РУСЛОВЫЙ ГИДРОЭНЕРГОАГРЕГАТ
RUN-OF-RIVER HYDROPOWER UNIT

Изобретение относится к гидроэнергетике и служит, в частности, для преобразования энергии русловых потоков реки 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.
Известна реактивная гидравлическая турбина в виде колеса, внутренняя поверхность каждой лопасти которой имеет полукруглый криволинейный участок, а внешняя - обтекаемый участок (Патент РФ №2138680 С1, МПК F03B 7/00, опубл. 27.09.1999).
Эта турбина имеет небольшие размеры и мощность.
Известна бесплотинная гидроэнергетическая установка на сваях с вертикальными лопастями и направляющими проемами эллиптической формы, лопатки связаны при помощи тяговых цепей, установленных на приводные и натяжную звездочки (Патент РФ №2062351 С1, МПК F03B 9/00, опубл. 20.06.1996).
Установка имеет сложный цепной привод и низкую надежность в эксплуатации.
Известна бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция, содержащая загубленный в поток вертикальный корпус ротора, разделенный на барабаны со смещенными по окружности лопастями трех видов: внутренних створчатых, поворотных ступенчатых и флюгерных, установленных в клети (Патент РФ №2171912 С2, МПК F03B 17/06, 13/10, опубл. 10.08.2001).
Эта гидроэлектростанция имеет сложную конструкцию, недостаточно надежные во влажной среде шестеренные передаточные механизмы и невозможность последовательного соединения нескольких рабочих органов.
Известна гидроэнергетическая установка конвейерного типа, лопатки которых на свободном конце имеют ролики, перекатывающиеся по горизонтальным направляющим (Патент РФ на полезную модель №65578 U1, МПК F03B 9/00, опубл. 10.08.2007).
Установка также имеет низкую надежность в эксплуатации.
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 F03B 7/00).
Цепная передача работает в воде, и долговечность и надежность его низкая.
Известна также 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 F03B 7/06, 7/00, опубл. 20.06.1991, прототип).
Недостатками этой турбины являются небольшие размеры лопастей, вследствие зависимости их от размеров шестерен приводного механизма, и, следовательно, небольшая мощность гидротурбины.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение мощности, надежности и долговечности гидроэнергоагрегата.
2
1
2
Технический результат достигается тем, что в русловом гидроэнергоагрегате, содержащем основание со стойками, на которых вращается вал колеса с водилами радиусом вращения R, и на концах которых установлены оси с лопастями длиной l и шириной b, на краях лопастей закреплены растяжки, имеющие на концах ролики, попеременно перекатывающиеся по П-образным направляющим дорожкам боковин, находящихся внутри рядом с водилами, причем П-образные направляющие дорожки выполнены по окружности радиусом R=R+е, а центр окружности направляющих смещен от оси вала вниз на величину эксцентриситета е, равную 0,25 величины ширины лопасти b, а также в боковинах вырезаны центральные отверстия для прохода осей лопастей, направляющие в верхней части имеют Г-образную форму вследствие выреза. Боковины по периферии для жесткости, параллельности между собой и перпендикулярности к основанию стянуты упорами.
На фиг.1 показан вид сбоку гидроэнергоагрегата; на фиг.2 - фронтальный вид в разрезе А-А с фиг.1; на фиг.3 - вид боковины с направляющей дорожкой; на фиг.4 - сопряжение конца осей лопастей с головкой водила; на фиг.5 - сопряжение конца растяжки лопасти с роликом с П-образной направляющей дорожкой; на фиг.6 - лопасть в разрезе Б-Б; на фиг.7 - разрез по В-В боковины; на фиг.8 - разрез по Г-Г боковины; на фиг.9 - схема гидроэнергетической установки.
На стойках 1 основания 2 гидроэнергоагрегата на фторопластовых втулках 3 вращается вал 4 с установленными на нем жестко водилами 5, на концах 6 которых закреплены оси 7, цапфы 8 которых свободно сопрягаются через фторопластовые втулки 9 с головками 6 водил 5. На оси 7 жестко установлены лопасти 10 длиной l и шириной b, имеющие по краям 11 растяжки 12. Лопасти жестко огибают растяжки 12 и оси 7. На цапфах 13 растяжек свободно установлены ролики 14. Внутри рядом с водилами неподвижно жестко установлены боковины 15, имеющие направляющие П-образные дорожки 16, по которым катятся ролики 14 одной из растяжек лопасти. В верхней части дорожки имеют Г-образную форму 17 ввиду наличия в боковине 15 круглого центрального выреза для движения осей 7 лопастей 10. Параллельность и жесткость установки боковин достигается упорами 18 и ребрами жесткости. Модули гидроэнергоагрегата 19 соединены между собой последовательно муфтами 20. В здании 21 ГЭС установлены генератор 22, мультипликатор 23, конический повышающий редуктор 24 и другое оборудование.
2
2
1
2
b
1
2
3
4
6
7
8
Русловый гидроэнергоагрегат работает следующим образом. Для водил с осью и лопастями длиной l и шириной b в боковинах 15 выполнены отверстия радиусом R+h (где R - радиус вращения водила, h - высота головки водила от оси) с центром по оси вала. Круговые направляющие 16 боковин выполнены с радиусом R=R+e с центром ниже оси вала на величину эксцентриситета е=0,25b, что соответствует в нижней части расстоянию 0,5b. Под действием потока воды υ, водяное колесо-гидроэнергоагрегат вращается против часовой стрелки. Сопряжение лопастей 10 с направляющими дорожками 16 боковин 15 через ролики 14 осуществлено таким образом, что каждая лопасть, кроме верхнего положения, образует нормальную силу, обеспечивающую максимальный крутящий момент относительно оси. При вращательном движении лопастей снизу вверх с положения 1 до положения 4 лопасти сопряжены свободно через ролики торца растяжек одной стороны. В верхнем положении часть П-образной направляющей дорожки вырезана, ограничителем является только верхняя часть дорожки. При дальнейшем движении ролики другой стороны растяжек лопастей входят в П-образную направляющую и усилие от потока воды воспринимает другая сторона лопасти. Силы F, F, F, F, F, F, F воздействия потока воды на лопасти образуют вращающий момент относительного вала, кроме верхнего положения.
При таком выполнении колеса в каждый момент времени лопасти занимают такое определенное положение, при котором получается максимальный вращающий момент.
По сравнению с прототипом русловый гидроэнергоагрегат имеет большие по размеру лопасти, модули гидроэнергоагрегатов соединяются последовательно, и вырабатывает значительно большую мощность.