МАЯТНИКОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области гидроэнергетики, а более конкретно - к малым бесплотинньм гидроэлектростанциям (ГЭС), использующим для выработки электроэнергии энергию свободного течения крупных и малых равнинных рек.
В связи с увеличивающимися потребностями в электроэнергии возникает задача по созданию наиболее дешевых, простых по конструкции, не оказывающих вредного экологического воздействия на природу (по сравнению с мощными плотинными ГЭС) малых бесплотинных гидроэлектростанций, которые используют для выработки электроэнергии энергию свободного течения рек.
Из уровня техники известны гидроустановки, использующие поток воды для вращения турбины с генератором, который вырабатывает электроэнергию. Например, известна простой конструкции бесплотинная ГЭС по авторскому свидетельству СССР №889787, МПК 3 Е 02 В 9/00. Она содержит бетонные береговые устои и гидроагрегат. Один из устоев, криволинейный, размещен на берегу, другой, прямолинейный, - со стороны русла. Между стенками образовано углубление с наклоном в сторону русла реки. В центре углубления перпендикулярно основанию установлен бетонный стакан, внутри которого размещен гидрогенератор. Концентрично последнему в углублении размещено рабочее колесо, которое вследствие уклона углубления находится в полупогруженном состоянии. Такое расположение рабочего колеса уменьшает сопротивление воды, препятствующее движению колеса. Воздействие гидродинамического напора на лопасти рабочего колеса приводит к вращению ротора гидрогенератора, связанного с рабочим колесом.
Недостатком этой ГЭС является большой сдвигающий момент в сторону русла, что приводит к преждевременному износу и заиливанию деталей ГЭС, к сдвигу ротора относительно статора. Кроме этого в случае подъема воды в реке возможно затопление второй половины рабочего колеса и самого гидрогенератора. Мощность этой известной ГЭС определяется размерами рабочего колеса, расходом и напором воды. Увеличить высоту колеса не позволяет во многих случаях глубина реки, кроме того, такая конструкция малоэффективна при слабых напорах. Несмотря на простоту конструкции, монтаж ГЭС включает много бетонных работ, что повышает трудоемкость.
Известна гидроэлектростанция по заявке РФ на изобретение №96116309/06, опубл. 20.11.98. Бюл. №32. Она содержит агрегаты, в которых совмещены функции
гидродвигателя и электрогенератора со статором и ротором. Статор жестко закреплен на неподвижной оси, а ротор его охватывает и имеет снаружи сменные лопасти. Ротор установлен с возможностью вращаться вокруг статора на его оси при воздействии на лопасти потока воды. Агрегаты укреплены на горизонтальных рамах, присоединенных по концам к прибрежным опорам, с возможностью подниматься, опускаться и закрепляться на этих опорах. Прибрежные опоры имеют несущую железобетонную конструкцию, к которой прикреплены металлические направляющие. А в ущельях несущая конструкция укреплена к их стенам или жестко консольно заделана в грунт. Для повышения скорости течения воды и ее кинетической энергии рамы снабжены регуляторами, а под агрегатами набетонками сужены проходы воды. Такая ГЭС при большой ширине русла реки требует установки дополнительной стержневой форменной конструкции, рассчитанной на эксплуатационные нагрузки. В целом конструкция такой ГЭС не проста и отличается сложностью монтажа. Кроме этого при малых напорах воды такая ГЭС малоэффективна.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой ГЭС является энергетическая установка по заявке РФ на изобретение №92011382/29, опубл. 20.12.95. Бюл. №35. Эта установка служит прототипом для обоих вариантов заявляемой ГЭС. Она предназначена для преобразования энергии волн, течений, пара или ветра в энергию электрического тока и состоит из одного или более генераторов. Каждый генератор содержит корпус со статором. Внутри статора размещен полый ротор. Он установлен с возможностью свободного перемещения относительно статора. Статор снабжен индукционной обмоткой, а ротор - источником магнитного поля. В качестве источника магнитного поля могут быть использованы катушка возбуждения или постоянные магниты. Внутри ротора выполнены лопасти. Они могут быть частью шнека, цилиндрическое тело которого соосно ротору. Лопасти установлены с возможностью взаимодействия с движущимся рабочим телом, например потоком воды. Лопасти выполняют роль движителя ротора: вращаясь, они вращают ротор, возбуждая в обмотке статора электрический ток. Для ускорения потока генератор снабжен воронкой, меньшим основанием обращенной к ротору. Для компенсации вращающих моментов, стремящихся повернуть генератор вдоль продольной оси, параллельно ему установлен второй генератор с противоположным направлением спиралей лопастей ротора. Генераторы соединены между собой жесткой перемычкой. Система из двух генераторов выполнена плавучей и заякорена. Предложенная конструкция позволяет кинетическую энергию потока воды непосредственно преобразовать в
электрическую энергию. Однако для вращения лопастей ротора необходима большая скорость потока, и при малых скоростях такая ГЭС может оказаться неэффективной. Кроме этого, такая ГЭС требует наличия двух генераторов, выполнение и установку внутри ротора спиралевидных лопастей, что усложняет конструкцию ГЭС.
Задача полезной модели состоит в разработке наиболее простой по конструкции, не оказывающей вредного экологического воздействия на природу и эффективной малой бесплотинной гидроэлектростанции.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель для решения этой задачи, состоит в том, чтобы исключить жесткие кинематические связи электрогенератора с приводным устройством и непосредственно использовать гидродинамическое давление потока воды для возбуждения в обмотках статора электрического тока. Кроме этого исключить вращающий момент, способный повернуть генератор относительно его оси.
Задача решена следующим образом.
По первому варианту общим с прототипом является то, что заявляемая гидроэлектростанция содержит электрический генератор, выполненный из статора, снабженного индукционной обмоткой, и ротора, снабженного магнитами и закрепленного с возможностью свободного перемещения относительно статора, содержит движитель ротора, установленный с возможностью взаимодействия с потоком воды. В отличие от прототипа по первому варианту в заявляемой ГЭС статор и ротор подвешены выше уровня реки на горизонтальной оси, жестко закрепленной на двух неподвижных вертикальных опорах, установленных на дне реки, причем статор жестко закреплен на этой оси, а ротор подвешен с возможностью колебательного перемещения относительно статора, при этом каждый из них выполнен в виде массивного сегментного башмака, а ротор снизу огибает статор, кроме этого ветви индукционной обмотки размещены в пазах, выполненных на нижней, выпуклой, поверхности статора, а магниты уложены рядами на вогнутой поверхности ротора непосредственно под ветвями индукционной обмотки статора, причем смежные магниты имеют разноименные полюса. Отличием является также то, что движитель ротора жестко соединен с его нижней частью, расположен ниже уровня реки и выполнен в виде рамки с вертикальной плоскостью, направленной навстречу потоку воды и составленной из поворотных пластин, закрепленных с возможностью принудительного поворота на угол 90° относительно вертикальной оси и фиксации, причем одна
половина поворотных пластин установлена с возможностью противоположного поворота относительно другой половины.
По второму варианту заявляемая в качестве полезной модели гидроэлектростанция содержит, как и прототип, электрический генератор, выполненный из статора, снабженного индукционной обмоткой, и ротора, снабженного магнитами и закрепленного с возможностью свободного перемещения относительно статора, движитель ротора, установленный с возможностью взаимодействия с потоком воды, и ускоритель потока воды. Отличием от прототипа по второму варианту является то, что статор и ротор подвешены выше уровня реки на горизонтальной оси, жестко закрепленной на двух неподвижных вертикальных опорах, установленных на дне реки, причем статор жестко закреплен на этой оси, а ротор подвешен с возможностью колебательного перемещения относительно статора, при этом каждый из них выполнен в виде массивного сегментного башмака, а ротор снизу огибает статор, кроме этого ветви индукционной обмотки размещены в пазах, выполненных на нижней, выпуклой, поверхности статора, а магниты уложены рядами на вогнутой поверхности ротора непосредственно под ветвями индукционной обмотки статора, причем, смежные магниты имеют разноименные полюса. Кроме этого движитель ротора жестко соединен с ним, расположен ниже уровня реки и выполнен в виде рамки с вертикальной плоскостью, направленной навстречу потоку воды и составленной из поворотных пластин, закрепленных с возможностью принудительного поворота на угол 90° относительно вертикальной оси и фиксации, причем одна половина поворотных пластин установлена с возможностью противоположного поворота относительно другой половины. Ускоритель потока воды заявляемой ГЭС по второму варианту представляет собой мультипликатор, установленный перед рамкой. Мультипликатор выполнен в виде соединенных между собой одноступенчатой планетарной передачей горизонтальных валов, ведущего и ведомого, на концах которых перпендикулярно им жестко закреплены лопастные колеса, при этом их лопасти имеют противоположное направление спиралей. Диаметр колеса на ведущем валу больше диаметра колеса на ведомом валу. Планетарная передача размещена во влагонепроницаемом корпусе. Отличием от прототипа заявляемой ГЭС по второму варианту является также то, что мультипликатор для спрямления завихрений воды снабжен направляющим аппаратом, жестко закрепленным на корпусе планетарной передачи и выполненным из вертикальных поворотных пластин.
Заявляемая в качестве полезной модели ГЭС по первому и по второму вариантам отличается от прототипа еще тем, что горизонтальная ось, на которой подвешены статор и ротор, закреплена на вертикальных опорах с возможностью регулирования ее положения относительно уровня реки, а подвеска ротора снабжена устройством для регулирования зазора между ним и статором.
Отличительные от прототипа признаки заявляемого устройства в обоих вариантах подтверждают его новизну.
Благодаря тому, что движитель ротора (в обоих вариантах исполнения ГЭС) выполнен в виде рамки с плоскостью из вертикальных пластин, установленных с возможностью принудительного их поворота на угол 90° и фиксации в этом положении, он при закрытых пластинах под действием давления движущегося потока воды (свободного течения реки) приходит в движение, отклоняя при этом ротор от своего исходного состояния. Ротор, двигаясь в направлении течения реки, перемещается вверх и, дойдя до установленного крайнего верхнего положения, принудительно поворачивает пластины на угол 90°, освобождая путь воде через рамку. Таким образом ротор уже не испытывает гидродинамического сопротивления и под действием силы тяжести перемещается в противоположную сторону, то есть против течения. Дойдя вновь до установленного крайнего верхнего положения, он принудительно закрывает пластины. И процесс повторяется. Ротор колеблется как маятник. Магниты, закрепленные на роторе, пересекая разноименными полюсами смежные ветви индукционной обмотки статора, возбуждают в них электрический ток одного направления. Второй вариант ГЭС от первого отличается тем, что содержит ускоритель потока воды, который влияет на период колебания ротора, повышает частоту его колебаний. Но путь решения поставленной задачи остается тот же, что и в первом варианте: получить электрическую энергию, преобразуя совместную энергию колебаний маятника и энергию течения реки.
Оба варианта ГЭС имеют одинаковое назначение и направлены на получение одного и того же технического результата, заключающегося в том, что под действием гидродинамического давления воды происходят колебания ротора с магнитами и, как следствие, возбуждение в индукционной обмотке статора электрического тока. Таким образом, оба варианта связаны между собой и образуют единый творческий замысел.
Поскольку ротор не вращается (как в прототипе), а, подвешенный на неподвижных опорах, совершает колебания взад-вперед как маятник, и в момент переключения
поворотных вертикальных пластин движителя ротора одна половина этих пластин совершает противоположный поворот относительно другой половины, исключаются отклонение ротора от его продольной оси и боковое отклонение относительно вертикальной оси. Выполнение спирали лопастей одного колеса с противоположным направлением относительно спирали лопастей другого колеса в ускорителе потока воды по второму варианту исполнения ГЭС обусловлено тем, что при наличии одноступенчатой планетарной передачи эти колеса вращаются в противоположных направлениях.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 показан общий вид маятниковой ГЭС по первому варианту со стороны потока воды. На фиг.2 - вид ее сбоку (вдоль берега реки). На фиг.3 изображен ускоритель потока воды для второго варианта ГЭС. На фиг.4 изображена заявляемая ГЭС по второму варианту. Стрелками на фиг.2, 3, 4 показано направление течения реки.
Маятниковая ГЭС для обоих вариантов содержит неподвижные вертикальные опоры 1 (фиг.1, 2, 4), установленные на дне реки. На этих опорах 1 жестко установлена горизонтальная ось 2. На оси 2 жестко закреплены неподвижные крепежные элементы 3, на которых неподвижно подвешен статор 4 (фиг.1, 2, 4). На этой же оси 2 с помощью подшипников 5 (фиг.1) и крепежных элементов 6 (подвеска ротора) закреплен ротор 7. На подвеске 6 для регулирования ее длины и установки тем самым необходимого зазора между статором 4 и ротором 7 смонтировано регулировочное устройство 8. Статор 4 выполнен в виде массивного сегментного башмака, набранного из листов трансформаторной стали, с пазами 9, в которых уложена индукционная обмотка (фиг.2, 4). Ротор 7 выполнен также в виде массивного сегментного башмака из листов трансформаторной стали. На роторе 7 смонтированы чередующимися рядами постоянные высокоэнергетические магниты 10, уложенные с шагом, равным расстоянию между пазами, то есть непосредственно под пазами, в которых размещены ветви индукционной обмотки статора 4. Магниты 10 в смежных рядах имеют разноименные полюса. Ниже уровня реки на нижней выпуклой поверхности ротора 7 заодно с ним установлена рамка 11 с вертикальными поворотными пластинами. Для их принудительного поворота на вертикальных опорах 1 с внутренних сторон установлены кулачки 12 (фиг.1).
По второму варианту ГЭС снабжена ускорителем потока воды (фиг.3, 4). Ускоритель потока воды установлен, как показано на фиг.4, на неподвижных опорах на дне реки перед движителем ротора 7 (перед рамкой 11). Он содержит ведущий вал 13 с рабочим (ведущим) колесом 14, ведомый вал 15 с ведомым колесом 16 (фиг.3). Ведомый 15 и ведущий 13 валы соединены между собой одноступенчатой планетарной передачей, которая размещена во влагонепроницаемом, неподвижно закрепленном корпусе 17. В корпусе 17 неподвижно установлена кольцевая шестерня 18 с внутренними зубьями. Внутри шестерни 18 установлены сателлиты 19, связанные с водилом 20, жестко закрепленном на ведущем валу 13. На ведомом валу 15 жестко закреплено зубчатое колесо 21. Сателлиты 20, шестерня 18 и зубчатое колесо 21 представляют собой зубчатую передачу с передаточным отношением в несколько единиц (порядка 3-10). Направляющий аппарат для потока воды 22 (фиг.3, 4) смонтирован на корпусе 18 одноступенчатой планетарной передачи и выполнен из вертикальных поворотных пластин. Для регулирования положения горизонтальной оси 2 относительно уровня реки в верхней части опор 1 (фиг.1, 2, 4) смонтировано устройство 23, в котором на соответствующем уровне эта ось 2 имеет возможность быть установленной и жестко закрепленной.
ГЭС устанавливается на выбранном участке реки, свободном от судоходства и предпочтительно с максимальной скоростью ее свободного течения. При ее устройстве длина подвески 6 ротора 7 выбирается так, чтобы ротор 7 при колебании не касался своей нижней поверхностью поверхности воды, а между ротором 7 и статором 4 обеспечивался минимально необходимый для свободного колебания воздушный зазор.
Работа устройства заключается в следующем.
При закрытых вертикальных пластинах рамка 11, установленная навстречу течения реки, имеет наибольшую площадь сечения. Под действием текущей воды она оказывает напору воды большое гидродинамическое сопротивление и начинает двигаться по течению реки, обеспечивая подвижному ротору 7 большое усилие. Ротор 7 под действием этого усилия отклоняется по течению реки и перемещается вверх. Дойдя до установленной крайней верхней точки, с помощью кулачка 12 поворачивает вертикальные пластины рамки 11 на угол 90° и начинает под действием силы тяжести движение в обратную сторону, то есть против течения. При этом пластины рамки 11 направлены ребрами к течению, имеют минимальное поперечное сечение и не оказывают серьезного гидродинамического сопротивления при движении
против течения. При достижении ротором 7 установленного крайнего верхнего положения с помощью кулачка 12 вновь происходит принудительный поворот вертикальных пластин рамки 11. Меняя свое положение, они вновь направлены своей плоскостью навстречу потоку воды и под действием течения реки ускоряют движение ротора 7 в направлении течения реки, компенсируя таким образом потери энергии ротора 7 при прежнем движении. Рамка 11, составленная из вертикальных пластин, имеющих возможность принудительного поворота и фиксации, обеспечивает постоянство амплитуды колебания ротора 7. Боковое отклонение ротора 7 относительно вертикальной оси в момент переключения вертикальных пластин исключается за счет того, что одна их половина совершает поворот в противоположную сторону относительно другой половины. Ряды чередующихся высокоэнергетических постоянных магнитов, пересекая северными и южными полюсами одновременно ветви индукционной обмотки, вызывают в них появление тока одного направления, частота которого будет определяться числом ветвей этой обмотки и количеством пар смежных разноименных полюсов магнитов 10. Чем меньше период колебания ротора 7, тем выше частота тока и больше его мощность. Естественно, что, чем больше скорость течения реки, тем меньше период колебания ротора 7. Для повышения скорости течения реки ГЭС снабжена ускорителем потока воды (фиг.4). При этом ускоритель потока воды может быть установлен непосредственно навстречу потоку воды любым из колес, ведущим 14 или ведомым 16. Под действием скорости течения реки первым начинает вращаться ведущее колесо 14, поскольку его диаметр больше диаметра ведомого колеса 16. Оно выполняет роль турбинного колеса, которое вращаясь, передает вращение через водило 20 и сателлиты 19 шестерне 18, а следовательно, и ведомому валу 15с ведомым колесом 16. Поскольку валы связаны между собой повышающей планетарной передачей, скорость вращения ведомого колеса 16 будет выше скорости вращения ведущего колеса 14, и ведомое колесо 16 будет выполнять роль насоса, ускоряя воду перед ведущим колесом 14, то есть осуществлять гидравлическую положительную обратную связь между турбинным и насосным колесами. Скорость вращения и мощность турбинного (ведущего) колеса 14 повысится, что приведет к увеличению скорости вращения ведомого колеса 16 и т.д. Этот процесс нарастает лавинообразно до достижения динамического равновесия, обусловленного наличием сопротивления трения и лобового сопротивления колес. Результатом этого процесса будет ускоренное течение потока воды (скорости течения реки) за ведущим колесом 14, которое установлено перед рамкой 11 с вертикальными поворотными
пластинами (фиг.1). Для спрямления завихренного потока воды предназначен направляющий аппарат 22 (фиг.3, 4).
Как видно, ГЭС по первому варианту имеет преимущество на скоростных реках, по второму варианту - на равнинных реках с малой скоростью течения.