безнапорная гирляндная гидроэлектростанция для использования энергии течений рек и приливов

Формула изобретения

Безнапорная гирляндная гидроэлектростанция для использования энергии течений рек и приливов, содержащая преобразователь энергии, непосредственно преобразующий энергию поступательного движения водного потока в кинетическую энергию вращения и состоящий из одной или нескольких последовательно соединенных в гирлянду гидротурбин, каждая из которых выполнена в виде полого несущего вала-цилиндра с конусными обтекателями на основаниях, к которому прикреплены по образующей цилиндра или под углом к ней лопасти-полуцилиндры таким образом, что несущий вал-цилиндр вписывается во внутренние концы лопастей-полуцилиндров, а их наружные концы, стянутые между собой в нескольких местах узкими кольцами-обручами, образуют многолопастной цилиндр, отличающаяся тем, что на торцах цилиндра размещены полые балластные емкости в виде колец цилиндрической формы или в виде полых объемных поясов цилиндрической формы, жестко связанные с торцами верхних частей лопастей-полуцилиндров, но не закрывающие полностью торцы гидротурбины, в которых размещается балласт для обеспечения нейтральной плавучести гидротурбины и которые совместно с емкостью в полой части несущего вала-цилиндра и размещенным в ней балластом, регулируемым снаружи, позволяют гидротурбине всплывать на поверхность воды или погружаться в воду полностью, не нарушая при этом вращения и связи ее с соседними гидротурбинами в гирлянде преобразователя энергии и связи самого преобразователя энергии с подвижным силовым блоком, расположенным в нише на берегу, с помощью которого преобразователь энергии устанавливается на необходимую глубину и осуществляется передача вращения через системы передач и механизмы соединений от преобразователя энергии к электрогенераторам, расположенным на берегу, а также к механизму передвижения, находящемуся в подвижном силовом блоке и осуществляющему его перемещение вниз и вверх по нише.

Описание изобретения к патенту

Безнапорная гирляндная гидроэлектростанция (БГГЭС) относится к малой гидроэнергетике.

Известно изобретение RU №2261360 С2, Кл. F03B 13/00, 27.09.2005, в котором преобразователь энергии (ПЭ), преобразующий энергию движения водного потока в энергию вращения, эффективно работает на поверхности воды, используя энергию не только потока, но и волн. В погруженном положении его КПД снижается.

Задачей изобретения является повышение КПД при работе на глубине, усовершенствование конструкции гидротурбины (ГТ) основы ПЭ.

БГГЭС состоит из трех основных частей: одного или нескольких ПЭ, размещенных на определенной глубине, электростанций с электрогенераторами или гидрогенераторами, расположенными на одном или обоих берегах реки, и прибрежных систем передачи вращения (СПВ), соединяющих между собой первые две части.

На фиг.1 и 2 показаны общий вид и сечение ГТ.

ПЭ состоит из одной или нескольких последовательно соединенных в гирлянду ГТ.

ГТ выполнена в виде полого несущего вала-цилиндра 3 с конусными обтекателями 2 на основаниях. К валу-цилиндру 3 прикреплены по образующей его или под некоторым углом к ней лопасти-полуцилиндры 5 таким образом, что несущий вал-цилиндр 3 вписывается во внутренние концы лопастей-полуцилиндров 5. Наружные концы лопастей-полуцилиндров 5 крепятся между собой в нескольких местах по длине ГТ узкими кольцами-обручами 4. Причем кольца на торцах ГТ выполнены в виде полых объемных поясов 1 цилиндрической, трапецеидальной или иной в поперечном сечении формы. Они выполняют, с одной стороны, силовую роль, имея жесткую связь с торцами верхних частей лопастей-полуцилиндров 5, а с другой - являются емкостями для размещения балласта, обеспечивающего нейтральную плавучесть ГТ. Чем тяжелее конструкция ГТ, тем объемнее будут торцевые пояса, но при этом диаметр несущего вала-цилиндра остается неизменным. Следовательно, можно, не меняя эффективную длину лопастей-полуцилиндров, компенсировать любой вес ГТ и тем самым повышать КПД ГТ. Полые пояса не должны закрывать торцевые поверхности ГТ полностью. Необходимо обеспечить свободную циркуляцию воды внутри ГТ, чтобы предотвратить засорение и зарастание межлопастных пространств. Таким образом, ГТ - это многолопастной цилиндр, имеющий переменную плавучесть, регулируемую балластом в полой части несущего вала-цилиндра таким образом, чтобы ГТ могла погружаться в воду полностью, имея нейтральную плавучесть, или всплывать из нее.

Применение ГТ с лопастями в форме полуцилиндров позволяет увеличить не только полезную площадь лопастей, но и количество их, одновременно вовлекаемых в работу. В работе участвуют лопасти, находящиеся во II и III квадрантах (фиг.2), а лопасти в I и IV квадрантах своими выпуклыми поверхностями будут оказывать минимальное торможение. Направление вращения ГТ не изменится, если поток будет действовать с прямо противоположной стороны. Следовательно, ГТ может эффективно работать не только на однонаправленных течениях рек, но и на течениях приливов и отливов. Только в данном случае ГТ следует погружать ниже уровня отлива и ниже подошвы волны при сильном волнении во время отлива. Тогда будет обеспечена надежная работа ГТ при отливе в любую погоду. На реках же глубинное погружение ГТ сохранит их работоспособность в зимнее время в период ледостава и не будет препятствовать судоходству при свободной воде. Чтобы увеличить мощность на валу ПЭ, ГТ соединяются последовательно в гирлянду. ПЭ в виде гирлянды из ГТ устанавливаются между устоями на берегах и соединяются через специальные системы передач (СПВ) вращения с электрогенераторами или гидрогенераторами (ГГ), находящимися в зданиях электростанций (ЭС), образуя таким образом БГГЭС.

На фиг.3 показан план безнапорной гирляндной гидроэлектростанции.

Ее строят на крутых обрывистых берегах реки. Берега 7, "одетые" в железобетонные покрытия, имеют ниши 8, в которых размещаются подвижные силовые блоки (ПСБ) 9 СПВ, имеющие кинематические связи с ПЭ 5 и электрогенераторами или гидрогенераторами 13, находящимися в зданиях ЭС 11. ПЭ в своем составе имеет несколько ГТ 5, валы которых соединены между собой крестовым (гибким) соединением 6. Кроме того, между ними существует связь через гибкие шланги для подачи сжатого воздуха в полые емкости несущих валов-цилиндров 3 (на фиг.3 не показаны). ПЭ своими концами соединяется с ПСБ 9 на противоположных берегах 7. Для компенсации усилий при быстрых течениях могут применяться тросовые растяжки 16, крепящиеся к устоям 7, и компенсаторы натяжки 20 на фиг.4, крепящиеся к корпусу ПСБ, связанные с валами ПЭ соединениями, непрепятствующими их вращению. На ЭС 11 и 11а устанавливаются электрогенераторы или гидрогенераторы 13. На входе каждого ГГ стоят мультипликаторы 14 с рассчитанным коэффициентом передачи вращения. Если на один мощный ГГ работают несколько ПЭ: А, В и С, то используют сумматор (дифференциал с обратной функцией) 12 и обгонные муфты 26. Если же ГГ имеют разные скорости вращения с их возбудителями, то возможен вариант их раздельного подключения к соответствующим ПЭ. На фиг.3 два однотипных ГГ, имеющих разные скорости вращения со своими возбудителями, подсоединены своими рабочими валами к отдельным ПЭ: Е и G, а их возбудители (маломощные) - на один общий ПЭ - F. Для собственных нужд ЭС могут иметь свои ПЭ и ГГ (Д фиг.3) по обе стороны реки, обеспечивающие энергией все части БГГЭС и мастерские 15.

Экологически чистые ПЭ в то же время требуют к себе такого же отношения. Поэтому БГГЭС желательно строить в верху по течению от населенных пунктов, защищая их сетками 17.

Система передачи вращения (СПВ) должна осуществлять свои функции при любых положениях ПЭ. На фиг.4 показана схема ПСПВ. Она состоит из связки телескопических валов 10, на концах которой размещены узлы систем зубчатых передач с пересекающимися осями 18. Причем верхний узел 18 жестко связан с ГГ через мультипликатор 14 (возможно, и обгонную муфту 26 фиг.3), а нижний узел 18, находящийся в подвижном силовом блоке 9, соединен с одной стороны с ПЭ через управляемую муфту 21, а с другой - с механизмом передвижения 22.

Подвижный силовой блок (ПСБ) 9 служит для установления ПЭ на глубину, необходимую для работы или нужд навигации, подъема его на поверхность для профилактики, ремонта или замены, а также для компенсации всех силовых нагрузок, создаваемых течением реки на ПЭ. ПСБ 9 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, поставленного вертикально, с катками 19, позволяющими ему передвигаться по направляющим внутри ниши 8. Длина ПСБ должна быть такой, чтобы при полном его погружении на требуемую глубину верхний край его возвышался над поверхностью воды. ПСБ герметичен от проникновения воды. Внизу его крепится узел системы зубчатых передач 18, входной вал которого соединяется с валом ПЭ 5 через соединение 6 и управляемую муфту 21, находящуюся внутри корпуса ПСБ. На выходе ПСБ соединен с нижним валом 10 телескопической связки валов СПВ, а с другой - с механизмом передвижения 22, устройство которого показано на Виде А фиг.4.

Механизм передвижения (МП) необходим для осуществления передвижений ПСБ по направляющим внутри ниши 8. В его состав входят три управляемые муфты 21, 21а и 21б, две зубчатые передачи 24, червячная пара 25 и две наружные, по бокам ПСБ, зубчатые шестерни 23, входящие в зацепление с зубчатыми рейками (не показаны), закрепленные внутри ниши 8. МП задействуется подключением муфты 21 и одной из взаимоисключающихся муфт 21а или 21б. Тогда вращение от ПЭ передается на червячную пару 25 и на шестерни 23, насаженные на ось червячного колеса. В зависимости от того, какая из муфт 21а или 21б будет подключена, вращение червячной пары будет осуществляться по или против часовой стрелки и ПСБ будет смещаться вниз или вверх по нише 8. С помощью МП ПСБ вместе с ПЗ могут кратковременно опуститься вниз, пропуская крупногабаритное судно над ПЭ, не прекращая при этом рабочий режим ПЭ. Также ПСБ совместно с ПЭ могут быть подняты на поверхность для осуществления швартовых работ ПЭ с ПСБ. Безусловно, при всех таких операциях должна соблюдаться синхронность перемещений ПСБ на обоих концах ПЭ.

Гидротурбины в ПЭ под действием течения могут оказаться под каким-то углом к фронту течения. Для повышения их КПД можно использовать ГТ с лопастями-полуцилиндрами, поставленными под некоторым углом к образующей несущего вала-цилиндра. Это показано на ПЭ G.

Приливные электростанции с ПЭ данной конструкции отличаются от речных только береговыми устоями. Они могут быть естественными: фиорды, бухты и другие впадины и выступы суши, и искусственными в виде насыпей, пирсов, эстакад и других сооружений. КПД ПЭ будет выше, если с помощью ПСБ отслеживать уровень воды, удерживая ПЭ у поверхности или на другом участке с наибольшей скоростью течения.

Принцип действия БГГЭС следующий. Водный поток, действуя на открытые лопасти-полуцилиндры ГТ, заставляет их вращаться. Вращение передается через муфту 21, нижний узел системы передач 18 в ПСБ, связку телескопических валов СПВ 10 и верхний узел системы зубчатой передачи 18 на мультипликатор 14 и гидрогенератор 13 в ЭС 11.

БГГЭС данной конструкции найдут самое широкое применение на крупных реках Дальнего Востока, Сибири, Европейской части и в приливных зонах нашей страны. БГГЭС экологически чистая и дешевая в строительстве может обеспечить бесперебойное электроснабжение и городам и прибрежным поселкам, большим и малым промышленным предприятиям, расположенным в отдаленных местах, без протяженных линий электропередач.