МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
MINIATURE HYDROELECTRIC STATION

Изобретение относится к области малой гидроэнергетики, а именно к микрогидроэлектростанциям горизонтального исполнения, в которых электрический генератор и гидравлическая турбина объединены в едином конструктивном блоке, и может найти применение в качестве стационарной или мобильной автономной микрогидроэлектростанции для получения электрической энергии при создании электроприводов разнообразных устройств в фермерских хозяйствах, небольших производствах, объектах министерства обороны.
Известна погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция с горизонтальной гидротурбиной, соединенной непосредственно с герметизированным низкоскоростным электрогенератором. Гидротурбина выполнена из отдельных секций, с лопастными движителями, смещенными относительно друг друга на равный угол, а каждый из движителей состоит из двух противоположно направленных лопастей с модифицированным профилем NASA (см. патент РФ №2247859, МПК F03В 13/10, опубл. 15.09.2003).
Недостатком конструкции является ее недостаточная жесткость ввиду отсутствия у устройства корпуса. Другим недостатком микрогидроэлектростанции является размещение оси вращения гидротурбины перпендикулярно течению реки, что вызывает ограничение передвижению речных плавсредств. Недостатком является и то, что генератор электростанции имеет герметичную конструкцию, защищающую его от попадания воды во внутреннюю полость. Герметичность генератора со временем нарушается и это вызывает протечки воды внутрь генератора, что может вызвать аварию.
Известна свободнопоточная микрогидроэлектростанция, содержащая несущую раму с двухступенчатым конфузором и диффузором, электрогенератор, соединенный непосредственно с секционированной гидротурбиной, лопасти и траверсы которой выполнены по гидродинамическим профилям, а лопасти ориентированы по касательным к траектории движения (см. патент РФ на полезную модель, №105949 МПК F03В 13/10, опубл. 2011).
Недостатком конструкции является герметичность синхронного генератора, что увеличивает вероятность со временем проникновения воды в его внутреннюю полость.
Известны капсульные гидроагрегаты, расположенные под водой. В капсульных гидроагрегатах обтекаемые генераторы выполняются с непосредственным приводом от турбины (Видеман Е., Келленбергер В. Конструкции электрических машин. Сокр. пер. с нем. Под ред. Б.Н. Красовского. Л., «Энергия». 1972. - 520 с.). Капсульные гидроагрегаты выполняются большой мощности, и они неприменимы для малых рек. Капсульные гидроагрегаты для своей работы требуют устройства плотины.
Известна electricity generating apparatus - микрогидроэлектростанция, предложенная для применения в потоках и ручьях. В конструкции устройства применен винт Архимеда, который находится в проточном канале. Вода вращает винт, на котором расположены постоянные магниты. На корпусе размешены катушки фаз. В фазах наводится ЭДС (международная заявка PCT/AU2013/00016, дата публикации 15.08.2013).
Недостатком конструкции являются невысокие энергетические показатели, ввиду того, что рабочий зазор между постоянными магнитами и катушками корпуса во время работы не остается постоянным, а все время меняется. Конструкция электростанции трудоемка в изготовлении.
По технической сущности наиболее близкой к заявляемому изобретению является конструкция автономной водопогружной свободнопоточной микрогидроэлектростанции, содержащей водопогружной модуль, включающий электрогенератор в герметическом корпусе, размещенную в диффузоре гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенную через мультипликатор с валом электрогенератора, генератор вместе с мультипликатором размещен в общей гондоле, которая снабжена устройством для откачки воды из ее нижней части (см. полезная модель к патенту РФ №62995 МПК F03В 13/10, опубл. 10.05.2007).
Недостатком известной конструкции является использование генератора герметичной конструкции, что со временем может привести к протечке в сальниках подшипниковых узлов вследствие эксплуатации. Наличие отсасывающего устройства для воды усложняет конструкцию гидростанции, приводит к увеличению массы устройства и вызывает трудности при ее эксплуатации.
Заявленное изобретение решает задачу создания компактной конструкции микрогидроэлектростанции, отличающейся малой материалоемкостью, повышенной эксплуатационной надежностью, высокими энергетическими характеристиками и удобством в обслуживании.
Это достигается тем, что в микрогидроэлектростанции с горизонтальным расположением оси гидравлической турбины, объединяющей в едином базовом корпусе агрегата электрический генератор, содержащий статор с шихтованным магнитопроводом и обмоткой, ротор с постоянными магнитами и опорными подшипниковыми узлами, выводной водостойкий кабель и лопастную гидравлическую турбину, кинематически связанную с ротором посредством мультипликатора, включающую рабочее колесо, лопасти рабочего колеса, подводящую камеру, обтекатель, направляющий и спрямляющий аппараты, в отличие от прототипа электрический генератор выполнен обращенным, статор которого имеет форму втулки, несущей шихтованный магнитопровод статора с обмоткой и размещенной на неподвижной оси статора, жестко связанной с базовым корпусом агрегата, а ротор имеет форму обода, на внутренней поверхности которого размещены постоянные магниты, охватывающего магнитопровод статора с образованием радиального рабочего зазора и жестко присоединенного с двух сторон к опорным дискам ротора, опирающимся через подшипники скольжения на неподвижную ось статора, образуя тем самым полый корпус ротора, внутри полости которого размещен магнитопровод статора с обмоткой. При этом рабочее колесо гидравлической турбины жестко закреплено на хвостовике водила мультипликатора, которое через подшипник скольжения опирается на неподвижную ось статора, а лопатки рабочего колеса закреплены на поворотных устройствах, каждое из которых включает радиально размещенный на рабочем колесе стержень и фиксирующий винт для установки лопасти в рабочее положение.
Базовый корпус агрегата выполнен в форме двух соосных цилиндрических оболочек, жестко связанных между собой продольно ориентированными ребрами, размещенными в кольцевом пространстве между внутренней и наружной оболочками корпуса, а для фиксации микрогидроэлектростанции в водном потоке к наружной оболочке жестко присоединен радиально ориентированный патрубок с элементами крепления, позволяющий регулировать глубину установки агрегата в потоке воды.
Электрический генератор и мультипликатор размещены в общей кольцевой полости, образованной внутренней цилиндрической оболочкой базового корпуса агрегата и двумя жестко присоединенными к ней торцевыми крышками, одна из которых жестко связана с осью статора, а другая через посредство подшипника скольжения охватывает хвостовик водила мультипликатора, причем пространство кольцевой полости заполнено чистой водой.
Направляющий аппарат образован совокупностью продольно ориентированных ребер, размещенных в кольцевом пространстве между внутренней и наружной оболочками базового корпуса агрегата, формирующих совокупность направляющих каналов для подачи ускоренных струй воды к лопастям рабочего колеса гидравлической турбины, а спрямляющий аппарат образован радиально ориентированными неподвижными лопатками, размещенными со стороны выхода водного потока, которые жестко связаны с осью статора и наружной оболочкой базового корпуса агрегата.
Неподвижная ось статора снабжена центральным осевым каналом и радиальным отверстием, сообщающимся с осевым каналом, служащими для вывода проводов обмотки статора за пределы агрегата и заливки кольцевой полости чистой водой, а также герметизирующим уплотнением со стороны вывода проводов и заглушкой осевого канала с противоположной стороны.
Неподвижное зубчатое колесо мультипликатора, имеющее внутренние зубья, вмонтировано в крышку кольцевой полости, расположенную со стороны рабочего колеса гидравлической турбины, а центральное зубчатое колесо мультипликатора, имеющее наружные зубья, жестко связано с опорным диском ротора.
Технический результат заключается в упрощении конструкции микрогидроэлектростанции, снижении ее материалоемкости и увеличении надежности при эксплуатации.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором дан продольный разрез микрогидроэлектростанции.
Базовый корпус агрегата состоит из двух соосных цилиндрических оболочек 1 и 2, жестко соединенных между собой продольно ориентированными ребрами 3. К наружной оболочке 1 жестко прикреплен патрубок 4, предназначенный для фиксирования агрегата на необходимой глубине в водном потоке. К внутренней оболочке 2 жестко через уплотняющие прокладки 5 и 6 присоединены торцевые крышки 7 и 8, используемые в качестве базовых элементов конструкции для установки основных узлов: статора и ротора электрического генератора, рабочего колеса гидравлической турбины и мультипликатора. Электрический генератор и мультипликатор размещены в кольцевой полости между оболочкой 2 базового корпуса и крышками 7 и 8. Статор имеет форму втулки 9, несущий магнитопровод 10, набранный из штампованных пластин электротехнической стали, в пазы которого уложена обмотка 11 из провода с полиэтиленовой, полихлорвиниловой или иной изоляцией, стойкой к воде, причем втулка 9 через посредство скользящей шпонки 12 размещена на неподвижной оси 13 статора, жестко связанной шпонкой 14 с крышкой 7 и опирающейся на крышку 8 через посредство хвостовика 15 водила 16 мультипликатора и подшипниковые втулки 17 и 18.
Изоляция обмотки статора допускает длительную работу электрического генератора при заполнении кольцевой внутренней полости чистой водой.
Осевое смещение втулки 9 вдоль оси 13 после монтажа исключается стопорными кольцами. Ось 13 статора снабжена центральным осевым каналом 19 и радиальным отверстием 20, сообщающимся с каналом 19, предназначенными для вывода проводов обмотки за пределы агрегата и заливки кольцевой внутренней полости чистой водой. Со стороны вывода проводов на оси 13 установлено герметизирующее уплотнение 21, а с противоположной стороны - заглушка 22 осевого канала. Выводы обмотки 11 статора водостойким кабелем соединяются с блоком управления, размещенным на суше.
Ротор имеет форму обода 23, на внутренней поверхности которого размещены постоянные магниты 24 с необходимым окружным шагом. Возможен иной вариант конструктивного исполнения, при котором обод ротора имеет форму звездочки с внутренними зубцами, изготовленной из сплава с большой коэрцитивной силой.
Обод 23 жестко связан с боковыми дисками 25 и 26 ротора, которые посредством подшипниковых втулок 27 и 28 опираются на ось 13 статора и выполняют функции подшипников скольжения. Обод 23 вместе с дисками 25 и 26 образуют корпус ротора, в кольцевой полости которого расположен магнитопровод статора с обмоткой. Причем между магнитопроводами ротора и статора образован радиальный рабочий зазор Δ, для контроля величины которого при сборке в дисках 25 и 26 выполнены отверстия 29 и 30. Для размещения лобовых частей обмотки 11 статора между поверхностями дисков 25 и 26 ротора и магнитопровода 10 статора предусмотрено свободное пространство, заполненное чистой водой через канал 19 и отверстие 20 оси 13 статора.
Рабочее колесо 31 гидравлической турбины жестко закреплено на хвостовике 15 водила 16 мультипликатора, а лопасти 32 рабочего колеса закреплены на поворотных устройствах, каждое из которых содержит радиально расположенный на колесе стержень 33 и фиксирующий винт 34, используемые для установки лопасти 32 в рабочее положение. Для восприятия осевых нагрузок, передаваемых колесом 31 через стопорное кольцо 35 на хвостовик 15 водила 16 мультипликатора, предусмотрено кольцо 36, выполняющее функцию подпятника скольжения и закрепленное на оси 13 статора.
С целью увеличения частоты вращения ротора электрического генератора, рабочее колесо 31 гидравлической турбины и ротор кинематически связаны посредством мультипликатора, который представляет собой эпициклический планетарный механизм, образованный из зубчатых колес. Колесо 37, имеющее внутренние зубья, вмонтированное в крышку 8, связанную с внутренней оболочкой 2 базового корпуса агрегата, является неподвижным. В зацеплении с этим колесом находится колесо 38 сдвоенного сателлита, второе колесо 39 которого образует внешнее зацепление с центральным колесом 40, жестко связанное с диском 26 ротора. Подвижная ось 41 сдвоенного сателлита, конструктивно объединяющая два колеса 38 и 35, расположена в подшипнике 42 поводка (водила) 16, на хвостовике 15 которого закреплено рабочее колесо 31 гидравлической турбины.
0
При вращении рабочего колеса 31 гидравлической турбины и водила 16 колесо 38 обкатывается по неподвижному колесу 37, в результате чего оба колеса 38 и 39 сдвоенного сателлита приобретают общую угловую скорость вращения и от колеса 39 сателлита вращение передается центральному колесу 40 и жестко с ним связанному ротору. Угловая частота вращения ω ротора связана с угловой частотой вращения ω водила и колеса гидравлической турбины известной зависимостью (Решетов Д.М. Детали машин-4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 215-220)
1
2
3
4
где Ζ, Ζ, Ζ, Ζ - числа зубьев центрального колеса 40, колес сателлита 39 и 38, неподвижного колеса 37, соответственно.
На чертеже показаны два сдвоенных сателлита, что целесообразно по соображениям динамического уравновешивания и уменьшения нагрузки в зацеплениях.
Со стороны входа водного потока расположен обтекатель 43, жестко присоединенный к крышке 7 и расположенный внутри подводящей камеры (конфузора) 44 , присоединяемой к внешней оболочке 1 базового корпуса агрегата. Направляющий аппарат для потока воды, поступающей от подводящей камеры, образован совокупностью продольно ориентированных ребер 3, расположенных в кольцевом пространстве между наружной 1 и внутренней 2 оболочками базового корпуса агрегата и жестко связывающих их между собой, образуя тем самым единый корпус агрегата. Продольно ориентированные ребра также формируют совокупность направляющих каналов для подачи ускоренных струй воды к лопаткам 32 рабочего колеса гидравлической турбины. Для выправления закрученного потока воды после прохождения рабочего колеса 31 предусмотрен спрямляющий аппарат, образованный радиально ориентированными лопатками 45, жестко связанными с осью 13 статора и наружной оболочкой 1 базового корпуса агрегата. Спрямляющий аппарат, являясь дополнительной опорой для оси 13 статора, позволяет повысить общую жесткость всей конструкции агрегата.
Предусмотрена следующая последовательность сборки основных узлов агрегата в целом.
Отдельную сборку допускают узлы: базовый корпус, статор, рабочее колесо гидравлической турбины, включая лопатки и поворотные устройства, крышка 8 с вмонтированным в нее колесом 37 и подшипниковой втулкой 18, водило 16 со сдвоенными сателлитами и подшипниковой втулкой 17, обод 23 с постоянными магнитами ротора, диски ротора 25 и 26 с подшипниковыми втулками 27 и 28, соответственно, спрямляющий аппарат, включая лопатки 45 и опорную втулку 46.
Узел статора собирается в следующей последовательности. На втулку 9 надевается пакет из шихтованных пластин, имеющих внутренний зуб, входящий в паз втулки 9, для их взаимной фиксации. От их продольного смещения пакет удерживают устанавливаемыми стопорными кольцами. Затем в продольные пазы пакета статора укладывают и закрепляют обмотку. Втулку 9 с магнитопроводом и обмоткой надевают на ось 13 статора, провода обмотки выводят через отверстие 20 и канал 19 за пределы оси 13. В паз оси 13 устанавливают шпонку 12, а со стороны отверстия 20 на ось 13 устанавливают стопорное кольцо 47 и перемещают втулку 9 с обмоткой до упора в кольцо 47 при посадке втулки 9 на шпонку 12.
Обод 23 ротора с магнитами 24 с зазором Δ надевают на магнитопровод 10 статора, а с обеих сторон на ось 13 статора одевают собранные диски 25 и 26 ротора и жестко соединяют с помощью болтов 48 обод 23 и диски 25 и 26. С помощью щупа контролируют радиальный рабочий зазор Δ между рабочими поверхностями статора и ротора. Надевают на ось 13 собранный блок водила 16 с сателлитами и обеспечивают зацепления колес 39 сателлитов с центральным колесом 40 диска 26 ротора. Собранный блок из статора, ротора и водила мультипликатора с сателлитами помещают вовнутрь базового корпуса, устанавливают узел крышки 8 на хвостовик 15 водила 16, обеспечивают зацепление колес 38 сателлитов с неподвижным колесом 37, вмонтированным в крышку 8, и через уплотняющую прокладку 6 привертывают крышку 8 к внутренней оболочке 2 базового корпуса. С помощью шпонки 14 устанавливают крышку 7 на ось 13 статора и через уплотняющую прокладку 5 привертывают крышку 7 к внутренней оболочке 2 базового корпуса. Проверяют надежность зубчатых зацеплений, проворачивая хвостовик 15 водила 16. Пропускают провода обмотки, выходящие из осевого канала 19 оси 13 статора, через герметизирующее уплотнение 21, ввертывают его корпус 49 в концевое резьбовое отверстие оси 13 и затягивают уплотнение, после чего к крышке 7 присоединяют обтекатель 43. На хвостовике 15 водила 16 мультипликатора через посредство шпонки 50 устанавливают собранный узел колеса 31 гидравлической турбины, для удержания которого от осевого смещения устанавливают стопорное кольцо 35. Устанавливают на концевом участке оси 13 статора кольцо 36 подпятника и собранный узел спрямляющего аппарата с использованием шпонки 51 и торцевого резьбового крепления. При этом лопатки 45 с использованием болтовых соединений жестко крепятся к наружной оболочке 1 базового корпуса агрегата.
Для заливки кольцевой внутренней полости чистой водой торцевое крепление снимается. Охлаждение нагревающихся в процессе работы электрического генератора элементов микрогидроэлектростанции осуществляется проточной водой, омывающей базовый корпус агрегата.
Микрогидроэлектростанция работает следующим образом. Перед пуском станции в работу, заполняют ее кольцевую полость чистой водой через центральный осевой канал 19 оси 13 статора, закрываемый затем заглушкой 22 торцевого крепления. После выполнения действий по заполнению кольцевой полости водой агрегат погружается в водный поток и фиксируется на требуемой глубине. При этом из подводящей камеры, в которой создается избыточное давление, вода поступает в каналы направляющего аппарата, в которых образуется совокупность отдельных струй воды с увеличенной скоростью движения. Выходящая из каналов направляющего аппарата вода оказывает давление на лопасти рабочего колеса гидравлической турбины, которое приобретает вращательное движение вокруг горизонтальной оси и через посредство кинематически связанного с ним мультипликатора, приводит во вращение ротор электрического генератора. В результате действия магнитного поля постоянных магнитов ротора на проводники обмотки статора, в ней возникает переменная ЭДС, которая затем от обмотки статора по водостойкому кабелю передается по назначению.
Предложенная конструкция микрогидроэлектростанции позволяет применять ее в водных потоках с относительно небольшой скоростью течения воды. Она отличается простотой конструкции, удобством в наладке и техническом обслуживании, компактностью и невысокой материалоемкостью, достаточной надежностью при увеличенном значении мощности на единицу массы, а также долговечностью.
На ее базе могут быть созданы электроэнергетические агрегаты широкого назначения и различных типоразмеров.