ПЛАВУЧАЯ ПРИБРЕЖНАЯ ГИДРОВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
FLOATING COASTAL HYDRO-WAVE POWER PLANT

Изобретение относится к сфере гидроволновой энергетики, в частности - к генераторам, элементам их конструкций, корпусов и опор; к устройствам для регулирования механической энергии, конструктивно сопряженными с электрическими машинами.
Известны генераторы для превращения энергии поверхностных волн воды в электрическую энергию, самым простым из них является генератор электрического тока и его варианты (см. патент на изобретение Российской Федерации МПК H02K 19/00 №2396673, Генератор электрического тока, его варианты и способы их установки. Заявка №2009100832/09 от 12.01.09. Авт. изобр. Настасенко В.А. // БИ №22 от 10.08.10.). Генератор содержит ротор и статор с общей продольной осью, расположенной горизонтально, у которого сердечники с катушками и системой возбуждения обеспечивают выработку электрического тока, при этом центры масс ротора или статора выполнены эксцентрично смещенным относительно продольной оси их вращения, а для обеспечения возможности качания статически неуравновешенных роторов или статоров, они свободно установлены, а парные им роторы или статоры жестко закреплены в плавающем средстве, имеющем возможность колебаний на угол ±α при движении волн на воде и возможность разворота по нормали к действию волн, за счет формы своего корпуса или вертикального оперения. При этом генераторы могут быть установлены фронтальными рядами, или рядами друг за другом, а для восприятия колебаний плавающих средств во взаимно перпендикулярных направлениях, генераторы могут быть встроены перпендикулярно в полый трубчатый ротор внешнего генератора, у которого ротор или статор выполнены статически неуравновешенными, и за счет их свободного подвеса в направлении к центру Земли, они имеют возможность, совершать колебания относительно закрепленных на плавающем средстве парных им роторов и статоров, при действии на него волн, в т.ч в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, для чего роторы или статоры могут быть закреплены в одни или более ярусов, на горизонтальной поворотной платформе, установленной на плавающем средстве и имеющей возможность свободного поворота вокруг своей вертикальной оси, а на самой поворотной платформе и прилегающих к ней поверхностей плавающего средства, могут быть установлены сердечники с катушками и системой возбуждения, которые обеспечивают выработку электрического тока. Роторы или статоры также могут быть подвешены к горизонтальной платформе, в т.ч. в несколько ярусов. При этом индуктируемая электрогенераторами электродвижущая сила пропорциональна скорости изменения магнитного потока (см. книгу: Вершинский Н.В. Энергия океана - М.: Наука, 1986. с. 31).
Недостатком данных генераторов является малая сила, движущая его ротор или статор только за счет эксцентриситета их масс, который в данных конструкциях является незначительным, а также малый сектор (α=±15°) и скорость колебаний ротора относительно статора, что снижает его мощность.
Известно также устройство для использования энергии качки судна, содержащее перемещающийся относительно его корпуса груз, кинематически связанный с рабочим валом, на котором закреплены маховик и потребитель энергии, у которого с целью повышения эффективности его работы путем увеличения количества энергии, используемой потребителем, груз снабжен колесами с ребордами, посредством которых он подвижно сопряжен с рельсовыми путями, которыми снабжен корпус судна, причем эти пути изогнуты в плоскости шпангоута и диаметральной плоскости по дуге окружности, а вышеуказанная кинематическая связь груза с рабочим валом содержит зубчатый сектор, закрепленный на грузе, а две обгонные муфты, закрепленные на рабочем валу, при этом одна - непосредственно, а другая - через паразитную шестерню, выполнены с зацеплением с упомянутым зубчатым сектором (см. А.с. СРСР №1152882 А, МПК В63Н 19/02 Устройство для использования энергии качки судна. Заявка №3604422/27-11 от 03.05.85. Авт. изобр. Д.Н. Николаев. Опубл. БИ №16 от 30.04.85).
Недостатками данного устройства являются:
1. Использование его для судна, а не для прибрежной электростанции.
2. Ограничение по количеству подвижных трюм-грузов - один, и по его размещению - в объеме одного отсека корпуса судна.
3. Размещение груза лишь в плоскости шпангоута (поперек) корпуса судна, что не позволяет восприятия им осевого и других направлений качки волнами и ветром, которые более благоприятные для судна при большой высоте волн.
4. Подвешивание груза на оси, гнезда которой подвергаются большим нагрузкам при ударах волн.
5. Использование дуговых направляющих, в т.ч. рельсового типа для движения трюм-груза.
6. Использование колес для движения трюм-груза по направляющим.
7. Использование трюм-грузов сложной формы.
8. Размещение центра колебаний наверху подвижного трюм-груза, в результате чего высота h подъема центра его массы (1), которая зависит от радиуса r к центру массы и угла ±α колебаний корпуса судна волнами, а при безопасных для бортовой качки углах α±15° составляет незначительную величину h<3,5% от радиуса r:
9. Наличие нерабочего времени действия системы на этапе ее раскачки.
10. Сложная система раскачивания с использованием пускоразгонных средств и системы для обеспечения постоянного направления ее действия.
11. Одинаковые размеры начальных диаметров шестерен не позволяют изменить передаточное отношение от зубчатого сектора к рабочему валу при разной частоте и скорости качания грузов, в зависимости от волнения моря.
12. Узкое ограничение эффективности снятия мощностей при широком диапазоне параметров и энергии волн.
13. Амортизирующие упоры установленные сверху, что увеличивает деформации трюма.
14. Использование зубчатых секторов больших размеров и сложность их монтажа для зубчатых зацеплений на разных несвязанных между собой опорных поверхностях и устройствах.
15. Высокая вероятность поломок зубьев передач при ударах волн по корпусу судна.
max
min
min
min
max
max
max
min
max
min
max
min
max
min
Устранение указанных недостатков является задачей данной заявки на изобретение. Ее решение возможно путем создания плавучей прибрежной гидроволновой электростанции, использующей энергию качки ее корпуса волнами и ветром, которая содержит перемещающиеся относительно корпуса грузы, кинематически связанные с валами роторов электрогенераторов, а основания грузов выполнены по дуге окружности и имеют возможность дугового перемещения в ее корпусе, при этом грузы свободно установлены вдоль или поперек оси корпуса станции своими боковыми цилиндрическими поверхностями на параллельные им опорные ролики, что обеспечивает устойчивую ориентацию грузов к центру Земли в вертикальной плоскости и их свободный поворот по дуге основания при качке корпуса, а с роторами и статорами электрогенераторов кинематически связаны опорные ролики, а грузы выполнены полыми в виде цилиндрического сектора или сегмента и заполнены водой или песком, а для придания им продольной и поперечной жесткости - внутри их выполнены перегородки, или грузы выполнены из железобетона, с металлическим ободом на поверхностях контакта с опорным роликом, или из металла или пластика, в виде цилиндрического сектора, или сегмента, или толстостенного обода из цельных или сборных конструкций, а для ограничения сектора дугового движения грузов в трюме при качке волнами или ветром ее корпуса, на основаниях и на верхних частях трюмов корпуса установлены пружинные демпферы или гидравлические, или пневматические подушки, которые введены в контакт с закрепленными на поверхностях грузов упорами, а опорные ролики введены в половинки опорных подшипников скольжения с возможностью свободного дугового движения осевых шипов-выступов на торцах опорных роликов или на их внешней поверхности, или опорные ролики установлены с опорой на пары опорных стержней с контактом их внешних цилиндрических поверхностей, а для устранения нагрузок в средней части опорных роликов, диаметры их средней части, и/или средней части цилиндрических поверхностей грузов, выполнены уменьшенными, а для смягчения ударов от действия волн, на боковых и торцовых поверхностях грузов, контактирующих с опорными роликами и/или на поверхностях опорных роликов нанесен слой упругого материала, при этом опорные ролики и кинематически связанные с ними электрогенераторы установлены на опорных платформах, демпфированных пружинами, и/или рессорами, и/или гидравлическими и/или воздушными подушками, а для исключения продольного сдвига груза и выхода его радиусной поверхности из контакта с опорными роликами при резких ударах волн, на торцах этих роликов выполнены реборды или закреплены фланцы, а кинематическая связь вала ротора электрогенератора с опорным роликом выполнена соединительной муфтой, связанной с осью вращения опорного ролика и вала ротора электрогенератора, а для увеличения частоты вращения вала ротора, он связан соединительной муфтой с осью вращения опорного стержня, а для исключения реверса ротора электрогенератора за этой муфтой установлено обгонное реверсивное устройство, на входном валу которого установлено зубчатое колесо, а на выходном валу закреплены друг за другом две обгонные муфты, из которых одна введена в зацепление с упомянутым зубчатым колесом на одной половине ширины его венца непосредственно, а другая - через зацепление с половиной ширины зубчатого венца паразитной шестерни, которая второй половиной ширины своего зубчатого венца введена в зацепление с другой половиной ширины венца упомянутого зубчатого колеса, при этом для увеличения и регулировки частоты вращения ротора электрогенератора, с его валом соединен мультипликатор, а для регулировки частоты вращения - с ними связано регулирующее устройство, содержащее вариатор, состоящий из жестко закрепленных на параллельных полуосях дисков, обращенных друг к другу торцами, или обращенных вершинами друг к другу конусов, у которых параллельные друг другу торцовые или боковые конические поверхности кинематически связаны между собой фрикционным роликом с конической или дуговой наружной поверхностью, для чего ролик установлен на оси между обращенных друг к другу поверхностей дисков или конусов, с возможностью свободного вращения и принудительного сдвига его по этой оси с помощью вилки с резьбовым отверстием, в которое веден ходовой винт с приводом от шагового электродвигателя, а для уменьшения занимаемого пространства, опорные ролики выполнены полыми, внутрь которых введены и закреплены статоры электрогенераторов, при этом концы валов их роторов неподвижно закреплены на опорной платформе для установки опорных роликов, или для увеличения частоты вращения вала ротора электрогенератора, на торце по периферии опорного ролика или по периферии статора закреплен зубчатый венец с внутренними зубьями, а на конце вала ротора закреплена шестерня, между которыми в зацепление введено паразитное зубчатое колесо, связанное своей осью с опорной платформой, а для исключения реверса вращения вала ротора электрогенератора, с паразитным зубчатым колесом в зацепление введены закрепленные друг за другом на валу ротора электрогенератора две обгонные муфты, одна из которых контактирует с указанным зубчатым колесом непосредственно, а другая - через паразитную шестерню, а для увеличения частоты вращения валов роторов, на торце по периферии статора или по периферии на торце опорного ролика закреплен зубчатый венец с внутренними зубьями, с которым введено в зацепление планетарное зубчатое колесо, установленное с возможностью свободного вращения на водиле с индивидуальным приводом вращения от электродвигателя, закрепленного на стойке, размещенной на опорной платформе, а с этим планетарным зубчатым колесом введена в зацепление закрепленная на конце вала ротора шестерня, которая служит солнечной шестерней для дифференциала мультипликатора, а для регулировки частоты вращения вала ротора привод водила составлен из электродвигателя постоянного тока, или переменного тока с вариатором и управляющего устройства с датчиками угла поворота опорного ролика, а для увеличения частоты вращения роторов электрогенераторов, с планетарным зубчатым колесом в блоке выполнено второе зубчатое колесо, введенное в зацепление с закрепленной на валу ротора шестерней, которая является солнечной шестерней мультипликатора, а для исключения реверса ротора, зубчатое колесо с внутренним зубчатым венцом половиной ширины своего венца введено в зацепление с одной из двух обгонных муфт, связанных с осью планетарного блока, а второй половиной ширины своего венца - с первой половиной ширины венца паразитной шестерни, которая второй половиной ширины своего венца введена в зацепление со второй обгонной муфтой, и обе эти муфты имеют зубчатые венцы, адекватные меньшему зубчатому колесу планетарного блока дифференциала, а его ось установлена с возможностью свободного вращения на полуоси, связанной Г-образной или Т-образной боковой планкой с осью паразитной шестерни и полуосью водила, кроме того, для исключения возможности продольного сдвига груза и выхода его радиусной поверхности из контакта с поверхностью опорных роликов при резких ударах волн, на обоих торцах груза выполнены конические фаски с величиной радиуса от R до R, а с ними в контакт введены конические опорные ролики, меньший диаметр D которых введен в контакт с радиусом R, а больший диаметр D - с радиусом R, при соотношении диаметров D:D=R:R, а для регулировки частоты вращения валов роторов электрогенераторов, вдоль оси на торцах опорных роликов, повернутых к среднему поперечному сечению груза, выполнены конические хвостовики, диаметрами d, d и длиной l которых создан наклон боковой поверхности конуса параллельный опорной платформе, а с конусами введены в контакт фрикционные ролики, размещенные с возможностью свободного вращения в вилках и введенные в зацепление со шлицевыми валами, параллельными опорной платформе, а для продольного движения фрикционного ролика по шлицевому валу, вилка имеет резьбовое отверстие, в которое введен параллельный шлицевому валу ходовой винт с индивидуальным приводом, а конец шлицевого вала соединительной муфтой связан с концом вала ротора электрогенератора напрямую, или через устройство для исключения реверса его вращения, содержащее ведущее зубчатое колесо, с которым введены в зацепление две обгонные муфты, закрепленные друг за другом на выходном валу, одна из которых непосредственно контактирует с указанным зубчатым колесом, а другая - через паразитную шестерню, а для увеличения частоты вращения роторов электрогенераторов, они связаны с мультипликаторами, а для уменьшении габаритов системы, внутри вдоль оси опорных роликов, выполнено коническое отверстие, диаметрами d, d и длиной l которого создан наклон боковой поверхности конуса параллельный опорной платформе, а с этим конусом введен в контакт фрикционный ролик и другие элементы системы, аналогичные выполненным для наружного конуса, а для одновременного восприятия бортовой и килевой качки корпуса плавучей электростанции, часть ее грузов своими боковыми поверхностями свободно установлена вдоль, а часть - поперек оси этого корпуса, а для повышения устойчивости положения грузов при сильных ударах волн, со стороны их торцов выполнены предохранительные опорные пояса и/или стойки.
При этом устраняются все перечисленные выше недостатки базовой конструкции электростанции с гидроволновой энергетической установкой.
Предлагаемые плавучие прибрежные гидроволновые электростанции и различные варианты их исполнения показаны на чертежах.
На фиг. 1 показан общий вид плавучей прибрежной гидроволновой электростанции, состоящей из плавающего средства с корпусом 1, в котором качающиеся грузы 2 установлены в трюмах 3 своей осью качания вдоль оси корпуса. При этом грузы имеют цилиндрическое дуговое основание 4, которым они свободно установлены на поворотные опорные ролики 5, размещенные на днищевой секции 6, а трюмы разделены поперечными перегородками 7 и накрыты палубными крышками 8, которые обеспечивают корпусу 1 требуемую для работы электростанции прочность, жесткость и герметичность, Для обеспечения возможности увода плавающего средства в укрытие при сильном шторме, оно снабжено ходовым электродвигателем 9, с приводом 10 ходового винта. Удержание корпуса в заданном положении к фронту подхода волн обеспечивается якорями или подруливающими устройствами с приводом их винтов от встроенных электродвигателей, или ходовым электродвигателем Отвод выработанной электроэнергии на берег обеспечивает кабель 11, намотанный на катушку 12. Глубина погружения плавающего средства в воду ограничена ватерлинией 13.
На фиг. 2 показан общий вид плавучей прибрежной гидроволновой электростанции, у которой качающиеся грузы 2 установлены в трюмах своей осью качания поперек оси корпуса. При этом грузы имеют цилиндрическое дуговое основание 4, которым они свободно установлены на поворотные опорные ролики 5.
На фиг. 3 показан общий вид плавучей прибрежной гидроволновой электростанции, у которой часть качающихся грузов 2 установлена в трюмах своей осью качания вдоль оси корпуса, а остальная часть грузов в комбинации с первой установлена поперек оси корпуса судна.
Установка грузов своей цилиндрической поверхностью на опорные ролики обеспечивает им устойчивую вертикальную ориентацию к центру Земли и их свободное дуговое движение относительно опорной поверхности роликов при качке корпуса плавающего средства волнами и ветром.
g
п
л
п(л)
п(л)
п(л)
п(л)
п(л)
+
-
На фиг. 4. показана схема положений корпуса плавающего средства в поперечном сечении трюмов 3 шириной b, с днищевой секцией 6, крышкой 8 и бортами 14, при качке корпуса волнами и ветром на угол ±α. При этом груз 2, выполненный в виде сектора или сегмента цилиндра с цилиндрическим основанием 4 постоянного радиуса кривизны r, установлен горизонтально своей продольной осью О вдоль оси корпуса плавающего средства и имеет контакт с двумя, или большим количеством горизонтально установленных параллельно цилиндрической поверхности грузов, цилиндрических опорных роликов 5, шипы 15 которых введены с возможностью свободного кругового движения в половинки закрепленных на днищевой секции 6 и на бортах 14 корпуса плавающего средства опорных подшипников скольжения 16, что обеспечивает грузу, за счет инерции его массы и трения качения с роликом, устойчивую вертикальную ориентацию к центру Земли при любом угловом положении корпуса плавающего средства. При этом центр O массы груза совмещен с вертикальной осью, которая проходит через ось О, совмещенную с центром кривизны дугового основания 4, а вес Р груза распределен между правым (п) и левым (л) опорными роликами с соответствующими реакциями опор N, N, которые раскладываются на правую и левую вертикальную Y и горизонтальную Х составляющие силы и образуют в правой и левой зонах контакта O окружные силы R, R, которые действуют по движению (+) или против движения (-) часовой стрелки.
Для ограничения сектора дугового движения грузов в трюме при качке волнами или ветром корпуса плавающего средства, на днищевой секции 6 и на верхних участках бортов 14 трюмов установлены демпферы 17, которые введены в контакт с поверхностями грузов и с упорами 18, закрепленными на поверхностях грузов.
Грузы могут быть выполнены полыми в виде цилиндрического сектора или сегмента и заполнены водой или песком, а для придания им продольной и поперечной жесткости - внутри их выполнены перегородки. Кроме этого, для уменьшения габаритов при одинаковой массе, или для увеличения массы при одинаковых габаритах, грузы могут быть выполнены из железобетона, с металлическим ободом на поверхностях контакта с опорным роликом, или из металла, или из пластмассы, в виде цилиндрического сектора, сегмента или толстостенного обода монолитных или сборных конструкций, что снижает положение центра масс грузов и повышает их устойчивость при установке на опорных роликах и остойчивость плавающего средства в целом.
На фиг. 5 показана кинематическая связь грузов 2 и опорных роликов 5 с установленными на днищевой секции 6 электрическими генераторами 19, которая создана упругими соединительными муфтами 20, закрепленными на торцах роликов и на концах валов 21 роторов. При этом электрогенераторы могут быть установлены с одной (исполнение 1) или с двух сторон опорного ролика.
На фиг. 6 показан новый вариант исполнения опорного ролика 5, у которого для исключения продольного сдвига груза 2 при резких ударах волн и выхода его радиусной боковой и торцовых поверхностей из контакта с опорными роликами, на их торцах закреплены фланцы или выполнены реборды 22.
п(л)
п(л)
+
-
Принцип действия систем, показанных на фиг. 4-6, следующий. При наклоне волнами и ветром корпуса плавающего средства на угол -α против часовой стрелки, груз 2 с цилиндрическим основанием 4 постоянного радиуса кривизны r, за счет инерции его массы и возможности качения по опорным роликам 5, сохраним устойчивую вертикальную ориентацию к центру Земли, а за счет окружных сил R, оба ролика 5 начнут вращение против часовой стрелки и через соединительные муфты 20 передадут его валам 21 роторов электрогенераторов 19, и в катушках ротора возникнет электрический ток исходной полярности, созданный магнитным полем статоров. При наклоне волнами и ветром корпуса плавающего средства на угол +α по часовой стрелке, груз 2 за счет инерции его массы и возможности качения по опорным роликам 5, также сохраним устойчивую вертикальную ориентацию к центру Земли, а за счет окружных сил R, оба ролика 5 начнут вращение по часовой стрелке и через соединительные муфты 20 также передадут его валам 21 роторов электрогенераторов 19, и в катушках ротора возникнет электрический ток противоположной полярности, созданный магнитным полем статоров. Сохранение одинаковой полярности и выравнивание частоты электрического тока обеспечивают электронные преобразователи или инверторы.
Аналогичной будет система установки и действия грузов 2 и опорных роликов 5 с электрическими генераторами 19 при их установке в трюмах между их перегородками вдоль оси корпуса плавающего средства.
На фиг. 7 показано новое исполнение опорных роликов 5, у которых для уменьшения удельных контактных нагрузок, в половинки подшипников скольжения 23 введены фланцы или реборды 22, а для устранения нагрузок на опорные ролики в средней части 24, их наружные диаметры выполнены уменьшенными.
На фиг. 8 показано новое исполнение опорных роликов 5, у которых радиусы цилиндрических поверхностей на среднем участке 25 груза 2 выполнены уменьшенными. Для смягчения инерционного ударов грузов от действия волн на корпус плавающего средства, на боковые и торцовые поверхности грузов, контактирующие с поверхностями опорных роликов, или на адекватные им поверхности опорных роликов может быть нанесен слой упругого материала. Кроме того, опорные ролики 5 и связанные с ними электрогенераторы 19 установлены на платформах 26, демпфированных упругими опорами - пружинами 27, или рессорами, или гидравлическими или пневматическими демпфирующими устройствами, установленными на днищевой секции 6.
На фиг. 9 показано новое исполнение опорных роликов 5, у которых демпфирующие упругие опоры, (пружины, или рессоры, или гидравлические или пневматические демпфирующие подушки), установлены на днищевой секции 6 и на бортах 14 корпуса плавающего средства. При этом опорные ролики 5 могут быть установлены с упором их наружных цилиндрических поверхностей 28 в параллельные им пары цилиндрических поверхностей опорных стержней 29, которые введены в свои опорные подшипники 30.
Для повышения устойчивости положения грузов при сильных ударах волн, их ширина составляет не менее половины их высоты, а со стороны их торцов могут быть выполнены предохранительные опорные пояса и/или стойки.
Принцип действия данных систем отличается от предыдущих только по контактным нагрузкам между грузами, роликами и их подшипниками.
На фиг. 10 показано развитие кинематической связи опорных роликов 5 с электрогенераторами 19, у которых для увеличения частоты вращения вала 21 ротора, он связан с опорными стержнями 29 соединительными муфтами 20 и 31, а для ее регулировки, между ними установлены вариаторы 32, например, содержащие жестко закрепленные на параллельных полуосях 33 диски 34, у которых обращенные друг к другу торцовые поверхности кинематически связанные между собой роликом 35 с конической или дуговой наружной поверхностью, который имеет возможность свободного вращения на своей оси 36 и принудительного сдвига по ней с помощью вилки 37, имеющей резьбовое отверстие, в которое веден ходовой винт с приводом от шагового электродвигателя 38. Вместо дисков на параллельных полуосях могут быть жестко закреплены конусы, обращенные со стороны их вершин друг к другу своими боковыми поверхностями, кинематически связанные между собой аналогичным роликом с его приводным устройством.
Принцип действия данной системы отличается от предыдущих, показанных на фиг. 4-9 тем, что за счет принудительного сдвига в вариаторе 32 относительно поверхностей его двух фрикционных дисков 34, свободно вращающегося на оси 36 ролика 35 с помощью вилки 37, имеющей резьбовое отверстие, веденное в винт с приводом от шагового электродвигателя 38, радиусы контакта роликов на дисках, и соответственно - частота их вращения, меняются, что позволяет сохранить ее постоянство за счет управления шаговым электродвигателем.
На фиг. 11 показано развитие кинематической связи опорных роликов 5 с электрогенераторами 19, у которых для увеличения частоты вращения вала 21 ротора, после вариаторов 32 установлены мультипликаторы 39.
Принцип действия данной системы отличается от всех предыдущих тем, что за счет мультипликаторов 39 частота вращения вала ротора повышается, что улучшает массово-энергетические показатели электрогенераторов.
На фиг. 12 показано развитие кинематической связи опорных роликов 5 с электрогенераторами 19, у которых для исключения реверса вращения валов 21 их роторов при разных направлениях наклона корпуса плавательного средства волнами, после соединительных муфт 20 и перед вариаторами 32 или мультипликаторами 39 дополнительно установлены обгонные устройства 40.
На фиг. 13 показана конструкция этого дополнительного обгонного устройства, у которого на входном валу 41 установлено ведущее зубчатое колесо 42 на первой половине ширины своего венца оно напрямую введено в зацепление с одной из двух установленных на выходном валу 43 обгонных муфт 44, а на второй половине ширины своего венца оно введено в зацепление с первой половиной ширины венца паразитной шестерни 45, которая на второй половине ширины своего венца введена в зацепление со второй обгонной муфтой 44, что обеспечивает чередование зацепления этих муфт с выходным валом 43 при противоположных направлениях вращения ведущего зубчатого колеса.
Принцип действия данной системы отличается от предыдущих тем, что при вращении зубчатого колеса 42 в одну сторону, одна из обгонных муфт 44 вводит в зацепление связанную с ними шестерню выходного вала 43, а другая обгонная муфта, связанная с зубчатым колесом через паразитную шестерню 45, выводит из зацепления связанную с ними шестерню выходного вала 43. При вращении зубчатого колеса 42 в другую сторону, зацепление обгонных муфт 44 имеет противоположный характер, поэтому вращение выходного вала 43 осуществляется через паразитную шестерню 45, что сохраняет его направление, одинаковым с исходным.
На фиг. 14 показано новое исполнение гидроволной электростанции, у которой для уменьшения объема занимаемого в трюмах электрогенераторами пространства, опорные ролики 46 для установки на них грузов 2, выполнены полыми, а внутрь их введены и закреплены статоры 47 электрогенераторов, у которых концы 21 валов роторов неподвижно связаны стойками 48 с опорной платформой 26 для установки роликов.
На фиг. 15 показан новый вариант исполнения опорных роликов 46 на которые свободно установлен груз 2, а во внутрь роликов со стороны их торцов введены генераторы 47, у которых для увеличения частоты вращения валов 21 роторов, на торце со стороны вала ротора по периферии статора 47, или на торце по периферии опорного ролика закреплен зубчатый венец 49 с внутренними зубьями, а на конце вала 21 ротора закреплена шестерня 50, между которыми введено в зацепление паразитное зубчатое колесо 51, установленное на оси в стойке 52, связанной с опорной платформой 26. Установка внутреннего зубчатого венца на торце по периферии опорного ролика усложняет связь осей сопрягаемых зубчатых колес и их межцентровых расстояний, однако достоинством такой установки является возможность замены этим зубчатым венцом реборд или фланцев на опорных роликах.
На фиг. 16 показана схема зубчатых колес исключающая реверс ротора электрогенератора. При этом, по аналогии со схемой, показанной фиг. 13, паразитное зубчатое колесо 51, подобно ведущему колесу 42, половиной ширины своего венца введено в зацепление с одной из обгонных муфт 44, связанных с концом вала ротора, а второй половиной ширины своего венца - с первой половиной ширины венца паразитной шестерни 45, которая второй половиной ширины своего венца введена в зацепление со второй обгонной муфтой 44. Эти обгонные муфты имеют зубчатые венцы, адекватные шестерне 50, или одна из полумуфт в этих муфтах жестко связана с такой шестерней, а стойка 53 (условно снята) создает жесткую связь осей паразитного зубчатого колеса 51 и шестерен 45 и 50. Остальные элементы конструкций системы аналогичны предыдущим исполнениям, показанным на фиг. 13-15.
Принцип действия показанной на фиг. 14 системы из грузов 2, опорных роликов 46 и электрогенераторов, отличается от показанных на фиг. 4-6 тем, что вращение имеют статоры 47, введенные внутрь полых роликов 46, а валы 21 роторов заторможены стойками 48, закрепленными на платформе 26. Для улучшения охлаждения электрогенераторов, на наружной поверхности их статоров выполнены охлаждающие ребра, которые создают зазоры с внутренней поверхностью роликов, в которых могут быть выполнены окна и установлены устройства для принудительной вентиляции.
Отличия в принципе действия в исполнении по фиг. 15 связаны с принудительными вращением ротора в сторону, противоположную вращению статора, за счет установки по периферии на его торце 47 зубчатого венца 49 с внутренними зубьями, а на конце вала ротора - шестерни 50, между которыми введено в зацепление паразитное зубчатое колесо 51, установленное на оси стойки 52, связанной с опорной платформой 26.
Отличия в принципе действия в исполнении по фиг. 16 связаны с исключением реверса ротора при обратном направлении вращения опорных роликов 46. Например, при их вращении по часовой стрелке, паразитное зубчатое колесо 51, введенное в зацепление половиной ширины своего зубчатого венца с концом вала ротора через одну из обгонных муфт 44, связанных с концом вала ротора, напрямую обеспечивает его вращение, а второй половиной ширины своего венца, введенной в зацепление с первой половиной ширины зубчатого венца паразитной шестерни 45, которая второй половиной ширины своего венца введена в зацепление со второй обгонной муфтой 44, обеспечивает ее вращение в другую сторону, что выводит ее из зацепления с валом ротора, При обратном направлении вращения опорных роликов 46 и зубчатых колес с внутренним венцом 49, обгонные муфты 44 включаются в работу обратном порядке - первая выходит из зацепления с валом ротора, а вторая - входит в него, что через паразитную шестерню 45 обеспечивает валу ротора предыдущее направление вращения.
На фиг. 17 показано развитие предыдущих исполнений гидроволновой электростанции, имеющей электрогенераторы, введенные вовнутрь опорных роликов 46, со свободно установленным на них грузом 2. При этом на торцах статоров 47 электрогенераторов выполнены мультипликаторы, у которых зубчатый венец 49 с внутренними зубьями закреплен по периферии торца, а на конце вала ротора закреплена шестерня 50, которая является солнечной, а между ними введено в зацепление планетарное паразитное зубчатое колесо 54, свободно установленное на водиле 55, имеющем индивидуальный привод 56, например, от электродвигателя, закрепленного на стойке 57, размещенной на опорной платформе 26. Для регулировки частоты вращения вала ротора, привод водила выполнен от электродвигателя постоянного тока, или от переменного тока с вариатором, и снабжен управляющим устройством, с датчиками угла поворота опорного ролика.
На фиг. 18 показан вариант увеличения передаточного числа, в котором мультипликатор выполнен двухступенчатым, для чего между его внутренним зубчатым венцом 49 и закрепленной на валу 21 ротора электрогенератора солнечной шестерней 50, на водиле 55 с индивидуальным приводом 56, закрепленным на стойке 57, установлен сдвоенный планетарный блок дифференциала, состоящий из введенной в зацепление с внутренним зубчатым венцом шестерни 58 и зубчатого колеса 59, введенного в зацепление с шестерней 50 вала ротора. Для исключения повреждений, мультипликатор закрыт крышкой 60, закрепленной на зубчатом венце 49, которые вместе с электрогенератором введены внутрь полого опорного ролика 46.
На фиг. 19 показана кинематическая схема для исключения реверса ротора электрогенератора, подобная схеме, показанной на фиг. 13. Зубчатое колесо с внутренним венцом 49 половиной ширины своего зубчатого венца введено в зацепление с одной из обгонных муфт 44, связанных с осью 61 планетарного блока, а второй половиной ширины своего венца - с первой половиной ширины венца паразитной шестерни 45, которая второй половиной ширины своего венца введена в зацепление со второй обгонной муфтой 44. Обе эти муфты имеют зубчатые венцы, адекватные зубчатым колесам 58, или одна из их полумуфт жестко связана с зубчатыми колесами 58, а парное им зубчатое колесо 59 блока с Г-образной или Т-образной боковой планкой 62 (условно сняты) и полуосью 63 водила 55 введено в зацепление с солнечной шестерней 50 вала 21 ротора электрогенератора.
Отличия в принципе работы электростанции в исполнении, показанном на фиг. 17 от предыдущих вариантов, показанных на фиг. 15, 16, связаны с увеличением частоты вращения валов роторов электрогенераторов за счет установки в мультипликаторе, между его зубчатым колесом с внутренним венцом 49 и закрепленной на конце вала ротора солнечной шестерней 50, дифференциала с планетарным зубчатым колесом 54, установленным на водиле 55 при его вращении вместе с этим зубчатым колесом относительно введенных с ним в зацепление с зубчатого колеса 49 и шестерни 50. Другим отличием является регулировка частоты вращения вала ротора вращением водила 55 с заданной частотой от индивидуального привода 56, например электродвигателя постоянного тока, или переменного тока с вариатором, закрепленным на стойке 57, установленной на опорной платформе 26.
Принцип работы в исполнении, показанном на фиг. 18 отличается от предыдущего увеличением передаточного отношения мультипликатора за счет выполнения его двухступенчатым и повышения частоты вращения закрепленной на конце вала 21 ротора электрогенератора солнечной шестерни 50 введенным между ней и внутренним зубчатым венцом 49, установленным на водиле 55 с индивидуальным приводом 56 сдвоенным планетарным блоком, состоящим из зубчатых колес 58 и 59.
Принцип работы в исполнении, показанном на фиг. 19, отличается от предыдущих исполнений исключением реверса ротора электрогенератора за счет установки на оси 61 планетарного блока из двух зубчатых колес 58, связанных с обгонными муфтами 44, одно из которых введено в зацепление с зубчатым колесом с внутренним венцом 49 напрямую, а другое - выведено за этот венец и введено с ним в зацепление через паразитную шестерню 45. При этом зацепление обгонных муфт с осью планетарного блока происходит при обратных направлениях вращения венца 49 зубчатого колеса с внутренними зубьями, что обеспечивает одинаковое направление вращения вала 21 ротора электрогенератора.
Исключение реверса ротора в исполнениях, показанных на фиг. 17 и 18 возможно также при дополнительном вращении водила 55 с частотой в два раза большей частоты попутного ему вращения ролика.
При установке платформы 26 на упругие упоры, подобные показанным на фиг. 8 и 9, компенсирующие ударные нагрузки от действия волн на корпус плавающего средства, все зубчатые колеса и шестерни, показанные на схемах фиг. 15-19, не будут воспринимать ударных нагрузок, поскольку находятся между собой в одной жестко связанной системе со стойками и платформой.
max
min
min
min
max
max
max
min
max
min
На фиг. 20 показано новые исполнения грузов 2 и опорных роликов 64, установленных на опорной платформе 26, в т.ч. - подпружиненного типа, у которых для исключения продольного сдвига грузов и выхода их радиусной поверхности из контакта с поверхностями опорных роликов при резких ударах волн в плавающее средство, на обоих торцах груза 2 выполнены конические фаски 65, с уменьшением их радиусов от R до R, а для исключения различных скоростей их вращения на поверхностях контактирующих с ними опорных роликов шириной b, их меньший диаметр D, введен в контакт с радиусом R, а больший диаметр D, введен в контакт с радиусом R, при соотношении размеров D:D=2(R:R) и углах β наклона его оси:
max
min
Для регулировки частоты вращения валов роторов электрогенераторов, на торцах 66 опорных роликов, повернутых к среднему поперечному сечению груза, выполнены конические хвостовики 67, длиной l и диаметрами d, d которых создан наклон боковой поверхности 68 конуса параллельно опорной платформе 26, а с ними введены в контакт промежуточные фрикционные ролики 69, размещенные с возможностью свободного вращения в вилках 70 и зацепления со шлицевыми валами 71, параллельными опорной платформе 26. Вилки, для продольного движения их фрикционных роликов по шлицевому валу, имеют резьбовое отверстие, в которое введен параллельный шлицевому валу ходовой винт 72 с индивидуальным приводом 73, а сам шлицевый вал связан соединительной муфтой 20 с концом 21 вала ротора электрогенератора 19.
На фиг. 21 показана новая схема, у которой для исключения реверса роторов электрогенераторов 19 при разных направлениях вращения грузом опорных роликов 64, со шлицевыми валами 71 фрикционных роликов 69 связаны соединительными муфтами 20 обгонные устройства 74, которые по схеме, показанной на фиг. 13, взаимодействуют с концами валов роторов через промежуточные ведущие зубчатые колеса и введенные с ними в зацепление обгонные муфты и паразитные шестерни, а для увеличения частоты вращения роторов электрогенераторов, их валы введены в зацепление с реверсивными устройствами через мультипликатор 75.
max
min
На фиг. 22 показана новая схема, у которой для уменьшения габаритов системы из электрогенераторов 19 и их кинематической связи с коническими опорными роликами 64, последние выполнены полыми, с коническими отверстиями 76, длина l и диаметры d, d которых обеспечивают наклон внутренней боковой поверхности 77 конуса параллельно опорной платформе 26, а с ними введены во внутренний контакт промежуточные фрикционные ролики 69, установленные с возможностью свободного вращения в вилках 70 и в зацеплении на шлицевых валах 71, параллельных опорной платформе 26. В отличие от предыдущего исполнения, вилки, их резьбовые отверстия и ходовые валы 72 расположены над роликами. Все остальные конструктивные элементы, включая обгонные устройства 74 и мультипликаторы 75, одинаковы с предыдущим исполнением.
Выполнение конических опорных роликов 64 с введенными вовнутрь электрогенераторами и цилиндрическими полостями по схемам, показанным на фиг. 14-19, нецелесообразно, поскольку наклон оси опорных роликов ведет к ухудшению работы подшипников электрогенераторов и зубчатых передач.
Принцип действия данной системы из грузов 2, опорных роликов 64 и электрогенераторов, показанных на фиг. 20, отличается от показанных на фиг. 4-10 тем, что на грузах выполнены боковые фаски 65, которые исключают выход грузов из контакта с опорными роликами при резких ударах волн, а с фасками - согласованы конические контактирующие поверхности опорных роликов, исключающие их относительное скольжение при качении друг по другу, что обеспечивает к установка опорных роликов с наклоном их продольной оси в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Кроме того, выполнение на внутренних торцах опорных роликов конических хвостовиков 67, диаметры и длина которых обеспечивают горизонтальное положение боковой поверхности 68 конуса, заменяет вариатор, поскольку разные диаметры конуса создают возможность изменения частоты вращения установленного на шлицевом валу 71 фрикционного ролика 69 при смещении его по валу вилкой 70 с помощью выполненной в ней гайки и введенного в нее ходового винта 72, имеющего индивидуальный привод 73.
В исполнении, показанном на фиг. 21, принцип работы всех составных элементов системы, включая устройства 74 для исключения реверса ротора электрогенератора при разных направлениях вращения опорных роликов 64 грузами 2, а также мультипликаторы 75 для увеличения частоты вращения роторов, не отличаются от рассмотренных ранее.
В исполнении, показанном на фиг. 22, отличия связаны только с внутренним расположением конуса 76 и верхним расположением вилки 70 и ходового винта 72, что не оказывает принципиального влияния на работу всех составных механизмов.
Для уменьшения нагрузок на пары опорных роликов, их количество во всех вариантах исполнений предлагаемой гидроволновой электростанции, показанных на фиг. 4-22, может быть больше одной.
Совокупность приведенных в данной заявке на изобретение признаков конструкции плавучей прибрежной гидроволновой электростанции является техническим решением, характеризующим устройство, которое не известно из существующего уровня развития техники, а его развитие в последующих вариантах исполнений - объединено единством замысла. По сравнению с известными техническими решениями, в т.ч. с прототипом, изобретательский уровень имеет установка грузов с основанием цилиндрической формы на пары опорных роликов, кинематически связанных с электрогенераторами. Все предлагаемые конструкции плавучих гидроволновых электростанций и их составных элементов имеют возможность промышленного изготовления и применения, что отвечает всем признакам, характеризующим предлагаемые технические решения, как изобретения.
Все предложенные варианты конструкций плавучих гидроволновых электростанций и составляющих грузов, опорных роликов и кинематически связанных с ними электрогенераторов, обеспечивают стабильное вращение их роторов относительно статоров, в зависимости от частоты и амплитуды колебания плавающего средства волнами. При этом обеспечивается высокая мощность каждого генератора за счет большой массы грузов и окружных усилий, создаваемых ими на опорных роликах. Простота всех применяемых конструкций обеспечивает высокую надежность системы и эффективность ее применения за счет использования бесплатной энергии волн.
Реальные варианты исполнения предлагаемых плавучих гидроволновых электростанций возможные при любом виде и размерах их электрических генераторов, на базе уже существующих конструкций, а также дополняющих их технических устройств - грузов, опорных платформ, опорных роликов и их подшипников скольжения, соединительных муфт, зубчатых передач с обгонными муфтами и вариаторами, что облегчает их выбор, проектирование и изготовление. Их конкретные параметры вытекают из выбранной схемы, из которых более предпочтительными являются исполнения, показанные на фиг. 19 и 22, а также реальных размеров корпусов электростанций и условий их качки волнами.
Пример конкретного варианта исполнения предлагаемой прибрежной гидроволновой электростанции рассмотрен на базе конструкции, показанной на фиг. 19, с двумя электрогенераторами, введенными внутрь каждого полого цилиндрического ролика, со стороны обоих его торцов, с мультипликаторами и дифференциальными блоками зубчатых колес, водило которых также обеспечивает возможность исключения реверса ротора электрогенератора.
в
в
в
в
Считаем, что для плавучей электростанции, работающей вблизи берега, более целесообразна бортовая качка, поскольку она увеличивает угол наклона корпуса в диапазоне высот волн h от 0,5 до 2 м, а при ее увеличении - возможен разворот станции носом под углом к фронту похода волн, что уменьшает качку и обеспечивает возможность выдерживать до отвода ее в укрытие высоту волн до 5 м. Морские волны высотой h от 0,5 до 2 м имеют длину между их гребнями , или от 5,3 до 26,7 м, с периодом колебаний τ=0,8√λ, или от 1,8 до 4,1 с.
в
в
Для реализации энергетического потенциала таких волн, принимаем длину корпуса электростанции l=120 м, ширину b=16 м, длину 4-х трюмов по 22 м, высоту корпуса 9 м, осадку 4 м, что за вычетом массы корпуса, рубки и оборудования электростанции, обеспечивает его грузоподъемность ≈6.5 тыс. т. (большие размеры корпуса нецелесообразны, поскольку снижают его чувствительность к качке волнами). При бортовой качке корпуса и его равномерной загрузке, периоды его качки будут одинаковыми с волновыми τ, а угол α наклона корпуса волнами относительно точки центра его тяжести составит: ±α≈±arcsin(h/b), или от ±1,8° до ±7,2°.
При выполнении грузов в виде заполняемых водой половин стальных цилиндров радиусом R=7,5 м со скосами в верхней части 10° и длине 6 м, их масса брутто составит величину m≈500 т, что позволяет использовать 12 таких грузов с общей массой 6 тыс. т., по 3 груза в каждом трюме, с шириной проходов между грузами 1 м и 0,6 м между выступающими частями опорных роликов со встроенными мультипликаторами, что соответствует требуемым нормам для проходов. Остальные 500 т. составляют массу 24 полых опорных роликов с опорными платформами, а также 48 электрогенераторами и мультипликаторами.
п(л)
±
При установке таких грузов на 2 опорных ролика, расположенных под углом 45° к грузу, согласно схемы, показанной на фиг. 2, окружные силы R на опорных роликах составят величину:
п(л)
±
R=g500/2⋅cos45°≈1750 (кН).
p
Максимальный диаметр D опорных роликов при этом имеет величину:
p
Для удобства их размещения с подшипниками на опорных платформах, в т.ч. подпружиненных, принимаем D=1,5 м, что обеспечивает возможность установки внутри них электрогенераторов, с наружным диаметром до 1,4 м.
При таком соотношении размеров энергетический потенциал вращения одного опорного ролика составит величину:
в
Развиваемая одним опорным роликом мощность при его вращении за период колебания волн τ состави величину:
С учетом к.п.д. системы ≈80%, фактическая мощность каждого из двух электрогенераторов в опорном ролике составит величину:
-1
Учитывая, что предельный угол качания грузов волнами предусмотрен до 10°, целесообразен запас по номинальной мощности электрогенератора до 250 кВт. Например, такой мощности удовлетворяет синхронный генератор СГФ 250, имеющий частоту вращения 500 мин, наружный диаметр 1380 мм, фланцевого типа транспортного исполнения, приспособленного для работы при тряске, ударах и наклонах продольной оси, имеющих место при качке корпуса плавающего средства волнами.
Передаточное отношение вращения груза и опорного ролика составит:
p
р
i=2R/D=2⋅7,5 (м)/1,5 (м)=10.
min
min
-1
Тогда при минимальных поворотах груза волнами на ±1,8° опорный ролик совершит поворот на 1,8°⋅10=18° за период τ=1,8 с, а за 1 минуту он условно совершит n оборотов:
min
mах
-1
При максимальных поворотах груза волнами на ±7,2° опорный ролик совершит поворот на 7,2°⋅10=72° за период τ=4,1 с, а за 1 минуту он условно совершит n оборотов:
г
-1
Для обеспечения требуемой частоты n=500 мин вращения ротора, мультипликатор должен обеспечить общее передаточное отношение:
1
1
2
2
1-2
3
4
3-4
3
4
O
O
mах
min
1-2
в mах
в min
-1
-1
-1
-1
Для таких передаточных отношений целесообразно применение двухступенчатого дифференциального мультипликатора, показанного на фиг. 9, в исполнении 2. При делительном диаметре внутреннего зубчатого венца d=1000 мм и модуле m=10 мм, количество его зубьев составляет z=1000/10=100. При введении с ним в зацепление планетарного блока с шестерней, имеющей z=25 зубьев, ее делительный диаметр составит величину d=250 мм, а передаточное отношение составит i=1000/250=4. При делительном диаметре сопряженного с ней в блоке планетарного зубчатого колеса d=600 мм, делительный диаметр солнечной шестерни составит d=1000-250-600=150 мм, их передаточное отношение составит величину i=600/150=4, и при модуле 5 мм их количество зубьев составит соответственно z=600/5=120, z=150/5=30. Общее передаточное отношение 2-х ступеней мультипликатора составит величину i=4⋅4=16, поэтому в диапазоне величин i от 171 до 300 планетарный блок шестерен дифференциала должен дополнительно совершать вращение с частотой n=300/16=18,75 мин, n=171/16=10,69 мин. При передаточном отношении между внутренним зубчатым венцом и шестерней планетарного блока i=4, такое вращение обеспечит вращение водила дифференциала с частотой n==18,75/4=4.69 мин, n==10,69/4=2,67 мин.
в
max
в min
-
-1
-
-1
В данной системе для исключения реверса ротора электрогенератора водило дифференциала должно опережать вращение опорных роликов на их число оборотов качающимся грузом, что возможно при увеличении частот вращения водил на удвоенную частоту вращения опорных роликов: n==4.69+2⋅1,67=6,01 мин, n=2,67+2⋅2,93=8,53 мин. Такие параметры частот зубчатых передач и водила дифференциального мультипликатора приемлемы для обеспечения его удовлетворительной работы.
Общая мощность предлагаемой гидроволновой электростанции зависит от суточных и годовых условий волнения моря и количества составляющих ее электрогенераторов. На большей части акватории морей полный штиль бывает в предутренние часы в летнее время года, остальное время имеется хотя бы небольшое волнение, с ростом которого до высоты волн в 1 м стабильность и эффективность работы электростанции повышается. При ее размещении в районах стабильного волнения моря с высотой волн от 1 до 3 м (при большей высоте волн ее следует уводить в укрытие в прибрежную бухту или гавань) выработка электроэнергии будет наиболее эффективной.
ч
min
ч
mах
При 48 электрогенераторах в рассмотренном примере конкретного исполнения гидроволновой электростанции, ее часовая мощность составит от: N=91⋅48≈4,3 МВт/ч, до N=161⋅48≈7,7 МВт/ч.
При работе электростанции 24 часа в сутки 365 суток в год, ее общая мощность составит величину:
min
ΣN=4,3⋅24⋅365=37,7 ГВт,
max
ΣN=7,7⋅24⋅365≈67,5 ГВт,
С ростом высоты воспринимаемых электростанцией волн и углов качки корпуса, ее мощность возрастет.
Расчет экономической эффективности предложенной электростанции показал, что при средней стоимости 1 кВт/ч электроэнергии 0,15 $, средний годовой доход составляет от 5,6 до 10,1 млн. $, что при средней стоимости такой электростанции около 10 млн. $, позволяет получить чистую прибыль уже на 2-й год ее эксплуатации. По сравнению с ветровыми электрическими станциями такой же мощности, площадь, которую занимают предложенные гидроволновые электростанции, меньше в 5 раз, при этом они не нуждаются в площадях, расположенных на суше.
Предложенные гидроволновые электростанции позволяют заменить все имеющиеся в настоящее во всем мире атомные и тепловые электростанции для выработки электроэнергии, что при современном ее среднегодовом потреблении в 3500 млрд. кВт/год, обеспечит годовой экономический эффект до 500 млрд. $, который может быть полностью получен через 10 лет при производстве по 350 штук таких электростанций в год. С учетом роста мировой потребности в электрической энергии, годовой эффект увеличится до 1000 и более млрд. $ в год
Приведенные данные подтверждают целесообразность широкого внедрения предлагаемых гидроволновых электростанций.
В настоящее время ведется подготовка к изготовлению предлагаемой электростанции на АО "Херсонский судостроительный завод", Украина.