кольцевую до- рожку, расположенную на ферме. На верхней боковой поверхности лопастного колеса по его периметру неподвижно закреплены звез- дочки, посредством зубьев которых осуществляется протяжка тяго- вой цепи при вращении лопастного колеса.

Кроме того, кинематическая схема передачи оборотов (мульти- пликации) от лопастного колеса к генератору электроэнергии трех- ступенчатая и содержит в первой ступени - закрепленные по пери- метру лопастного колеса звездочки, тяговую цепь и ведомую звез- дочку, размещенную на оси, закрепленной на опоре, установленной на ферме; во второй ступени - раму в виде шкива, жестко связанной с ведомой звездочкой первой ступени и содержит закрепленные не- подвижно по периметру рамы звездочки, тяговую цепь, при посред- стве которой вращение передается на ведомую звездочку второй ступени, расположенную на оси, закрепленной на верхнем днище цилиндра; в третьей ступени - раму, аналогичную раме второй сту- пени, жестко соединенную с ведомой звездочкой второй ступени пе- редач, тяговую цепь и ведомую звездочку, связанную с валом, один конец которого размещен в опоре, закрепленной на верхнем днище цилиндра, а другой - выведен на технологическую платформу и со- держит конструктивный элемент, например, муфту для передачи вращения на вал генератора электроэнергии. На технологической платформе, расположенной над цилиндром и жестко с ним соеди- ненной, расположены: генератор электроэнергии, крепежные узлы гибких связей якорных устройств с приспособлениями для регули- рования натяжения гибких связей, компрессор для подачи воздуха в цилиндр, приводы задвижек, обеспечивающих по мере необходимо- сти поступление в цилиндр воды или воздуха, кабина для размеще- ния обслуживающего персонала, а также средства, предусмотрен- ные правилами безопасности для объектов, находящихся в воде (в дальнейшем не описываются в виду общеизвестности).

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 при- донных 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 предло- женной бесплотинной гидроэлектростанции как на дне водоема, так и непосредственно в толще водяного потока в подвесном положе- нии. Это отличие от прототипа облегчает доставку бесплотинной гидроэлектростанции к месту ее эксплуатации, а в дальнейшем об- легчает регламентный осмотр и, в случае необходимости, ремонт подвижных частей устройства.

Наличие закрытых боковых (торцевых) поверхностей секторов лопастного колеса в предложенной бесплотинной гидроэлектро- станции, в течение времени контакта подвижной лопасти с опорным кронштейном, создает в секторе лопастного колеса пространство в форме ковша, способствуя тем самым повышению силового воз- действия 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 пе- редачи 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, предложен- ное техническое решение позволяет создавать подобные устройст- ва большей единичной мощности, ограниченной только прочност- ными свойствами конструкционных материалов.

Техническим результатом заявленного технического решения является расширение области применения бесплотинной гидро- электростанции за счет расположения ее как на дне водоема так и непосредственно в толще водяного потока, а простая конструктив- ная и оригинальная кинематическая схема передачи вращения с лопастного колеса на генератор электроэнергии позволяют созда- вать бесплотинные гидроэлектростанции большой единичной мощ- ности, ограниченной только прочностными свойствами конструкци- онных материалов. В предложенном техническом решении его отличительные при- знаки не являются характеристикой частей целого объекта, которые сами могут быть целыми объектами со своими функциями. Поэтому они не классифицируются в отрыве от других частей (признаков), а совокупность признаков, изложенных в части формулы, которые от- личаются от известных технических решений, не были найдены в патентной документации и другой научно-технической лтературе и поэтому предложенное решение отвечает требованиям «новизна» и «изобретательский уровень».

Перечень фигур иллюстративных материалов

Фигура 1 - конструктивная схема предложенной бесплотинной гидроэлектростанции, вид сбоку;

Фигура 2 - схема взаимного расположения функциональных элементов конструкции, вид в плане.

Описание предпочтительного варианта изобретения

Предложенная бесплотинная гидроэлектростанция содержит корпус, вертикальная часть которого выполнена в виде полого гер- метичного цилиндра 1 с соединенной с ним технологической плат- формой 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 выход- ного (зона В) диффузоров, а также размещено лопастное колесо 7 в виде кольца с вертикальной осью вращения, верхняя и нижняя бо- ковые (торцевые) поверхности которого закрыты, по периметру кольца в нижней его части расположены опорные ролики 9 с гори- зонтальной осью вращения, в верхней части - звездочки 10 первой ступени мультипликации оборотов лопастного колеса 7, а на внеш- ней стороне внутренней кольцевой поверхности колеса 7 - ролики 11 с вертикальной осью вращения, посредством которых лопастное колесо 7 при вращении опирается на боковую поверхность цилинд- ра 1. Внутреннее пространство лопастного колеса 7 разделено на секторы, в каждом из которых размешена лопасть 12 с возможно- стью разворота ее на оси 13 таким образом, что в зоне активного силового воздействия водного потока на лопасть 12 она контактиру- ет 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 кольце- вой поверхности лопастного колеса 7, раскрывая тем самым про- странство в виде ковша и уменьшая сопротивление вращению ло- пастного колеса 7. Кинематическая схема передачи вращения от лопастного коле- са 7 к генератору электроэнергии 15, расположенному на техноло- гической платформе 2, трехступенчатая.

Первая ступень кинематической схемы передачи оборотов (мультипликация) включает звездочки 10, закрепленные неподвиж- но по периметру лопастного колеса 7, тяговую цепь 16, передающую усилие от кругового перемещения звездочек 0, и ведомую звездоч- ку 6 свободно вращающуюся на оси, закрепленной на опоре 5.

Вторая ступень передачи вращения содержит раму 17 с закреп- ленными на ней звездочками 18, тяговую цепь 19 и ведомую звез- дочку 20. Рама 17 жестко закреплена на ведомой звездочке 6 пер- вой ступени передачи вращения.

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

Звездочка 24 передает вращение на вал 25, один конец которо- го размещен в опоре 26, закрепленной на верхнем днище цилиндра 1 , а другой конец выведен на технологическую платформу 2 и со- держит конструктивный элемент 27, например, муфту, при помощи которого вал 25 взаимодействует с валом генератора электроэнер- гии 15. На технологической платформе 2 размещены узлы крепления и регулировки натяжения гибких связей 28 якорных устройств, ком- прессор, 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 в виду общеиз- вестности).

Предложенная бесплотинная гидроэлектростанция (ГЭС) рабо- тает следующим образом.

Конструкцию бесплотинной гидроэлектростанции с зафиксиро- ванными в нерабочем положении лопастями 12 лопастного колеса 7 буксируют в плавучем положении к месту эксплуатации (где забла- говременно установлены якорные устройства) при заполненном воз- духом цилиндре 1.

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

Водный поток, проникая через входной диффузор во внутрь ло- пастного колеса 7, воздействует на лопасти 12 активной части лопа- стного колеса 7 и разворачивает их вокруг оси 13 таким образом, что они своим подвижным концом опираются на кронштейн 14 и об- разуют 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 вра- щения. При этом лопастное колесо 7 своей нижней торцевой частью через посредство опорных роликов 9 с горизонтальной осью враще- ния опирается на кольцевую дорожку 4, а внутренней кольцевой по- верхностью через посредство роликов 11 с вертикальной осью вра- щения - на боковую поверхность цилиндра 1. Лопасти 12, находя- щиеся в пассивной части лопастного колеса 7, которое вращается в направлении обратном направлению движения водного потока, про- ворачиваются вокруг оси 13 и раскрывают дно ковша каждая в сво- ем 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, пе- редающей 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 за- крепленных 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, располо- женной на вале 25. С вала 25 вращение на вал генератора электро- энергии 15 передают посредством конструктивного элемента 27.

Технические преимущества изобретения

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

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

- простая конструктивная схема с небольшим количеством об- рабатываемых механическим способом узлов и деталей позволяет создавать бесплотинные гидроэлектростанции больших размеров с большой единичной мощностью, ограниченных только прочностны- ми свойствами конструкционных материалов; - облегчение транспортировки бесплотинной гидроэлектростан- ции к месту установки и эксплуатации с помощью буксиров;

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

После описания наилучшего варианта предложенной беспло- тинной гидроэлектростанции, специалистам в данной области зна- ний должно быть очевидным, что все вышеописанное является лишь иллюстрационным, а не ограничительным, будучи представ- ленными данным примером исполнения. Многочисленные возмож- ные модификации и варианты конкретного изготовления предло- женной бесплотинной гидроэлектростанции, в частности, количест- во лопастей, тип цепей и звездочек в цепных передачах, материалы и прочее, могут изменяться в зависимости от назначения и характе- ра эксплуатации предложенной бесплотинной гидроэлектростанции, и, понятно, находятся в пределах объема одного из обычных и ес- тественных подходов в данной области знаний и рассматриваются находящимися в пределах объема предложенного технического ре- шения.

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 уве- личивает силовое воздействие водного потока на проворот лопаст- ного колеса, а наличие входного диффузора способствует форми- рованию водного потока, направляемого на лопасти лопастного ко- леса и обеспечивает более раннее вступление их в работу, и, в то- же время, наличие выходного диффузора способствует более пол- ному отбору энергии у водного потока за счет более позднего выхо- да из контакта с активной части водного потока внутри лопастного колеса, а применение кинематической схемы с высоким передаточ- ным числом ступеней мультипликации обеспечивает повышение ко- эффициента полезного действия предложенной бесплотинной гид- роэлектростанции, и, благодаря совокупности этих совершенство- ваний, предложенное техническое решение приобрело вышепере- численные и иные преимущества. Использование комбинаций от- дельных конструктивных элементов из всей совокупности заявлен- ных, естественно, ограничивает спектр преимуществ, перечислен- ных выше, поскольку иные конструкции, подобные описанным, уже не требуют никакого творческого подхода от конструкторов и инже- неров, и не могут считаться результатами их творческой деятельно- сти или объектами интеллектуальной собственности, соответст- вующими требованиям действующего законодательства для защиты охранными документами.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Бесплотинная гидроэлектростанция с горизонтальным распо- ложением лопастного колеса и вертикальным корпусом, установ- ленным на опоре, о т л и ч а ю щ а я с я т ем, ч т о цен- тральная вертикальная часть корпуса выполнена в виде полого гер- метичного 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, лопаст- ное колесо, вращающееся вокруг полого цилиндра, опора ведомой звездочки первой ступени кинематической схемы передачи оборо- тов от лопастного колеса к генератору электроэнергии, боковые за- граждения, функционально выполняющие роль входного и выходно- го диффузоров.

2. Бесплотинная гидроэлектростанция по п. 1 , о т л и а ю- щ а я с я т ем, ч т о лопастное колесо представляет собой пространственную конструкцию в виде кольца, боковые (торцевые) стороны которого и внутренняя кольцевая поверхность закрыты, а наружная кольцевая сторона открыта, причем, внутреннее про- странство лопастного колеса разделено на секторы, в каждом из ко- торых размещена лопасть с возможностью разворота внутри секто- pa на оси, расположенной со стороны наружной кольцевой поверх- ности, а свободным концом опирается на кронштейн, закрепленный на внутренней кольцевой поверхности лопастного колеса, кроме то- го, на внешней стороне внутренней кольцевой поверхности лопаст- ного колеса установлены ролики с вертикальной осью вращения, на нижней боковой (торцевой) поверхности колеса размещены ролики с горизонтальной осью вращения, посредством которых лопастное колесо при вращении опирается соответственно на боковую по- верхность цилиндра и на кольцевую дорожку, расположенную на ферме, а также, на верхней боковой (торцевой) поверхности лопа- стного колеса по его периметру закреплены звездочки цепной пере- дачи.

3. Бесплотинная гидроэлектростанция по п. 1, о т л и ч а ю- щ а я с я т ем, ч т о кинематическая схема вращения от лопа- стного колеса к генератору электроэнергии трехступенчатая и со- держит: в первой ступени передачи - закрепленные на верхней бо- ковой поверхности по периметру лопастного колеса звездочки, тяго- вую цепь и ведомую звездочку, размещенную на оси опоры, закре- пленной на ферме; во второй ступени передачи - закрепленную на ведомой звездочке первой ступени раму, по периметру которой за- креплены звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, размещен- ную на оси, закрепленной на верхнем днище цилиндра; в третьей ступени передачи - закрепленную на ведомой звездочкой второй ступени раму, по периметру которой закреплены звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, передающую вращение на вал, один ко- нец которого размещен в опоре, закрепленной на верхнем днище цилиндра, а другой выведен на технологическую платформу и со- держит конструктивный элемент, при посредстве которого вал взаи- модействует с валом генератора электроэнергии.

4. Бесплотинная гидроэлектростанция по п. 1 , о т л и ч а ю- щ а я с я т ем, ч т о содержит технологическую платформу, расположенную над цилиндром и жестко с ним связанную, на кото- рой 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 и все необходимые средства, обусловленные требованиями по соблюдению правил эксплуатации и техники безо- пасности для оборудования, располагаемого в водной среде.