БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ. Бесплотинная гэс

Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция

Предлагается бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция (БВГЭС), которая предназначена для выработки электроэнергии без сооружения плотины за счет использования энергии самотечного потока.

За счет изготовления различных типоразмеров под разные скорости течения, а также каскадного монтажа установки БВГЭС могут использоваться как в малых хозяйствах так и для промышленного производства электроэнергии, особенно в местах, удаленных от ЛЭП.

Конструктивно ротор ГЭС устанавливается вертикально, высота ротора от 0,25до2,5м...Фиксация конструкции на реках с ледоставом производится на дне русла, а в открытом (незамерзающем русле ) __ на закрепленном катамаране.

Мощность установки пропорциональна площади лопасти и скорости течения в кубе. Зависимость мощности, получаемой на валу БВГЭС от ее размеров и скорости течения, а также оценочная стоимость гидроагрегата представлена в следующей таблице:

Мощность БВГЭС , кВт в зависимости от скорости потока и размеров установки

Размеры БВГЭС		Стоимость БВГЭСу.е.	Скорость течения , м/с
Высотаротора	Ширина и длина	Стоимость БВГЭСу.е.	1,0	1,5	2,0
0,7	1,5х0,6	от 5000,0	10	-	>40,0

Срок окупаемости установки не превышает 1 года . Опытный образец БВГЭС прошел испытания на натурном водном полигоне.

В настоящее время имеется техническая документация для производства промышленных образцов по техническим условиям заказчика.

Напорные микро-и малые ГЭС

Гидроагрегаты для малых ГЭС предназначены для эксплуатации в широком диапазоне напоров и расходов с высокими энергетическими характеристиками.

МикроГЭС - надежные, экологически чистые, компактные, быстроокупаемые источники электроэнергии для деревень, хуторов, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц , хлебопекарен, небольших производств в отдаленных горных и труднодоступных районах, где нет поблизости линий электропередач, а строить такие линии сейчас и дольше и дороже, чем приобрести и установить микроГЭС.

В комплект поставки входят: энергоблок, водозаборное устройство и устройство автоматического регулирования.

Имеется успешный опыт эксплуатации оборудования на перепадах уже существующих плотин, каналов, систем водоснабжения, и водоотведения промышленных предприятий и объектов городского хозяйства, очистных сооружений, оросительных систем и питьевых водоводов. Более 150 комплектов оборудования поставлено заказчикам в различные регионы России, страны СНГ, а также в Японию, Бразилию, Гватемалу, Швецию и Латвию.

Основные технические решения, использованные при создании оборудования , выполнены на уровне изобретений и защищены патентами.

1. МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

с пропеллерным рабочим колесом - мощностью до 10 кВт (МГЭС-10ПР) на напор 2,0-4,5 м и расход 0,07 - 0,14 м3/с; - мощностью до 10 кВт (МГЭС-10ПР) на напор 4,5-8,0 м и расход 0,10 - 0,21 м3/с; - мощностью до 15 кВт (МГЭС-15ПР) на напор 1,75-3,5 м и расход 0,10 - 0,20 м3/с; - мощностью до 15 кВт (МГЭС-15ПР) на напор 3,5-7,0 м и расход 0,15 - 0,130м3/с; - мощностью до 50 кВт (МГЭС-50ПР) на напор 4,0-10,0 м и расход 0,36 - 0,80 м3/с;

с диагональным рабочим колесом - мощностью10- 50 кВт (МГЭС-50Д) на напор 10,0-25,0 м и расход 0,05 - 0,28 м3/с; - мощностью до100кВт (МГЭС-100Д) на напор 25,0-55,0 м и расход 0,19 - 0,25 м3/с;

2. ГИДРОАГРЕГАТЫ ДЛЯ МАЛЫХ ГЭС

-гидроагрегаты с осевыми турбинами мощностью до 1000 кВт; -гидроагрегаты с радиально-осевыми турбинами мощностью до 5000 кВт; -гидроагрегаты с ковшовыми турбинами мощностью до 5000 кВт;

СРОКИ ПОСТАВКИ

МикроГЭС10кВт; 15кВт поставляется в срок до 3 месяцев после подписания контракта. МикроГЭС 50кВт; поставляется в срок до 6 месяцев после подписания контракта. МикроГЭС 100кВт; поставляется в срок до 8 месяцев после подписания контракта. Гидроагрегаты поставляется в срок от 6 до 12 месяцев после подписания контракта.

Специалисты фирмы готовы помочь Вам определить оптимальный вариант установки микро-и малых ГЭС, выбрать оборудование для них, оказать помощь в монтаже и пуске гидроагрегатов, а также обеспечить сервисное обслуживание оборудования в процессе его эксплуатации.

СТОИМОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ

Микро-ГЭС-10	8280 у.е.
Микро-ГЭС-50	35880 у.е.
Гидроагрегаты с радиально-осевыми турбинами	276-296 у.е. за 1 кВт установленной мощности
Гидроагрегаты с осевыми и ковшовыми турбинами	336-296 у.е. за 1 кВт установленной мощности

Микро-ГЭС российского производства

Внешний вид

Микро-ГЭС 10 кВТ

Микро-ГЭС 50 кВт

ИнжИнвестСтрой

Интересно почитать

ecoteco.ru

Бесплотинная ГЭС | Малая и микрогидроэнергетика

В некоторых колхозах для получения электроэнергии приходится пользоваться локомобилем, нефтяным или бензиновым двигателем, что требует большой затраты труда и материальных средств на эксплуатацию двигателя и подвоз топлива. При наличии реки с достаточно быстрым течением можно построить дешёвую бесплотинную плавучую гидроэлектростанцию. Плавучая бесплотинная ГЭС обладает основным достоинством: она не требует плотины и водоотводящего устройства. Кроме того, подобную установку легко можно передвигать с одного места на другое.

В настоящее время старые бесплотинные установки не сохранились, новые не изготовляются. Между тем предприятия промкооперации, МТС и МТМ, да и сами колхозы могли бы строить подобные установки.

Схема гидродвигателя бесплотинной ГЭС.

Рис. 1. Кинематическая схема гидродвигателя бесплотинной ГЭС.

На рисунке. 1 приведена кинематическая схема многолопаточного гидродвигателя бесплотинной ГЭС, разработанного М. И. Логиным. Основой системы являются лопатки 4, на которые действует поток воды. Эти лопатки жёстко крепятся к штангам 2, расположенным горизонтально и шарнирно соединёнными с передним и задним коленчатыми валами 1 через кривошипы 3, расположенные относительно друг друга через 120 градусов. В каждый момент времени только одна группа лопаток полностью погружена в воду, лопатки же на других штангах в это же время находятся вне воды. Если какая-то группа лопаток находится в крайнем верхнем положении, то лопатки остальных групп наполовину находятся в воде.

Общая кинематический чертёж бесплотинной ГЭС

Рис. 2. Общая кинематическая схема плавучей ГЭС.

На рисунке 2 изображён схематический рисунок бесплотинной ГЭС, вид сбоку. Здесь видно, что те лопатки, которые находятся посередине, скоро погрузятся в воду, а те, что находятся в воде, скоро из неё выйдут и поднимутся наверх. Сдвиг в 120° между кривошипами гарантирует непрерывность работы системы — всегда какая-то группа лопаток будет находиться в воде, и её будет толкать течением вперёд.

Общий вид бесплотинной ГЭС

Рис. 3. Общий вид гидростанции.

Съём энергии с установки осуществляется следующим образом. На один из коленчатых валов электростанции установлен шкив 5, с которого через ременную передачу вращающий момент передаётся на электрогенератор. Эту бесплотинную ГЭС следует разместить на реке так, что бы горизонтальные штанги 2 были бы параллельны течению. Если изготовить электростанцию с тремя и более коленчатыми валами, то на реках с сильным течением можно будет получить гораздо большую мощность.

Б. Кашинский, М. Логин, 1956 год.

www.microhydro.ru

Живая страничка

Первый полномасштабный проект генератора морских течений в Уэльсе, разработанный Deltastream, достаточен чтобы подключить 10,000 домов, использующий энергию течений океана.

Первое устройство будет установлено в Ramsey Sound, графство Pembrokeshire.Это устройство, использующее энергии приливов и отливов(морских течений), будет подключено к общей энергосети. Энергия, произведённая образцом на 400 кВт, которое будет установлено в течение недель, будет использоваться, чтобы привести обеспечить ближайшие 100 соседних домов. После года тестирования до девяти приливных устройств будут установлены у поселения St Davids Head в Pembrokeshire, чтобы сформировать множество на 10 мегаватт.

Размещённая в Кардиффе Tidal Energy утверждает, что ее приливный генератор на острие зелёных технологий. Конструкция с тремя отдельными горизонтальными турбинами, установленными на общей треугольной структуре.

Устройство DeltaStream, разработанное Tidal Energy (TEL) , весит 150 тонн и имеет размеры 52 фута на 66 футов (16 метров на 20 метров).У каждой турбины есть ротор 49 футов (15 метров) диаметром, который связан с генератором, чтобы произвести электричество подводных течений отливов и приливов.Это не требует дорогого бурения на морском дне, одно из требований компании, и имеет особенности, чтобы минимизировать воздействия на окружающую среду.

"Неизбежный запуск DeltaStream и система поставок, которая теперь существует в результате ее развития, отмечают рождение приливной промышленности в Уэльсе", - сказал исполнительный директор Tidal Energy (TEL) Мартин Мерфи. "Мы остаемся преданными продвижению расширения промышленности и к созданию зеленых рабочих мест, основываясь на богатстве экспертных знаний, существующих в Великобритании и многочисленных ресурсов страны".

Сильные течения и морские волны могут произвести огромные объёмы энергии – и Объединённое королевсто(Великобритания), с ее длинными береговыми линиями, находится в идеальном положении, чтобы использовать эту энергию.

Приливная энергия получила £8 миллионов(фунтов стерлингов) финансирования для проекта от Европейского фонда регионального развития (European Regional Development Fund) , и финансируемый компанией-основателем, держателя контрольного пакета акций Welsh renewables company Eco2 , которая объединит усилия с TEL, чтобы установить дальнейшие устройства.

Руководитель Ассоциации Возобновляемой Энергии доктор Нина Скорапска сказал: "Многие наши участники океанской энергии в настоящее время стремятся, чтобы использовать энергию волн или конструкцию использующих энергию течений, с несколькими из типов этих устройств соединить в одну установку"."Когда это произойдет, сектор переместится в массовое производство, затраты упадут существенно, и энергия волн и течений(приливы и отливы) будет хорошо использована на пути к становлению крупными игроками в британской энергетической системе".

В целом, морская энергетика, как предсказывали, составляет £6.1 миллиардов ($10.3 миллиардов) британской экономике к 2035 году, создавая почти 20,000 рабочих мест.

Источник и видеодемонстрация

a-forester.livejournal.com

БЕСПЛОТИННАЯ ГЭС С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ РАЗГОНОМ ТЕКУЩЕГО ПОТОКА (ВАРИАНТЫ)

Настоящее изобретение относится к бесплотинным гидроэлектростанциям (БГЭС) с принудительным разгоном потока. Преимущественное использование данных установок на реках, имеющих малую скорость движения воды.

Известны многочисленные подобные устройства, использующие энергию движения массы воды, например, «Гидроэлектростанция» авторов Савчука А.Д., Болтрушевича В.В. и Кузнецова Р.С. по патенту РФ №2303707, МПК F03B 13/00 [1].

Данная ГЭС содержит сооружение с электрогенераторами, редукторами, расположенными над водной поверхностью и кинематически связанными с ними вертикальными валами гидроколес, диффузорные каналы для потока, образованные боковыми стенками, причем средняя стенка выполнена с полукруглыми вырезами с разных сторон, расположенными в шахматном порядке и образующими два рабочих канала для гидроколес.

Недостатком этого устройства является невозможность его работы при низких скоростях движения воды в реке.

Мощность таких русловых ГЭС пропорциональна кубической зависимости от скорости потока. При скоростях движения воды менее одного метра в секунду их работа не эффективна, а при скорости потока около 0,5 м/с они останавливаются, не вырабатывая электроэнергию.

Также при низких скоростях потока неработоспособны разного рода роторные и гирляндные БГЭС (см. Блинов Б.С. Гирляндные гидроэлектростанции. М., 1963 [2].

Известен также «Преобразователь энергии потока», содержащий корпус с входным конфузором и выходным диффузором, вращающиеся диски с лопастями разной крутки, маховичный и дополнительные диски, связанные общим валом с генератором, авторов Попова А.И. и Щеклеина С.Е. по патенту на полезную модель №101739, МПК F03D 1/00 [3].

В данном устройстве получено некоторое увеличение скорости движения потока через конструкцию за счет использования конфузорно-диффузорной схемы, однако при низких скоростях потока данное устройство также неработоспособно.

В качестве аналога может быть противопоставлен также японский патент JP60-45786A, 12.03.1985, F03B 17/02 [4].

Данное устройство представляет собой энергосистему, содержащую цилиндр, заполняемый водой, систему решеток, центральную горловину на периферийной части емкости и турбину, причем турбина размещается в струе обратного потока в нижней части горловины, а разгон потока воды производится с помощью давления газов, подаваемых в цилиндр с водой.

Недостатком подобной энергосистемы является необходимость создания внешнего источника газа высокого давления, его высокая стоимость из-за сложной конструкции и дополнительные технические трудности по автоматизации технологического процесса.

Ближайшим аналогом (прототипом), по мнению авторов, является «ГЭС с принудительным разгоном потока», авторов Яковенко А.Л., Ушаковой А.А. и др. по патенту РФ №2447229, МПК Е02В 9/00, F03B 1 17/00 [5].

Данное устройство содержит бассейн - емкость с водоворотной частью для потока, разгонное устройство, турбину, соединенную через редуктор с генератором, вынесенные за пределы бассейна и овалообразные устои, формирующие водовороты вокруг устоев и вдоль боковых стенок бассейна, направляя поток снова в турбину.

Подобная ГЭС может использоваться как с замкнутым обращаемым циклом движения воды, так и на речных потоках со слабым течением.

Основным недостатком данной ГЭС является использование взрывчатых веществ в разгонном устройстве, что технологически трудноосуществимо, опасно и требует многочисленных согласований на стадиях разработки и применения.

Кроме того, данная ГЭС также сложна по конструктивному исполнению и задачам автоматизации процесса выработки электрической энергии.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Технический результат предлагаемого решения заключается в следующем:

- повышена эффективность БГЭС в варианте предварительного накапливания энергии воды в емкости путем перекрытия потока поворотным лопастным прерывателем и последующего порционного импульсного спуска воды на турбину;

- повышение эффективности БГЭС в варианте установки нескольких подобных агрегатов параллельно друг другу в потоке и объединение кинематически их валов на общий вал редуктора, при этом обеспечивается поочередный спуск воды с агрегатов на турбину;

- повышена эффективность БГЭС за счет использования в качестве турбины от волновой энергетической установки, имеющей в ободе рабочего колеса тангенциальные пазы, более надежно захватывающие и отрабатывающие энергию импульсного потока.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая описываемую БГЭС, нами не обнаружена.

Таким образом, предлагаемое техническое решение, по нашему мнению, соответствует критерию «новое».

На основании сравнительного анализа предложенного решения с известным уровнем техники можно утверждать, что между совокупностью отличительных признаков, выполняемых ими функций и достигаемой задачей, предложенное техническое решение не следует явным образом из уровня техники и соответствует, по нашему мнению, критерию охраноспособности «изобретательский уровень».

Предложенное техническое решение может найти широкое применение при создании русловых бесплотинных гидроэлектростанций, в том числе и на очень слабых низкоскоростных речных потоках.

На фиг. 1 изображена БГЭС в варианте единичного агрегата, вид сбоку со снятой передней стенкой емкости, а на фиг. 2 - вариант структурной схемы БГЭС в составе нескольких агрегатированных подобных устройств, нагруженных на мультипликатор через их общий вал турбин (вид сверху).

Бесплотинная ГЭС в варианте единичного агрегата содержит емкость 1, в которую вмонтированы лопастной прерыватель 2 потока, поплавковый регулятор 3 уровня воды в емкости, тяга 4 от которого другим концом соединена с упором 5, подпружиненным пружиной 6, а в емкость вмонтирована турбина 7, вал которой соединен с какой-либо нагрузкой.

Бесплотинная ГЭС в варианте нескольких агрегатированных устройств содержит несколько емкостей с анологичными механизмами, но оси их турбин объединены общим валом, который соединен с валом повышающего редуктора (мультипликатора) 8, подключенного в свою очередь к электрическому генератору 9, причем поплавковые регуляторы уровня воды в емкостях установлены на разных уровнях.

«Бесплотинная ГЭС с принудительным разгоном текущего потока» в варианте единичного агрегата работает следующим образом.

Агрегат БГЭС устанавливается в речной поток V (фиг. 1). После наполнения водой емкости 1 до определенного уровня срабатывает поплавковый регулятор 3, который тянет тягу 4 кверху, при этом упор 5 движется вниз и освобождает лопасть прерывателя 2 потока, причем прерыватель под давлением воды поворачивается, пропуская на турбину 7 порцию воды. Уровень воды в емкости 1 резко падает, поплавок регулятора 3 опускается книзу, ослабевает натяжение тяги 4, и пружина 6 возвращает упор 5 в исходное положение, при этом в него упирается очередная лопасть повернувшегося прерывателя 2 потока для накапливания очередной порции воды.

Далее работа также циклично повторяется в автоматическом режиме.

«Бесплотинная ГЭС с принудительным разгоном текущего потока» в варианте нескольких агрегатированных устройств работает следующим образом.

Для того чтобы увеличить ее мощность и более равномерно передавать импульсы силы от порций воды на турбину 7, в речной поток V устанавливаются несколько подобных агрегатов, оси турбин которых кинематически связаны общим валом с редуктором 8, нагруженным на генератор 9 (фиг. 2).

Для того чтобы импульсные порции воды на турбины поступали со сдвигом во времени, поплавковые регуляторы 3 в агрегатах установлены на разных уровнях.

Возможен вариант конструкции БГЭС (не показан на чертеже 2), когда потоки воды после выходов от лопастных прерывателей 2 объединяются в одно русло и подаются на одну турбину.

Турбина 7, представленная на фиг. 1 в виде лопастного колеса, может быть заменена рабочим колесом из «Волновой энергетической установки» Пресмана С.Д.» по авторскому свидетельству СССР №1355754, F03B 13/12 [6].

В данной конструкции обод рабочего колеса имеет глухие тангенциальные пазы с наружной стороны ободьев. Вода, ударяясь в торцы пазов, вызывает вращение колеса с большим КПД. Рабочие колеса объединены в секции, а ободья с пазами смещены в окружном направлении относительно пазов соседних секций.

В предложенную бесплотинную ГЭС между турбиной 7 и прерывателем потока 2 может быть также подключен гидравлический таран по аналогии с «Бесплотинной гидроэлектростанцией» авторов Шестакова Я.И., Багаутдинова И.И. и др. по патенту РФ №2241092, МПК Е02В 9/00 [7].

В этом конструктивном варианте вода с помощью гидравлического тарана может быть поднята на значительную высоту и оттуда подаваться на турбину (не показано на чертеже). Это усложнит конструкцию, но позволит использовать более мощную турбину и, соответственно, получить на выходе БГЭС большую электрическую мощность.

По мнению авторов, предложенная конструкция БГЭС отличается простотой конструкции и обслуживания, не требует дополнительных устройств автоматизации и может найти широкое применение в народном хозяйстве в качестве мобильных русловых генераторов электрической энергии.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Савчук А.Д., Болтрушевич В.В., Кузнецов Р.С. Гидроэлектростанция. Патент РФ №2303707, F03B 13/00. Патентообладатель Военный инженерно-технический университет РФ (аналог).

2. Блинов Б.С. Гирляндные гидроэлектростанции, М., 1963.

3. Попов А.И., Щеклеин С.Е. Преобразователь энергии потока. Патент на полезную модель РФ №101379, МПК F03D 1/00. Патентообладатель Уральский федеральный университет (аналог).

4. Патент Японии JP60-45786A, 12.03.1965, F03B 17/02. Энергосистема для принудительного разгона воды (аналог).

5. Яковенко А.Л., Ушакова А.А. и др. ГЭС с принудительным разгоном потока. Патент РФ №2447229, F03B 9/00. Патентообладатель ФГОУ ВПО «Московский госуниверситет природообустройства» (прототип)».

6. Пресман С.Д. Волновая энергетическая установка Пресмана С.Д. Авторское свидетельство СССР №1355754, F03B 13/12 (аналог).

7. Шестаков Я.И., Багаутдинов И.Н. Бесплотинная гидроэлектростанция. Патент РФ №2241092, МПК Е03В 9/00 (аналог).

БЕСПЛОТИННАЯ ГЭС С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ РАЗГОНОМ ТЕКУЩЕГО ПОТОКА (ВАРИАНТЫ)

edrid.ru

БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ shram.kiev.ua

ИЗОБРЕТЕНИЕПатент Российской Федерации RU2221932

БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Имя изобретателя: Артамонов Александр Сергеевич; Колесниченко Александр Васильевич; Скляров Виктор Фёдорович Имя патентообладателя: Артамонов Александр Сергеевич; Колесниченко Александр Васильевич; Скляров Виктор ФёдоровичАдрес для переписки: 414052, г.Астрахань, ул. Яблочкова, 44, кв.57, А.С. АртамоновуДата начала действия патента: 2001.10.22

Гидроэлектростанция предназначена для преобразования энергии рек. Бесплотинная гидроэлектростанция содержит фундамент и турбины с лопатками и диафрагмами, вертикальный вал которых установлен на подпятнике подшипника фундамента и соединен посредством редуктора с электрогенератором. Гидроэлектростанция выполнена в виде башни, закрепленной на дне реки якорным устройством, при этом вертикальный вал турбин проходит внутри башни, а турбины с диафрагмами расположены параллельно друг другу и снабжены направляющим аппаратом с одной стороны, а с другой стороны - цилиндрическими сегментами, причем диафрагмы через пустотелые стойки скреплены анкерными болтами. У гидроэлектростанции пустотелые стойки снабжены обтекателями и установлены в направляющих элементах диафрагмы. У гидроэлектростанции фундамент снабжен вертикальным заостренным стержнем, заглубленным в дно реки, и стержнем с передней режущей частью и механизмом для ручного поворота и закрепления гидроэлектростанции. Конструкция гидроэлектростанции позволяет обеспечить преобразование энергии воды без строительства плотины.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к созданию и работе бесплотинных ГЭС на малых, маленьких, но особенно на больших могучих реках с большими глубинами и шириной русла, со скоростью течения от 0,5-1,0 м/с и выше, с возможностью соединения их в блоки или с размещением в рассредоточенном виде на поверхности реки.

Известны бесплотинные ГЭС, имеющие водяные колеса, являющиеся своеобразным энергетическим порогом в повышении производительности труда (см. Л.А. Мелентьев Программы топливно-энергетического комплекса, изд. "Техника", "Знание", М., 1986 г., 1, стр.20 [1]).

Основным существенным недостатком известной конструкции этого типа ГЭС является ее малая надежность и мощность, а и невозможность работы в зимний период с образованием ледового покрова.

Известна и и бесплотинная ГЭС, у которой несущей и вращающейся частью /валом/ является стальной трос с установленными на нем турбинками и перекинутым с одного берега на другой /ж. "Наука и жизнь", М., 1976 г., стр.12, 8 [2].

Основным недостатком данной бесплотинной ГЭС является малая надежность и крайне низкая мощность, а и невозможность использования в зимний период с образованием ледового покрова. Кроме того, к недостаткам всех известных бесплотинных ГЭС следует отнести невозможность их эксплуатации на крупных судоходных реках с использованием энергии больших глубин /гидравлической энергии текущей воды/ и включением их в общую энергетическую сеть.

Наиболее близкой к заявляемому устройству, аналогом-прототипом, является Гидроэлектростанция по патенту 2171910, содержащая 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 каналы. 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 и 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 180o. Гидроколесо 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.

Основными существенными недостатками аналога, выбранного в качестве прототипа, являются

- высокая материалоемкость и стоимость выполнения двухэтажной коробки здания гидроэлектростанции;

- выполнение работ под водой по возведению сооружения /коробки/, особенно на глубоких реках требует применения специальных устройств, например кессонов;

- устройство ледорезной опоры опять же увеличивает материалоемкость и стоимость гидроэлектростанции;

- к дополнительной стоимости гидроэлектростанции относится и устройство затворов с 2-х сторон рабочего канала, а и насосной установки;

- применение нескольких гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами в одном рабочем канале снижает эффективность последующих колес, установленных за первым за счет уменьшения скорости течения воды в канале и наличия завихрений за первым гидроколесом, т.е. кпд этих колес становится существенно меньше первого гидроколеса и приводит к увеличению стоимости гидроэлектростанции, удлинение же рабочего канала приведет к еще большей стоимости;

- нерационально и размещать гидроэлектростанцию в центральном сечении реки, что будет мешать пропуску по реке глубокосидящих судов;

- низкая мощность гидроэлектростанции - от 10 до 100-150 кВт, высокая материалоемкость и производство работ по возведению коробки здания под водой приводит не только к высокой стоимости строительства, но и высокой стоимости одного киловатт-часа, а и к длительной окупаемости столь дорогого сооружения, особенно на глубоких реках.

Целью изобретения является использование гидравлической энергии рек, независимо от их "мощности" на всю их глубину, круглые годы с достижением больших электрических мощностей и работой на общую энергетическую сеть, без строительства дорогих плотин, шлюзов и водохранилищ с сохранением земельных угодий с поселками и городами, улучшение экологии.

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами,

где на фиг.1 показан продольный разрез сдвоенных бесплотинных ГЭС;

на фиг.2 изображен поперечный разрез III-III с видом турбин с вогнутыми рабочими лопатками, направляющим аппаратом и цилиндрическим сегментом;

на фиг.3 показана часть турбины в поперечном сечении по II-II;

на фиг.4 показано продольное сечение по башенной бесплотинной ГЭС;

на фиг.5 изображен вид на турбину сверху с частичным вырезом по рабочим лопаткам, ротору и валу;

на фиг.6 показан продольный разрез цилиндрического сегмента;

на фиг.7 приведен поперечный разрез по сегменту;

на фиг. 8 изображен поперечный разрез пустотелой стойки с обтекателем и анкерным болтом;

на фиг.9 приведен продольный разрез одиночной башенной бесплотинной ГЭС малой мощности с облегченным фундаментом, имеющим заостренный стержень;

на фиг.10 приведен продольный разрез по микроГЭС;

на фиг. 11 показаны схемы размещения в реке бесплотинных ГЭС с якорными устройствами, в том числе и на плавучем средстве.

Бесплотинная ГЭС содержит фундамент 1 /фиг.1/, в частности с установленными на нем двумя ГЭС башенного типа 2, с вертикально расположенными валами 3, каждый из которых установлен в подпятник 4 /опорные подшипники/. Башни ГЭС разделены горизонтальными диафрагмами 5 /заштрихованными на чертеже/, между которыми размещены турбины 6 /для простоты изображения они показаны в виде прямоугольников с диагональными линиями, со свободным вращением между диафрагмами 5 на валу 3.

Между диафрагмами 5 установлены пустотелые цилиндрические стойки 24, обеспечивающие точное расстояние между диафрагмами, связь всей конструкции в единое целое и прочность конструкции башни за счет анкерных болтов 7, которыми стянуты элементы башни через стойки 24 и диафрагмы 5.

Сверху на диафрагмах 8 установлены редукторы 9, крепящиеся через муфты 30 с валом 3 и муфты 29 с электрогенератором 10 /см. фиг.4/. Прочность конструкции из редуктора с генератором достигается размещением их в цилиндрической оболочке 11 /фиг.4/, каждая с помощью косынок 12, выполненных таврового профиля, которые с помощью шпилек 26 крепятся к верхней диафрагме 8 в каждой башне ГЭС. Косынки 12 расположены равномерно по окружности на заданном расстоянии друг от друга.

Болтами 27, 28 осуществляется крепление в оболочке 11 генератора и редуктора (см. фиг.5). Турбина, показанная на этой фигуре, имеет сквозное отверстие 13 для пропуска и крепления вала 3 на шпонках 32, вогнутые рабочие лопатки 14, ротор 15 соединенные в единую конструкцию описываемой турбины.

На каждой диафрагме 5 размещен направляющий аппарат с лопатками 16, 17, 18, 19, 20, а с противоположной стороны диафрагмы колесо турбины 6 закрыто от набегающего потока воды цилиндрическими сегментами 21, выполненными в виде "швеллера" с полками 22 и крепящими к диафрагме шпильками 23.

Для предотвращения смещения элементов конструкции башни ГЭС пустотелые стойки 24 входят в направляющие элементы 25 всех диафрагм.

Поз. 33 - обтекатели стоек 24, поз. 24 - дно реки, поз. 35 показывает в виде стрелки направление текущей воды, поз.36 - перемычка /для прочности/ между 2-мя башенными ГЭС. При одиночной установке башенных ГЭС перемычка отсутствует. Поз.31 - монтажные петли генератора.

Работает бесплотинная башенного типа ГЭС следующим образом: по фиг.1 отметим, что на фиг.1 буквы ГВВ обозначают горизонт вод /половодье/, ГМВ - горизонт текущей воды-межень в реке после падения половодья, поверхность льда отмечена словом "лед".

Башня ГЭС устанавливается на фундамент в русле реки, как показано стрелкой 35, навстречу течению воды.

Текущая вода входит в направляющий аппарат 16-20, образованный криволинейными лопатками, с заданной скоростью и давит на вогнутые рабочие лопатки 14, которые приводят во вращение турбины 6 вместе с валом 3. Потеряв часть своей скорости и кинетической энергии, отработанная вода вытекает из лопаток турбин по течению реки так, как показано стрелками 60.

Установка цилиндрических сегментов 21-22 с противоположной стороны направляющего аппарата позволяет избежать действия течения на эту часть турбины за счет обтекания ее гладких поверхностей сегментов 21 по всей высоте башни и всех установленной на ней турбин. Для предотвращения даже малейшего перетекания текущей воды в зазоры между рабочими лопатками 14 турбин и поверхностей сегментов 21 каждая рабочая лопатка 14 турбин 6 имеет на концах уплотняющие пластины /устройства/, которые, выступая за концы рабочих лопаток 14, скользят по внутренним поверхностям цилиндрических сегментов 21, перекрывая хотя бы и небольшие, но обязательно образующиеся при изготовлении и монтаже зазоры. В результате приложение сил от текущей воды реки на турбины 6 по всей высоте башни ГЭС осуществляется только в зоне расположения направляющих аппаратов 16-20 с беспрепятственным обтеканием водой наружных поверхностей сегментов 21, не оказывая противодавления для вращения турбин и работы бесплотинной ГЭС. Выполнение рабочих лопаток 14 турбин вогнутыми обеспечивает образование "ковшей" и способствует более эффективному использованию кинетической энергии свободно движущейся воды реки. Этому же направлению, т.е. повышению использования кинетической энергии течения реки на турбинах 6 способствует и направляющий аппарат, лопатки которого (16, 17, 18, 19, 20) выполнены с таким расчетом профилей, чтобы изменять направление движения потока воды так, чтобы направление ее движения на рабочие лопатки 14 приближалось к перпендикулярному направлению к касательной к средней линии, проходящей по среднему диаметру рабочих лопаток 14.

В качестве уплотняющих материалов концов рабочих лопаток 14 в настоящее время имеется масса различных материалов: пластические /гибкие/ резиновые различных модификаций, пластмассовые, и с широким выбором их свойств, способных надежно выполнять свои уплотнительные функции при длительной работе ГЭС и различных температурах, в том числе низких, а и существует широкий выбор композиционных материалов на основе металлов и конструкций для их крепления на лопатках.

В качестве примеров на фиг.9 и 10 показаны бесплотинные ГЭС той же конструкции, что и вышеописываемой, но только небольших мощностей с облегченными фундаментами для применения на малых реках и речушках, например, по фиг. 9 башня 37 с турбинами, фундамент и столбчатого типа 38/39 и заостренный стержнем 40, способствующий дополнительной устойчивости башенной ГЭС, редуктор 41 и генератор 42.

МикроГЭС на фиг.10 ничем не отличается по конструкции от ГЭС башенного типа по фиг.1 и 9, однако ее можно опускать в реку с лодок или льда вручную, так как сама башня с турбинами 43 имеет фундамент 44 облегченного типа с заостренным стержнем, на конце которого выполнено режущее устройство подобно буру.

Для сцепления с дном рек буром 45 микроГЭС заворачивается вручную с помощью труб 46, выполненных на устройстве, и дополнительных стержней 47. Редуктор 48, генератор 49.

Описываемые бесплотинные ГЭС классифицируются как малые ГЭС, однако такие ГЭС башенного типа, которые изображены на фиг.1, могут заменить любую самую мощную обычную ГЭС плотинного типа, причем вырабатывать электроэнергию с самой низкой стоимостью одного киловатт-часа, так как не требуется ни сверхсложных и дорогих плотин, ни водохранилищ и огромных подготовительных работ, сопутствующих обычным плотинным ГЭС.

В этом случае придется строить шлюзы для пропуска судов /на фиг.11 они не показаны/, а крупные или средние реки перегораживаются башенными ГЭС 50 с промежутками между ними так, как показано на фиг.11 /на месте стрелки 59 для пропуска судов и устанавливаются башни 50 ГЭС/.

Чтобы полностью использовать всю гидравлическую энергию реки, представляющую собой работу, которая совершает текущая в ней вода (см. учебник для вузов "Гидроэнергетика", А.Ю. Александровский и др. -М.: Энергоатомиздат, 1988 г., cтр. 5-271 [3]), башенные ГЭС устанавливают в несколько рядов поперек реки на заданном расстоянии друг от друга, а для устойчивости и прочности скрепляются балками 51 и якорными устройствами 52. На фиг.11 показано только два ряда башенных ГЭС 50 /на фиг.1 башни ГЭС обозначены цифрами 2, что одно и то же/.

Для избежания сильного стеснения русла реки башенные ГЭС можно устанавливать на заданном расстоянии друг от друга поперек русла реки и на заданном расстоянии вдоль реки не только в два ряда, как это показано на фиг.11, но и в несколько раз больше, согласно расчету и модельным испытаниям.

Кроме того, ГЭС можно строить из отдельных блоков по высоте, скрепляя их между собой, которые имеют свои редуктор и электрогенератор подводного исполнения. При этом каждый блок башенного типа включается в работу тогда, когда этому соответствуют годовые циклы колебаний стока реки-половодье это /все блоки работают по высоте/, межень с малым расходом - только, например, нижние блоки башни ГЭС. При образовании покрова льда включаются соответствующие нижние блоки, работающие только под льдовым покровом.

В некоторых случаях будет целесообразным, особенно на реках Сибири и Дальнего Востока в период образования ледового покрова, осуществлять демонтаж верхних блоков башни ГЭС с сохранением их под навесами или в закрытых помещениях, так как этот период бывает большую часть года. Напомню, что все ГЭС крепятся между собой перемычками 36, балками 51 и якорными устройствами 52.

Далее, на фиг.11 показаны схемы размещения одиночных ГЭС 53, что соответствует поз.2 на фиг.1 /описано это выше/, раскрепленных якорными устройствами 52, якорями 54 и жесткими балками 55. Показано плавучее средство 56 с балкой 57 с башенной ГЭС 58, например, по фиг.9.

Использование предлагаемой конструкции бесплотинной ГЭС обеспечивает получение дешевой электроэнергии в любом географическом районе России, в частности на реках Сибири и Дальнего Востока, а и на ранее построенных гидроузлах неэнергетического назначения, например, в створах Астраханского Вододелителя и других малых гидроузлах, принадлежащих Вододелителю, на оросительных каналах. Особенно целесообразным становится освоение русла р.Лены, на р. Амгуэме на Чукотке и р.Кроноцкой на Камчатке, где особенно ощущается нехватка электроэнергии.

Кроме того, приведенная конструкция бесплотинной ГЭС позволяет осуществлять ее монтаж в любую погоду и в самые кратчайшие сроки, так как ГЭС практически полностью готовится /изготовляется/ в заводских условиях.

Предлагаемые бесплотинные ГЭС могут успешно работать как в автономном режиме с последовательным наращиванием мощностей по получению электроэнергии на крупных, средних и малых речушках, так и в виде каскада ГЭС для получения сотен тысяч и миллионов киловатт установленной мощности или миллиардов киловатт-часов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что пустотелые стойки снабжены обтекателями и установлены в направляющих элементах диафрагмы.

3. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что ее фундамент снабжен вертикальным заостренным стержнем, заглубленным в дно реки, и стержнем с передней режущей частью и механизмом для ручного поворота и закрепления гидроэлектростанции.

Версия для печатиДата публикации 11.01.2007гг

www.shram.kiev.ua

БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам преобразования энергии самотечного потока (речного и морского течения) в энергию электрическую.

Известна гидроэлектрическая установка, выполненная в виде катамарана, с входным диффузором перед началом рабочего канала и выходным диффузором после его окончания, с основной гидротурбиной в рабочем канале с деталями проточной части, расположенными двумя рядами в шахматном порядке, с валами основных турбин, установленными на корпусах катамарана и кинематически связанными с ними генераторами электрического тока, содержащая также в выходном диффузоре дополнительные гидротурбины с вертикальными осями вращения и кинематически связанными с ними генераторами электрического тока, а корпуса катамарана имеют в плане трапециевидную форму, рабочий канал между корпусами катамарана разделен перегородкой на отдельные рабочие каналы, переходящие в выходном диффузоре во вспомогательные каналы с погруженными в них дополнительными гидротурбинами, детали проточной части основных турбин выполнены в виде ковшей, в конце внешних обводов корпусов катамарана закреплены вихреотводы (см. SU 1474317 A, 23.04.1989, F03B 7/00).

Основными недостатками этой гидроэлектрической установки являются: невозможность функционирования в зимнее время при наличии ледяного покрова; ограниченная зона контакта лопастей основных гидротурбин с потоком воды по причине высокого расположения их осей вращения; высокая материалоемкость из-за необходимости использования катамарана.

Наиболее близкой по своей технической сути и достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция, у которой лопастное колесо со складывающимися лопастями расположено горизонтально, а вертикальный корпус разделен на барабаны и установлен на опоре с возможностью вращения взаимодействием роликов с круглыми направляющими, связанными с наружными поворотными ступенчато открывающимися лопастями, оси вращения которых смещены относительно друг друга на одинаковый угол. Основной и резервный электрогенераторы закреплены на опоре и связаны с корпусом и зубчатым колесом механической передачей. Внутренняя часть корпуса снабжена решетками, являющимися продолжением наружных поворотных лопастей, и неподвижными внутренними лопастями, выполненными из свободно закрепленных створок, опирающихся на решетку. Наружные лопасти установлены с обеспечением перекрытия внутренних лопастей в нерабочем положении и их более раннего вступления в работу (см. RU 1836586 A3, 23.08.1993, F03B 9/00).

Основными недостатками этой бесплотинной гидроэлектростанции для предлагаемого использования являются: расположение электростанции на дне потока воды, где активно перемещаются абразивные частицы песка и другие осадки, негативно влияющие на работоспособность узлов трения; наличие конструктивных узлов, требующих точного кинематического взаимодействия контактных деталей; многоступенчатая кинематическая схема мультипликации, снижающая коэффициент полезного действия устройства.

В основу изобретения поставлена задача обеспечения регулируемой глубины погружения гидроэлектростанции с возможностью расположения ее как на дне водного потока, так и внутри потока в подвесном положении, уменьшения количества ступеней мультипликации, повышающего коэффициент полезного действия, упрощения доставки гидроэлектростанции к месту ее эксплуатации и облегчения обслуживания и ремонта.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в бесплотинной гидроэлектростанции с лопастным колесом и корпусом, установленным на опоре, согласно изобретению, центральная вертикальная часть корпуса выполнена в виде полого герметичного цилиндра, заполняемого по мере необходимости водой или воздухом, а горизонтальная часть корпуса, жестко соединенная с цилиндром, представляет собой ферму, на которой размещены кольцевая дорожка под опорные ролики лопастного колеса, лопастное колесо, вращающееся вокруг полого цилиндра, опора ведомой звездочки первой ступени кинематической схемы передачи оборотов от лопастного колеса к генератору электроэнергии, боковые заграждения, функционально выполняющие роль входного и выходного диффузоров.

Кроме того, лопастное колесо представляет собой пространственную конструкцию в виде кольца, кольцевые стороны которого и внутренняя кольцевая поверхность закрыты, а наружная кольцевая сторона открыта, причем внутреннее пространство лопастного колеса разделено на секторы, в каждом из которых размещена лопасть с возможностью разворота внутри сектора на оси, расположенной со стороны наружной кольцевой поверхности, а свободным концом опирается на кронштейн, закрепленный на внутренней кольцевой поверхности лопастного колеса, кроме того, на внешней стороне внутренней кольцевой поверхности лопастного колеса установлены ролики с вертикальной осью вращения, а под наружной кольцевой поверхностью колеса размещены ролики с горизонтальной осью вращения, посредством которых лопастное колесо при вращении опирается соответственно на боковую поверхность цилиндра и на кольцевую дорожку, расположенную на ферме, а также над наружной кольцевой поверхностью лопастного колеса по его периметру закреплены звездочки цепной передачи.

Кроме того, кинематическая схема вращения от лопастного колеса к генератору электроэнергии трехступенчатая и содержит: в первой ступени передачи - закрепленные на верхней боковой поверхности по периметру лопастного колеса звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, размещенную на оси опоры, закрепленной на ферме; во второй ступени передачи - закрепленную на ведомой звездочке первой ступени раму, по периметру которой закреплены звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, размещенную на оси, закрепленной на верхнем днище цилиндра; в третьей ступени передачи - закрепленную на ведомой звездочке второй ступени раму, по периметру которой закреплены звездочки, тяговую цепь и ведомую звездочку, передающую вращение на вал, один конец которого размещен в опоре, закрепленной на верхнем днище цилиндра, а другой выведен на технологическую платформу и содержит конструктивный элемент, при посредстве которого вал взаимодействует с валом генератора электроэнергии.

Кроме того, бесплотинная гидроэлектростанция содержит технологическую платформу, расположенную над цилиндром и жестко с ним связанную, на которой размещены генератор электроэнергии, компрессор, приводы задвижек, обеспечивающих по мере необходимости поступление воды и воздуха в цилиндр, крепежные узлы якорных устройств с приспособлениями для регулирования натяжения гибких связей якорных устройств.

Предложенное техническое решение отличается от прототипа и ему подобных устройств тем, что конструктивная схема соединения вертикальной части корпуса с его горизонтальной частью позволяет располагать бесплотинную гидроэлектростанцию на слабых придонных грунтах водного потока с опорой на большую поверхность нижнего дна цилиндра. При этом подвижные части предложенной гидроэлектростанции располагаются за пределами зоны активного переноса абразивных частиц, перемещаемых потоком воды.

Наличие цилиндра, заполняемого по мере необходимости водой или воздухом, обеспечивает возможность расположения предложенной бесплотинной гидроэлектростанции как на дне водоема, так и непосредственно в толще водяного потока в подвесном положении. Это отличие от прототипа облегчает доставку бесплотинной гидроэлектростанции к месту ее эксплуатации, а в дальнейшем облегчает регламентный осмотр и, в случае необходимости, ремонт подвижных частей устройства.

Наличие закрытых кольцевых поверхностей секторов лопастного колеса в предложенной бесплотинной гидроэлектростанции, в течение времени контакта подвижной лопасти с опорным кронштейном, создает в секторе лопастного колеса пространство в форме ковша, способствуя тем самым повышению силового воздействия потока воды на проворот лопастного колеса.

Использование в кинематической схеме передачи вращения от лопастного колеса к генератору электроэнергии тяговой цепи и звездочек, среди которых одни вращаются, а другие закреплены на вращающихся рамах, позволяет сократить количество ступеней передачи оборотов до трех за счет возможности получения больших передаточных чисел в такой схеме (до 50 и более) и обеспечивает высокий коэффициент полезного действия. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет создавать подобные устройства большей единичной мощности, ограниченной только прочностными свойствами конструкционных материалов.

Техническим результатом заявленного технического решения является расширение области применения бесплотинной гидроэлектростанции за счет расположения ее как на дне водоема, так и непосредственно в толще водяного потока, а простая конструктивная и оригинальная кинематическая схема передачи вращения с лопастного колеса на генератор электроэнергии позволяют создавать бесплотинные гидроэлектростанции большой единичной мощности, ограниченной только прочностными свойствами конструкционных материалов.

Дальнейшая сущность изобретения поясняется совместно с иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - конструктивная схема предложенной бесплотинной гидроэлектростанции, вид сбоку; фиг.2 - схема взаимного расположения функциональных элементов конструкции, вид в плане.

Бесплотинная гидроэлектростанция содержит корпус, вертикальная часть которого выполнена в виде полого герметичного цилиндра 1 с соединенной с ним технологической платформой 2, а горизонтальная часть - в виде фермы 3.

На ферме 3 закреплены кольцевая дорожка 4, опора 5 ведомой звездочки 6 первой ступени мультипликации оборотов лопастного колеса 7, боковые заграждения 8 в виде входного (зона А) и выходного (зона В) диффузоров, а также размещено лопастное колесо 7 в виде кольца с вертикальной осью вращения, верхняя и нижняя поверхности которого закрыты, по периметру кольца в нижней его части расположены опорные ролики 9 с горизонтальной осью вращения, в верхней части - звездочки 10 первой ступени мультипликации оборотов лопастного колеса 7, а на внешней стороне внутренней кольцевой поверхности колеса 7 - ролики 11 с вертикальной осью вращения, посредством которых лопастное колесо 7 при вращении опирается на боковую поверхность цилиндра 1. Внутреннее пространство лопастного колеса 7 разделено на секторы, в каждом из которых размешена лопасть 12 с возможностью разворота ее на оси 13 таким образом, что в зоне активного силового воздействия водного потока на лопасть 12 она контактирует с опорным кронштейном 14 и формирует пространство в виде ковша, а в зоне пассивного воздействия (при обратном направлении движения колеса 7) - разворачивается в сторону наружной кольцевой поверхности лопастного колеса 7, раскрывая тем самым пространство в виде ковша и уменьшая сопротивление вращению лопастного колеса 7.

Кинематическая схема передачи вращения от лопастного колеса 7 к генератору электроэнергии 15, расположенному на технологической платформе 2, трехступенчатая.

Первая ступень кинематической схемы передачи оборотов (мультипликация) включает звездочки 10, закрепленные неподвижно по периметру лопастного колеса 7, тяговую цепь 16, передающую усилие от кругового перемещения звездочек 10, и ведомую звездочку 6, свободно вращающуюся на оси, закрепленной на опоре 5.

Вторая ступень передачи вращения содержит раму 17 с закрепленными на ней звездочками 18, тяговую цепь 19 и ведомую звездочку 20. Рама 17 жестко закреплена на ведомой звездочке 6 первой ступени передачи вращения.

Третья ступень передачи вращения содержит раму 21 с закрепленными на ней звездочками 22, тяговую цепь 23 и звездочку 24, расположенную на вале 25. Рама 21 жестко соединена со звездочкой 20.

Звездочка 24 передает вращение на вал 25, один конец которого размещен в опоре 26, закрепленной на верхнем днище цилиндра 1, а другой конец выведен на технологическую платформу 2 и содержит конструктивный элемент 27, например муфту, при помощи которого вал 25 взаимодействует с валом генератора электроэнергии 15.

На технологической платформе 2 размещены узлы крепления и регулировки натяжения гибких связей 28 якорных устройств, компрессор, помещение для обслуживающего персонала, управление задвижками, регулирующими заполнение цилиндра 1 водой или воздухом, и средства, предусмотренные правилами безопасности для объектов, располагаемых на воде (не показаны ввиду общеизвестности).

Предложенная бесплотинная гидроэлектростанция (ГЭС) работает следующим образом.

Конструкцию бесплотинной гидроэлектростанции с зафиксированными в нерабочем положении лопастями 12 лопастного колеса 7 буксируют в плавучем положении к месту эксплуатации (где заблаговременно установлены якорные устройства) при заполненном воздухом цилиндре 1.

На месте эксплуатации бесплотинной гидроэлектростанции ее закрепляют на якорных устройствах посредством гибких связей 28, путем регулировки натяжения которых гидроэлектростанцию разворачивают входным диффузором (зона А) навстречу потоку, соединяют сеть генератора электроэнергии 15 с подводным кабелем (не показан в виду общеизвестности), разблокируют лопасти 12 лопастного колеса 7 и путем регулируемого заполнения цилиндра 1 водой и необходимого натяжения гибких связей 28 устанавливают бесплотинную гидроэлектростанцию на требуемой глубине водного потока.

Водный поток, проникая через входной диффузор вовнутрь лопастного колеса 7, воздействует на лопасти 12 активной части лопастного колеса 7 и разворачивает их вокруг оси 13 таким образом, что они своим подвижным концом опираются на кронштейн 14 и образуют в секторах активной части лопастного колеса 7 пространство в виде ковша, увеличивая тем самым силовое воздействие водного потока на проворачивание лопастного колеса 7 вокруг оси его вращения. При этом лопастное колесо 7 своей нижней торцевой частью через посредство опорных роликов 9 с горизонтальной осью вращения опирается на кольцевую дорожку 4, а внутренней кольцевой поверхностью через посредство роликов 11 с вертикальной осью вращения - на боковую поверхность цилиндра 1. Лопасти 12, находящиеся в пассивной части лопастного колеса 7, которое вращается в направлении, обратном направлению движения водного потока, проворачиваются вокруг оси 13 и раскрывают дно ковша каждая в своем секторе, следствием чего является уменьшение сопротивления вращению лопастного колеса 7.

При вращении лопастного колеса 7 звездочки 10, закрепленные по его периметру, осуществляют протягивание тяговой цепи 16, передающей вращение на ведомую звездочку 6, размещенную на оси, закрепленной на опоре 5. Далее вращение от звездочки 6 передают на раму 17, жестко соединенную со звездочкой 6, и, посредством закрепленных на раме 17 звездочек 18, осуществляют протягивание цепи 19, при посредстве которой вращение передают на звездочку 20 и закрепленную на ней раму 21. Звездочки 22, закрепленные на раме 21, при ее вращении осуществляют протягивание цепи 23 и через ее посредство передают вращение звездочке 24, расположенной на вале 25. С вала 25 вращение на вал генератора электроэнергии 15 передают посредством конструктивного элемента 27.

К техническим преимуществам предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:

- расширение области применения за счет возможности размещения бесплотинной гидроэлектростанции как на слабых придонных грунтах, так и толще водного потока;

- простая конструктивная схема с небольшим количеством обрабатываемых механическим способом узлов и деталей позволяет создавать бесплотинные гидроэлектростанции больших размеров с большой единичной мощностью, ограниченных только прочностными свойствами конструкционных материалов;

- облегчение транспортировки бесплотинной гидроэлектростанции к месту установки и эксплуатации с помощью буксиров;

- повышение коэффициента полезного действия бесплотинной гидроэлектростанции за счет применения трехступенчатой кинематической схемы передачи крутящего момента (оборотов) с лопастного колеса на генератор электроэнергии.

После описания наилучшего варианта предложенной бесплотинной гидроэлектростанции специалистам в данной области знаний должно быть очевидным, что все вышеописанное является лишь иллюстрационным, а не ограничительным, будучи представленными данным примером исполнения. Многочисленные возможные модификации и варианты конкретного изготовления предложенной бесплотинной гидроэлектростанции, в частности количество лопастей, тип цепей и звездочек в цепных передачах, материалы и прочее, могут изменяться в зависимости от назначения и характера эксплуатации предложенной бесплотинной гидроэлектростанции и, понятно, находятся в пределах объема одного из обычных и естественных подходов в данной области знаний и рассматриваются находящимися в пределах объема предложенного технического решения.

Квинтэссенцией предложенного технического решения является возможность обеспечения проворота лопастей в зоне активного водного потока внутри лопастного колеса, что позволяет создавать пространство в виде ковша, что, в свою очередь, значительно увеличивает силовое воздействие водного потока на проворот лопастного колеса, а наличие входного диффузора способствует формированию водного потока, направляемого на лопасти лопастного колеса, и обеспечивает более раннее вступление их в работу, и, в тоже время, наличие выходного диффузора способствует более полному отбору энергии у водного потока за счет более позднего выхода из контакта с активной части водного потока внутри лопастного колеса, а применение кинематической схемы с высоким передаточным числом ступеней мультипликации обеспечивает повышение коэффициента полезного действия предложенной бесплотинной гидроэлектростанции, и, благодаря совокупности этих совершенствований, предложенное техническое решение приобрело вышеперечисленные и иные преимущества. Использование комбинаций отдельных конструктивных элементов из всей совокупности заявленных, естественно, ограничивает спектр преимуществ, перечисленных выше, поскольку иные конструкции, подобные описанным, уже не требуют никакого творческого подхода от конструкторов и инженеров, и не могут считаться результатами их творческой деятельности или объектами интеллектуальной собственности, соответствующими требованиям действующего законодательства для защиты охранными документами.

edrid.ru

бесплотинная гидроэлектростанция - патент РФ 2221932

Рисунки к патенту РФ 2221932

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11 Изобретение относится к созданию и работе бесплотинных ГЭС на малых, маленьких, но особенно на больших могучих реках с большими глубинами и шириной русла, со скоростью течения от 0,5-1,0 м/с и выше, с возможностью соединения их в блоки или с размещением в рассредоточенном виде на поверхности реки. Известны бесплотинные ГЭС, имеющие водяные колеса, являющиеся своеобразным энергетическим порогом в повышении производительности труда (см. Л.А. Мелентьев Программы топливно-энергетического комплекса, изд. "Техника", "Знание", М., 1986 г., 1, стр.20 [1]). Основным существенным недостатком известной конструкции этого типа ГЭС является ее малая надежность и мощность, а также невозможность работы в зимний период с образованием ледового покрова. Известна также и бесплотинная ГЭС, у которой несущей и вращающейся частью /валом/ является стальной трос с установленными на нем турбинками и перекинутым с одного берега на другой /ж. "Наука и жизнь", М., 1976 г., стр.12, 8 [2]. Основным недостатком данной бесплотинной ГЭС является малая надежность и крайне низкая мощность, а также невозможность использования в зимний период с образованием ледового покрова. Кроме того, к недостаткам всех известных бесплотинных ГЭС следует отнести невозможность их эксплуатации на крупных судоходных реках с использованием энергии больших глубин /гидравлической энергии текущей воды/ и включением их в общую энергетическую сеть. Наиболее близкой к заявляемому устройству, аналогом-прототипом, является Гидроэлектростанция по патенту 2171910, содержащая 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 каналы. 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 и 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 180o. Гидроколесо 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. Основными существенными недостатками аналога, выбранного в качестве прототипа, являются - высокая материалоемкость и стоимость выполнения двухэтажной коробки здания гидроэлектростанции; - выполнение работ под водой по возведению сооружения /коробки/, особенно на глубоких реках требует применения специальных устройств, например кессонов; - устройство ледорезной опоры опять же увеличивает материалоемкость и стоимость гидроэлектростанции; - к дополнительной стоимости гидроэлектростанции относится и устройство затворов с 2-х сторон рабочего канала, а также насосной установки; - применение нескольких гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами в одном рабочем канале снижает эффективность последующих колес, установленных за первым за счет уменьшения скорости течения воды в канале и наличия завихрений за первым гидроколесом, т.е. кпд этих колес становится существенно меньше первого гидроколеса и приводит к увеличению стоимости гидроэлектростанции, удлинение же рабочего канала приведет к еще большей стоимости; - нерационально также размещать гидроэлектростанцию в центральном сечении реки, что будет мешать пропуску по реке глубокосидящих судов; - низкая мощность гидроэлектростанции - от 10 до 100-150 кВт, высокая материалоемкость и производство работ по возведению коробки здания под водой приводит не только к высокой стоимости строительства, но и высокой стоимости одного киловатт-часа, а также к длительной окупаемости столь дорогого сооружения, особенно на глубоких реках. Целью изобретения является использование гидравлической энергии рек, независимо от их "мощности" на всю их глубину, круглые годы с достижением больших электрических мощностей и работой на общую энергетическую сеть, без строительства дорогих плотин, шлюзов и водохранилищ с сохранением земельных угодий с поселками и городами, улучшение экологии. Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез сдвоенных бесплотинных ГЭС; на фиг.2 изображен поперечный разрез III-III с видом турбин с вогнутыми рабочими лопатками, направляющим аппаратом и цилиндрическим сегментом; на фиг.3 показана часть турбины в поперечном сечении по II-II; на фиг.4 показано продольное сечение по башенной бесплотинной ГЭС; на фиг.5 изображен вид на турбину сверху с частичным вырезом по рабочим лопаткам, ротору и валу; на фиг.6 показан продольный разрез цилиндрического сегмента; на фиг.7 приведен поперечный разрез по сегменту; на фиг. 8 изображен поперечный разрез пустотелой стойки с обтекателем и анкерным болтом; на фиг.9 приведен продольный разрез одиночной башенной бесплотинной ГЭС малой мощности с облегченным фундаментом, имеющим заостренный стержень; на фиг.10 приведен продольный разрез по микроГЭС; на фиг. 11 показаны схемы размещения в реке бесплотинных ГЭС с якорными устройствами, в том числе и на плавучем средстве. Бесплотинная ГЭС содержит фундамент 1 /фиг.1/, в частности с установленными на нем двумя ГЭС башенного типа 2, с вертикально расположенными валами 3, каждый из которых установлен в подпятник 4 /опорные подшипники/. Башни ГЭС разделены горизонтальными диафрагмами 5 /заштрихованными на чертеже/, между которыми размещены турбины 6 /для простоты изображения они показаны в виде прямоугольников с диагональными линиями, со свободным вращением между диафрагмами 5 на валу 3. Между диафрагмами 5 установлены пустотелые цилиндрические стойки 24, обеспечивающие точное расстояние между диафрагмами, связь всей конструкции в единое целое и прочность конструкции башни за счет анкерных болтов 7, которыми стянуты элементы башни через стойки 24 и диафрагмы 5. Сверху на диафрагмах 8 установлены редукторы 9, крепящиеся через муфты 30 с валом 3 и муфты 29 с электрогенератором 10 /см. фиг.4/. Прочность конструкции из редуктора с генератором достигается размещением их в цилиндрической оболочке 11 /фиг.4/, каждая с помощью косынок 12, выполненных таврового профиля, которые с помощью шпилек 26 крепятся к верхней диафрагме 8 в каждой башне ГЭС. Косынки 12 расположены равномерно по окружности на заданном расстоянии друг от друга. Болтами 27, 28 осуществляется крепление в оболочке 11 генератора и редуктора (см. фиг.5). Турбина, показанная на этой фигуре, имеет сквозное отверстие 13 для пропуска и крепления вала 3 на шпонках 32, вогнутые рабочие лопатки 14, ротор 15 соединенные в единую конструкцию описываемой турбины. На каждой диафрагме 5 размещен направляющий аппарат с лопатками 16, 17, 18, 19, 20, а с противоположной стороны диафрагмы колесо турбины 6 закрыто от набегающего потока воды цилиндрическими сегментами 21, выполненными в виде "швеллера" с полками 22 и крепящими к диафрагме шпильками 23. Для предотвращения смещения элементов конструкции башни ГЭС пустотелые стойки 24 входят в направляющие элементы 25 всех диафрагм. Поз. 33 - обтекатели стоек 24, поз. 24 - дно реки, поз. 35 показывает в виде стрелки направление текущей воды, поз.36 - перемычка /для прочности/ между 2-мя башенными ГЭС. При одиночной установке башенных ГЭС перемычка отсутствует. Поз.31 - монтажные петли генератора. Работает бесплотинная башенного типа ГЭС следующим образом: по фиг.1 отметим, что на фиг.1 буквы ГВВ обозначают горизонт вод /половодье/, ГМВ - горизонт текущей воды-межень в реке после падения половодья, поверхность льда отмечена словом "лед". Башня ГЭС устанавливается на фундамент в русле реки, как показано стрелкой 35, навстречу течению воды. Текущая вода входит в направляющий аппарат 16-20, образованный криволинейными лопатками, с заданной скоростью и давит на вогнутые рабочие лопатки 14, которые приводят во вращение турбины 6 вместе с валом 3. Потеряв часть своей скорости и кинетической энергии, отработанная вода вытекает из лопаток турбин по течению реки так, как показано стрелками 60. Установка цилиндрических сегментов 21-22 с противоположной стороны направляющего аппарата позволяет избежать действия течения на эту часть турбины за счет обтекания ее гладких поверхностей сегментов 21 по всей высоте башни и всех установленной на ней турбин. Для предотвращения даже малейшего перетекания текущей воды в зазоры между рабочими лопатками 14 турбин и поверхностей сегментов 21 каждая рабочая лопатка 14 турбин 6 имеет на концах уплотняющие пластины /устройства/, которые, выступая за концы рабочих лопаток 14, скользят по внутренним поверхностям цилиндрических сегментов 21, перекрывая хотя бы и небольшие, но обязательно образующиеся при изготовлении и монтаже зазоры. В результате приложение сил от текущей воды реки на турбины 6 по всей высоте башни ГЭС осуществляется только в зоне расположения направляющих аппаратов 16-20 с беспрепятственным обтеканием водой наружных поверхностей сегментов 21, не оказывая противодавления для вращения турбин и работы бесплотинной ГЭС. Выполнение рабочих лопаток 14 турбин вогнутыми обеспечивает образование "ковшей" и способствует более эффективному использованию кинетической энергии свободно движущейся воды реки. Этому же направлению, т.е. повышению использования кинетической энергии течения реки на турбинах 6 способствует и направляющий аппарат, лопатки которого (16, 17, 18, 19, 20) выполнены с таким расчетом профилей, чтобы изменять направление движения потока воды так, чтобы направление ее движения на рабочие лопатки 14 приближалось к перпендикулярному направлению к касательной к средней линии, проходящей по среднему диаметру рабочих лопаток 14. В качестве уплотняющих материалов концов рабочих лопаток 14 в настоящее время имеется масса различных материалов: пластические /гибкие/ резиновые различных модификаций, пластмассовые, также с широким выбором их свойств, способных надежно выполнять свои уплотнительные функции при длительной работе ГЭС и различных температурах, в том числе низких, а также существует широкий выбор композиционных материалов на основе металлов и конструкций для их крепления на лопатках. В качестве примеров на фиг.9 и 10 показаны бесплотинные ГЭС той же конструкции, что и вышеописываемой, но только небольших мощностей с облегченными фундаментами для применения на малых реках и речушках, например, по фиг. 9 башня 37 с турбинами, фундамент также столбчатого типа 38/39 и заостренный стержнем 40, способствующий дополнительной устойчивости башенной ГЭС, редуктор 41 и генератор 42. МикроГЭС на фиг.10 ничем не отличается по конструкции от ГЭС башенного типа по фиг.1 и 9, однако ее можно опускать в реку с лодок или льда вручную, так как сама башня с турбинами 43 имеет фундамент 44 облегченного типа с заостренным стержнем, на конце которого выполнено режущее устройство подобно буру. Для сцепления с дном рек буром 45 микроГЭС заворачивается вручную с помощью труб 46, выполненных на устройстве, и дополнительных стержней 47. Редуктор 48, генератор 49. Описываемые бесплотинные ГЭС классифицируются как малые ГЭС, однако такие ГЭС башенного типа, которые изображены на фиг.1, могут заменить любую самую мощную обычную ГЭС плотинного типа, причем вырабатывать электроэнергию с самой низкой стоимостью одного киловатт-часа, так как не требуется ни сверхсложных и дорогих плотин, ни водохранилищ и огромных подготовительных работ, сопутствующих обычным плотинным ГЭС. В этом случае придется строить шлюзы для пропуска судов /на фиг.11 они не показаны/, а крупные или средние реки перегораживаются башенными ГЭС 50 с промежутками между ними так, как показано на фиг.11 /на месте стрелки 59 для пропуска судов также устанавливаются башни 50 ГЭС/. Чтобы полностью использовать всю гидравлическую энергию реки, представляющую собой работу, которая совершает текущая в ней вода (см. учебник для вузов "Гидроэнергетика", А.Ю. Александровский и др. -М.: Энергоатомиздат, 1988 г., cтр. 5-271 [3]), башенные ГЭС устанавливают в несколько рядов поперек реки на заданном расстоянии друг от друга, а для устойчивости и прочности скрепляются балками 51 и якорными устройствами 52. На фиг.11 показано только два ряда башенных ГЭС 50 /на фиг.1 башни ГЭС обозначены цифрами 2, что одно и то же/. Для избежания сильного стеснения русла реки башенные ГЭС можно устанавливать на заданном расстоянии друг от друга поперек русла реки и на заданном расстоянии вдоль реки не только в два ряда, как это показано на фиг.11, но и в несколько раз больше, согласно расчету и модельным испытаниям. Кроме того, ГЭС можно строить из отдельных блоков по высоте, скрепляя их между собой, которые имеют свои редуктор и электрогенератор подводного исполнения. При этом каждый блок башенного типа включается в работу тогда, когда этому соответствуют годовые циклы колебаний стока реки-половодье это /все блоки работают по высоте/, межень с малым расходом - только, например, нижние блоки башни ГЭС. При образовании покрова льда включаются соответствующие нижние блоки, работающие только под льдовым покровом. В некоторых случаях будет целесообразным, особенно на реках Сибири и Дальнего Востока в период образования ледового покрова, осуществлять демонтаж верхних блоков башни ГЭС с сохранением их под навесами или в закрытых помещениях, так как этот период бывает большую часть года. Напомню, что все ГЭС крепятся между собой перемычками 36, балками 51 и якорными устройствами 52. Далее, на фиг.11 показаны схемы размещения одиночных ГЭС 53, что соответствует поз.2 на фиг.1 /описано это выше/, раскрепленных якорными устройствами 52, якорями 54 и жесткими балками 55. Показано плавучее средство 56 с балкой 57 с башенной ГЭС 58, например, по фиг.9. Использование предлагаемой конструкции бесплотинной ГЭС обеспечивает получение дешевой электроэнергии в любом географическом районе России, в частности на реках Сибири и Дальнего Востока, а также на ранее построенных гидроузлах неэнергетического назначения, например, в створах Астраханского Вододелителя и других малых гидроузлах, принадлежащих Вододелителю, на оросительных каналах. Особенно целесообразным становится освоение русла р.Лены, на р. Амгуэме на Чукотке и р.Кроноцкой на Камчатке, где особенно ощущается нехватка электроэнергии. Кроме того, приведенная конструкция бесплотинной ГЭС позволяет осуществлять ее монтаж в любую погоду и в самые кратчайшие сроки, так как ГЭС практически полностью готовится /изготовляется/ в заводских условиях. Предлагаемые бесплотинные ГЭС могут успешно работать как в автономном режиме с последовательным наращиванием мощностей по получению электроэнергии на крупных, средних и малых речушках, так и в виде каскада ГЭС для получения сотен тысяч и миллионов киловатт установленной мощности или миллиардов киловатт-часов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Бесплотинная гидроэлектростанция, содержащая фундамент и турбины с лопатками и диафрагмами, вертикальный вал которых установлен на подпятнике подшипника фундамента и соединен посредством редуктора с электрогенератором, отличающаяся тем, что она выполнена в виде башни, закрепленной на дне реки якорным устройством, при этом вертикальный вал турбин проходит внутри башни, а турбины с диафрагмами расположены параллельно друг другу и снабжены направляющим аппаратом с одной стороны, а с другой стороны - цилиндрическими сегментами, причем диафрагмы через пустотелые стойки скреплены анкерными болтами.2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что пустотелые стойки снабжены обтекателями и установлены в направляющих элементах диафрагмы.3. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что ее фундамент снабжен вертикальным заостренным стержнем, заглубленным в дно реки, и стержнем с передней режущей частью и механизмом для ручного поворота и закрепления гидроэлектростанции.