Безгребельна гідроелектростанція з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води за федосьєвими

Реферат: Безгребельна гідроелектростанція з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води містить корпус, турбіну з ротором і лопатями та направляючий пристрій установлені на корпусі, турбіна з ротором і лопатями має можливість обертання під дією потоків води на лопаті. Корпус має вигляд важеля, який установлений на нерухому опору з можливістю повороту. Турбіна установлена на одному із кінців корпусу, на другому кінці якого установлені противаги. Направляючий пристрій виконаний у вигляді напрямної, нижня поверхня якої установлена дотично до бокової поверхні турбіни та під кутом до поверхні потоку. На корпусі установлений щонайменше один генератор, ротор якого з'єднаний з ротором турбіни механізмом передачі обертового моменту від ротора турбіни до ротора генератора. UA 114000 U (12) UA 114000 U UA 114000 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі енергетики, а саме до гідроелектростанцій і призначена для перетворення кінетичної енергії течій річок в електричну енергію постійного або змінного струму. Відома безгребельна руслова мінігідроелектростанція [патент Російської Федерації на винахід № 2572255, МПК (2006.01) F03B13/10, F03B17/06, пріоритет від 15.12.2014], що містить гідротурбіну з лопатями і машинне відділення, утримувані якірними жердинами, корпус мікрогідроелектростанції виконаний у вигляді порожнистого еліпсоїда обертання і розділений по довжині навпіл на гідротурбіну з лопатями і машинне відділення з розміщеним всередині генератором, який відрізняється тим, що мікрогідроелектростанцію встановлено в прямокутному каналі лотків з досок, з боків якого розташовані кишені з камінням для надійного фіксування на дні річки, а в передній частині влаштовані стулки-віконця на шарнірах для направлення потоку води на гідротурбіну при розкритті їх на 30-45 градусів під кутом до осі мікрогідроелектростанції, збільшення швидкості потоку і напрямку потоку води повз гідротурбіни при закритті стулок. Винахід направлено на розробку компактної, надійної мікрогідроелектростанції для безперебійного електропостачання невеликих споживачів. Недоліком даного пристрою є низька ефективність перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію при зміні швидкості та рівня потоків води. Регулювання потоків води (підвищення швидкості та зміну направлення) на гідротурбіну у відомому пристрої здійснюється за рахунок установлення мікрогідроелектростанції у прямокутному каналі-лотоку, в передній частині якого установлені стулки-віконця на шарнірах для направлення потоку води на гідротурбіну при їх розкриванні. При значній зміні рівня та швидкості потоків води така конструкція відомого пристрою не зможе забезпечити автоматичне регулювання і стабільність обертання ротора гідротурбіни та відповідно ротора генератора, тому що рівень води може піднятися вище рівня установлення гідротурбіни, що може призвести до нестабільної роботи гідротурбіни та відповідно генератора. Відомий, прийнятий за аналог, пристрій перетворення енергії гідравлічного потоку в механічну енергію [авторське свідоцтво СРСР №1832160, МКВ5 F03B17/06, пріоритет від 11.05.90], що містить циліндричний корпус з вхідним і вихідним вікнами, лопатеве колесо, встановлене в корпусі, а також направляючий пристрій, з'єднаний з вхідним вікном корпуса. Колесо виконане у вигляді "білячої клітки" з центральним валом і з насадженими на її периферійні осі серпоподібними лопатями з перфораціями. Направляючий пристрій виконаний у вигляді патрубка, звуженого до вхідного вікна корпуса, виконаного у вигляді кожуха з вихідним патрубком, що відходить від вихідного вікна кожуха. При роботі пристрою потік води через направляючий пристрій надходить до розташованих проти нього лопатям і, розкриваючи їх, приводить колесо в обертання, яке передається через центральний вал електричному генератору. Лопаті, що переходять у міру обертання колеса в положення, при якому вони не розташовані проти потоку, складаються. Потік, що віддав енергію, виходить через вихідне вікно і вихідний патрубок. У прийнятому за аналог пристрої енергію від гідравлічного потоку відбирають лопаті, кожна з яких послідовно розташовується проти потоку при обертанні колеса, і не відбирають лопаті, які пройшли це положення, тому що екрануються наступними лопатями. Це обмежує кількість енергії, що відбирається від гідравлічного потоку і відповідно зменшує ефективність перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію при зміні швидкості та рівня потоків води. Найбільш близьким за технічної суті до заявленого технічного рішення, вибраний як прототип, є пристрій перетворення потенціальної енергії гідравлічного потоку в механічну енергію [деклараційний патент України на корисну модель № 6654, МПК (2004.01) F03B17/06, F03B13/00, пріоритет від 25.10.2004], що містить циліндричний корпус з вхідними і вихідними вікнами, ротор з лопатями встановлений в корпус, а також направляючий пристрій, з'єднаний з вхідним вікном корпуса, виконаний у вигляді декількох конфузорів, виходи яких розташовані у вхідному вікні корпусу послідовно в площині обертання ротора. Ознаками даного відомого рішення, що співпадають з ознаками рішення, що заявляється, є: пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в механічну енергію, що містить корпус, турбіну з ротором і лопатями та направляючий пристрій, установлений на корпусі, турбіна з ротором з лопатями має можливість обертання під дією потоків води на лопаті. Відомий пристрій забезпечує збільшення кількості енергії, що відбирається від гідравлічного потоку. Потік води через конфузори і їхні виходи одночасно надходить до розташованих проти виходів ряду лопатей і віддає їм енергію. 1 UA 114000 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Декілька конфузорів з таким розташуванням виходів дозволяють зменшити число лопатей, що екрануються від потоку іншими лопатями. Це дає можливість збільшити кількість енергії, що відбирається від потоку. Однак відомий пристрій перетворення енергії гідравлічного потоку має суттєві недоліки, які полягають у тому, що ефективність перетворення кінетичної енергії гідропотоку не є максимально можливою за рахунок того, що швидкість гідравлічного потоку гаситься при розділенні потоку на конфузори і проходженні їх через конфузори, що звужуються перед проходженням потоку до вхідних вікон і попаданням на лопаті ротора. Окрім того, втрати енергії перетворення гідропотоку можуть бути також при значному збільшенні об'єму (рівня потоку) або/та швидкості потоку води, тому що конфузори можуть пропускати обмежену кількість об'єму води. Таким чином кількість енергії перетворення обмежена кількістю конфузорів та їх геометричними розмірами. Звужені конфузори при присутності твердих включень та сміття у гідравлічному потоці, що має місце в природних водоймах, можуть захаращувати конфузори, що може призвести до механічного зламування як лопатей ротора, так і конфузорів та вхідних і вихідних вікон, що знижує також надійність роботи пристрою в цілому. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення безгребельної гідроелектростанції, у якій за рахунок конструктивних особливостей забезпечується підвищення ефективності перетворення кінетичної енергії потоків води в електричну енергію та підвищення надійності роботи пристрою в умовах зміни рівня потоків води шляхом забезпечення автоматичного регулювання заглиблення турбіни з ротором і лопатями у потік при зміні рівня води. Особливістю даної конструкції також є розширення функціональних можливостей пристрою шляхом забезпечення можливостей роботи пристрою в умовах забрудненої води. Поставлену задачу вирішено новими технічними рішеннями заявленої безгребельної гідроелектростанції з автоматичним регулюванням заглиблення турбіни з ротором і лопатями у потік при зміні рівня води, що містить корпус, турбіну з ротором і лопатями та направляючий пристрій, установлені на корпусі, турбіна з ротором і лопатями має можливість обертання під дією потоків води на лопаті, відповідно до корисної моделі, корпус має вигляд важеля, який установлений на нерухому опору з можливістю повороту, турбіна установлена на одному із кінців корпусу, на другому кінці якого установлені противаги, направляючий пристрій виконаний у вигляді напрямної, нижня поверхня якої установлена дотично до бокової поверхні турбіни та під кутом до поверхні потоку, на корпусі установлений щонайменше один генератор, ротор якого з'єднаний з ротором турбіни механізмом передачі обертового моменту від ротора турбіни до ротора генератора. Безгребельна гідроелектростанція з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води, відповідно до корисної моделі, корпус виконаний у вигляді швелерів, торці ротора виконані круглими і установлені з можливістю повного перекривання лопатей з торців, напрямна виконана порожнистою із металу, а нерухома опора установлена на металоконструкцію і має пластину зі скосами для обмеження повороту корпусу. Між сукупністю суттєвих ознак безгребельної гідроелектростанції з автоматичним регулюванням заглиблення турбіни з ротором і лопатями у потік при зміні рівня води, що заявляється, і досягнутим результатом існує причинно-наслідковий зв'язок, який пояснюється наступним. Безгребельна гідроелектростанція побудована за принципом автоматичного регулювання заглиблення турбіни з ротором і лопатями установленої на одному із кінців корпусу в потік води в умовах зміни рівня потоку. Пристрій має корпус, виконаний у вигляді важеля, що має можливість повороту відносно нерухомої опори, яка може бути як у вигляді стійки, вмонтованої у дно відкритого водоймища, так і у вигляді нерухомої опори, яка установлена на металоконструкцію жорстко зафіксовану, наприклад, зі стояками, бетонними опорами або установлені безпосередньо на дно водойми. Корпус, як важіль, у вихідному положенні установлюється у врівноваженому стані так, що вага турбіни з ротором і лопатями та генераторів урівноважується противагами, установленими на другому кінці корпусу. При підвищенні рівня води у каналі або водоймі під дією сили виштовхування турбіна з ротором знову спливає на поверхню води (дотично боковій поверхні турбіни) і ротор знову починає обертання в постійному напрямку. Підйом турбіни з ротором додатково забезпечує також підйомна сила, що виникає від реакції потоку на напрямну, виконану у вигляді листа, закріпленого до корпусу і розміщеного під 2 UA 114000 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 гострим кутом до потоку води, причому сила дії на лист буде підвищуватися з підвищенням швидкості та/або рівня води. Зрештою вся система приходить до рівноваги і ротор починає обертання у стабільному режимі, що забезпечує стабільне вироблення електроенергії. При зниженні рівня води, коли сила виштовхування води стає рівною практично нулю, турбіна з ротором під своєю вагою починає опускатися до рівня води, що приведе до того, що лопаті знову занурюються у потік води та запрацюють всією поверхнею і таким чином знову відновиться стабільна робота пристрою. В такому положенні корпусу бокова поверхня турбіни розміщується дотично рівню потоку води так, що в потоці води будуть занурені практично тільки лопаті без занурення тіла турбіни, що дозволить забезпечити рівномірне навантаження на генератори і як наслідок забезпечується підвищення ефективності перетворення кінетичної енергії в електричну енергію та підвищення коефіцієнта корисної дії пристрою в цілому. За рахунок зміни противаг можливо регулювати рівновагу корпусу з ротором з лопатями та генераторами, що дозволяє змінювати плавність роботи пристрою. Це дозволить установлювати даний пристрій на каналах з малою швидкістю потоку. При роботі пристрою в умовах малої швидкості можливо передбачити зміну кута нахилу напрямної по відношенню до рівня потоку води. Указані ознаки складають суть корисної моделі. Сукупність ознак, що приведена у формулі корисної моделі повною мірою забезпечує можливість досягнення поставленої задачі. Нижче приводиться опис запропонованої безгребельної гідроелектростанції з автоматичним регулюванням заглиблення турбіни з ротором і лопатями у потік при зміні рівня води, який пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображений переріз по центральній осі загальної конструкції безгребельної гідроелектростанції з автоматичним регулюванням заглиблення турбіни з ротором і лопатями у потік при зміні рівня води. На фіг. 2 зображений вигляд зверху безгребельної гідроелектростанції з автоматичним регулюванням заглиблення турбіни з ротором і лопатями у потік при зміні рівня води. Дана корисна модель пояснюється конкретними прикладами виконання, які однак не є єдино можливими, але наочно демонструють можливість досягнення даною сукупністю ознак заданого технічного результату. Безгребельна гідроелектростанція з автоматичним регулюванням заглиблення турбіни з ротором і лопатями у потік при зміні рівня води, що показана на фіг. 1, містить корпус 1 виконаний, наприклад, у вигляді швелерів, з установленими на одному із кінців корпусу 1 порожнистою герметичною турбіною 2 з ротором 3 і лопатями 4 закріпленими по периметру бокової поверхні 5 та направляючим пристроєм, виконаним у вигляді напрямної 6. На другому кінці корпусу 1 (на фіг. 1 зліва) для урівноваження ваги механізмів, установлених на першому кінці корпусу 1 (на фіг. 1 справа) установлені противаги 7. Нижня поверхня напрямної 6 виконана у вигляді відбійного листа 8, який може бути виконаний порожнистим із металу і установлений дотично до бокової поверхні 5 турбіни 2 та установлюється під гострим кутом до поверхні потоку води. Турбіна 2 з ротором 3 і лопатями 4 у вихідному положенні установлена так, що має можливість обертання під дією потоків води на лопаті 4. Корпус 1 має вигляд важеля, який установлений з можливістю повороту на нерухому опору 9, яка може бути виконана як у вигляді стійки (на фіг. 1 не показана), вмонтованої у дно відкритого водоймища, так і у вигляді нерухомої опори 9, яка установлена на металоконструкцію 10. Нерухома опора 9 має пластини 11 зі скосами 12 та 13, що обмежують як з однієї сторони піднімання корпусу 1 (з допомогою скоса 12), так і з другої сторони опускання корпусу 1 (за допомогою скоса 13). Пластини 11 установлені таким чином, що не дозволяють торцям лопатей 3 ротора 2 занурюватись на дно каналу, що не приводить до зламу лопатей 3. Для забезпечення концентрації потоків води торці 14 ротора 2 виконані круглими і установлені з можливістю повного перекривання лопатей 4 з торців, що не допускає переливу потоків води після їх зіткнення з поверхнями лопатей 4. Поворот корпусу 1 здійснюється за допомогою вала 15, установленого на підшипник сковзання (на фіг. 1 не показаний) вмонтований у нерухому опору 9. З обох боків корпусу 1 установлені генератор 16 та генератор 17, ротори яких з'єднані з ротором 3 турбіни 2 механізмом передачі обертового моменту, наприклад, клинопасові передавачі 18 та 19 (див. фіг. 2) від ротора 3 турбіни 2 відповідно до роторів генератора 16 та генератора 17. 3 UA 114000 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 На фіг. 2 зображений вигляд зверху на безгребельну гідроелектростанцію з автоматичним регулюванням заглиблення турбіни 2 з ротором 3 і лопатями 4 у потік при зміні рівня води. Турбіна 2 з ротором 3 і лопатями 4 установлюється на корпус 1, що складається з рами із двух швелерів 20 та 21, які скріплені між собою болтами 22 з гайками 23 та дистанційними трубами 24, установленими на болтах 22 між швелерами 20 та 21. На протилежному кінці корпусу 1 установлюються противаги 7, які можуть бути змінені для забезпечення урівноваження ваги турбіни 2 з ротором 3 і лопатями 4 та генераторів 16 та 17. При підборі противаг 7, що урівноважують корпус 1 з установленими на ньому механізмами, необхідно забезпечити невелике перенавантаження на сторону турбіни 2 з ротором 3 і лопатями 4. Безгребельна гідроелектростанція з автоматичним регулюванням заглиблення турбіни 2 з ротором 3 і лопатями 4 у потік при зміні рівня води працює в наступний спосіб. Корпус 1, як важіль, у вихідному положенні установлюється у врівноваженому стані так, що вага турбіни 2 з ротором 3 і лопатями 4 та генераторів 16 та 17 урівноважується противагами 7, установленими на другому кінці корпусу 1. При цьому в такому урівноваженому положенні корпусу 1 бокова поверхня 5 турбіни 2 установлюється дотично до поверхні потоку води, так що лопаті 4 турбіни 2 оптимально занурюються у потік і ротор 3 починає обертатися під дією потока води на лопаті 4. Обертання ротора 3 турбіни 2 передається через клинопасові передавачі 18 та 19 відповідно на ротори генераторів 16 та 17. При підвищенні рівня води у каналі або іншій водоймі, якщо турбіна 2 з ротором 3 і лопатями 4 починає занурюватись у воду, під дією сили виштовхування води турбіна 2 знову спливає на поверхню води і ротор 3 знову продовжує обертання в постійному напрямку. Підйом турбіни 2 додатково забезпечує також підйомна сила, що виникає від реакції потоку на напрямну 6, виконану у вигляді відбійного листа 8, закріпленого до корпусу 1 і розміщеного під гострим кутом до потоку води, причому сила дії на відбійний лист 8 буде підвищуватися з підвищенням рівня води або швидкості потоку в каналі або іншій водоймі. Для підвищення підйомної сили за рахунок поліпшення плавучості відбійний лист 8 виконують плоским або порожнистим. Нарешті вся система приходить до рівноваги і ротор 3 турбіни 2 починає обертання у стабільному режимі, що призводить до стабільного вироблення електроенергії. При зниженні рівня води в каналі або іншій водоймі, коли сила виштовхування води стає практично рівною нулю, турбіна 2 під своєю вагою починає опускатися до рівня поверхні потоку води, що приведе до того, що лопаті 4 під дією потоку води знову запрацюють всією поверхнею і таким чином знову відновиться стабільна робота пристрою. В такому положенні корпусу 1 бокова поверхня 5 турбіни 2 розміщується дотично рівню потоку води так, що в потоці води будуть занурені практично тільки лопаті 4 без занурення тіла самої турбіни 2, що дозволить забезпечити рівномірне навантаження на генератори 16 та 17 і як наслідок забезпечується підвищення ефективності перетворення кінетичної енергії в електричну енергію та підвищення коефіцієнта корисної дії пристрою в цілому. За рахунок зміни противаг 7 можливо регулювати рівновагу корпусу 1 з турбіною 2 з ротором 3 з лопатями 4 та генераторами 16 та 17, що дозволяє змінювати плавність роботи пристрою. Це дозволяє установлювати даний пристрій на каналах з малою швидкістю потоку. При роботі пристрою в умовах малої швидкості можливо передбачити зміну кута нахилу напрямної 6 відносно до рівня потоку води. В разі різкої зміни швидкості або/та об'єму потоку води в каналі або іншій водоймі в пристрої передбачено установлення пластин 11 зі скосами 12 та 13, що обмежують відповідно, як різкий підйом турбіни 2 з ротором 3 і лопатями 4, так і різке її занурення при швидкій зміні параметрів потоку, що забезпечує підвищення надійності роботи пристрою у цілому. Таким чином заявлена безгребельна гідроелектростанція з автоматичним регулюванням заглиблення турбіни 2 з ротором 3 і лопатями 4 у потік при зміні рівня води за рахунок конструктивних особливостей забезпечує підвищення ефективності перетворення кінетичної енергії потоків води в електричну енергію та підвищення надійності роботи пристрою в умовах зміни рівня потоків води шляхом забезпечення автоматичного регулювання заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 1. Безгребельна гідроелектростанція з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води, що містить корпус, турбіну з ротором і лопатями та направляючий пристрій, установлені на корпусі, турбіна з ротором і лопатями має можливість 4 UA 114000 U 5 10 обертання під дією потоків води на лопаті, яка відрізняється тим, що корпус має вигляд важеля, який установлений на нерухому опору з можливістю повороту, турбіна установлена на одному із кінців корпусу, на другому кінці якого установлені противаги, направляючий пристрій виконаний у вигляді напрямної, нижня поверхня якої установлена дотично до бокової поверхні турбіни та під кутом до поверхні потоку, на корпусі установлений щонайменше один генератор, ротор якого з'єднаний з ротором турбіни механізмом передачі обертового моменту від ротора турбіни до ротора генератора. 2. Безгребельна гідроелектростанція з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води за п. 1, яка відрізняється тим, що корпус виконаний у вигляді швелерів, торці ротора виконані круглими і установлені з можливістю повного перекривання лопатей з торців, напрямна виконана порожнистою із металу, а нерухома опора установлена на металоконструкцію і має пластину зі скосами для обмеження повороту корпусу. 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 5