ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ МИРОНОВА-КНЯЗЕВА

Полезная модель относится к области гидроэнергетики, а более конкретно - к малым бесплотинным гидроэлектростанциям (ГЭС), использующим для выработки электроэнергии энергию свободного течения крупных и малых равнинных рек.
Из уровня техники известны гидроустановки, использующие поток воды для вращения турбины с генератором, который вырабатывает электроэнергию. Например, известна конструкция бесплотинная ГЭС по авторскому свидетельству СССР №889787, МПК 3 Е02В 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 известной 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. Монтаж ГЭС включает много бетонных работ, что повышает трудоемкость сооружения электростанции.
Из уровня техники известны установки для преобразования кинетической энергии потока воды в мощную периодическую энергию гидравлического удара в устройствах, которые называются гидротаранами («Гидравлика» Н.Н.Кременецкий, Д.В.Штеренлихт, В.М.Алышев, Л.В.Яковлева М., Энергия, 1973, с.215-217).
Известны также линейные электрические генераторы, преобразующие механическую энергию возвратно-поступательного колебательного движения магнитного сердечника в электрическую такой же частоты («Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения» М.Я.Хитерер, И.Е.Овчинников, Санкт-Петербург, КОРОНА-принт, 2008, с.357).
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели, принятым за прототип является маятниковая гидроэлектростанция (RU 44355 U1 2004 г.), которая 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. 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. 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. Ускоритель потока воды у прототипа 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. Мультипликатор для спрямления завихрений воды снабжен направляющим аппаратом, жестко закрепленным на корпусе планетарной передачи и выполненным из вертикальных поворотных пластин.
Недостатками прототипа от заявляемой полезной модели являются сложность конструкции, трудоемкость сооружения, невозможность круглогодичной эксплуатации на реках с сезонным ледоставом и препятствие судоходству.
Задача полезной модели состоит в разработке наиболее простой по конструкции, не оказывающей вредного экологического воздействия на природу и эффективной малой бесплотинной гидроэлектростанции, обеспечивающей свободное прохождение судов и круглогодичную ее эксплуатацию.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в том, чтобы использовать гидродинамическое давление потока воды в реке, преобразованное в мощную периодическую энергию гидравлического удара в специальном устройстве-гидротаране с движителем и высокоэнергетическими магнитами, для возбуждения в обмотках статора переменного электрического тока.
Задача решается следующим образом.
Общим с прототипом является то, что заявляемая гидроэлектростанция содержит электрический генератор, выполненный из статора, снабженного индукционными обмотками, высокоэнергетических магнитов, подвижных относительно индукционных обмоток статора, и движителя для магнитов, работающего от энергии потока воды, В отличие от прототипа, в заявляемой ГЭС статор жестко закреплен на корпусе гидротарана, преобразующего кинетическую энергию потока воды в периодическую энергию гидравлического удара в теле гидротарана, магниты жестко закреплены на рабочем органе движителя, работающего от энергии гидравлического удара воды, инициируемого речным потоком воды в теле гидротарана, движитель установлен непосредственно на корпусе гидротарана и выполнен с возможностью возвратно - поступательного перемещения его рабочего органа относительно индукционных обмоток неподвижного статора.
Гидроэлектростанция отличается от прототипа также тем, что для обеспечения свободного прохождения судов и круглогодичной ее эксплуатации статор, жестко закрепленный на корпусе гидротарана и магниты, жестко скрепленные с рабочим органом движителя, питающегося энергией гидротарана, помещены под уровень воды в реке ниже уровня сезонного промерзания на глубину не препятствующую судоходству.
Гидроэлектростанция отличается от прототипа тем, что для повышения мощности электростанции за счет увеличения скорости входящего в нее потока воды, на входе потока в электростанцию установлен конфузор.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг.1.
На фиг.1 показан общий вид ГЭС Миронова-Князева. Стрелкой показано направление течения реки. ГЭС Миронова-Князева содержит тело гидротарана 1 с клапанной коробкой 2 и конфузором 3, установленное под уровнем воды в реке ниже глубины сезонного промерзания. Если гидродинамического напора воды в реке недостаточно для инициирования гидравлического удара в гидротаране, то тело гидротарана устанавливается на водосливе с широким порогом для увеличения скорости подводимого к гидроэлектростанции потока воды. На теле гидротарана 1 установлен движитель в виде гидроцилиндра 4 и рабочего органа, представляющего собой поршень, 5, преобразующего ударные колебания давления, инициируемые в гидротаране, в механическую энергию возвратно- поступательного движения рабочего органа 5. На рабочем органе движителя 5 жестко закреплены высокоэнергетические магниты 6, способные перемещаться вместе с рабочим органом 5 относительно неподвижного статора с индукционными обмотками 7.
Работает устройство следующим образом:
Под действием гидродинамического напора воды в реке, увеличенного при помощи конфузора 3, в теле гидротарана 1 клапанной коробкой 2 инициируется периодический гидравлический удар, который приводит в возвратно-поступателное движение рабочий орган 5 движителя. Высокоэнергетические магниты 6 жестко закрепленные на рабочем органе 5 перемещаются относительно статора с индукционными обмотками 7, генерируя тем самым переменный электрический ток.
Как видно, ГЭС Миронова-Князева имеет преимущество перед аналогами и прототипом в том, что она более проста по конструкции и в монтаже, имеет круглогодичный режим эксплуатации и не препятствует судоходству в период навигации.