Агрегат безгребельної гес

Реферат: Агрегат безгребельної ГЕС, що складається з горизонтальної рами, двох вертикальних валів, з насадженими на них по дві зірочки, обхоплені двома нескінченними ланцюгами, та несучих робочих лопатей. Для підвищення ККД агрегату, надійності та довговічності його роботи ланцюги сконструйовані безшарнірними і складаються з двох типів ланок: контактної ланки із зубом зачеплення, порожнистої стулки, у яку вводяться осі лопатей і вушок, до яких наглухо кріпляться з'єднуючі ланки; у верхній частині осей лопатей жорстко посаджений кривошип з біговими роликами, контактуючими з біговими доріжками різної конфігурації; на прямій ділянці утримуючи встановлений кут повороту лопатей до горизонтальної осі агрегату, а біля передньої і задньої зірочок сприяють повороту лопатей і вводу їх в активну роботу в прямому і зворотному русі ланцюга та вільною посадкою на осі кронштейна з опорними роликами, які контактують з верхньою опорною доріжкою, перешкоджаючи провисанню ланцюга з лопатями на прямолінійній ділянці руху, та вільною посадкою на нижньому кінці осі упорного ролика, контактуючого з нижньою упорною доріжкою, перешкоджаючи зусилля потоку зносу нижнього ланцюга на прямій ділянці руху. UA 113757 C2 (12) UA 113757 C2 UA 113757 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі гідроенергетики і може бути використаний не тільки на гірських ріках швидкого плину води, а також на рівнинних річках з пристроєм водоводу, з відбором необхідного об'єму води для розрахункової роботи агрегату. У патентній літературі відомо багато різних конструкцій гідродвигунів, які використовують вільний потік русла річки, а також установлених у водоводах. Звичайно, конструкції агрегатів для установки у водоводах, більш досконалі від простих водяних коліс, установлених у руслах річок, але, як правило, вони теж мають такі ж недоліки, як і всі типи водяних двигунів: дуже низький ККД, відсутність механізму регулювання швидкості (оборотів), не обумовлені методи і умови профілактики, ремонту. Немає ніяких вказівок відносно установки групи агрегатів у водоводі. Всі ці, і інші, недоліки стримують прогрес використання енергії річок установками агрегатів безгребельних ГЕС. Відома безгребельна ГЕС (деклараційний патент UA 25340 A - найближчий аналог), який містить раму, на якій встановлені два вали з двома насадженими зірками, які обхоплені нескінченими ланцюгами, на яких шарнірно, в шаховому порядку встановлені робочі лопаті. В процесі обертання, біля передньої зірочки лопаті під дією власної ваги опускаються в потік і в робочому режимі рухаються до задньої зірочки, тут вони піднімаються, лягають на ланцюг і рухаються в пасивному режимі до передньої зірочки. В такому разі в корисну роботу задіяно не більше ніж 50 % числа лопатей агрегату. А так як агрегат встановлюється впродовж водоводу, то ширина потоку активно використовується тільки першими лопатями, що опустилися, по ширині водоводу, всі інші лопаті рухаються в "тіні". Якщо швидкість потоку у водоводі значно перевищує швидкість руху лопатей агрегату, то, відповідно, кожна лопать додає енергії руху агрегату, а якщо швидкість руху агрегату близька до швидкості води, то сукупна енергія цих лопатей, незважаючи на те, що вони в активному положенні, додаткова енергія їх мінімальна. В основу цього винаходу поставлена задача створення такого агрегату безгребельної ГЕС, в якому за рахунок конструктивних особливостей підвищити експлуатаційні характеристики агрегату, збільшити його ККД, підвищити надійність і довговічність його роботи та унеможливити проявлення недоліків властивих агрегатам цього типу. З метою підвищення механічного ККД та зменшення енергії та тертя в ланках нескінчених ланцюгів, що охоплюють, нижні і верхні зірочки, сконструйовані безшарнірні ланцюги, які складаються із втулки з зубом зачеплення, всередину якої вводиться вісь лопатей, і бокових вушок, до яких наглухо закріплюються контактні ланки, виготовлені із пружної листової сталі, ширина яких розрахована на гарантовану міцність при розриві (фіг. 8). При обертанні ланцюгів навколо зірочок втулка контактним зубом зчіплюється з канавкою зірочки, виступом контактує з торцевою поверхнею зірочки, а контактні ланки з циліндричною поверхнею зірочок. При діаметрі зірочок ~2 м згин контактної ланки становить не більше 0,08 %, причому згин і розпрямлення проходить в одну сторону, а тому залишкові явища не накопичуються і термін їх служби набагато найбільший, ніж ланки шарнірного ланцюга. Щоб збільшити число лопатей, які беруть активну роботу, агрегат встановлюється впоперек водогону. В такому разі всі лопаті переднього ряду, повернуті на розрахунковий кут до потоку води, стають активно робочими. Кут їх нахилу підтримується роликами, встановленими на кривошипі, жорстко посадженого на верхню частину осі лопаті. На прямій ділянці руху ролики, контактуючи з біговими доріжками, підтримують кут нахилу до потоку постійним, а коло передньої і задньої зірочки конфігурації бігових доріжок виконані таким чином, що при повороті ланцюга по кругу біля передньої зірочки на 180° (від кінця прямолінійної ділянки передньої бігової доріжки до початку прямолінійної ділянки задньої бігової доріжки) - лопать повертається тільки на 90° і стає активно робочою по всій прямолінійній ділянці зворотного напрямку до початку повороту ланцюга біля задньої зірочки. В цьому місці обидві бігові доріжки мають таку конфігурацію, при якій поворот ланцюга на кут 180° - лопать повернеться в тому ж напрямку, як і біля передньої зірочки тільки на 90° і стає робочою лопаттю в прямому напрямку до підходу її до першої зірочки. Так як лопать біля задньої зірочки при переході у передній ряд рухається проти потоку у водоводі, тому бігові доріжки в цьому місці сконструйовані таким чином, що при обігу від 45° до 145° повороту зірочки лопать повернута до потоку ребром, а тому має незначний опір і легко проходить цю ділянку тим більше, що глуха лопатка, постійно встановлена біля задньої зірочки, спрямовує потік від задньої стінки вліво. Окрім цього бігові ролики, контактуючи з біговими доріжками, перешкоджають зносу верхнього ланцюга у збірці з лопатями в сторону зусиллям потоку, а вільна посадка на осі упорного ролика, що контактує з нижньою опорною доріжкою, перешкоджає зносу нижнього ланцюга в сторону потоку. Система, що перешкоджає провисанню верхнього і нижнього ланцюгів, у зборі з лопатями складається з кронштейна, на валику якого змонтовано два опорних ролики, що контактують з 1 UA 113757 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 опорною доріжкою. Кронштейн вільно одягається на вісь і завдяки неспіввісності точки опори роликів зі втулкою кронштейна самовстановлюються по напрямку руху, перешкоджаючи провисанню ланцюга на прямолінійній ділянці руху, при обертанні навколо зірочок ланцюги виступом з'єднуючої ланки опираються на реборди зірочок. Система регулювання обертів агрегату, а так само необхідність його вимушеної або планової зупинки складається з зовнішніх і середніх напрямних лопаток і запірної заслінки, що перекриває прямий потік на передню зірочку. Змінюючи кут напрямних лопаток відносно до робочих лопатей, змінюється і швидкість обертання агрегату При необхідності повної зупинки зовнішні та середні напрямні лопатки встановлюють паралельно робочим і перекривають потік на передню зірочку запірною заслінкою. Будь-яка установка направляючих лопаток у одному агрегаті, його повна зупинка або підйом для профілактики, огляду чи ремонту не впливає на швидкість обертання чи роботу інших агрегатів, встановлених в водоводі. Фіксація основного положення агрегату здійснюється за допомогою вертикальних стійок, укріплених з торцевих сторін рами, в нижній частині яких закріплена гайка. До бічних стінок водоводу кріпиться напрямна, в якій встановлюються підйомні гвинти, призначені для підйому та опускання агрегату, а так само для роботи в піднесеному положенні при високих паводках. Для надійної, тривалої роботи агрегату, верхній ланцюг із зірочками, опорні і бігові ролики і контактуючі з ними бігові та опорні доріжки винесені в надводний простір, більш сприятливі умови роботи сприяють зниженню взаємного тертя, і збільшенню терміну служби механізму. Нижній ланцюг, зірочки і опорні ролики рухаються в нижньому пласту агрегату, швидкість потоку тут менше і рухомі механізми відчувають тут менший опір. Біля кожного агрегату, з передньої сторони, обладнується місток, що служить службовому техперсоналу для огляду і ремонту агрегату. При установці агрегатів в водоводі містки для обслуговування визначаються з обох сторін агрегату. Перелік фігур: На фіг. 1 - зображений загальний вигляд агрегату. На фіг. 2 - зображений контур рами з вертикальними стійками і напрямними, глуха лопатка і запірна заслінка. На фіг. 3 - зображена установка переднього щитка і містка для обслуговуючого персоналу. На фіг. 4 - схема повороту робочих лопатей. На фіг. 5 - показаний кривошип з біговими роликами. На фіг. 6 - кронштейн з опорними роликами. На фіг. 7 - зображений водовід з установкою агрегатів. На фіг.8, а, б, в; - показано контактна ланка із зубом зачеплення в зборі зі з'єднувальною ланкою. Приклади конкретного виконання. Гідроагрегат складається з плити 1, що служить базою для монтажу горизонтальної рами 2. У нижній частині рами закріплений піддон 3, у верхній - стеля 4, піддон і стеля по периметру мають розмір рами, а по контуру руху механізму в прямому напрямку і в русі по колу мають проріз; з обох торцевих сторін - розріз для монтажу зібраних вузлів. І піддон і стеля складаються з трьох окремих частин, і тому кріпляться з піддоном і плитою окремо: ліва частина піддону з'єднана з плитою наскрізно (по довжині рами) стінкою 5, що служить опорною доріжкою. Права частина з'єднується з плитою укороченою опорною доріжкою 6, і наскрізною стінкою 7, середня частина з'єднується з плитою в різних місцях, орієнтуючись на міцність. Середня частина стелі з'єднується з піддоном сталевими смугами 8, ставлячи їх ребром до потоку. Ліва і права сторони стелі кріпляться до рами. На передній 9 і задній 10 вертикальні вали наглухо посаджені зірочки: 11, 12, 13, 14; на вісь 15 насаджується лопать 16, вільно одягається упорний ролик 17, обидва ланцюги: верхній 18 і нижній 19, мають по кроку зубів зірочок ланки з порожнистою втулкою 20, нижня частина осі заводиться у втулку ланцюга і фіксується стопорним кільцем, на верхню частину осі одягається кронштейн 21 з опорними роликами 22, що контактують з опорною доріжкою 23; кривошип 24 з біговими роликами 25 насаджується на верхню частину осі і фіксується. Бігові ролики контактують з внутрішньою 26 і зовнішньою 27 біговими доріжками, з внутрішньої сторони яких є вікно 28, для введення роликів всередину доріжок (при збірці). Зовнішній направляючий апарат складається з парних плоских лопаток 30 прямокутної форми висотою не нижче рівня потоку у водоводі, встановлених в передній частині рами для скеровування потоку у площину лопатей першого ряду, глухої лопатки 31, постійно встановленої в одному положенні біля задньої зірочки для відхиляння потоку від прямого напрямку на лопать при її обертанні, і запірної заслінки 32, що закриває прямий потік на лопаті біля передньої зірочки при необхідності зупинки агрегату. Середній направляючий апарат складається з непарних лопаток 29, розташованих по 2 UA 113757 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 осі агрегату та з'єднаних між собою для одночасного повороту для скерування потоку після проходу лопатей першого ряду у площину лопатей заднього ряду та глухої лопатки. Місток 33 скріплюється з рамою сіткою 34 для зручності обслуговування агрегату. Передній щиток 35 встановлюється в водоводі тільки біля першого агрегату, і служить для напрямку потоку на зовнішні напрямні лопатки. Вертикальні стійки 36 служать для фіксації основного робочого положення агрегату, в нижній частині яких закріплена гайка 37, стійки ковзають по напрямних 38, закріплених в бічних стінках водоводу 39. Підйомні гвинти 40 спираються на верхню частину напрямної, призначені для підйому та опускання агрегату. Місце для установки електрогенератора залежить від його потужності. При порівняно невеликій вазі його можна встановлювати безпосередньо на вал, обидва підшипники вала, верхній 41 з підп'ятником і нижній 42, розраховують на максимальне навантаження. Нижній підшипник, що працює у водному середовищі, повинен бути виготовлений зі спецсплаву, на фіг. 7 показаний правий берег річки, в закруті якої поміщується водовід. На початку гирла водозабору встановлюється решітка 43 для затримання великих предметів, що пливуть, потім ставиться шибер 44, що піднімається горизонтально - поплавок-регулятор 45, працює з механізмом, що керує шибером, автоматично підтримуючи необхідний рівень води в водогоні. Вибір місця для будівництва ГЕС є основним завданням проекту. Чим більше по периметру водного дзеркала закрут, і чим ближче відстань між початком закруту і виправленням русла річки, тим більший перепад висот дна річки і тим більшою буде швидкість потоку в водоводі, що з'єднує ці місця берега річки, що і є головною умовою для спорудження безгребельної ГЕС, пропонованої конструкції агрегатів. Перед установкою агрегатів повинно бути заздалегідь визначено місце монтажного майданчика 46. Правильність установки агрегатів залежить від правильно вмонтованих напрямних, вони повинні мати строго вертикальне положення, з чітко визначеною відстанню між ними, щоб визначався мінімальний зазор між сусідніми агрегатами 47. Запускати роботу ГЕС можна після установки першого агрегату, потік води в водогоні не буде великою перешкодою для установки або підняття наступних агрегатів. Але обов'язково при підйомі або установці агрегату він повинен бути зупинений, тобто зовнішні та середні лопатки повинні бути встановлені паралельно площині лопатей, а запірна заслінка повернена перпендикулярно потоку і зафіксована. Техніко-економічна або інша ефективність. Нескінченний ланцюг агрегату сконструйований безшарнірним, тобто не має з'єднань ланок, що вільно обертаються; виготовляється замкнутими відповідно довжині агрегату. Вона складається з двох типів ланок: контактної ланки, 48, із зубом зачеплення, "3" і порожнистої втулки для установки осей лопатей і з'єднуючих ланок, 49, виготовлених з листової, пружної (хромистої) сталі з запасом міцності на розрив, і наглухо закріплюється до вушок контактних ланок. Температурні компенсатори "k" виконуються на з'єднувальних ланках, якщо агрегат працює в потоці з великим перепадом температури води (день-ніч: літо-осінь-зима); Крок ланцюга - відстань між зубами контактних ланок повинен бути рівним відстані між канавками по зовнішній кола зірочок, величиною не менше ширини лопаті. Хоча ланцюги і рама мають приблизно однаковий коефіцієнт лінійного розширення, але в процесі роботи в первісний період відбувається природний приробіток контактуючих поверхонь, що може проявлятися ослабленням (розтяжка) ланцюга, тому механізм підтяжки обов'язковий, необхідний натяжний механізм і в процесі складання агрегату. Деформація (вироблення) втулки і осі лопаті в місцях її повороту в нижній і верхній частинах ланцюга на їх подовження (розтягнення) не впливає. У роботі агрегату, в процесі обігу лопаті навколо зірочок, зуб контактної ланки входить в канавку, а сполучна ланка облягає по зовнішній поверхні зірочок до підходу наступного зуба; по виході з кола ланка розпрямляється і рухається в прямолінійному режимі. Важливо те, що вигин (облягання) і розпрямлення ланки відбувається в одну сторону і при діаметрі зірочок більше 2 метрів при максимальному вигині, залишкової деформації не виявляється. Пропонована Безгребельна ГЕС дозволяє встановлювати в водоводі велике число агрегатів, тому для злагодженої роботи необхідна їх синхронізація. Робота агрегату передбачена рухом тільки в одну сторону, перпендикулярно напрямку потоку, тому робочі лопаті повинні бути встановлені під певним кутом (40-60 %), кутова величина регулюється установкою кривошипа, на шліцьовому з'єднанні з віссю лопаті. У прямому і зворотному русі ланцюга на прямолінійних ділянках стабільність положення лопатей утримується біговими роликами, що рухаються в бігових доріжках, а при зверненні лопаті по колу навколо зірочок лопаті повертаються примусово залежно від конфігурації бігових доріжок. На відміну від прямолінійної ділянки передньої зірочки внутрішня бігова доріжка ближче притискається до вала, зовнішня - віддаляється (фіг. 4). Повернувшись на 1/5 оберту передня зірочка, що відповідає приблизно 72° по дузі α-δ, лопать повернеться тільки на 30° від 3 UA 113757 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 первинного положення (точка α). В точці δ - внутрішня бігова доріжка максимально наближена до осі обертання вала, зовнішня максимально віддалена. При подальшому зверненні від "δ" до "γ" (дуга 72°) лопать ще повернеться на 41°, при подальшому обігу, до виходу ланцюга на прямолінійний рух - дуга γ - η, 36° обороту, лопать повернеться ще на 19°; у результаті за 180° обороту зірочки лопать повернеться тільки на 90°, тим самим включається в активну роботу потоку на прямолінійній ділянці руху до задньої зірочки. Але і при зверненні навколо передньої зірочки по дузі α - η (180°) лопать весь час активно працює, що наочно зображено на схемі. В кінці прямолінійного руху і початкового звернення навколо задньої зірочки починається обертання і лопаті. Вона обертається в ту ж сторону, що і навколо передньої зірочки, але бігові доріжки мають іншу конфігурацію. Як видно зі схеми за 90° обороту - дуга β - ε - лопать повертається на 45°, стає руба уздовж потоку, при подальшому обігу ланцюга - дуга ε - γ (90°); лопать повернеться ще на 45°; і тут за пів обороту зірочки (180°) лопать повертається тільки на 90°; різниця тільки в тому, що обертаючись бігові ролики змінюють своє положення. Ролики, що рухалися по зовнішній біговій доріжці, переходять на внутрішню (на схемі позначені подвійним колом). Крім цього, на невеликій ділянці шляху поблизу осі абсцис (точка ε) лопать створює опір руху агрегату, але вона стає ребром до потоку або близькою до цього положення, а глуха лопатка зовнішнього направляючого апарата трохи відхиляє потік, зменшуючи тим самим, опірлопаті обігу. Навантаження на бігові ролики при русі і при поворотах навколо зірочок невелика, так як вісь лопаті проходить через її геометричний центр і навантаження на обидві її сторони рівновелика. Вище детальніше описаний механізм повороту лопатей біля передньої і задньої зірочок не завдають великого опору в обертанні ланцюгів агрегату, яке примушувало б заниження швидкості руху, більш того, поворот лопаті біля передньої зірочки здійснюється в робочому положенні без якогось моменту, де б зменшувалась його віддача енергії. Всі лопаті в першому ряду, при повороті навколо передньої зірочки, і впродовж прямолінійного руху в задньому ряду до повороту навколо задньої зірочки, активно задіяні в робочому процесі, і тільки дві лопаті перебувають у повороті і, звичайно, не дають корисної роботи, а навіть використовують енергію агрегату, хоча і набагато меншу, ніж дає енергію лопать, яка робить поворот біля передньої зірочки. Звичайно механічний ККД залежить від числа робочих лопатей, задіяних в активну роботу. В цьому відношенні і в других, вище зазначених особливостях, втілених у конструкцію заявленого винаходу, вигідно відрізняється від усіх відомих агрегатів класу F 03В. Для аналізу ефективності запропонованої безгребельної ГЕС з урахуванням екологічного фактора впродовж наступних років, зробимо порівняння в загальних показниках безгребельної ГЕС з Кременчуцькою ГЕС. При її номінальній потужності близько 164000 kW, вона має 2 водосховище, тобто затоплено водою ~3300 км родючих земель. Якщо прийняти площу 2 водоводу 20×1500 м=0,03 км : при швидкості потоку ~1,5 м/с, потужність потоку складе близько 230000 kW. При використанні його найбільш високо ефективними гідродвигунами, (ККД 80 %) теоретично можна досягти корисної потужності близько 184000 KW. Припустимо, що при ширині агрегату 5 м, на всьому водоводі їх можна встановити близько 300 шт. Якщо прийняти потужність одного агрегату близько 30 KW, десять таких ГЕС складе приблизно 90 000 KW(30×300×10=90 000 KW або більше половини Кремгеса, а площа відведена під водовід складе 3300:0,03=110000 разів менше! ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 1. Агрегат безгребельної ГЕС, що складається з горизонтальної рами, двох вертикальних валів, з насадженими на них по дві зірочки, обхоплені двома нескінченними ланцюгами, та несучих робочих лопатей, який відрізняється тим, що ланцюги сконструйовані безшарнірними і складаються з двох типів ланок: контактної ланки із зубом зачеплення, порожнистої стулки, у яку вводяться осі лопатей і вушок, до яких наглухо кріпляться з'єднуючі ланки; у верхній частині осей лопатей жорстко посаджений кривошип з біговими роликами, контактуючими з біговими доріжками різної конфігурації; на прямій ділянці - утримуючи встановлений кут повороту лопатей до горизонтальної осі агрегату, а біля передньої і задньої зірочок сприяють повороту лопатей і вводу їх в активну роботу в прямому і зворотному русі ланцюга та вільною посадкою на осі кронштейна з опорними роликами, які контактують з верхньою опорною доріжкою, перешкоджаючи провисанню ланцюга з лопатями на прямолінійній ділянці руху, та вільною посадкою на нижньому кінці осі упорного ролика, контактуючого з нижньою упорною доріжкою, перешкоджаючи зусилля потоку зносу нижнього ланцюга на прямій ділянці руху. 2. Агрегат за п. 1, який відрізняється тим, що має зовнішній направляючий апарат із плоских лопаток прямокутної форми, висотою не нижче рівня потоку у водоводі, встановлених в 4 UA 113757 C2 5 передній частині рами, скеровуючи потік у площину лопатей першого ряду, та середніх направляючих лопаток, розташованих по осі агрегату, скеровуючи потік після проходу лопатей першого ряду у площину лопатей заднього ряду, та глухої лопатки для відхилення потоку від прямого напрямку на лопать при її обертанні біля задньої зірочки; зовнішні і середні направляючі лопатки та запірна заслінка слугують регулюванню швидкості обертання агрегату та його зупинки. 3. Агрегат за п. 1, який відрізняється тим, що на рамі встановлені вертикальні стійки, в нижній частині яких закріплені гайки з підйомними гвинтами, вмонтованими в напрямних, укріплених в бічних стінках водоводу для стійкості робочого положення або підйому агрегату. 5 UA 113757 C2 6 UA 113757 C2 7 UA 113757 C2 8 UA 113757 C2 9 UA 113757 C2 Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10