ГИДРОЭНЕРГОБЛОК
HYDRAULIC POWER UNIT

Изобретение относится к электроустановкам в гидроэнергетике, использующим кинетическую энергию потоке (воды или ветра), для преобразования его в механическую энергию вращения и выработки электрической энергии.
Известны подобные микро-мини ГЭС, работающие более эффективно, если их лопасти «работают дважды» в цикле прохода через них потока среды.
В такого рода установках одна сторона лопастей воспринимает энергию потока при входе его в микро ГЭС, а другая сторона этих же лопастей отрабатывают часть энергии, прошедшего через установку.
Известен, например, «Роторный ветрогидродвигатель» авторов Попова А.И. и Щеклеина С.Е, по патенту РФ № 2464443, МПК F03D 3/06 [1].
Данная установка содержит вал, соединенный с дисками, между которыми установлены на периферии на своих дисках лопасти с возможностью поворота их вовнутрь и наружу роторов.
Лопасти снабжены рычагами, соединенными с одним из дисков посредством гибких тяг, поворотных опор и натяжителей. В диске выполнены отверстия, гибкие тяги пропущены через поворотные опоры и отверстия вниз, натяжители выполнены в виде грузов, прикрепленных к концам гибких тяг, а между грузами и поверхностью диска размещены на гибких тягах дополнительно введенные пружины на сжатие и втулки скольжения.
Недостатком данной конструкции является ее конструктивная сложность и низкая надежность из-за наличия пружин, поворотных опор, втулок и т.д., параметры которых со временем изменяются и требуют дополнительных регулировок и настроек. Кроме того, увеличение диаметра установки до ширины потока при создании более мощной мини ГЭС, потребуется значительно увеличить ее вес и повысить требования к компоновке и надежности.
Известен так же «Роторный гидродвигатель» авторов Попова А.И. и Щеклеина С.Е. по патенту на полезную модель РФ №158063, МПК F03B 3/12 [2].
Данный гидродвигатель содержит размещенный на оси ротор с дисками, между которыми по окружности на своих осях закреплены лопасти с возможностью поворота их вовнутрь и наружу ротора. На одном из дисков между осями лопастей расположены внутренние и наружные кольца, ограничивающие перемещение на которые воздействует поток. Кроме того, для регулирования угла атаки лопастей по отношению к потоку, на концах лопастей дополнительно размещены регулируемые фиксаторы положения лопастей.
В этой конструкции так же каждая лопасть «работает дважды»: при входе потока и при выходе его из полости ротора. Данный «Роторный двигатель» имеет более простую конструкцию, так как не содержит узлов и деталей, требующих постоянного обслуживания. Однако подобная конструкция с одной осью вращения так же не может использоваться на широких водотоках из-за возрастания ее веса и не устойчивостью в пространстве.
Известна так же гидротурбина Шнайдера (США) [3], содержащая расположенные на некотором расстоянии друг о друга валы, соединенные приводной цепью, на которых закреплены рабочие лопасти и три ступени неподвижных направляющих лопаток (Андреев А.К., Бляшко Я.И. и др. Гидроэлектростанции малой мощности. Учеб. пособие/ под ред. Елистратова В.В., СПб; из-во Политехнического ун-та, 2005г., с. 26, рис. 1.12.б).
Данная конструкция позволяет увеличить число лопастей, располагаемых на удлиненной приводной цепи, и улучшить ее устойчивость к потоку.
Недостатком турбины Шнайдера является необходимость иметь три ступени дополнительных неподвижных направляющих лопаток, число которых в три раза больше, чем число рабочих лопаток. Это необходимо, чтобы обеспечить режим «лопасти работают дважды». Кроме того, на направляющих лопатках теряется часть кинетической энергии потока и снижается КПД установки.
Ближайшим аналогом (прототипом) «Гидроэнергоблока» является «Двигатель для утилизации энергии текущей среды» автора Ленёва Н.И. по патенту РФ № 2166664, МПК F03 9/00 [4].
Данный двигатель содержит каркас с проходными окнами, установленные в каркасе с возможностью вращения валы, один из которых связан кинематически с электрогенератором. Гибкие элементы охватывают эти валы и снабжены лопастями, закрепленными на них, с возможностью поворота. Каркас размещается поперек потока текущей среды. Лопасти закреплены на гибких элементах обязательно только своей средней частью. Лопасти имеют возможность при переходе с одной ветви на другую относительно гибкого элемента изменять свое положение с помощью средства для изменения положения в виде упора.
Недостатком этого двигателя является сложность конструкции из-за наличия четырех валов (звездочек), соединенных попарно двумя гибкими элементами (цепями), на которых размещены и закреплены лопасти своей средней частью. Кроме того, на внутренних продольных стенках каждой стороны каркаса выполнены направляющие с пазами, а лопасти снабжены штырями с роликами, размещаемых в пазах каркаса, причем штыри с роликами закреплены на боковых кромках лопастей, а ролик каждого штыря устанавливается в пазу отдельной направляющей соответствующей пары. В случае изгиба штырей о препятствие, износа роликов или направляющих и т.д., что приводит к заклиниванию движения всей конструкции.
Технической проблемой, которую решает предлагаемое изобретение «Гидроэнергоблок» является упрощение конструкции и повышение его надежности в работе.
Технический результат заключается в следующем:
- использовано в конструкции только две звездочки, размещенные на валах и один гибкий элемент (цепь), расположенные по центру каркаса вдоль его продольной оси;
- применены лопасти с вырезом, через вырез которых проходит половина диаметра звездочки, что позволяет увеличить общую площадь лопастей;
- средство для изменения положения лопастей выполнено в виде гибкой тяги, проходящей через отверстия в лопастях около их выреза, а на гибкой тяге по обе стороны лопастей установлены зажимы.
Технический результат достигается за счет того, что в гидроэнергоблоке, содержащим каркас, размещенный своей продольной стороной поперек текущего потока среды, гибкий элемент, звездочки, размещенные на осях, вращающиеся и охваченные гибким элементом, электрогенератор, кинематически связанный с осью одного из звездочек, лопасти, закрепленные на гибком элементе под углом к текущей среде, и средство для изменения положения лопастей, причем гибкий элемент образует входную ветвь лопастей и выходную по движению потока ветвь лопастей, звездочки размещены на осях по середине ширины каркаса, лопасти размещены на гибком элементе на своих осях, площадь лопастей входной ветви ниже оси их поворота выполнена больше площади лопастей выше этой оси, концы лопастей установлены с опорой на входную опорную планку и выходную по движению потока опорную планку, при этом лопасти имеют с одного из торцов вырез шириной больше ширины звездочек и длину выреза меньше радиуса звездочек, средство для изменения положения лопастей выполнено в виде гибкой тяги, пропущенной через отверстия в лопастях около их выреза, а по обе стороны лопастей на гибкой тяге установлены зажимы для лопастей.
Технический результат достигается так же за счет того, что зажимы для лопастей выполнены в виде кольца, скользящего по гибкой тяге, оснащенного диаметрально расположенными резьбовыми отверстиями под зажимные винты.
На чертеже, фиг. 1, для упрощения чертежа изображен «Гидроэнергоблок» со снятым каркасом, на фиг. 2 показан вид сверху на «Гидроэнергоблок», размещенный в каркасе (корпусе), на фиг. 3 - лопасть с вырезом и отверстием с одного из ее торцов, на фиг. 4 - конструкция кольцевого зажима лопастей.
«Гидроэнергоблок» содержит две звездочки 1 на своих валах, охваченных гибким тяговым элементом 2 (цепью), на котором размещены лопасти 3 на осях 4, причем один из валов, расположенный по их осям 5 кинематически соединен с электрогенератором 6, а лопасти объединены гибкой тягой 7, на которой по обе стороны лопастей размещены зажимы 8. Положение лопастей фиксируется также входной по потоку опорной планкой 9 и выходной по движению потока опорной планкой 10. Сборная конструкция «Гидроэнергоблока» размещается, фиг. 2, в рамном каркасе 11 с проходными окнами, причем лопасти, фиг.3, имеют отверстия 12 для пропуска через них гибкой тяги и вырез 13, длина которого вдоль продольной оси лопасти меньше радиуса звездочек, а ширина выреза больше их ширины (толщины). Конструкция зажима, фиг. 4, может быть выполнена в виде шайбы (кольца) с отверстием 14 для пропуска гибкой тяги и диаметрально расположенных резьбовых отверстий 15 под зажимные винты (не показаны на чертеже).
«Гидроэнергоблок» работает следующим образом, фиг.1, фиг.2. Поток V текущей среды (воды или воздуха) поступает на лопасти 3 входной по потоку ветви гибкого тягового элемента 2 (цепи). Лопасти 3 расположены под углом, например, 45 градусов, к потоку и опираются нижними концами на опорную планку 9, поэтому под действием гидравлической силы движущего потока они вынуждают перемещать связанный с ними гибкий тяговый элемент 2 слева направо, вращая при этом звездочки 1 на валах по оси 5. Один из валов кинематически связан с электрогенератором 6, вырабатывающим электрическую энергию.
Поток V текущей среды, пройдя внутри рамной конструкции каркаса, поступает далее на лопасти 3 выходной по потоку ветви гибкого тягового элемента 2, при этом лопасти поворачиваются под действием гибкой тяги 7 на своих осях 4 и их пространственное положение изменяется на 90 градусов. Лопасти по отношению к направлению выходящего потока так же располагаются под углом около 45 градусов, а их нижние концы опираются на опорную планку 10. Под действием гидравлической силы этой части потока лопасти 3 будут перемещать гибкий тяговый элемент 2 справа налево.
Таким образом, происходит круговое вращение гибкого тягового элемента 2 (цепи) с закрепленными на нем лопастями 3 через звездочки 1, размещенные на валах по осям 5. Площадь лопастей ниже оси их поворота должна быть больше площади выше оси лопастей, поэтому основное гидравлическое давление в верхней ветви происходит на нижнюю часть лопастей, что не позволяет лопастям переворачиваться на своих осях.
Лопасти 3 свободно проходят через звездочки 1, так как их вырез 13, фиг. 3, по ширине больше толщины звездочек 1, а длина выреза меньше их радиуса. Положение лопастей 3 при их движении из входной по потоку ветви тягового элемента 2 в его выходную по потоку ветвь задается средством для изменения положения лопастей в виде гибкой тяги 7.
В процессе подготовки «Гидроэнергоблока» к работе лопасти 3 поворачиваются на своих осях 4 на гибком тяговом элементе 2, перемещаются на гибкой тяге 7 посредством своих отверстий 12 до их контакта с опорными планками 9, 10 и их угловое положение фиксируется зажимами 8, оснащенные резьбовыми отверстиями15 под винты, фиг.4. Длина отрезков гибкой тяги задается несколько больше, чем расстояние между осями 4 лопастей: на чертеже они показаны извилистыми линиями. Это необходимо для того, чтобы, устанавливая и перемещая опорные планки в зависимости от скорости потока, можно было в небольших пределах изменять угол наклона лопастей, опирающихся на них. Наличие гибкой тяги 7, установленной в виде отрезков троса между лопастями 3, не требует каких-либо дополнительных конструкторских средств, переворачивающих лопасти на гибком тяговом элементе 2 при их движении из одной ветви тягового элемента в другую через левую и правую звездочки 1. (В конструкции прототипа требуются направляющие с пазами, вырезанные в корпусе, что технологически усложняет производство изделия)
В качестве гибкого тягового элемента 2 целесообразно применить плоскую цепь, имеющую боковые отогнутые прикрепления [5], на которых крепятся оси 4 лопастей 3, зубчатые звездочки 1, подбираются под соответствующие параметры цепи, а гибкая тяга 7лопастей может быть выполнена из тонкого стального троса.
Размещение звездочек 1 с гибким тяговым элементом 2 по середине рамного каркаса 11 вдоль его продольной оси (фиг. 2), позволяет в данной конструкции увеличивать ширину лопастей 3 и ширину рамы каркаса 11, а значит увеличивать суммарную площадь лопастей взаимодействующих с потоком, что позволяет вырабатывать большую электрическую энергию по сравнению с прототипом.
Электрическая мощность, вырабатываемая предлагаемым «Гидроэнергоблоком» зависит от его габаритов, количестве и площади задействованных в конструкции лопастей, а также числа подобных энергоблоков, размещенных в одном каркасе. Агрегатирование нескольких подобных установок в мини-микро ГЭС даст возможность получить значительные электрические мощности.
Использование простого по конструкции и дешевого в изготовлении данного энергоблока позволит обеспечить электроэнергией потребителей, удаленных от централизованных электрических сетей.