ВОДНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)
WATER POWER PLANT (VERSIONS)

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, а именно в использовании потенциальной энергии накопленной в емкости воды, спускаемой по наклонной плоскости, и преобразование ее в другие виды энергии, преимущественно в электрическую.
Известен преобразователь ветра и волн (Алиев А.С., Алиева Б.З. «Преобразователь энергии ветра и волн», патент РФ №2254494, F03D 5/04 от 10.09.2003 г.), который содержит связанные с помощью рычагов вращающиеся платформы. На каждой платформе установлена лопасть. Преобразователь энергии содержит также кинетически связанные преобразователь движения и узел изменения ориентации и фиксации положение лопасти, взаимодействующий с флюгером.
Преобразователь движения через мультипликатор подключен к электрогенератору.
К недостаткам известного преобразователя энергии можно отнести сложность конструкции преобразователя и невозможность его применения на суше.
Известна также водная энергетическая установка [Дяченко А.Г. Патент RU №20349970/С1 «Гидроаккумулирующая электростанция», F03B 13/00 от 10.05.1995], которая работает от подачи воды и является средством того же назначения. Она может быть принята в качестве ближайшего аналога (прототипа). Прототип содержит стойки, водопровод, первый и вторые валы, первую и вторую шестерни, коромысло и генератор.
Недостатком прототипа является конструктивная сложность.
Техническая задача заключается в создании преобразователя энергии, преобразующего потенциальную энергию накопленной в емкостях воды в электрическую энергию.
Данная техническая задача решается путем создания принципиально новой конструкции водной энергетической установки, которая содержит стойки, водопровод, первый и второй валы, первую и вторую шестерни, коромысло, генератор, а также мультипликатор, подключенный к генератору, и пару параллельных коромысел. Концы коромысел шарнирно связаны с первой и второй емкостями. Каждая из емкостей содержит узел фиксации верхнего положения и выпускной клапан. При этом в верхнем положении емкости выполнены взаимодействующими с узлом фиксации и через рычаг с вентилем водопровода, а в нижнем положении - через выпускной клапан с упором, обеспечивающим слив воды. Причем валы установлены на стойках по одной вертикали с возможностью свободного вращения, а на каждом валу установлены шестерни, находящиеся в сцеплении друг с другом, и N-e количество пар обгонных муфт, обоймы которых неподвижно связаны с соответствующими парами параллельных коромысел.
Узел фиксации верхнего положения емкости содержит подпружиненный фиксатор, шарнирно установленный на внутренней стенке емкости, взаимодействующий с наконечником рычага. На другом конце рычага установлен поплавок и шарнирно связан с кронштейном, закрепленным на горизонтальной планке.
Второй вариант узла фиксации верхнего положения емкости содержит подпружиненный шарик, установленный на конце второго кронштейна, взаимодействующей с шариковым углублением во внешней стенке емкости.
Второй вариант водной энергетической установки содержит стойки, водопровод, первый и второй валы, первую и вторую шестерни, коромысло и генератор. При этом установка снабжена мультипликатором, подключенным к генератору, первым и вторым коромыслами и шарнирно связанными с их концами первую и вторую емкости с узлами фиксации верхнего положения и выпускными клапанами, взаимодействующие с вентилем водопровода в верхнем положении и упором, обеспечивающим слив воды в нижнем положении. При этом на первом и втором валах неподвижно установлены соответствующие храповые колеса, взаимодействующие с подпружиненными собачками, установленными на коромыслах, и шестерни, находящиеся в сцеплении друг с другом.
Во втором варианте установки первая и вторая емкости через две пары шарнирных соединений, установленных с диаметрально противоположных сторон на внешней стенке соответствующей емкости, связаны с двумя парами параллельных коромысел, взаимодействующих через подпружиненные собачки с двумя парами храповых колес, неподвижно установленными на первом и втором валах.
На фиг.1 представлен вид с торца (Вид А по фиг.2) на водную энергетическую установку, где:
1 - вертикальные стойки;
2, 3 - первый и второй горизонтальные валы;
4, 5 - первое и второе коромысла;
6, 7 - первая и вторая емкости;
8 - шарниры;
9, 10 - первая и вторая обгонные муфты;
11, 12 - первая и вторая шестерни;
13 - выпускной клапан;
14 - заглушка с резиновой прокладкой;
15 - диск;
16 - стержень;
17 - цилиндрическая пружина;
18 - вентиль;
19 - рычаг;
20 - пружина натяжения;
21 - кронштейн;
22 - рычаг фиксатора;
23 - поплавок;
24 - фиксатор;
25 - пружина фиксатора;
26 - планка горизонтальная;
27 - водопровод;
28 - шланг;
29 - упор;
30 - желоб.
На фиг.2 представлен вид сбоку на водную энергетическую установку, где:
позиции 1-27 те же, что на фиг.1;
31 - вторая пара емкостей;
32 - мультипликатор;
33 - маховик;
34 - генератор;
35 - подставка;
36 - подпорка.
На фиг.3 представлена конструкция второго варианта преобразования движения, где:
позиции 2-5 те же, что на фиг.1;
37, 38 - первое и второе храповые колеса;
39, 40 - первая и вторая подпружиненные собачки.
На фиг.4 представлена конструкция второго варианта узла фиксации верхнего положения емкости, где:
позиции 3-13 те же, что на фиг.1;
41, 42 - боковые запараллеленные двойные коромысла;
43, 44 - нижний и верхний боковые шарниры;
45 - шаровое углубление;
46 - шарик;
47 - пружина сжатия;
48 - колпак;
49 - кронштейн второй.
Принцип работы водной энергетической установки (ВЭУ), конструкция которой представлена на фиг.1 и фиг.2, заключается в следующем.
ВЭУ устанавливается ниже уровня воды, чтобы емкости наполнялись самотеком. Вертикальные стойки 1 устанавливаются неподвижно. Первый 2 и второй 3 горизонтальные валы шарнирно соединены со стойками с возможностью свободного вращения. Расстояние между валами определяется диаметром делительной окружности шестерен 11 и 12. Ступицы первой 9 и второй 10 обгонных муфт закреплены неподвижно на соответствующих горизонтальных валах. Обоймы указанных муфт неподвижно связаны с соответствующими коромыслами 4, 5, коромысла параллельны друг другу и установлены с возможностью качания относительно горизонтальных валов. При качании коромысел обоймы первой и второй обгонных муфт входят в сцепление с соответствующими ступицами по очереди. Концы первого и второго параллельных коромысел 4, 5 с помощью шарниров 8 соединены с первой 6 и второй 7 емкостями. При равенстве плеч параллельных коромысел при их качании емкости сохраняют свое вертикальное положение, так как обгонные муфты входят в сцепление с соответствующими ступицами по очереди. Это приводит к тому, что при опускании второй емкости 7 ведущим становится первый вал 2, а при опускании первой емкости - второй вал 3.
На горизонтальных валах 2, 3 неподвижно установлены первая 11 и вторая 12 шестерни, которые находятся в сцеплении друг с другом. Независимо от того какой из валов является ведущим в данный момент времени, они сохраняют постоянным свое направление вращения. Первый (нижний) вал 2 вращается по часовой стрелке, а второй (верхний) вал 3 - против часовой стрелки (см. фиг.1).
При больших расстояниях между двумя параллельными валами для кинематической связи между ними взамен первой и второй шестерен может быть использована цепная связь. Для этой цели на первом 2 и втором 3 валах неподвижно устанавливаются звезды одинакового размера. Звезды связывают друг с другом цепью, которая образует форму восьмерки (8). При такой цепной связи между валами они вращаются во взаимно противоположных направлениях, как и при кинематической связи, осуществляемой с помощью шестерен 11 и 12.
Для качания коромысел используется потенциальная энергия воды, которая самотеком заполняет то первую 6, то вторую 7 емкости по очереди.
Для более равномерного вращения выходного вала 3 и увеличения мощности на выходном валу на валах 2, 3 может быть установлено N-е количество пар однотипных механизмов, представленных на фиг.1. При этом шестерни 11, 12, кинематически связывающие первый и второй валы друг с другом, необходимо рассчитывать на суммарную мощность. Они являются общими для всех запараллеленных механизмов.
При этом периоды заполнения емкостей в запараллеленных механизмах должны быть сдвинуты во времени. Сдвиг по фазе периодически качающихся механизмов равен 180° / N.
Емкости 6, 7 имеют цилиндрическую форму, открытую с верхнего торца. На дне цилиндрического корпуса емкости установлен выпускной клапан 13. Выпускной клапан открывает и закрывает выпускное отверстие в днище емкости. Клапан состоит из заглушки с резиновой прокладкой 14. Заглушка связана с диском 15 с помощью стержня 16. Между корпусом емкости и диском 15 установлена цилиндрическая пружина 17. Пружина обеспечивает необходимое усилие прижатия заглушки с резиновой прокладкой ко дну цилиндра, т.е. его герметичность.
Когда полная емкость переходит в нижнее положение, диск 15 взаимодействует с упором 29 и приподнимает подпружиненную заглушку 14 вверх. Вода сливается с емкости в желоб 30. Упор 29 устанавливается в середине желоба и сохраняет открытое положение выпускного клапана 13 до полного заполнения емкости, находящейся в данный момент времени в верхнем положении.
Верхнее положение пустой емкости 7 сохраняется неподвижным до ее полного заполнения водой с помощью фиксатора 24, взаимодействующего с поплавком 23. Фиксатор 24 шарнирно установлен на внутренней стенке корпуса емкости и подпружинен. Пружина 25 отжимает плоский фиксатор от корпуса емкости на угол ~30-45°. При подъеме емкости подпружиненный фиксатор взаимодействует с согнутым наконечником рычага 22. Рычаг с поплавком шарнирно крепится к кронштейну 21, связанному с горизонтальной планкой 26. Под весом поплавка 23 рычаг 22 находится в опущенном положении.
При подъеме емкости наконечник рычага прижимает фиксатор к корпусу емкости, а затем упирается в торец фиксатора. Таким образом обеспечивается неподвижное верхнее положение емкости. По мере заполнения емкости водой поплавок 23 поднимается вверх. При определенном уровне воды наконечник рычага выходит из сцепления с фиксатором 24 и полная емкость опускается вниз. К этому времени нижняя емкость 6 должна быть пуста.
Пустая емкость 6 поднимется вверх. Пружина натяжения 20 обеспечивает закрытое положение вентиля 18 в нейтральном положении. Корпус емкости при подъеме взаимодействует с подпружиненным рычагом вентиля 18. Вентиль открывается, и начинается процесс заполнения емкости водой. При этом фиксатор обеспечивает неподвижное положение емкости до ее полного заполнения. После чего поплавок выводит наконечник рычага 22 из сцепления с фиксатором.
Полная емкость 6 опускается вниз и приводит во вращение верхний вал. Для подвода воды к вентилям 18 используется водопровод 27, подключенный к шлангу 28. Горизонтальная планка 26, закрепленная на стойках 1, служит для установки водопровода на необходимом уровне.
На фиг.2 представлен вид сбоку на водную энергетическую установку с двумя парами емкостей. Работа второй пары емкости 31 сдвинута по фазе относительно работы первой пары 6, 7 на 90°. Емкости второй пары находятся на одном уровне и перекрывают друг друга (см. фиг.8).
Выходной вал 3 подключен к мультипликатору 32. Мультипликатор служит для повышения скорости вращения выходного вала 3 до номинальной скорости вращения генератора 34. Для повышения синхронности вращения генератора на его валу, подключенном к мультипликатору, установлен массивный маховик 33.
Генератор, на валу которого установлен маховик, может быть подключен для развязки через обгонную муфту. Обойма обгонной муфты должна быть связана с выходным валом мультипликатора, а ступица с валом генератора.
Мультипликатор 33 и генератор 34 установлены на горизонтальной подставке 35. Один конец подставки связан со стойкой 1, второй - с подпоркой 36.
На фиг.3 представлена конструкция второго варианта преобразования движения, где взамен обгонных муфт используются храповые колеса. Первое 4 и второе 5 коромысла шарнирно установлены на соответствующих валах 2 и 3 с возможностью свободного колебания. Первое 37 и второе 38 храповые колеса установлены неподвижно на соответствующих валах 2 и 3.
Коромысла, как и в первом варианте, параллельны друг другу, имеют одинаковые размеры, и на концах их шарнирно закреплены соответствующие емкости.
Для преобразования энергии колебательного движения коромысел во вращательное движение валов используются подпружиненные собачки 39 и 40. При опускании второй емкости 7 вниз в сцепление с храповым колесом 37 входит первая собачка 39 и вращает первый вал 2 по часовой стрелке. При опускании первой емкости 6 в сцепление с вторым храповым колесом 38 входит соответствующая собачка 40. Ведущим становится второй вал, который вращается против часовой стрелки. Так как первый и второй валы кинематически связаны шестернями 11, 12, направление вращения валов сохраняется независимо от направления колебательного движения коромысел относительно валов.
На фиг.4 представлена конструкция второго варианта узла фиксации верхнего положения емкости 7. В отличие от первого варианта для установки одной пары емкостей 6 и 7 используются две пары параллельных коромысел 42 и 43. Каждая пара состоит из двух параллельных коромысел, шарнирно соединенных с соответствующими емкостями с диаметрально противоположных сторон. Расстояние между боковыми шарнирами 43, 44 равно расстоянию между валами 2 и 3, т.е. диаметру делительной окружности шестерен 11 (12).
Обе пары коромысел шарнирно связаны с соответствующими валами 2 и 3. Для передачи большей мощности храповые колеса могут быть установлены во всех четырех узлах шарнирного соединения коромысел с валами. Подпружиненные собачки 39 и 40 также могут быть установлены на каждом коромысле с двух сторон от соответствующего храпового колеса 37, 38.
Параллельные соединения четырех коромысел для установки одной пары емкостей с помощью боковых шарнирных соединений 43, 44 могут быть использованы и в первом варианте конструкции ВЭУ с применением четырех обгонных муфт.
Второй вариант узла фиксации верхнего положения емкости содержит шаровое углубление 45 на боковой поверхности в корпусе емкости. В это углубление входит подпружиненный шарик 46. Сила прижатия пружины 47 подбирается такая, чтобы удержать емкость в верхнем положении до его полного заполнения.
Колпак 48 с пружиной 47 и шариком 46 крепятся к кронштейну 49, связанному с горизонтальной планкой 26. Полусферическое отверстие в кронштейне имеет диаметр меньше, чем диаметр шарика. Подпружиненный шарик выступает за пределы поверхности кронштейна на величину меньше чем радиус шарика. В результате взаимодействия шарика с корпусом емкости, после поднятия ее на заданный уровень, шарик входит в углубление 45 и удерживает емкости в таком положении.
Как и в первом варианте, подпружиненный рычаг 19 открывает вентиль 18 и происходит наполнение емкости водой. После полного наполнения емкости под ее тяжестью шарик 46 выходит из углубления в корпус 45 и емкость опускается вниз. При этом пораженная вторая емкость поднимается вверх до уровня, пока не сработает узел фиксации положения.
Таким образом запараллеленные коромысла совершают периодические колебательные движения вокруг соответствующих валов 2, 3 и приводят их во вращение. В остальном принцип работы второго варианта ВЭУ полностью совпадает с принципом работы первого варианта, представленного на фиг.1 и фиг.2.
Предложенное энергетическое устройство может быть использовано как автономный источник электрической и механическое энергии там, где нет центрального энергоснабжения.