ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА
HYDRAULIC ENERGY-GENERATING PLANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к гидравлической энергогенерирующей установке, выполненной с возможностью генерирования энергии посредством использования потока воды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Автор настоящего изобретения разработал гидравлическую энергогенерирующую установку, которая раскрыта в источнике патентной литературы 1, генерирующую энергию посредством использования потока воды при установке на реке, искусственном гидроканале или подобном. Указанная гидравлическая энергогенерирующая установка подходит для установки на небольшой реке и на реке первого класса.
[0003] Благодаря генерированию энергии, выполняемому посредством использования гидравлической энергии небольшого источника, такого как течение реки, гидравлическая энергогенерирующая установка являлась нестандартной качественно новой установкой, способной выполнять эффективное гидравлическое генерирование энергии с небольшими затратами.
[0004] Однако фактическое использование гидравлической энергогенерирующей установки выявило несколько пунктов, в отношении которых необходимо выполнить усовершенствование. Пункты, в отношении которых необходимо выполнить усовершенствование, в основном включают две следующие проблемы.
[0005] Одна из проблем заключается в техническом обслуживании. Поскольку гидравлическая энергогенерирующая установка выполняет гидравлическое генерирование энергии при установке на гидроканал, имеющий течение, турбина начнет вращаться сразу же после установки и до тех пор, пока вода в реке или подобном не иссякнет. Гидравлическая энергогенерирующая установка (имеет оригинально отформатированный перевод в составе заявки №2012113641) преимущество в том, что генерирование энергии происходит посредством потока воды, имеющего естественное происхождение. В данном случае, периодическое техническое обслуживание является неизбежным для поддержания работы установки. До того момента, пока время выполнения технического обслуживания не подошло, техническое обслуживание не выполняется ни для какой установки. В данном случае, при выполнении технического обслуживания необходимо будет остановить поток воды или выполнять работы на суше после подъема гидравлической энергогенерирующей установки из гидроканала при помощи крана или подобного механизма. Следовательно, возникает проблема, заключающаяся в том, что техническое обслуживание будет очень трудоемким.
[0006] Другая проблема заключается в колебании уровня воды. Существует колебание расхода потока в гидроканале, соответствующее периоду полива, периоду без полива, сезону дождей или сухому сезону. Поскольку гидравлическая энергогенерирующая установка установлена в месте, в котором существует поток воды, таком как река и сельскохозяйственный гидроканал, происходит прерывание, в некоторой степени, потока воды и возникают колебания уровня воды с напорной стороны и низовой стороны. Кроме того, поскольку количество генерируемой энергии зависит от уровня воды с напорной стороны, возникает различие в количестве генерируемой энергии в сезон дождей, обеспечивающий большое количество воды, и сухой сезон, обеспечивающий небольшое количество воды. Следовательно, отсюда вытекает возможная проблема, заключающаяся в том, что невозможно будет выполнить стабильное генерирование энергии.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
[0007] Источник патентной литературы 1: выложенная патентная заявка Японии №2007-177797.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, РАЗРЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
[0008] Для решения вышеупомянутых проблем, задача настоящего изобретения заключается в создании гидравлической энергогенерирующей установки, выполненной с возможностью регулировки уровня воды с напорной стороны, и обеспечивающей стабильное количество генерируемой энергии при простом техническом обслуживании.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ
[0009] Для разрешения указанной задачи, согласно настоящему изобретению раскрывается гидравлическая энергогенерирующая установка для осуществления генерирования энергии при установке на имеющий течение гидроканал, включающая: корпус, содержащий отверстие для поступления воды, расположенное с напорной стороны гидроканала, отверстие для выхода воды, расположенное с его низовой стороны, и проток, обеспечивающий связь отверстия для поступления воды и отверстия для выхода воды; плиту для сбора воды, которая расположена на краю отверстия для поступления воды корпуса и которая собирает воду в отверстие для поступления воды посредством захвата и накопления воды, текущей по гидроканалу; вертикальную осевую турбину, которая с возможностью вращения установлена в протоке корпуса и содержит роторные лопатки; генератор, генерирующий энергию, принимая вращающее усилие вертикальной осевой турбины; и подвижный затвор, который выполнен с возможностью регулировки уровня накопленной воды с напорной стороны гидроканала посредством изменения площади поперечного сечения потока воды, воздействующего на верхний конец лопасти ротора вертикальной осевой турбины при поступлении из отверстия для поступления воды.
[0010] В гидравлической энергогенерирующей установке согласно настоящему изобретению подвижный затвор выполнен таким образом, чтобы изменять площадь поперечного сечения потока открытием и закрытием в перпендикулярном протоку направлении или изменять площадь поперечного сечения потока открытием и закрытием вдоль наружной окружности роторных лопаток посредством установки на вращающемся валу вертикальной осевой турбины.
[0011] Гидравлическая энергогенерирующая установка согласно настоящему изобретению может содержать ускоряющую плиту, которая ускоряет поток воды в протоке посредством постепенного уменьшения площади отверстия для поступления воды при вертикальной установке в корпусе.
[0012] В данной установке ускоряющая плита, являющаяся щитовым затвором, выполненным с возможностью подъема в вертикальном направлении, скользящим затвором, выполненным с возможностью открытия и закрытия в горизонтальном направлении, или поворотным затвором, выполненным с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, выполнена таким образом, чтобы иметь возможность выпускать воду в протоке из выпускного отверстия, выполненного в корпусе, наружу корпуса посредством открытия затвора.
[0013] Кроме того, дверь, выполненная с возможностью открытия и закрытия, может быть расположена в плите для сбора воды с возможностью выпуска избыточной воды с напорной стороны гидроканала на низовую сторону без прохождения через проток посредством открытия двери, выполненной с возможностью открытия и закрытия. В данной установке вертикальная осевая турбина может являться одноосной турбиной с поперечным потоком или противоположно расположенными двухосными турбинами с поперечным потоком.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Гидравлическая энергогенерирующая установка согласно настоящему изобретению, в частности, содержит плиту для сбора воды, которая собирает воду в отверстие для поступления воды посредством захвата и накопления воды, текущей по гидроканалу, и подвижный затвор, который выполнен с возможностью изменения площади поперечного сечения потока воды, воздействующего на верхний конец лопасти ротора вертикальной осевой турбины при поступлении из отверстия для поступления воды. Таким образом, уровень воды с напорной стороны и площадь дроссельного отверстия могут регулироваться посредством изменения площади поперечного сечения потока благодаря открытию и закрытию подвижного затвора. Следовательно, возможно выполнять функцию регулирования расхода потока без понижения эффективности генерирования энергии. Кроме того, возникает возможность непрерывно осуществлять стабильное генерирование энергии независимо от колебаний уровня воды в гидроканале. Кроме того, поскольку работа лопастей ротора может быть остановлена посредством блокирования воды, проходящей к вертикальной осевой турбине благодаря полному закрытию подвижного затвора, также возникает возможность снизить трудозатраты на операции по техническому обслуживанию.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0015] На фиг.1 представлен вид сверху, иллюстрирующий вариант осуществления гидравлической энергогенерирующей установки согласно настоящему изобретению;
на фиг.2 представлен вид в поперечном разрезе по линии В-В, изображенной на фиг.1;
на фиг.3 представлен общий вид, иллюстрирующий структуру вертикальной осевой турбины, расположенной в гидравлической энергогенерирующей установке, изображенной на фиг.1;
на фиг.4 представлен вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий структуру вертикальной осевой турбины, расположенной в гидравлической энергогенерирующей установке, представленной на фиг.1;
на фиг.5 представлен вид сверху, иллюстрирующий функционирование (т.е. открытое положение и закрытое положение) подвижного затвора гидравлической энергогенерирующей установки, представленной на фиг.1;
на фиг.6 представлена поясняющая схема отношения между дроссельным отверстием и вертикальной осевой турбиной гидравлической энергогенерирующей установки, представленной на фиг.1;
на фиг.7 представлен поясняющий вид отношения скорости потока, площади дроссельного отверстия, эффективного перепада уровня воды и расхода потока, и представляющий собой упрощенное изображение гидравлической энергогенерирующей установки, представленной на фиг.2;
на фиг.8 представлен поясняющий вид отношения между напорной стороной расхода потока, расходом выходящего потока из дроссельного отверстия и эффективным перепадом уровней воды, и представляющий собой изображение гидравлической энергогенерирующей установки, изображенной на фиг.2;
на фиг.9 представлен поясняющий вид коррелятивного отношения изменения расхода потока с напорной стороны с изменением скорости потока и эффективным перепадом уровней воды, а также изменением количества генерируемой энергии;
на фиг.10 представлен поясняющий вид уровня воды основного гидроканала;
на фиг.11 представлено положение, в котором эффективный уровень воды Н, скорость потока V и расход выходящего потока Qb из дроссельного отверстия получены при наличии расхода потока Qa с напорной стороны, верхнего уровня воды Ha, и площади А дроссельного отверстия;
на фиг.12 представлен поясняющий вид положения гидравлической энергогенерирующей установки при повышении и понижения уровня воды в гидроканале;
на фиг.13 представлен поясняющий вид изменения положения верхнего уровня воды при изменении площади дроссельного отверстия с А1 на А2 в период понижения уровня воды;
на фиг.14 представлен поясняющий вид изменения положения верхнего уровня воды при изменении площади дроссельного отверстия с А1 на А2 в период повышения уровня воды;
на фиг.15 представлен поясняющий вид регулировки верхнего уровня воды в период повышения уровня воды посредством использования плиты для сбора воды другого варианта осуществления настоящего изобретения;
на фиг.16 представлен вид сверху гидравлической энергогенерирующей установки, в которой используют вертикальную осевую турбину одноосного типа другого варианта осуществления настоящего изобретения;
на фиг.17 представлен другой вариант осуществления настоящего изобретения, при этом на фиг.17(a) представлен вид сверху, иллюстрирующий позиционное отношение между шестерней и подвижным затвором, а на фиг.17(b) представлен вид в поперечном разрезе, выполненном по линии С-С;
на фиг.18 представлен поясняющий вид, иллюстрирующий пример установки на широкий гидроканал гидравлической энергогенерирующей установки согласно настоящему изобретению;
на фиг.19 представлен поясняющий вид, иллюстрирующий пример установки на узкий канал гидравлической энергогенерирующей установки согласно настоящему изобретению;.
на фиг.20 представлен поясняющий вид, иллюстрирующий функционирование плиты для сбора воды при установке гидравлической энергогенерирующей установки согласно настоящему изобретению на узкий гидроканал без перепада уровней, как представлено на виде сверху на фиг.20(a) и на виде в поперечном разрезе на фиг.20(b);
на фиг.21 представлен поясняющий вид, иллюстрирующий функционирование плиты для сбора воды при установке гидравлической энергогенерирующей установки согласно настоящему изобретению на широкий гидроканал, с перепадом уровней, как представлено на виде сверху на фиг.21(a), и на виде в поперечном разрезе на фиг.21(b);
на фиг.22 представлен поясняющий вид модифицированного примера плиты для сбора воды при установке на более широкий гидроканал гидравлической энергогенерирующей установки согласно настоящему изобретению;
на фиг.23 представлен вид сверху, иллюстрирующий выпускную функцию ускоряющей плиты в гидравлической энергогенерирующей установке согласно настоящему изобретению;
на фиг.24 представлен вид сверху, иллюстрирующий модифицированный пример ускоряющей плиты в гидравлической энергогенерирующей установке согласно настоящему изобретению.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Далее будут подробно описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения на основании графических материалов.
[0017] На фиг.1 представлен вид сверху, иллюстрирующий вариант осуществления гидравлической энергогенерирующей установки согласно настоящему изобретению. В данном документе на фиг.1 не представлены генератор 4, шкивы 32,42, ремень 43 и приводной вал 41 для облегчения визуального отображения каждой структуры. На фиг.2 представлен вид в поперечном разрезе по линии В-В, представленной на фиг.1. Здесь отсутствуют шестерня 54, подвижный затвор 5 и ускоряющая плита 7 для более ясного изображения каждой структуры. На фиг.3 представлен поясняющий вид в поперечном разрезе структуры вертикальной осевой турбины 3, расположенной в гидравлической энергогенерирующей установке 1, выполненный упрощенно для большей ясности позиционного отношения подвижного затвора 5 и вертикальной осевой турбины 3. На фиг.4 представлен поясняющий общий вид структуры вертикальной осевой турбины 3, расположенной в гидравлической энергогенерирующей установке 1.
[0018] Как представлено на фиг.1, гидравлическая энергогенерирующая установка 1 содержит корпус 2, имеющий отверстие 8 для поступления воды, отверстие 9 для выхода воды и проток 25, обеспечивающий связь между отверстием 8 для поступления воды и отверстием 9 для выхода воды. Использование гидравлической энергогенерирующей установки 1 выполняют согласно представленному на фигуре, при этом отверстие 8 для поступления воды расположено с напорной стороны имеющего течение гидроканала, а отверстие 9 для выхода воды расположено на его низовой стороне.
[0019] Как представлено на фиг.2, гидравлическая энергогенерирующая установка 1 содержит вертикальную осевую турбину 3, которая установлена с возможностью вращения в протоке 25 корпуса 2 и содержит множество роторных лопаток 33, 33, … (далее упрощенно именуемых роторные лопатки 33), генератор 4, который генерирует электроэнергию, получая вращательное усилие от вертикальной осевой турбины 3, подвижный затвор 5, который выполнен с возможностью изменения площади поперечного сечения А потока воды, действующего на верхний конец роторных лопаток 33 вертикальной осевой турбины 3, при поступлении из отверстия для поступления воды 8, и плиту 6 для сбора воды, которая выполняет задержку и накопление воды, текущей по гидроканалу, и направляет накопленную воду в отверстие 8 для поступления воды, при установке с погружением в гидроканал.
[0020] Корпус 2 состоит из верхней плиты 21, нижней плиты 22 и двух боковых плит 23, 23 и содержит отверстие 8 для поступления воды, выходящее к напорной стороне, и отверстие 9 для выхода воды, выходящее к низовой стороне. В верхней плите 21 выполнены две дугообразные направляющие канавки 24. Подвижный затвор 5 выполнен так, чтобы быть подвижным в направлении стрелки, представленной на фигуре, посредством направления в направляющих канавках 24, при условии, что зубчатая часть 52 (см. фиг.3) входит в них.
[0021] В корпусе 2 выполнен проток 25, обеспечивающий сообщение отверстия 8 для поступления воды с отверстием 9 для выхода воды. Противоположные вертикальные осевые турбины 3, 3 размещены в протоке 25. Вертикальная осевая турбина 3 настоящего варианта осуществления является турбиной с поперечным потоком, содержащей вращающийся вал 31 и множество роторных лопаток 33. Вращающийся вал 31 установлен с возможностью вращения на подшипниках 26, 26, выполненных в верхней плите 21 и нижней плите 22 (см. фиг.4). Не смотря на то, что в настоящем варианте осуществления используются турбины с поперечным потоком в качестве вертикальных осевых турбин 33, 33, альтернативные варианты могут быть использованы в качестве турбин вертикально осевого типа.
[0022] Шкив 42, закрепленный на приводном валу 41 генератора 4, соединен со шкивом 32, закрепленным на вращающемся валу 31, при помощи ремня 43. Генератор 4 выполнен для осуществления генерирования электроэнергии при передачи вращательного усилия, вызванного вращением вращающегося вала 31 вертикальной осевой турбины 3, на приводной вал 41 при помощи ремня 43. К каждой вертикальной осевой турбине 3, 3 прикреплен генератор 4.
[0023] Подвижный затвор 5 относится к типу секторных затворов (т.е., радиальных затворов), у которых вал выступает в качестве центра вращения двух дугообразных дверей затвора. Затвор установлен с возможностью вращения на вращающемся валу 31 вертикальной осевой турбины 3 и содержит дугообразную корпусную часть 51, присоединенную к вращающемуся валу 31 при помощи подшипников 53, 53, и дугообразную зубчатую часть 52, расположенную на корпусной части 51. Зубчатый профиль, подходящий для зацепления с шестерней 54, образован на наружной окружности верхнего участка зубчатой части 52.
[0024] Плита 6 для сбора воды, предназначенная для захвата и накопления с напорной стороны воды, текущей через гидроканал, выполнена как одно целое или отдельно от края отверстия 8 для поступления воды. В гидравлической энергогенерирующей установке 1 настоящего изобретения накопленная вода проходит в корпус 2 через отверстие 8 для поступления воды, по мере накопления захваченной воды посредством плиты 6 для сбора воды. Соответственно, площадь поперечного сечения А потока отверстия, регулируемая подвижным затвором 5 является площадью дроссельного отверстия. Расход потока, действующего на вертикальную осевую турбину 3, определяют исходя из площади дроссельного отверстия и уровня воды Н, накопленной с напорной стороны посредством плиты 6 для сбора воды.
[0025] Кроме того, ускоряющие плиты 7, 7, расположенные противоположно, как представлено на фиг.1, установлены в корпусе 2. Поток воды в протоке 25 может быть ускорен посредством постепенного уменьшения площади отверстия 8 для поступления воды при помощи ускоряющих плит 7, 7. Ускоряющие плиты 7, 7 настоящего варианта осуществления выполнены в виде щитового затвора подъемного типа. Их вертикальный подъем создает промежуточное пространство относительно нижней плиты 22, и вода в протоке 25 может быть выпущена через указанное промежуточное пространство.
[0026] Далее будет раскрыто в отношении фиг.5 функционирование подвижного затвора 5 в гидравлической энергогенерирующей установке 1, выполненной согласно описанному выше. На фиг.5 представлено изображение, поясняющее функционирование гидравлической энергогенерирующей установки 1. На фиг.5(a) представлено открытое положение подвижных затворов 5, 5, а на фиг.5(b) представлено закрытое положение подвижных затворов 5, 5. На данной фигуре с целью уточнения положения подвижных затворов 5, 5 не изображены ускоряющие плиты 7, 7 и другие структуры.
[0027] Как представлено на фиг.5(a), когда подвижные затворы 5, 5 находятся в полностью открытом положении, площадь поперечного сечения потока, то есть площадь дроссельного отверстия, равняется А. В дальнейшем, площадь дроссельного отверстия обозначают при помощи А с числовым индексом, поскольку дроссельное отверстие обозначают при помощи площади поперечного сечения А потока.
[0028] Для перехода в закрытое положение, представленное на фиг.5(b), из описанного выше положения необходимо выполнить вращение двух шестерен 54, 54 в соответствии с указанными стрелками направлениями, как представлено на фиг.5(a). После чего, зубчатые части 52, 52, находящиеся в зацеплении с шестернями 54, 54, соответственно, переместятся к центральной части вдоль наружной окружности вертикальных осевых турбин 3, 3 в направляющих канавках 24, в которых они установлены, посредством вращения. Когда движение полностью завершится, внутренние верхние концы зубчатых частей 52, 52 будут находиться близко друг к другу. Это положение является закрытым положением. В этом положении площадь дроссельного отверстия становится приблизительно равной нулю, при этом блокируется поток воды, проходящий к вертикальным осевым турбинам 3, 3. Таким образом, вращение роторных лопаток 33 может быть остановлено. В этом положении выполняют работы по техническому обслуживанию вертикальных осевых турбин 3, 3, следовательно, нет необходимости перемещать гидравлическую энергогенерирующую установку 1 на поверхность земли при помощи крана или подобного. В результате, можно легко выполнить работы по техническому обслуживанию. При вращении шестерен 54, 54 соответственно в направлении, противоположном направлению стрелки, представленной на фиг.5(a), после завершения работ по техническому обслуживанию, подвижные затворы 5, 5 могут быть перемещены в направлении к внешней стороне (т.е., к боковым плитам 23, 23) вдоль наружной окружности вертикальных осевых турбин 3, 3. Кроме того, подвижные затворы 5 могут быть выполнены таким образом, чтобы изменять площадь поперечного сечения потока посредством открытия и закрытия, выполняемыми перемещением в направлении, перпендикулярном потоку 25.
[0029] В гидравлической энергогенерирующей установке 1 согласно настоящему изобретению площадь дроссельного отверстия может регулироваться посредством использования подвижных затворов 5, 5, как описано выше. Исходя из наличия отверстия, предполагается, что расход потока воды, проходящего к вертикальным осевым турбинам 3,3, будет уменьшаться с уменьшением площади дроссельного отверстия с тем, чтобы вызвать уменьшение вращающего усилия вертикальных осевых турбин 3, 3. Однако, фактически, согласно настоящему изобретению указанного выше не происходит. Основная идея настоящего изобретения будет описана на основании фиг.6.
[0030] На фиг.6 представлена схема, поясняющая отношение между дроссельным отверстием и вертикальными осевыми турбинами 3, 3 гидравлической энергогенерирующей установки 1. На фиг.6(a) площадь дроссельного отверстия представлена А1, а на фиг.6(b) площадь дроссельного отверстия представлена А2.
[0031] Согласно изображенному на фиг.6(a), вода, проходящая к вертикальным осевым турбинам 3,3, проходит через открытую часть дроссельного отверстия, имеющую площадь отверстия А1. Роторные лопатки, направляющие поток воды за пределы потока воды, проходящего в результате к центру между вертикальными осевыми турбинами 3, 3, являются роторными лопатками 33a, представленными на фиг.6(a). Между тем роторные лопатки, которые главным образом способствуют вращению вертикальных осевых турбин 3, 3, являются роторными лопатками 33b, представленными на данной фигуре. Следовательно, вращающее усилие вертикальных осевых турбин 3, 3, зависит от расхода потока воды, непосредственно воздействующего на верхние концы роторных лопаток 33b.
[0032] В отличие от этого, согласно представленному на фиг.6(b), где площадь дроссельного отверстия установлена равной А2, что меньше чем А1, посредством перемещения подвижных затворов 5, 5 в направлении закрытия, поток воды проходит через открытую часть, имеющую площадь отверстия А2. В этом случае, хотя площадь дроссельного отверстия становится меньше, количество воды, непосредственно протекающей к верхним концам роторных лопаток 33b, остается почти таким же. Таким образом, в гидравлической энергогенерирующей установке 1 настоящего изобретения возможно получить незначительное влияние на вращающее усилие вертикальных осевых турбин 3, 3, несмотря на уменьшение площади дроссельного отверстия. Соответственно, может стабильно осуществляться гидравлическое генерирование энергии во время регулировки уровня воды с напорной стороны. Причина этого будет описана ниже в отношении фиг.7-15.
[0033] На всех фиг.7-15, за исключением фиг.10, представлены изображения, полученные путем упрощения фиг.2. На фигурах представлена связь накопленного уровня воды с напорной стороны, расхода потока и скорости потока воды, вытекающего из дроссельного отверстия, при этом накопление воды с напорной стороны осуществляется посредством плиты 6 для сбора воды.
[0034] Рассмотрим фиг.7 в качестве примера для описания, при этом скорость потока VI представлена следующей формулой, где Q1, H1, V1, A1 и g соответственно обозначают расход потока с напорной стороны, эффективный перепад уровней воды, скорость потока воды, выпускаемого из дроссельного отверстия, площадь дроссельного отверстия и ускорение свободного падения.
1
1
[0035] V=√2gH
[0036] Здесь, указанное выше допущение выполнено как исключающее местное сужение потока.
Обозначим расход потока, выпускаемый из дроссельного отверстия, при помощи Q1, при этом расход потока Q1 представлен следующей формулой:
1
1
1
[0037] Q=A√2gH
[0038] Соответственно, если расход потока с напорной стороны и расход выходящего потока из дроссельного отверстия представить как Q1, эффективный уровень воды можно регулировать при помощи регулировки площади дроссельного отверстия, как представлено на фиг.7.
С другой стороны, в случае изменения расхода потока с напорной стороны, эффективный перепад уровня воды может поддерживаться постоянным посредством регулировки площади дроссельного отверстия.
[0039] Следует отметить, что важный аспект гидравлического генерирования энергии в гидроканале заключается в том, что существует необходимость, чтобы расход потока с напорной стороны и расход потока, выпускаемый из дроссельного отверстия, были равными для обеспечения максимально эффективного генерирования энергии. Например, как представлено на фиг.8, если расход потоков Q1, Q3 с напорной стороны меньше расхода потоков Q2, Q4, выпускаемых из дроссельного отверстия, эффективный перепад уровней воды H1, H2 снизится. С другой стороны, если Q1 и Q3 больше, эффективный перепад уровней воды H1, H2 увеличится.
[0040] В редком случае на протяжении целого года уровень воды в гидроканале будет оставаться постоянным. В частности, считается нормальным, если количество воды, предназначенной для сельскохозяйственного использования, в период полива приблизительно в 2-5 раза отличается от количества воды в период без полива. В этом случае, изменение количества воды влияет на скорость потока V воды, выпускаемого из дроссельного отверстия, и эффективный перепад уровней воды H.
[0041] Коррелятивное отношение изменения расхода потока с напорной стороны с изменением скорости потока V и эффективным перепадом уровней воды H, а также с изменением количества генерируемой энергии W=QgH будет описано в отношении фиг.9.
[0042] Количество генерируемой энергии W1 за расчетное время выражается следующей формулой: W1=Q5×g×H3. С другой стороны, при уменьшении расхода потока с напорной стороны, произойдет уменьшение Н4 и V4 в случае невозможности регулировки площади дроссельного отверстия.
[0043]Далее следует описание уровня воды в основном гидроканале согласно фиг.10. Исходя из основных функций гидроканала, форму поперечного сечения гидроканала и уклон гидроканал определяют в соответствии с планируемым количеством воды. Обычно, задают задачи и параметры планируемого гидроканала и проектируют поперечное сечение гидроканала для удовлетворения параметров, то есть для обеспечения запланированных расходов потоков (т.е., максимального и минимального расходов) проектируемого целевого гидроканала, и глубины воды Не запланированной величины потока (т.е. максимальное значение). Обычно, значение Нb устанавливают равным 80% значения На по глубине. Поперечное сечение гидроканала и уклон гидроканала определяют на основании формулы Маннинга и формулы Куттера, являющихся гидрологическими формулами. Обычно, скорость потока в гидроканале проектируют таким образом, чтобы средняя скорость потока составляла приблизительно от 1,2 м/сек до 1,5 м/сек. Дополнительно, типично скорость потока в гидроканале проектируют так, чтобы она увеличивалась по направлению к низовой стороне. Существенным фактором генерирования энергии в гидроканале является использование энергогенерирующего оборудования с одновременным сохранением функций гидроканала.
[0044] Значение указанного выше будет пояснено в отношении фиг.11. На фиг.11 представлено положение, в котором эффективный уровень воды H, скорость потока V и расход выходящего потока Qb из дроссельного отверстия получены при наличии расхода потока Qa из напорной стороны, верхнего уровня воды Ha и площади A дроссельного отверстия. Верхний уровень воды На является наиболее важным условием для поддержания функций гидроканала. Предполагается, что уровень воды не превысит максимально допустимую глубину воды Hb. Повышение высоты верхнего гидроканала становится необходимым в случае необходимости увеличения энергогенерирования.
[0045] Далее в отношении фиг.12 будут описаны положения гидравлической энергогенерирующей установки в период повышения уровня воды и в период понижения уровня воды без регулировки площади дроссельного отверстия. В период повышения уровня воды, расход потока +Qc, полученный при помощи верхнего уровня воды He, превышающего Hb, переливается через плиту 6 для сбора воды и не используется в энергогенерировании. Соответственно, предусматривается, что верхний уровень воды Не в период повышения уровня воды не должен превышать Hb. С другой стороны, в период понижения уровня воды верхний уровень воды Не понизится, и, следовательно, эффективный перепад уровней воды H также соответственно уменьшится. Соответственно, эффективность энергогенерирования гидравлической энергогенерирующей установки понизится вследствие двойного снижения, а именно снижения количества генерируемой энергии Qa и снижения H до неблагоприятного состояния, в котором общее количество генерируемой энергии уменьшится.
[0046] Далее будет выполнено описание в отношении фиг.13 и 14 касательно того, что гидравлическая энергогенерирующая установка настоящего изобретения может изменять верхний уровень воды посредством регулировки площади дроссельного отверстия, в указанные периоды повышения уровня воды и понижения уровня воды. В начале рассмотрим период понижения уровня воды, представленный на фиг.13, при этом в случае изменения площади дроссельного отверстия с А1 на А2, теоретические количества генерируемой энергии будут составлять соответственно W1=Qa×g×H1 и W2=Qa×g×H2. Разумеется, что может быть получено количество генерируемой энергии W2, большее W1. Причина, по которой может быть получено количество генерируемой энергии W2, заключается в том, что площадь дроссельного отверстия может быть изменена от А1 до А2. То есть, в этом случае, необходимо просто уменьшить расход выходящего потока из дроссельного отверстия для того, чтобы повысить поверхность воды до уровня воды, при котором могут поддерживаться функции гидроканала. То есть, необходимо просто переместить подвижный затвор 5 в направлении закрытия с тем, чтобы уменьшить площадь дроссельного отверстия. До тех пор пока посредством площади А2 дроссельного отверстия может поддерживаться Н2, может быть получено количество генерируемой энергии W2.
[0047] Аналогично, поскольку площадь дроссельного отверстия может быть увеличена таким образом, что перетекающий через край расход потока +Qc в период повышения уровня воды может быть использован для генерирования энергии, количество генерируемой энергии увеличится. В этом случае, необходимо просто увеличить расход выходящего потока из дроссельного отверстия для обеспечения уровня воды, при котором предотвращается перетекание через край расхода потока +Qc. То есть, необходимо просто переместить подвижный затвор 5 в направлении открытия для увеличения площади дроссельного отверстия. В этом случае, количества генерируемой энергии составляют W3=Qa×g×H3 и W4=(Qa+Qc)×g×H4. Благодаря указанному выше, максимальное количество генерируемой энергии увеличивается без возникновения перетекания через край потока, вызванное верхним уровнем воды.
[0048] Как описано выше, в гидравлической энергогенерирующей установке настоящего изобретения, поскольку площадь дроссельного отверстия может регулироваться посредством открытия и закрытия подвижного затвора, возможно увеличить количество генерируемой энергии без уменьшения эффективности гидравлического генерирования энергии и обеспечить функцию регулировки расхода потока. Кроме того, поскольку поток воды, текущий к вертикальной осевой турбине, может быть остановлен посредством полного закрытия подвижного затвора, то можно легко выполнить работы по техническому обслуживанию.
[0049] Далее будет рассмотрен случай, когда перетекание потока через край не может быть предотвращено лишь путем увеличения площади дроссельного отверстия при значительном увеличении количества воды. В этом случае, также возможно использовать структуру, в которой регулирующая расход потока открывающаяся часть выполнена в плите 6 для сбора воды, как представлено на фиг.15, для выпуска избыточной воды через открывающуюся часть на низовую сторону. Альтернативно, также можно использовать структуру, в которой дверь, выполненная с возможностью открытия и закрытия (не показана), установлена в плите 6 для сбора воды с тем, чтобы выпускать избыточную воду с напорной стороны гидроканала на низовую сторону без прохождения через проток посредством регулировки степени открытия двери, выполненной с возможностью открытия и закрытия, в соответствии с изменением уровня воды в гидроканале.
[0050] В указанной выше гидравлической энергогенерирующей установке 1 используются вертикальные осевые турбины 3, 3 двухосного типа. Однако также возможно использовать вертикальную осевую турбину 3 одноосного типа как представлено на фиг.16. На фиг.16 представлено открытое положение и закрытое положение подвижного затвора 5 в гидравлической энергогенерирующей установке 1, в которой используется вертикальная осевая турбина 3 одноосного типа. На указанной фигуре для обозначения одинаковых функциональных и конструктивных элементов используются позиции, аналогичным позициям для гидравлической энергогенерирующей установки 1. Следовательно, структура и работа практически аналогичны указанному выше, и их подробное описание не будет представлено.
[0051] В данном документе, не ограничиваясь вышесказанным, например, структура для размещения шестерни на низовой стороне, как представлено на фиг.17, может использоваться в качестве структуры, выполненной с возможностью открытия и закрытия, подвижного затвора 5.
[0052] В гидравлической энергогенерирующей установке 1, подвижный затвор 5 содержит полукруглую верхнюю плиту 55 основной корпусной части 51, имеющую зубчатый профиль, выполненный по ее периферии, в отличие от представленного выше варианта осуществления. Кроме того, как представлено на фиг.17(a), часть верхней плиты 55 присоединена к основной корпусной части. Часть верхней плиты 55 с зубчатым профилем находится в зацеплении с шестерней 54 таким образом, чтобы верхняя плита 55 вращалась при вращении шестерни 54 благодаря взаимному зацеплению. Таким образом, аналогично указанному варианту осуществления, обеспечивается открытие и закрытие подвижного затвора 5.
[0053] В предыдущем варианте осуществления, используют ручку 57 для осуществления вращения шестерни 54. То есть вращение шестерни 54 будет осуществляться посредством вращательного движения участка захвата 58 ручки 57, при этом конец ручки 57 прикреплен к верхнему концу вращающегося вала 56 шестерни 54.
[0054] Данный документ не ограничивается указанными выше вариантами осуществления и различные варианты осуществления, как описано ниже, могут быть приспособлены к настоящему изобретению без выхода за пределы объема настоящего изобретения.
[0055] Например, структура плиты 6 для сбора воды может быть изменена в зависимости от условий на гидроканале, на котором устанавливают гидравлическую энергогенерирующую установку 1. Как представлено на фиг.18, при установке гидравлической энергогенерирующей установки 1 на широкий гидроканал, оба концевых участка плиты 6 для сбора воды прикрепляют к стенкам гидроканала посредством крепежных скоб 61. В этом случае, кроме захвата и сбора воды, протекающей по гидроканалу, в функции плиты 6 для сбора воды также входит присоединение и фиксация корпуса 2 на гидроканале.
[0056] Напротив, как представлено на фиг.19, при установке гидравлической энергогенерирующей установки 1 на узкий гидроканал, оба концевых участка корпуса 2 непосредственно прикрепляют к стенкам гидроканала посредством крепежных скоб 61. В этом случае, в функции передней плиты 27 корпуса 2 входит как фиксирующая функция, так и функция плиты 6 для сбора воды.
[0057] Кроме того, как представлено на фиг.20, в случае установки на узком гидроканале без перепада уровней, плита 6 для сбора воды повышает уровень воды с напорной стороны и образует напор в гидроканале посредством улавливания и сбора воды, текущей по гидроканалу. Указанное выше обеспечивает то, что позиционная энергия, генерируемая напором, воздействует на вертикальную осевую турбину 3 в корпусе 2.
[0058] Кроме того, в случае широкого гидроканала, имеющего перепад уровней, представленный на фиг.21, большее количество энергии может действовать на вертикальную осевую турбину 3 посредством использования напора воды, текущей вниз на участке перепада уровней, при установке корпуса 2 с низовой стороны участка перепада уровней.
[0059] Более того, в случае установки на более широкий гидроканал, водозаборный приемник 62 может быть установлен на участке перепада уровней гидроканала, представленном на фиг.22. В данном случае, необходимо просто присоединить плиту 6 для сбора воды к водозаборному отверстию 62a водозаборного приемника 62, а также присоединить корпус 2 гидравлической энергогенерирующей установки 1 к его выпускному отверстию 62b. В этом случае, плита 6 для сбора воды выполнена в виде плиты 6A для сбора воды, расположенной перпендикулярно течению в гидроканале, или в виде плиты 6B для сбора воды, расположенной под углом к потоку в гидроканале. Исходя из указанного выше, плита 6 для сбора воды выполняет функцию сбора воды, текущей с напорной стороны в водозаборный приемник 62, расположенный в центре, в дополнение к созданию напора посредством повышения уровня воды с напорной стороны.
[0060] Кроме того, также существует возможность, чтобы ускоряющая плита 7 в качестве дополнительной функции выполняла выпускающую функцию, что будет описано ниже и не является существенным для гидравлической энергогенерирующей установки 1 настоящего изобретения.
[0061] То есть в гидравлической энергогенерирующей установке 1, представленной на фиг.23, ускоряющая плита 7 выполнена в виде щитового затвора подъемного типа, а выпускные отверстия 28, 28, через которые проходит вода, выполнены в боковых плитах 23, 23 на обеих сторонах корпуса 2. Соответственно, когда ускоряющие плиты 7, 7 подняты в вертикальном направлении, при условии, что подвижные затворы 5, 5 закрыты, как представлено на фигуре, вода в протоке 25 будет выпускаться за пределы корпуса 2 посредством прохождения через выпускные отверстия 28 из промежуточного пространства по отношению нижней плиты 22. Таким образом, даже если гидравлическая энергогенерирующая установка 1 остается установленной на гидроканале, работы по техническому обслуживанию компонентов, таких как вертикальная осевая турбина 3, расположенная в корпусе 2, и генератор 4, могут быть выполнены без остановки потока воды в гидроканале.
[0062] Кроме того, также возможно использовать структуру, представленную на фиг.24, в качестве модифицированного примера ускоряющей плиты 7.
Ускоряющая плита 7 является поворотным затвором, имеющим дверь 71 поворотного типа, выполненную с возможностью открытия и закрытия. Дверь 71, выполненная с возможностью открытия и закрытия, расположена в центре ускоряющей плиты 7. Дверь 71, выполненная с возможностью открытия и закрытия, установлена с возможностью вращения в направлении стрелки, изображенной на фигуре, вокруг вертикального вала 72. В этом случае, когда дверь 71, выполненная с возможностью открытия и закрытия, ускоряющей плиты 7 открыта, при условии, что подвижные затворы 5, 5 закрыты, вода в протоке 5 может быть выпущена из корпуса 2 через выпускное отверстие 28. В данном документе, без ограничения указанной выше структурой, в ускоряющей плите 7, имеющей выпускающую функцию, может быть использован скользящий затвор (не показан) одностороннего действия или двухстороннего действия, способный открываться и закрываться в горизонтальном направлении.
ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
[0063]
1
Гидравлическая энергогенерирующая установка
2
Корпус
21
Верхняя плита
22
Нижняя плита
23
Боковая плита
24
Направляющая канавка
25
Проток
26
Подшипник
27
Передняя плита
28
Выпускное отверстие
3
Вертикальная осевая турбина
31
Вращающийся вал
32
Шкив
33
Лопасть ротора
4
Генератор
41
Приводной вал
42
Шкив
43
Ремень
5
Подвижный затвор
51
Основная корпусная часть
52
Зубчатая часть
53
Подшипник
54
Шестерня
55
Верхняя плита
56
Вращающийся вал
57
Ручка
58
Участок захвата
6
Плита для сбора воды
61
Крепежная скоба
62
Водозаборный приемник
7
Ускоряющая плита
71
Дверь, выполненная с возможностью открытия и закрытия
72
Вертикальный вал
8
Отверстие для поступления воды
9
Отверстие для выхода воды
А
Дроссельное отверстие (площадь поперечного сечения потока).