Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные	Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения	Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела
Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки)

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2171910

ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Имя изобретателя: Толмачев В.Н.; Боровиков С.Н.; Савчук А.Д.; Лесина Л.Л. 
Имя патентообладателя: Военный инженерно-технический университет
Адрес для переписки: 191185, Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, 22, ВИТУ, бюро по изобретательству и патентной работе
Дата начала действия патента: 2000.02.21 

Гидроэлектростанция предназначена для преобразования энергии течения реки и может устанавливаться на любых реках и работать круглосуточно. Гидроэлектростанция содержит установленное в русле сооружение, состоящее из фундаментной плиты, боковых стен и перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки гидроколеса. Сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору и бонные сети, а боковые стены со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие соответственно конфузорный, рабочий и диффузорный канал. Одна из боковых стен имеет в рабочем канале секторный полукруглый вырез под гидроколесо, которое установлено в подшипниковых узлах выше дна реки и ниже кромки возможного ледяного покрова соответственно, нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии. Гидроколесо выполнено полым, состоящим из жестко установленных на валу двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти с длиной не более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180^o. Гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале может быть несколько. Рабочий канал со входом и выходом воды снабжен затворами и насосной установкой. Конструкция устройства позволяет увеличить надежность работы и круглогодичность использования.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к нетрадиционным электростанциям, не прерывающим нормального течения реки, не поднимающим ее уровень и не боящихся ледовых условий, то есть работающих одинаково в летних и зимних условиях. Электростанция может устанавливаться на любых реках и иметь достаточные электрические мощности для снабжения электроэнергией близлежащих потребителей.

Известна гидравлическая турбина [1], содержащая установленное в русле реки сооружение с гидроколесом с горизонтальной осью вращения, и состоящая из жестко закрепленных на оси опорных дисков, между которыми симметрично по окружности установлены лопасти с возможностью вращения на своих осях, параллельных оси гидроколеса, разделяющих лопасть на две неравные части. Гидравлическая турбина снабжена барьерами, установленными впереди и сзади гидроколеса и погруженными поперек потока воды на уровень оси гидроколеса.

Недостатком известного устройства [1], является сложность гидроколеса с поворотными лопастями, которые при работе получают механические удары о свои упоры. В виду множества поворотных узлов, работающих в водно-воздушной среде устройство обладает низкой надежностью, и большой стоимостью эксплуатации и обслуживания. Данное устройство не сможет работать в зимних условиях при ледяном покрове.

Известен гидроагрегат [2], содержащий установленное в русле реки сооружение с расположенными на горизонтальной оси гидроколесом, кинематически связанным с электрогенератором. Гидроколесо снабжено поворотными лопастями и системой их поворота в виде подвижных и неподвижных относительно своих осей шестерен c зубчатым соотношением 2/1, по периферии связанных между собой цепными передачами.

Недостатком известного устройства [2] являются: сложность гидроколеса с поворотными лопастями, многочисленными поворотными узлами и зубчатыми колесами с цепными передачами, что, в конечном итоге, ведет к снижению надежности и ресурса работы устройства в целом и к увеличению его стоимости, а и стоимости и сложности технического обслуживания гидроагрегата, работающего в водно-воздушной среде. Такое устройство не может работать в зимних условиях, при покрытии реки льдом.

Известна речная береговая гидроэлектростанция [3], содержащая сооружение, выполненное в виде бетонированного берега, и наполовину размещенное в сооружении (его полукруглом вырезе) гидроколесо с неподвижными лопастями и вертикальной осью вращения с подшипниковыми узлами вала гидроколеса, кинематически связанного с электрогенератором.

Недостатком известного устройства [3] является низкая эффективность работы гидроэлектростанции за счет сравнительно медленного течения реки у берега, а и не возможность работы в зимних условиях, когда река покрыта льдом.

Прототипом предлагаемого изобретения является гидроэлектростанция [4], содержащая установленное в русле реки сооружение с электрогенератором, редуктором, расположенным над водной поверхностью, и гидравлического колеса с вертикальной осью вращения, расположенного под водой и кинематически связанного через редуктор с электрогенератором, причем гидроколесо имеет неподвижные лопасти, выполненные таким образом, что один край его лопасти лежит на его внутренней образующей, а другой - на внешней и при этом длина лопасти не превышает радиуса гидроколеса, сооружение гидроэлектростанции снабжено спереди направляющим устройством в виде спрямляющего щита для потока воды.

Недостатком прототипа [4] являются:

- отсутствие жесткого основания у нижнего подшипникового узла (его опора) вызывает под действием гидравлических возмущений от работающего гидроколеса эрозию потоками воды дна реки и подмывание опор его гидроколес и основания;

- параллельное размещение в перпендикулярном течению реки сечении двух гидравлических колес может быть не всегда возможно, особенно на небольших реках,

- низкая эффективность самого гидроколеса, имеющего большое гидравлическое сопротивление, так как гидроколесо с лопастями представляет собой в проекции на перпендикулярную потоку воды плоскость сплошной прямоугольник, не пропускающий сквозь себя поток воды;

- незащищенность гидроколеса от плывущих в воде предметов, что значительно снижает его надежность;

- гидравлические возмущения потока воды в реке сзади гидравлических колес вызывают вредные экологические воздействия и эрозию русла реки;

- возникающие трудности при регламенте и ремонте нижних подшипниковых узлов гидроколес.

Указанные недостатки ставят задачу упрощения конструкции и увеличения ее надежности и живучести, а и обеспечения ее непрерывного круглогодичного функционирования.

Указанная задача достигается тем, что в конструкции гидроэлектростанции, содержащей установленное в русле реки сооружение с направляющим устройством потока воды, электрогенератор, редуктор, расположенные над водной поверхностью, и гидроколесо с неподвижными лопастями и с вертикальной осью вращения, расположенное под водой и кинематически связанное через редуктор с электрогенератором, сооружение гидроэлектростанции занимает часть центрального сечения реки и состоит из фундаментной плиты, боковых стен и перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки гидроколеса, сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору и бонные сети, а стены со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие, соответственно, конфузорный, рабочий и диффузорный канал, одна из боковых стен имеет в рабочем канале секторный, полукруглый вырез под гидроколесо, которое установлено выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова в подшипниковых узлах, соответственно, нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии, причем гидроколесо выполнено полым, состоящим из жестко закрепленных на вертикальном валу двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти длиной не более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180^o, лопасти гидроколеса установлены при помощи разъемных соединений, причем гидроколеса со своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале может быть несколько, а ее электрогенератор может быть выполнен в виде многополюсной динамомашины, работающей при малых оборотах ротора, и снабженная при надобности редуктором, а повышающая трансформаторная подстанция установлена на берегу, и сооружение гидроэлектростанции снабжено со стороны входа и выхода водотока затворами и насосной установкой.

Установка сооружения гидроэлектростанции в центральном сечении реки необходима: во-первых, для использования максимального скоростного потока воды в реке; во-вторых, для перепуска мимо гидроэлектростанции ледохода, бревен при сплаве и т.п., а и для обеспечения судоходства.

Введение фундаментной плиты необходимо для обеспечения жесткости и прочности конструкции гидроэлектростанции и формирования водотока, а и для исключения подмывания ее опор и основания под действием гидравлических возмущений от работающего гидроколеса (так как возможна эрозия потоками воды дна реки).

Введение боковых стен сооружения гидроэлектростанции необходимо для формирования водотока с конфузорным, рабочим, диффузорными каналами и полукруглыми вырезами, а и создания стен для перекрытия, в том числе и для помещения редуктора и генератора.

Введение расширений боковых стен со стороны входа воды и ее выхода, образующих соответственно конфузорный, рабочий и диффузорный канал, необходимо:

- расширение боковых стен (водотока) на входе (конфузорного канала) - для большего сбора воды и увеличения ее скорости протекания;

- рабочего канала - для установки в нем гидроколес, и успокоения потока воды между ними;

- расширение боковых стен (водотока) на выходе (диффузорного канала) - необходимо для увеличения давления воды в потоке и снижения ее скорости (для сброса в реку).

Введение перекрытия боковых стен сооружения гидроэлектростанции необходимо для придания жесткости всей гидроэлектростанции в целом, а и для размещения в нем верхнего подшипникового узла гидротурбины, и основания для помещения электрогенератора и при надобности редуктора.

Введение в сооружение гидроэлектростанции, перед ее водозабором ледорезной опоры и бонных сетей необходимо для обеспечения безопасной работы гидроэлектростанций во время ледохода, а и при сплаве леса по реке (деревьев в период паводков и т.п.).

Введение помещения для редуктора с электрогенератором над местом установки гидроколеса необходимо для защиты последних от внешних воздействий, в том числе в атмосферных, а и для обеспечения их нормального температурно-влажностного режима работы.

Введение нижнего подшипникового узла оси гидротурбины, который может быть герметизирован с собственной смазкой или смазываться водой, необходимо для установки гидротурбины с возможностью вращения и ее разгрузки (в случае закрепления гидротурбины только в верхнем подшипниковом узле) от радиальных сил, и, следовательно, повышения надежности и живучести гидроэлектростанции в целом.

Введение верхнего подшипникового узла необходимо для установки гидротурбины с возможностью вращения и восприятия основных механических нагрузок гидротурбины.

Введение в одной из боковых стен в рабочем канале секторного, полукруглого выреза под гидроколесо необходимо для повышения эффективности работы гидротурбины, т. е. для увеличения КПД преобразования энергии, проходящего через гидротурбину потока воды в ее крутящий момент.

Установка гидроколеса выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова в подшипниковых узлах, соответственно нижним - в фундаментной плите и верхним - в перекрытии необходимо для безопасной, круглогодичной и непрерывной работы гидроэлектростанции в целом, т.к. ей при этом не страшны перекатываемые по дну реки предметы, а и плывущие по поверхности предметы и ледяной покров в зимний период.

Выполнение гидроколеса полым, состоящим из двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти, необходимо для повышения эффективности работы гидротурбины, т.е. для увеличения КПД преобразования энергии проходящего через гидротурбину потока воды в ее крутящий момент.

Выполнение лопастей длиной не более 2/3 его радиуса и установка лопастей под углом к его радиусу в пределах от 0 до 180^o необходимо для выбора оптимальных размеров и угла расположения лопастей, в зависимости от размеров расширений боковых стен, секторного полукруглого выреза и параметров водяного потока в водоводе (рабочем канале).

Выполнение лопастей гидроколеса съемными, установленными пря помощи разъемных соединений, необходимо для мобильной замены поврежденных лопастей без замены (демонтажа) гидроколеса, а и для облегчения сборки (монтажа) гидроколеса и его транспортировки,

Установка нескольких гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале необходимо для увеличения снимаемой мощности гидроэлектростанции в целом.

Выполнение электрогенератора гидроэлектростанции в виде многополюсной динамомашины, работающей при малых оборотах ротора и снабженной при надобности редуктором, необходимо для обеспечения выработки электрического тока заданных параметров при тихоходном приводе - предложенном гидроколесе.

Размещение повышающей трансформаторной подстанции на берегу вне зоны затопляемости необходимо для облегчения конструкции сооружения гидроэлектростанции, а и повышения надежности и живучести сооружения в целом.

Снабжение гидроэлетростанции со стороны входа и выхода водотока затворами и насосной установкой необходимо для осушения водовода и обеспечения ремонта (технического обслуживания) гидротурбины и ее нижнего подшипникового узла.

Таким образом, выполнение гидроэлектростанции в виде совокупности вышеприведенных признаков является новым для гидроэлектростанций нетрадиционного типа с коллинеарным расположением гидроколес (с вертикальной осью вращения), что соответствует критерию "новизна".

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна в настоящее время из уровня техники и не следует из общеизвестных правил конструирования гидроэлектростанций, что доказывает их соответствие критерию "изобретательский уровень".

Конструктивная реализация гидроэлектростанции с указанной выше совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, отсюда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

На фиг. 1 представлена схема гидроэлектростанции в разрезе (вид спереди).

На фиг. 2 представлена схема размещения гидроэлектростанции в сусле реки в разрезе (вид сверху).

Гидроэлектростанция (примерный вариант схемы предлагаемой гидроэлектростанции) содержит (см. фиг. 1 и 2) установленное в русле реки 1 сооружение, состоящее из фундаментной плиты 2, боковых стен 3 и 4, перекрытия 5 с помещением 6 для редуктора 7 с электрогенератором 8 над местом установки гидроколеса 9 сооружение перед водозабором имеет лездорезную опору 10 и бонные сети 11, а стены 3 и 4 со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие, соответственно, конфузорный 12, рабочий 13 и диффузорный 14 каналы, одна из боковых стен 3 имеет в рабочем канале секторный, полукруглый вырез 15 под гидроколесо 9.

Гидроколесо 9 установлено выше дна реки 1 и ниже нижней кромки ее возможного ледяного покрова 16 в подшипниковых узлах, соответственно, нижнем 17 - в фундаментной плите и верхнем 18 - в перекрытии 5, причем гидроколесо 9 выполнено полым, состоящим из жестко установленных на вертикальном валу 19 двух параллельных горизонтальных дисков 20 и 21, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти 22 длиной и более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180^o, лопасти 22 гидроколеса 9 установлены при помощи разъемных соединений, причем гидроколес 9 со своими редукторами 7 и электрогенераторами 8 по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале 13 может быть несколько. Электрогенератор 8 может быть выполнен в виде многополюсной динамомашины, работающей при малых оборотах ротора и снабженной при надобности редуктором 7, а повышающая трансформаторная подстанция установлена на берегу. Сооружение гидроэлектростанции снабжено со стороны входа и выхода рабочего канала 13 затворами соответственно 23 и 24, и насосной установкой (на фиг. 1 и 2 не показана).

Работает гидроэлектростанция следующим образом. Поток движущейся в реке 1 воды (см. фиг. 1 и 2) обтекая ледорезную опору 10 и бонные сети 11, попадает в конфузорный канала 12, образованный стенками 3 и 4 гидроэлектростанции, при этом его скорость увеличивается, и далее в рабочем канале 13 попадает на гидроколесо 9. На лопастях 22 гидроколеса 9 часть механической поступательной энергии потока воды преобразуется в механическую энергию вращательного момента гидроколеса, который посредством вала 19 передается на редуктор 7 и из него - на электрогенератор 8, преобразующий механическую энергию вращения в электроэнергию.

Электроэнергия передается непосредственно в электросеть через опоры, расположенные на берегу, или же при использовании электрогенератора, выполненного в виде многополюсной динамомашины, работающей при малых оборотах ротора, электроэнергия передается на повышающую трансформаторную подстанцию, расположенную на берегу вне зоны затопления. Проходя через первое гидроколесо 9, поток воды снова попадает в рабочий канал 13, где спрямляется и поступает в последующее гидроколесо 9. После выхода из последнего гидроколеса поток воды попадает в диффузорный канала 14, где его скорость снижается и по выходе из которого смешивается с потоком воды в реке 1, обтекающим сооружение гидроэлектростанции. В зимнее время ледяной покров 16 вокруг вала 19 будет постоянно разрушаться последним, что позволит эксплуатировать гидроэлектростанцию круглогодично. При производстве ремонтных и регламентных работ опускают затворы 23 и 24 и воду из рабочего канала 13 откачивают при помощи насосной установки. При этом могут меняться как отдельные лопасти 22 и гидроколес 9, установленные при помощи разъемных соединений, так и гидроколеса 9 в целом, а и производится ремонт или замена нижнего подшипникового узла 17.

Таким образом, выполнение гидроэлектростанции в совокупности представленных признаков позволит:

- не поднимать уровень течения реки и не прерывать ее нормальное течение, так как гидроэлектростанция не имеет плотины;

- не бояться ледовых условий, т.е. работать одинаково в летних и зимних условиях;

- создать простую, надежную, компактную и недорогую конструкцию гидроэлектростанции (незначительный размер в плане, сравнительно небольшой объем строительных материалов, простота в технологии строительства и монтажа);

- устанавливать на одно гидроколесо генератор мощностью от 10 до 100-150 кВт.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент Российской Федерации N 2030627, кл. 6 F 03 B 7/00, 17/06, 10.03.95 г., Бюл. N 7.

2. Патент Российской Федерации N 2016220, кл. 6 F 03 B 7/00, 15.07.94 г. , Бюл. N 13.

3. Патент Российской Федерации N 2020260, кл. 6 F 03 B 7/00, 30.09.94 г. , Бюл. N 18.

4. Патент Российской Федерации N 2010992, кл. 6 F 03 B 13/00, 15.04.94 г., Бюл. N 7

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Гидроэлектростанция, содержащая установленное в русле реки сооружение с направляющим устройством потока воды, электрогенератором, редуктором, расположенным над водной поверхностью гидроколеса с неподвижными лопастями и с вертикальной осью вращения, расположенного под водой и кинематически связанного через редуктор с электрогенератором, отличающаяся тем, что сооружение гидроэлектростанции занимает часть центрального сечения реки и состоит из фундаментной плиты, боковых стен и перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки гидроколеса, сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору и бонные сети, а стены со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие соответственно конфузорный, рабочий и диффузорный каналы одна из боковых стен имеет в рабочем канале секторный, полукруглый вырез под гидроколесо, которое установлено выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова в подшипниковых узлах, соответственно, нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии, причем гидроколесо выполнено полым, состоящим из жестко установленных на вертикальном валу двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти с длиной не более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180°.

2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что лопасти гидроколеса установлены при помощи разъемных соединений.

3. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале может быть несколько.

4. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что ее электрогенератор выполнен в виде многополюсной динамо-машины, работающей при малых оборотах ротора и снабженной при надобности редуктором, а повышающая трансформаторная подстанция установлена на берегу.

5. Гидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена со стороны входа и выхода водотока затворами и насосной установкой.

Версия для печати
Дата публикации 11.01.2007гг

НОВЫЕ СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ
	Технология изготовления универсальных муфт для бесварочного, безрезьбового, бесфлянцевого соединения отрезков труб в трубопроводах высокого давления (имеется видео)
	Технология очистки нефти и нефтепродуктов
	О возможности перемещения замкнутой механической системы за счёт внутренних сил
	Свечение жидкости в тонких диэлектрических каналох
	Взаимосвязь между квантовой и классической механикой
	Миллиметровые волны в медицине. Новый взгляд. ММВ терапия
	Магнитный двигатель
	Источник тепла на базе нососных агрегатов