ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ КОНВЕЙЕРНОГО ТИПА

Заявляемая полезная модель относится к гидроэнергетике, в частности, к устройствам, предназначенным для преобразования энергии потока текучей среды в электрическую.
Предлагаемая к защите гидроэлектростанция (ГЭС) конвейерного типа позволяет использовать энергию как крупных и малых рек, так и открытых водостоков искусственного происхождения, например магистральных водоканалов.
Из уровня техники известны речные гидроэлектростанции, использующие потенциальную энергию воды за счет сосредоточения напора в виде разности уровней, из которых наиболее распространены приплотинные гидроэлектростанции, содержащие плотину, водохранилище, здание с рабочими органами в виде гидротурбин, связанных с электрогенераторами (см., например, патент RU 2232289 на изобретение «Гидроэлектростанция», дата подачи 26.11.2002 г., опубликовано 10.07.2004 г.).
Однако использование приплотинных ГЭС связано с их негативным воздействием на речные экосистемы, возможностью наводнений, вызванных прорывом дамбы, и, как следствие, возникновением социальных проблем, в частности, связанных с переселением жителей. Кроме того, данные конструкции, как правило, громоздки, а стоимость их возведения высока.
Указанные недостатки устранены в бесплотинных гидроэлектростанциях, к которым относится заявляемое изобретение.
Из уровня техники известна потоковая гидроэлектростанция, включающая погруженный в воду корпус и установленный в нем рабочий орган, выполненный в виде цепного конвейера, кинематически связанного с электрогенератором, лопасти, установленные на осях (см. патент RU 2086799 на изобретение «Потоковая гидроэлектростанция», дата подачи 15.07.1992 г., опубликовано 10.08.1997 г.).
Недостатки данной конструкции обусловлены трудностями прохождения водного потока через гидроэлектростанцию из-за значительной траектории движения, создаваемой за счет ее обтекания (огибания), что снижает КПД и мощность ГЭС. Кроме того, установку, ремонт и обслуживание такой гидроэлектростанции осуществляют при полной остановке гидроэлектростанции и, соответственно, долговременном прекращении ее работы.
Также известен двигатель для утилизации энергии текущей среды, содержащий погруженный в последнюю каркас с проходными окнами, установленные в каркасе с его противоположных сторон с возможностью вращения валы, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий упомянутые валы и снабженный лопастями, при этом каркас выполнен с окнами и, по меньшей мере, двумя парами направляющих, а лопасти снабжены роликами (см. патент RU 2166664 на изобретение «Двигатель для утилизации энергии текущей среды», дата подачи 19.06.2000 г., опубликовано 10.05.2001 г.).
Недостатки известного устройства связаны с тем, что при осуществлении работы оно полностью должно быть погружено в водный поток, вследствие чего происходит замывание в него песка и водорослей, что, в свою очередь, затрудняет перемещение лопастей и, в конечном итоге, приводит не только к снижению КПД всей установки, но и поломке отдельных ее частей и узлов. Горизонтальное размещение валов, как правило, приводит к боковому провисанию гибкого элемента.
Прототипом заявляемой полезной модели является гидроэлектростанция конвейерного типа, погруженная в текучую среду и включающая каркас с, по меньшей мере, двумя парами направляющих и установленными на нем с противоположных сторон с возможностью вращения валами, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий валы, выполнен в виде замкнутой цепной передачи с закрепленными на нем лопастями, снабженными осями с роликами. Гидроэлектростанция размещена в оборудованном шлюзами канале вдоль потока с частичным погружением корпуса в текучую среду. Гибкий элемент состоит из связанных между собой звеньев-кареток с комбинированными лопастями, состоящими из, по меньшей мере, четырех V-образных пластин, расположенных попарно напротив друг друга, при этом пластины в каждой паре параллельны друг другу, валы размещены на разных уровнях и на их торцах установлены колеса, при этом колеса вала, расположенного ниже, выполнены зубчатыми и меньшего диаметра, чем колеса другого вала, вал с колесами меньшего диаметра располагается выше по течению воды, чем вал с колесами большего диаметра (см. патент RU 2515695 на изобретение «Гидроэлектростанция конвейерного типа», дата подачи 13.08.2012 г., опубликовано 20.05.2014 г.).
Данная гидроэлектростанция ограничена возможностями по повышению мощности. Это связано, в том числе, с тем, что в конструкции использован только один канал (направляющий), по которому протекает поток, воздействующий на лопасти, формообразование которых не является оптимальным для прохождения текучей среды.
Перечисленные недостатки устранены в заявляемом устройстве.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение мощности гидроэлектростанции.
Указанный технический результат достигается тем, что гидроэлектростанция конвейерного типа, содержащая направляющий канал, корпус, в котором выполнены окна, и рабочий орган, включающий в себя каркас с, по меньшей мере, двумя парами направляющих и установленными на нем с противоположных сторон с возможностью вращения валами, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий установленные на торцах валов колеса разного диаметра и выполненный в виде замкнутой цепной передачи, состоящей из связанных между собой звеньев-кареток с блоками лопастей, каждый из которых содержит, по меньшей мере, две симметричные пары лопастей, выполненные в виде пластин и расположенные попарно, при этом лопасти в каждой паре параллельны друг другу, вал с зубчатыми колесами меньшего диаметра располагается выше по течению воды, чем вал с колесами большего диаметра, согласно полезной модели направляющий канал содержит основной и, по меньшей мере, один вспомогательный канал, выход которого оснащен заслонкой, при этом каждый канал разделен на конфузорную, рабочую и диффузорную части, расположенные последовательно под углом к течению потока, каждая пара лопастей включает вертикально ориентированные малую и большую лопасти, выполненные дугообразными и расположенные выпуклой стороной к продольной оси основного канала с образованием расширенного прохода для потока, при этом большие лопасти закреплены на осях, снабженных роликами, а малые лопасти связаны между собой и с большими лопастями посредством горизонтально ориентированной дугообразной лопасти-перемычки, установленной вогнутой стороной к оси с роликами, причем, если направляющий канал содержит один вспомогательный канал, то последний располагается над рабочим органом, а, если несколько вспомогательных каналов, то последние располагаются вдоль основного канала с обеих сторон, при этом вспомогательные каналы соединены между собой и с основным каналом посредством сужающихся отводов и окон, снабженных заслонками и направляющими перегородками, служащими для направления потока в основной канал и установленными перед окнами внутри основного канала под углом к корпусу.
Направляющий канал снабжен шлюзами.
Основной и вспомогательные каналы оборудованы улавливающими мусор устройствами, например, сетками, размещенными перед шлюзами.
Конфузорная часть направляющего канала установлена под углом 0,5-20° по отношению к течению потока, а рабочая и диффузорная часть - под углом 0,5-15°.
Дно основного канала выполнено V-образным.
Окна в корпусе выполнены со створками в торцевой, верхней и боковых сторонах. Створки служат для направления потока воздуха на верхнюю часть блоков лопастей.
Вспомогательные каналы могут быть открытого или закрытого типа.
Лопасти изготовлены из профильного материала, в качестве которого используют, например, листовой гнутый прокат.
Звено-каретка снабжено четырьмя роликами.
Звенья-каретки соединены между собой посредством подвижных щек. Гидроэлектростанция защищена антикоррозионным покрытием. Вспомогательные каналы могут быть снабжены карманами для захода рыбы во время нереста.
Наличие, по меньшей мере, одного вспомогательного канала оказывает проходящим боковым потоком дополнительное воздействие на лопасти, при этом заслонка служит для поддержания постоянного уровня воды. Кроме того, использование заслонок и направляющих перегородок позволяет регулировать и направлять поток текучей среды в основной канал, что способствует увеличению мощности гидростанции.
Сужающаяся конфузорная часть канала, в котором скорость потока возрастает в результате преобразования потенциальной энергии в кинетическую. Как правило, конфузорную часть устанавливают перед ее рабочей частью. Основное требование к конфузору - обеспечить равномерное поле скорости в выходном сечении. Конфузор обеспечивает, в том числе равномерность распределения скорости потока по сечению и предназначен для направления и ускорения текучей среды.
Диффузорная часть канала, в которой происходит замедление (расширение) потока, происходит соединение и плавный переход большего сечения в меньшее, характеризуется тем, что динамическое давление в нем в направлении движения потока увеличивается, а статическое уменьшается. Увеличивается скорость течения водной среды и свободный выход потока из основного канала, что также положительно влияет на повышение мощности.
Кроме того, заявленный технический результат достигается за счет расположения частей канала под углом, что приводит к уменьшению давления в потоке, проходящего через суженный участок, и ускоряет его течение. Для этих же целей используют отводы и сужающиеся окна.
Движение потока не тормозится при вертикальном положении лопастей, выполненных дугообразными, что, в свою очередь, улучшает скольжение потока.
Благодаря расположению лопастей выпуклой стороной к течению, наиболее эффективно используется боковой поток из вспомогательных каналов.
Крепление лопастей на осях, снабженных роликами, является наиболее простым и надежным, при этом за счет наличия пазов на лопастях и отверстий для фиксации со щеками можно без затруднений осуществить их монтаж/демонтаж. Использование роликов способствует свободному движению звена-каретки и вращению ведомых колес, что благоприятно сказывается на работе устройства и его производительности.
Лопасть-перемычка придает жесткость креплению блоков лопастей и выполняет ту же функцию, что и лопасти, способствуя увеличению мощности, а установка лопасти-перемычки вогнутой стороной с оси с роликами обеспечивает плотное прижимание каретки к направляющим и влияет на скольжение потока.
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где
фиг.1 - вид сбоку рабочего органа гидроэлектростанции конвейерного типа;
фиг. 2 - вид сверху направляющего канала с двумя вспомогательными каналами;
фиг. 3 - вид сбоку направляющего канала;
фиг. 4 - поперечный разрез гидроэлектростанции конвейерного типа, установленной в направляющем канале с двумя вспомогательными каналами;
фиг. 5 - вид сбоку гидроэлектростанции конвейерного типа, установленной в направляющем канале с одним вспомогательным каналом;
фиг. 6 - поперечный разрез гидроэлектростанции конвейерного типа, установленной в направляющем канале с одним вспомогательным каналом;
фиг. 7 - вид сверху звена-каретки;
фиг. 8 - вид спереди звена-каретки;
фиг. 9 - вид сбоку звена-каретки.
Стрелками на чертежах показано направление течения потока.
Гидроэлектростанцию устанавливают в грунте направляющего канала 1 посредством, например, опор 2, таким образом, что погруженными в водный поток остаются только блоки лопастей 3, находящиеся при установке гидроэлектростанции на нижних направляющих 4. Крайние опоры гидроэлектростанции являются несущими.
Гидроэлектростанция оснащена корпусом (на чертеже не показан), защищающим ее от образования наледи в зимний период, а также от неблагоприятного воздействия на блоки лопастей 3 бокового и встречного ветра. Корпус изготовлен из сварного каркаса и сэндвич-панелей. В верхней, боковых и торцевых частях корпуса выполнены окна со створками.
Создание направляющего канала 1 позволяет не только уменьшить негативное влияние ГЭС на окружающую среду, но и повысить скорость водного потока, проходящего через блоки лопастей 3, и, тем самым, увеличить мощность гидроэлектростанции.
На входе направляющего канала 1, а также в русле реки могут быть смонтированы шлюзы 5 или задвижки, предназначенные для регулирования потока, в том числе во время паводков. Направляющий канал 1 может быть дополнительно оборудован улавливающим крупный мусор и/или лед устройством, например, выполненным в виде сетки (на чертеже не показано), расположенным перед шлюзами перпендикулярно потоку.
Предлагаемая к защите гидроэлектростанция конвейерного типа содержит рабочий орган, включающий в себя каркас 6, частично погружаемый в водный поток, и установленные на нем с возможностью вращения два вала - ведущий 7 и ведомый 8, при этом ведущий вал 7 расположен выше по течению, чем ведомый вал 8. На обоих торцах ведущего 7 и ведомого 8 валов смонтированы колеса 9 и 10 соответственно (на чертеже показаны только колеса, размещенные с одного торца каждого вала), причем колеса 9 ведущего вала 7 выполнены зубчатыми и меньшего диаметра по сравнению с колесами 10 ведомого вала 8.
Колеса 9, 10 охватывает гибкий элемент 11, представляющий собой замкнутую в виде петли цепную передачу, образованную связанными между собой звеньями-каретками 12, снабженными блоками лопастей 3 и роликами 13, с помощью которых лопасти перемещаются по двум парам направляющих: верхним 14 и нижним 4. Звенья-каретки 12 соединены посредством подвижных щек 15, выполненных в виде прямоугольных пластин.
Вал 7 с зубчатыми колесами 9 через коробку передач кинематически связан с электрогенератором (на чертеже не показаны). Пазы зубчатых колес 9 имеют радиус, равный половине диаметра роликов 13.
Блок лопастей 3 содержит, по меньшей мере, две симметричные пары лопастей, расположенные напротив друг друга, при этом каждая лопасть выполнена в виде дугообразной (С-образной) пластины. Пара лопастей содержит малую лопасть 16 и большую лопасть 17. Лопасти в каждой паре параллельны друг другу.
Лопасти 16,17 вертикально ориентированы и расположены выпуклой стороной под углом 15-35° к продольной оси основного канала 18 с образованием расширенного прохода для потока. Большие лопасти 17 закреплены на осях 19, снабженных роликами 13, а малые лопасти 16 связаны между собой и с большими лопастями 17 посредством горизонтально ориентированной дугообразной лопасти-перемычки 20, выполненной или цельной, или из взаимосвязанных между собой отдельных частей и установленной вогнутой стороной по отношению к оси с роликами 13 под углом 10-30°.
Такая конфигурация и расположение лопастей способствуют ″выпрямлению″ водного потока и за счет ускорения прохождения потока через лопасти обеспечивают увеличение мощности ГЭС.
Направляющий канал 1 состоит из основного канала 18 и, по меньшей мере, одного вспомогательного канала 21, причем каждый канал разделен на конфузорную 22, рабочую 23 и диффузорную 24 части, расположенные друг за другом под углом к течению потока. Рабочий орган гидроэлектростанции располагается в основном канале 18.
Если направляющий канал 1 оборудован одним вспомогательным каналом 21, то последний располагается над рабочим органом гидроэлектростанции (фиг. 5, 6). В этом случае гидроэлектростанция для увеличения скорости потока может быть установлена в месте сброса воды готового гидротехнического сооружения, например, плотины.
Если направляющий канал 1 содержит несколько вспомогательных каналов 21, например, два, то эти каналы устанавливают вдоль основного канала 18 с обеих его сторон (фиг. 2-4).
Вспомогательные каналы 21 соединены между собой и с основным каналом 18 посредством сужающихся в сторону основного канала отводов 25 и окон 26, снабженных заслонками 27 и направляющими перегородками 28, служащими для направления потока в основной канал 18 и, соответственно, на блоки лопастей 3, и установленными перед окнами 26 внутри основного канала 18 под углом 15-45° по отношению к корпусу.
На выходах вспомогательных каналов 21 также установлены заслонки 27.
Гидроэлектростанция работает следующим образом.
Каркас 6 гидроэлектростанции устанавливают вдоль течения водного потока и закрепляют в грунте посредством опор 2, при этом ведущий вал 7 расположен выше по течению, чем ведомый вал 8. В водную среду остаются погруженными только блоки лопастей 3, находящиеся при установке на нижних направляющих 4.
Проходящий вдоль установки водный поток воздействует на блоки лопастей 3 и звенья-каретки 12 начинают перемещаться по нижним направляющим 4.
Звенья-каретки 12 осуществляют переход с нижних направляющих 4 на верхние направляющие 14 за счет прохождения по окружностям колес 10 ведомого вала 8. Далее звенья-каретки 12 перемещаются на роликах 13 по верхним направляющим 14, в том числе за счет собственного веса. Проходя через зубчатые колеса 9 ведущего вала 7, ролики 13 зацепляются за выполненные в них пазы, после чего звенья-каретки 12 возвращаются на нижние направляющие 4.
Движение звеньев-кареток 12 с блоками лопастей 3 обеспечивает непрерывное вращение ведомого 8 и ведущего 7 валов, последний из которых через коробку передач кинематически связан с электрогенератором. Ведущий вал 7 передает крутящий момент на вал электрогенератора или на общий вал отбора мощности, в случае установки нескольких ГЭС.
Таким образом, кинетическая энергия потока преобразуется в электрическую.
Заявляемая конструкция гидроэлектростанции позволяет защитить установку от засорения, в том числе мусора, льда во время паводка, водорослей, и, тем самым, дополнительно увеличить мощность, вырабатываемую ГЭС.
Параллельная установка одновременно, по меньшей мере, двух гидроэлектростанций обеспечит непрерывную выработку электроэнергии в случае поломки одной из них. Частичное погружение ГЭС в водную среду позволяет значительно упростить доступ к ней при проведении ремонтных и профилактических работ, вовремя заметить и устранить неполадки.
В реальных условиях были созданы два опытных образца гидростанции конвейерного типа: с одним направляющим каналом и с одним направляющим и двумя вспомогательными каналами. Результаты сравнения показали, что конструкция гидростанции, изготовленной в соответствии с заявляемой полезной моделью обеспечивает повышение мощности, как минимум, на 30-40%.
Заявляемая гидроэлектростанция позволяет увеличить производимую мощность и является экологически чистым гидротехническим сооружением, так как практически не влияет на флору и фауну водоема.