Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности, к уст- ройствам для преобразования кинетической энергии самотечного потока воды (речного, морского и океанического течения) в энергию электрическую.

Предшествующий уровень техники

Известна «Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция Г.И. Озерова», у которой лопастное колесо со складывающимися лопа- стями 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 одина- ковый угол. Основной и резервный электрогенераторы закреплены на опоре и связаны с корпусом и зубчатым колесом механической передачей. Внутренняя часть корпуса снабжена решетками, являю- щимися продолжением наружных поворотных лопастей, и непод- вижными внутренними лопастями, выполненными из свободно за- крепленных створок, опирающихся на решетку. Наружные лопасти установлены с обеспечением перекрытия внутренних лопастей в нерабочем положении и их более раннего вступления в работу [см. пат. Российской Федерации Ns 1836586 по классу F03B 13/10 опуб- ликованный 23.08.1993 года].

К основным недостаткам данного технического решения можно отнести следующее. Расположение электростанции в придонной части потока воды, где активно перемещаются частицы абразивных материалов, например, донный грунт, негативно влияют на работо- способность узлов трения, вызывая их преждевременный износ. В конструкции электростанции присутствуют узлы, требующие точного кинематического взаимодействия (сопряжения) контактирующих де- талей. Многоступенчатая кинематическая схема мультипликации снижает коэффициент полезного действия электростанции.

Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является бесплотинная гидроэлектро- станция с лопастным колесом и корпусом, установленным на опоре с центральной вертикальной частью корпуса, выполненной в виде полого герметичного цилиндра, заполняемого по мере необходимо- сти водой или воздухом, а горизонтальная часть корпуса, жестко со- единенная с цилиндром, представляет собой ферму, на которой размещены кольцевая дорожка под опорные ролики лопастного ко- леса, лопастное колесо, вращающееся вокруг полого цилиндра, опора ведомой звездочки первой ступени кинематической схемы передачи оборотов от лопастного колеса к генератору электроэнер- гии, боковые заграждения, функционально выполняющие роль входного и выходного диффузоров [см. пат. Российской Федерации Ns 2543362 по классам F03B 7/10, F03B 13/10, F03B 17/06 опублико- ванный 27.02.2015 года].

Основным существенным конструктивным недостатком этой бесплотинной гидроэлектростанции для предлагаемого использова- ния в качестве энергетического устройства большой мощности яв- ляется то, что размещение цепной передачи для привода ведомого вала в соответствии с приведенной в прототипе схемой не обеспе- чивает равномерного распределения силовых нагрузок по высоте лопастного колеса и может привести к его перекосу и деформации элементов конструкции.

Вторым существенным конструктивным недостатком этой бес- плотинной гидроэлектростанции является то, что опора лопастного колеса опирается только на одну кольцевую дорожку посредством роликов с горизонтальной осью вращения, что не обеспечивает на- дежного противодействия колеса от сдвига в сторону наружного обода корпуса и приводит к большому давлению на дорожку. Третьим существенным конструктивным недостатком этой бес- плотинной гидроэлектростанции является то, что в конструкции не обеспечено надежное и равномерное прижатие роликов с верти- кальной осью вращения к поверхности цилиндра.

Четвертым существенным конструктивным недостатком этой бесплотинной гидроэлектростанции является то, что наличие ци- линдра большого диаметра и большой высоты в крупномасштабной конструкции гидроэлектростанции большой единичной мощности не оправдано с точки зрения технологичности изготовления и не обос- новано как элемента силовой конструкции энергетического устрой- ства.

Решаемая задача

В основу изобретения поставлена задача рационального рас- пределения усилий, возникающих в процессе взаимодействия лопа- стного колеса с корпусом устройства, за счет уменьшения давления на опорную кольцевую дорожку от весовой нагрузки лопастного ко- леса, предотвращения перекоса лопастного колеса и его деформа- ции от усилий, передаваемых цепной передачей, предотвращения сдвигов колеса в горизонтальной плоскости, рационального исполь- зования емкостей, задействованных при транспортировке гидро- электростанции к месту ее эксплуатации и размещении внутри пото- ка воды, уменьшения удельной материалоемкости конструкции по отношению к вырабатываемой электроэнергии, упрощения и облег- чения обслуживания и ремонта устройства, создания энергетическо- го устройства большой единичной мощности, путем внесения соот- ветствующих конструктивных изменений.

Сущность изобретения

Решение поставленной задачи достигается тем, что в беспло- тинной гидроэлектростанции, корпус которой содержит опорную кольцевую дорожку, на которую опирается лопастное колесо с вер- тикальной осью вращения и поворотными лопастями, опору ведо- мой звездочки цепной передачи, диффузоры для формирования по- тока воды, проходящего через лопастное колесо, емкость с регули- руемым объемом воздуха и якорные устройства, согласно предло- жению, часть корпуса гидроэлектростанции, в которой размещается лопастное колесо, выполнена в виде кольцевого туннеля, на верти- кальных стойках которого внутри туннеля с обеих его сторон закре- плены в несколько рядов опорные кольцевые дорожки, на которые через посредство роликоопор опирается лопастное колесо, а коль- цевая конструкция туннеля соединена с центральной втулкой тяга- ми, аналогичными спицам велосипедного колеса, и с емкостями, одни из которых содержат постоянный объем воздуха, обеспечи- вающий гидроэлектростанции плавучесть несколько меньшую, чем нулевая, а другие содержат регулируемый объем воздуха, позво- ляющий располагать гидроэлектростанцию внутри потока воды, причем, лопастное колесо содержит в каждом секторе колеса закре- пленные на вертикальных стойках с внешних сторон наружного и внутреннего ободов колеса несколько рядов роликоопор с горизон- тальными и вертикальными осями вращения, снабженных рессора- ми, посредством которых колесо взаимодействует с опорными кольцевыми дорожками туннеля, а также закрепленные на каждом секторе колеса на вертикальных стойках наружного обода колеса зубчатые секторы, располагаемые в несколько рядов, посредством которых при вращении лопастного колеса осуществляется протяги- вание цепей, кинематически связанных с мультипликатором оборо- тов и генератором электроэнергии, способных функционировать под водой.

Предложенное техническое решение отличается от прототипа тем, что конфигурация части корпуса, в которой размещено лопаст- ное колесо, и узлы взаимодействия корпуса и лопастного колеса осуществляются по измененной конструктивной схеме и через кон- структивно иные контактные узлы, расположенные в зоне прохож- дения водного потока через лопастное колесо, что изменяет их вза- имное силовое воздействие, исключает перекос конструкции лопа- стного колеса и позволяет создавать бесплотинные гидроэлектро- станции больших геометрических размеров.

В частности, корпус выполнен в виде кольцевого туннеля, вер- тикальные стойки которого воспринимают силовое воздействие че- рез опорные кольцевые дорожки и от веса лопастного колеса и от напора водного потока, воздействующего на лопастное колесо. Же- сткость корпуса усилена тягами, аналогичными спицам велосипед- ного колеса, посредством которых при монтаже бесплотинной гид- роэлектростанции корректируют окружность внутреннего обода кон- струкции туннеля.

Лопастное колесо выполнено в виде кольцевой фермы и содер- жит в зоне прохождения водного потока через лопастное колесо на вертикальных стойках обоих ободов в каждом секторе лопастного колеса несколько рядов снабженных рессорами роликоопор с гори- зонтальными и вертикальными осями вращения, посредством кото- рых оно взаимодействует с опорными кольцевыми дорожками, рас- положенными на внутренних сторонах туннеля. Кроме того, лопаст- ное колесо в зоне прохождения водного потока содержит на верти- кальных стойках наружного обода в каждом секторе несколько ря- дов зубчатых секторов для протягивания соответствующего количе- ства ветвей тяговой цепи. Внутренняя поверхность обода колеса за- крыта, а на стойках закреплены упоры для лопастного колеса. Кинематическая схема передачи вращения от лопастного коле- са к генератору электроэнергии содержит мультипликатор оборотов для уменьшения сопротивления вращению последней высокоскоро- стной ступени.

Для доставки гидроэлектростанции к месту ее эксплуатации и удержания ее внутри водного потока предложены емкости с посто- янным объемом воздуха, которые обеспечивают устройству плаву- честь несколько меньшую, чем нулевая, и емкости с изменяемым объемом воздуха, как более технологическое решение, чем наличие одной большой емкости у прототипа.

Все эти отличия от прототипа позволяют создавать бесплотин- ные гидроэлектростанции больших геометрических размеров и большой единичной мощности, ограниченных только прочностными характеристиками конструкционных материалов.

В предложенном техническом решении отличительные признаки не являются характеристикой частей целого объекта, которые сами могут быть целыми объектами со своими функциями. Поэтому они не классифицируются в отрыве от других частей (признаков), а со- вокупность признаков, изложенных в отличительной части формулы изобретения, которые отличаются от известных технических реше- ний, не были найдены в известной патентной документации и других источниках научно-технической и иной информации, поэтому пред- ложенное техническое решение соответствует критерию «изобрета- тельский уровень».

Перечень иллюстративного материала

Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняется иллюстративным материалом, на котором изображено следующее:

Фигура 1 - схема расположения частей бесплотинной гидро- электростанции и ее функциональных узлов, вид сверху;

Фигура 2 - то же самое, вид сбоку.

Описание предпочтительного варианта изобретения

Предложенная бесплотинная гидроэлектростанция содержит корпус 1 , в котором выполнена кольцевая часть в виде туннеля 2, для размещения в нем лопастного колеса 3 с поворотными лопа- стями 4. На вертикальных стойках 5 туннеля 2 закреплены опорные кольцевые дорожки 6, на которые опирается лопастное колесо 3 че- рез посредство содержащих рессоры роликоопор 7 с горизонталь- ными и вертикальными осями вращения. На вертикальных стойках 8 наружного обода лопастного колеса 3 в зоне прохождения водного потока через лопастное колесо 3 закреплены зубчатые секторы 9 для протягивания тяговой цепи 10 первой ступени кинематической схемы передачи вращения с лопастного колеса 3 на ведомые звез- дочки 11 , закрепленные на вале 12. Натяжение ветвей тяговой цепи 10 регулируется натяжным устройством 13. На верхнем конце вала 12 расположена рама 14 с зубчатыми секторами 9, которые функ- ционируют как приводная звездочка большого диаметра второй сту- пени кинематической схемы передачи оборотов посредством цепи 15 на ведомую звездочку 16, закрепленную на вале мультипликато- ра оборотов 17 с которого вращение передается на генератор элек- троэнергии 18.

Жесткость кольцевой части корпуса 1 бесплотинной гидроэлек- тростанции в виде туннеля 2 усилена лучевыми тягами 19, анало- гичными спицам велосипедного колеса, которые соединяют лучевые балки туннеля 2 с центральной втулкой 20.

На корпусе 1 бесплотинной гидроэлектростанции закреплены заграждения 21 , функционально выполняющие роль диффузора, формирующего поток воды, который проходит через лопастное ко- лесо 3, герметические емкости 22 с постоянным объемом воздуха, суммарная выталкивающая сила которых численно несколько меньше веса всей бесплотинной гидроэлектростанции, и герметиче- ские емкости 23 с изменяемым объемом воздуха, которые позволя- ют размещать бесплотинную гидроэлектростанцию внутри потока воды. Удержание бесплотинной гидроэлектростанции в потоке воды на одном месте обеспечивается якорными устройствами с гибкими связями любой известной конструкции (не показаны).

Предложенная бесплотинная гидроэлектростанция работает следующим образом.

Бесплотинную гидроэлектростанцию, с зафиксированными в нерабочем положении лопастями 4, буксируют в плавучем положе- нии к месту эксплуатации, где заблаговременно установлены якор- ные устройства, при полностью заполненных воздухом емкостях 23 с изменяемым объемом воздуха. В месте эксплуатации гидроэлек- тростанцию посредством гибких связей соединяют с якорными уст- ройствами, разворачивают навстречу потоку (на фиг. 1 навстречу стрелки А), разблокируют лопасти 4, соединяют сеть генератора электроэнергии 18 с кабелем, и путем регулируемого натяжения гибких связей якорных устройств и регулируемого набора воды в емкости 23 погружают бесплотинную гидроэлектростанцию на тре- буемую глубину. Удержание гидроэлектростанции на этой глубине осуществляется посредством гибких связей якорных устройств, ко- торые препятствуют перемещению гидроэлектростанции от воздей- ствия напора течения и от избыточной подъемной силы, образуемой емкостями 23. Водный поток, проникая через заграждение 21 (диф- фузор) (по направлению стрелки А) в лопастное колесо 3, воздейст- вует на лопасти 4 активной части лопастного колеса 3 и разворачи- п вает их вокруг оси 24 таким образом, что они своим подвижным кон- цом опираются на упоры 25, расположенные на вертикальных стой- ках 26 внутреннего обода лопастного колеса 3, и образуют в секто- рах лопатного колеса 3 пространство в виде ковша (боковые сторо- ны сектора зарыты листом, а лопасть 4 перекрывает дно сектора), увеличивая тем самым силовое воздействие водного потока на про- ворачивание лопастного колеса 3 в туннеле 2 вокруг своей геомет- рической оси вращения. При этом лопасти 4, находящиеся в пас- сивной части лопастного колеса 3, которая вращается в направле- нии обратном направлению потока воды, проворачиваются вокруг своей оси 24 каждая в своем секторе таким образом, что раскрыва- ют дно ковша, следствием чего является уменьшение сопротивле- ния вращению лопастного колеса 3.

При вращении лопастного колеса 3 зубчатые секторы 9, закреп- ленные на вертикальных стойках 8 наружного обода лопастного ко- леса 3 осуществляют протягивание ветвей тяговой цепи 10, следст- вием чего является вращение ведомых звездочек 11 , закрепленных на вале 12, которое кинематически передается на генератор элек- троэнергии 18.

Технические преимущества изобретения

Техническим результатом заявленного решения является рас- ширение области применения и повышение технологических и эко- номических характеристик бесплотинной гидроэлектростанции за счет совершенствования силового взаимодействия контактных уз- лов, повышение технологичности изготовления, сборки и наладки, а также при обслуживании и ремонте в месте эксплуатации беспло- тинной гидроэлектростанции.