РУСЛОВАЯ ВСЕСЕЗОННАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
RIVERBED ALL-SEASON HYDRAULIC POWER PLANT

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности, для преобразования энергии русловых потоков воды в электрическую энергию.
Известны малые и микро- ГЭС мощностью 1…5000 кВт на напоры 2…400 м с пропеллерными, диагональными, осевыми, радиально-осевыми, ковшовыми турбинами [http://ovis.khv.ru/index 2…].
Недостатком таких ГЭС является необходимость большого перепада высот или постройка плотины.
Известен гидроэнергоагрегат, содержащий установленное на валу рабочее колесо с лопастями и механизмом их поворота, выполненным в виде системы подвижных и неподвижных относительно своих осей звездочек с зубчатым отношением 2:1, соединенных между собой цепной передачей (патент РФ №2016220, МПК F03В 7/00).
Цепная передача работает в воде, и долговечность и надежность его низкая.
Известна гидротурбина для русловой ГЭС, содержащая вал, установленный на двух опорах, и две противостоящие прямоугольные лопасти, размещенные на равном расстоянии от вала на концах водил и поворачиваемые вокруг своей оси при помощи приводного механизма, состоящего из цилиндрических шестерен (патент РФ №2131994 С1, МПК F03В 7/06, 7/00, опубл. 20.06.1999, прототип).
Недостатком этой турбины является небольшие размеры лопастей, вследствие зависимости их от размеров шестерен приводного механизма и, следовательно, небольшая мощность гидротурбины.
Задачей изобретения является упрощение конструкции русловой гидроэнергетической установки с повышением надежности работы и увеличение мощности за счет последовательного соединения гидроэнергоагрегатов.
Поставленная задача достигается тем, что русловая гидроэнергетическая установка, содержащая рабочее колесо, установленное на вертикальных стойках основания и состоящее из вала с радиальными водилами и прямоугольными лопастями, мультипликатор с валом и генератор, согласно изобретению, верхняя часть прямоугольных лопастей установлена шарнирно на фторопластовых втулках на концах водил, а в боковых торцах нижней части лопастей установлены ролики, перекатывающиеся по направляющим  - образной формы неподвижных боковин фасолевидной формы, при этом направляющие в передней части имеют разрыв или выполнены замкнутыми с переходным участком от горизонтального положения лопастей в вертикальное, лопасти выполнены из полимерного материала, а вал мультипликатора выполнен вертикальным.
Кроме того, полимерные лопасти колес в сечении для жесткости имеют гофрированную форму, и верхняя, и нижняя части их загнуты в виде трубы.
На фиг.1 показан вид сбоку колеса гидроэнергетической установки, на фиг.2 - вид спереди колеса в разрезе А-А с фиг.1; на фиг.3 - увеличенное местное сечение I с фиг.2; на фиг.4 - увеличенное местное сечение II с фиг.2; на фиг.5 - поперечный разрез Б-Б лопасти колеса; на фиг.6 - продольный разрез В-В лопасти; на фиг.7 - форма направляющей и схема действия сил на лопасти; на фиг.8 - схема русловой гидроэнергетической установки.
На стойках 1 основания 2 установлен вал 3 гидроэнергетического колеса, вращающийся на фторопластовых втулках 4. На валу жестко закреплены две ступицы 5 радиально расположенных водил 6. Головки одинаково расположенных водил соединены между собой осями 7, на которые вставлены лопасти 8, в двух отдаленных от оси концах которых в торце установлены направляющие ролики 9, перекатывающиеся по  - образной дорожке двух направляющих боковин 10, закрепленных на стойках 1 и имеющих сложную форму. Секции гидроэнергетических колес связаны между собой соединительными муфтами 11. Оси 7 составлены из отрезков труб 12, в концах которых жестко закреплены цапфы 13, концы которых вставлены с зазором в отверстие головки 14 водил 6 со фторопластовой втулкой 15 и зафиксированы от осевого смещения шайбой 16 со шплинтом или иным способом. В торец трубчатого нижнего конца 18 лопасти жестко вставлена цапфа 19, на фторопластовой втулке 20 которой установлен ролик 9. Лопасти 8 изготовлены из жесткого полимерного материала, середина имеет гофрированную форму 21, а концы изготовлены в виде трубок 18 и 22. Направляющая дорожка 23 боковин 10 для роликов 9 в передней части может иметь разрыв 24 (фиг.1) или изготовляться замкнутой (фиг.7) с переходным участком 25 от горизонтального положения лопастей в вертикальное.
p
Радиус переходного участка MN 25 меньше величины  лопасти на 6…10 мм (R - радиус ролика 9).
Для передачи полученного гидроэнергетическими колесами вращающего момента на генератор 26 служит конический редуктор 27, вертикальный вал 28 и мультипликатор 29.
Колеса гидроагрегата монтируются ниже нижнего уровня льда (∇ НУЛ) в зимнее время.
Русловая гидроэнергетическая установка работает следующим образом.
Поток воды воздействует на лопасти колеса, расположенного перпендикулярно течению. Положение лопастей колес, фиксируемое направляющими, таково, что они передают на вал наибольший крутящий момент М. В положениях (фиг.7) лопастей:
,
в
л1
где ρ - плотность воды, Н - высота лопасти, в - ширина лопасти. υ - скорость течения воды, υ - окружная скорость вращения лопасти, R - радиус (длина) водила.
,
где ω - угловая скорость вращения колеса.
2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
5
5
6
6
6
2-M=FR; 3-M=FR; 4-M=FR; 5-M=FR=0; 6-M=FR;
7
7
7
8
8
8
7-M=FR; 8-M=FR.
Суммарный крутящий момент
Суммарная мощность без учета трения сопрягаемых деталей
,
где n - частота вращения.
На участке MN под действием веса лопасти происходит изменение положения его от горизонтального в вертикальное, т.е. лопасть резко поворачивается (падает) в головках водил. В нижней части ролики лопастей перекатываются в направляющих  - образной формы. При движении вверх от нижнего положения расстояние между головками водил и направляющими постепенно уменьшается, вследствие этого лопасти находятся под углом к потоку воды. Не доходя до верха на участке 4 (фиг.7), происходит переход роликов лопастей с внутреннего контура направляющих полок на наружный. Боковина с направляющими имеет фасолевидную форму. Соединение нескольких колес с помощью муфт позволяет значительно увеличить мощность гидроэнергетической установки.
Предложенная гидроэнергетическая установка имеет простую конструкцию, высокую надежность вследствие изготовления деталей и агрегатов из полимерных материалов и может работать всесезонно.