Гидроэнергетическая установка

 

Использование: гидроэнергетика, в частности экологически чистые бесплотинные гидроэлектростанции. Сущность изобретения: гидравлическое колесо состоит из надводной части, включающей редуктор 6 и генератор 7, и подводной части, содержащей рабочий орган с верхним и нижним основаниями, основные лопатки 1 с малыми лопатками, расположенные вдоль опорных 3 и натяжной 4 свай. Колесо устанавливают у спрямляющего щита. Основания рабочего органа выполнены в виде плоских полков эллиптической формы и снабжены каждый из них проемами эллиптической формы. Между основаниями по внутренней образующей рабочего органа установлена сплошная обшивка, имеющая в поперечном сечении форму эллипса. На сваях, установленных в проемах оснований, посредством ступицы и подшипниковых узлов закреплены приводные и натяжная звездочки 8 с тяговыми цепями 11. Выполнение колеса в виде системы основных лопаток, имеющей в сечение форму вытянутого эллипса и являющейся продолжением каждого крыла спрямляющего щита, позволит участвовать в работе как ближайшим, так и дальним от щита лопаткам 1. В результате в работу включаются до половины основных лопаток 1, что позволит увеличить мощность и КПД гидроэлектростанции почти в два раза. 4 ил.

Изобретение относится в области гидроэнергетического строительства и гидроэнергетики, а именно к экологически чистым бесплотинным гидроэнергетическим установкам (гидроэлектростанциям), предназначенным для получения электроэнергии на рабочих (неперемерзающих) реках без плотин.

Известны гидроэлектростанции, работающие на реках, где напор для турбин создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно [I] Недостатком таких гидроэлектростанций является высокая трудоемкость строительства плотин, а также потеря больших площадей земли по причине их залива.

Известна гидроэнергетическая установка, содержащая рабочий орган, выполненный в виде ступиц с приводными звездочками, бесконечных цепей, взаимодействующих со звездочками, устройства натяжения цепей, основных лопаток, установленных вертикально относительно потока и шарнирно закрепленных на цепях с возможностью перемещения вдоль потока под воздействием последнего, и устройство для крепления рабочего органа [2] Недостатком данной установки является то, что рабочий орган (лопатки) размещен на роликовых цепях, между которыми отсутствует обшивка, в результате чего будет очень низкий КПД, т.к. напор потока будет "уходить" между цепями, где нет для него никакого сопротивления, и в работе будет участвовать минимальное количество энергии напора потока.

В соответствии с этим в основу изобретения поставлена задача увеличить мощность и КПД гидроэнергетической установки.

Поставленная задача достигается тем, что известная гидроэнергетическая установка, содержащая рабочий орган, выполненный в виде ступиц с приводными звездочками, бесконечных цепей, взаимодействующих со звездочками, устройства натяжения цепей, основных лопаток, установленных вертикально относительно потока и шарнирно закрепленных на цепях с возможностью перемещения вдоль потока под воздействием последнего, и устройство для крепления рабочего органа, согласно изобретению, снабжена спрямляющим щитом, размещенным перед рабочим органом по ходу потока, рабочий орган снабжен дополнительными лопатками, расположенными под углом к основным, верхним и нижним плоскими основаниями эллиптической формы с эллиптическими проемами и замкнутой обшивкой, установленной между основаниями и имеющей в сечении, параллельном основаниям, форму эллипса, устройство для крепления рабочего органа выполнено в виде опорных свай, на которых посредством подшипников закреплены ступицы приводных звездочек, а устройство для натяжения выполнено в виде связанной с одной из опорных свай натяжной сваи и с установленной на ней посредством подшипника ступицы с натяжными звездочками, взаимодействующими с цепями, при этом каждая свая размещена в проемах оснований, на торцах каждой основной лопатки установлены подшипники, контактирующие с основаниями, а цепи расположены по наружной образующей обшивки.

В сравнении с известным уровнем техники заявленное изобретение позволяет увеличить мощность и КПД гидроэнергетической установки за счет максимального использования энергии напора потока.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена гидроэнергетическая установка в поперечном разрезе реки со стороны встречного течения (на левой стороне чертежа основные лопатки не показаны); на фиг.2 - разрез по А-А фиг. 1; на фиг.3 гидроэнергетическая установка в аксонометрии; на фиг.4 основная лопатка в аксонометрии.

Гидроэнергетическая установка включает подводную и надводную части (фиг. 1). Подводная часть содержит рабочий орган, основные лопатки 1 которого снабжены дополнительными лопатками 2, расположенными под углом к основным лопаткам 1, и размещены на одинаковом расстоянии друг от друга, и устройство для крепления рабочего органа, выполненного из опорных 3 и натяжных 4 свай. Основные лопатки рабочего органа устанавливаются вертикально относительно потока между верхним и нижним плоскими основаниями 17 эллиптической формы с эллиптическими проемами и замкнутой обшивкой 12, установленной между основаниями 17 и имеющей в сечении, параллельном основаниям, форму эллипса. Гидроэнергетическая установка монтируется у спрямляющего щита 5. При монтаже нужно между опорными сваями 3 устанавливать диагональные или поперечные железобетонные конструкции для обеспечения жесткости и устойчивости гидроэнергетической установки.

На крайней опорной свае 3, где монтируется надводная часть редуктор 6 и генератор тока 7, устанавливаются приводные звездочки 8 рабочего органа. Для их установки на крайнюю опорную сваю 3 одевается мощная металлическая (или из другого материала) труба 9, выполняющая роль ступицы, с приводными звездочками 8. Внутри трубы 9 крепятся подшипники (на чертежах не показаны), которые непосредственно одеваются на крайнюю опорную сваю 3. Труба 9 устанавливается на роликоопорный подшипник (на чертежах не показан), который находится в нижней расширенной части 10 крайней опорной сваи 3. На натяжной свае 4 монтируются натяжные звездочки 8 (аналогично сваи 3). Приводные и натяжные звездочки 8 охватываются бесконечными цепями 11, например корабельными цепями или цепями другого типа, при этом натяжная свая 4 выполняет роль натяжения бесконечных цепей 11. Бесконечные цепи 11 размещают на наружной поверхности замкнутой обшивки 12, которая, в свою очередь, представляет замкнутую поверхность, имеющую в сечении форму эллипса, расположена по внутренней образующей рабочего органа и предназначена для удержания водного потока на рабочей поверхности основных лопаток 1. Как вариант, бесконечные цепи 11 могут быть смонтированы спаренными с расположением их по краям основных лопаток 1, либо смещенными, как показано на фиг.1.

Основные лопатки 1 к бесконечным цепям 11 крепятся таким образом, чтобы равнодействующая сила F (слагаемая от направления водного потока реки 13 и направления потока 14, сбрасываемого со спрямляющего щита 5) воздействовала на рабочую поверхность каждой основной лопатки 1 и чтобы каждая последующая основная лопатка 1 не перекрывала рабочую поверхность каждой предыдущей основной лoпатки 1 по отношению к силе F. Кроме того, основная лопатка 1 имеет металлический (или из другого материала) упор 15 для обеспечения ее устойчивости во время рабочего хода, а также контрцепь 16 для исключения поворота основной лопатки 1 при холостом ходе ее на сзади идущую основную лопатку 1. Основные лопатки 1 во время их работы перемещаются между верхним и нижним основаниями 17 вдоль внутренней и внешней образующей рабочего органа. Причем верхнее и нижнее основания 17 выполнены в виде плоских полков эллиптической формы и снабжены проемами аналогичной эллиптической формы. Верхнее основание 17 крепится ко всем сваям 3 и 4 (на чертежах не показано) параллельно нижнему основанию. В свою очередь, сваи 3 и 4 установлены в проемах оснований 17 параллельно образующей замкнутой обшивки 12.

Расстояние между верхним и нижним основаниями 17 равно высоте Н основных лопаток 1 совместно с подшипниками 18, причем подшипники 18 контактируют с основаниями 17 (верхним и нижним) и монтируются к каждой основной лопатке 1 спаренно поверху и понизу их. Подшипники 18 обеспечивают перемещение основных лопаток 1 между верхним и нижним основаниями 17.

Cмазкой для всех трущихся частей в воде является вода. Для нормальной работы гидроэнергетической установки бесконечные цепи 11 располагаются по наружной образующей обшивки 12 и должны быть натянутыми. Чтобы натянуть или ослабить цепи 11 используется натяжная свая 4, которая перемещается в верхней части через окно монтажного полка 19 и в нижней в параллелях 20. Натяжение ослабление тяговой цепи 11 производится натяжным устройством 21 (типа "фаркоп" или другие). Для натяжения тяговых цепей 11 нужно, чтобы обшивка 12 и верхнее и нижнее основания 17 с обеих сторон у натяжной сваи 4 имели разрыв сплошности с обеспечением нахлеста их концов в сторону движения основных лопаток 1. Натяжное устройство 21 устанавливается между опорной 3 и натяжной 4 сваями.

Монтаж гидроэнергетической установки осуществляется в следующей последовательности: вначале монтируют подводную часть сваи, рабочий орган с его подвижной системой, представляющей собой основные лопатки 1 и тяговые цепи 11, а затем надводную часть это редуктор 6 и генератор тока 7, которые располагаются на полке 19.

Спрямляющий щит 5, выполняя роль местной плотины, сужает русло реки, в результате чего в местах сброса воды 22 со спрямляющего щита 5 на основные лопатки 1 скорость течения и напор потока будут увеличиваться. Для эффективной работы гидроэнергетической установки обязательно устанавливать спрямляющий щит 5 со стороны направления водного потока реки 13.

В результате, чем больше скорость течения воды и чем больше рабочий уровень реки "с", тем мощнее будет гидроэнергетическая установка.

Для определения рабочего уровня реки "с" необходимо иметь следующие данные: "с" рабочий уровень реки, равный высоте основной лопатки Н_л вместе с подшипниками 18 плюс две толщины (2 t) верхнего и нижнего оснований 17, т.е. H_л+2 t; "а" размер, равный толщине максимального промерзания воды в реке плюс 10-15% т.е. (а + 0,15а); "в" размер, принимаемый от 0,2 до 0,5 м в зависимости от пород или материала, составляющего дно реки; "h" разница между максимальным уровнем воды в реке (паводковый период) и минимальным уровнем воды в реке плюс 10% т.е. (h + 0,1h); "d" ширина основной лопатки 1, определяется возможностями реки.

Монтаж гидроэнергетической установки для всех, в том числе и для замерзающих рек, осуществляют следующим образом.

К свае или опоре моста 23 (или к другим вспомогательным сваям, на чертежах не показаны) крепится монтажный полок 19, где и собираются подводная и надводная части гидроэнергетической установки (с обеих сторон опоры 23 или с одной стороны), или с небольшого надводного судна или баржи в местах рек, не мешающих судоходству.

Гидроэнергетическая установка работает следующим образом.

Для приведения в действие гидроэнергетической установки используется энергия потока (течения) воды в реке с использованием спрямляющего щита 5.

Для того, чтобы система основных лопаток 1 эффективно и в заданном направлении 24 вращалась, нужно на высоте H_щ, равной Н_щ H_min + h_p + h_г.т., где h_р высота редуктора; h_г.т. высота генератора тока, установить и закрепить к опорам (на чертежах они не показаны) со стороны течения реки 13 спрямляющий щит 5, который можно изготавливать из металла, железобетона или из других материалов. Нужно, чтобы крылья спрямляющего щита 5 направляли поток воды прямо на ближайшие основные лопатки 1, а на дальние от щита 5 основные лопатки 1 будет воздействовать поток воды реки, но тоже ускоренный, т.к. система основных лопаток 1, выполненная в сечении в форме вытянутого эллипса, является своеобразным продолжением спрямляющего щита 5 и сужает русло реки. В результате в работе будет участвовать максимальное количество энергии потока (течение) воды, что и является большим преимуществом, т.к. увеличится мощность и КПД гидроэнергетической установки.

Под действием потока воды начнется перемещение основных лопаток 1, которые через тяговые цепи 11 передают вращение приводным звездочкам 8, а последние передают вращение редуктору и генератору тока 7, который и будет вырабатывать электроэнергию, необходимую потребителю.

Формула изобретения

Гидроэнергетическая установка, содержащая рабочий орган, выполненный в виде ступиц с приводными звездочками, бесконечных цепей, взаимодействующих со звездочками, устройства натяжения цепей, основных лопаток, установленных вертикально относительно потока и шарнирно закрепленных на цепях с возможностью перемещения вдоль потока под воздействием последнего, и устройство для крепления рабочего органа, отличающаяся тем, что установка снабжена спрямляющим щитом, размещенным перед рабочим органом по ходу потока, рабочий орган снабжен дополнительными лопатками, расположенными под углом к основным, верхним и нижним плоским основаниям эллиптической формы с эллиптическими проемами и замкнутой обшивкой, установленной между основаниями и имеющей в сечении, параллельном основаниям, форму эллипса, устройство для крепления рабочего органа выполнено в виде опорных свай, на которых посредством подшипников закреплены ступицы приводных звездочек, а устройство для натяжения выполнено в виде связанной с одной из опорных свай натяжной сваи и с установленной на ней посредством подшипника ступицы с натяжными звездочками, взаимодействующими с цепями, при этом каждая свая размещена в проемах оснований, на торцах каждой основной лопатки установлены подшипники, контактирующие с основаниями, а цепи расположены по наружной образующей обшивки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4