Гидросиловая установка
Установка предназначена для выработки электроэнергии путем преобразования течения воды. Электроэнергия вырабатывается посредством лопастной машины, содержащей, по меньшей мере, один ротор, приводимый ротором генератор и поплавок для лопастной машины, причем лопастная машина неподвижно заанкерена, а ротор ориентирован в направлении течения воды. Лопастная машина удерживается ниже поверхности воды во взвешенном состоянии, при этом поплавок выполнен с возможностью на выбор надувания газообразной средой, например сжатым воздухом, и при необходимости наполнения водой. Ротор установлен на оси, ориентированной в направлении течения воды. Лопасти ротора выполнены с возможностью поворота посредством механизма в направлении течения или против него. Ось ротора выполнена в виде полой оси и образует поплавок. Устройство имеет простую конструкцию, обеспечивающую монтаж в короткое время, при этом при эксплуатации лопастная машина установки не видна. 21 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к гидросиловой установке для вырабатывания электрической энергии с преобразованием энергии течения воды посредством лопастной машины, содержащей, по меньшей мере, один ротор, приводимый ротором генератор и поплавок для лопастной машины, причем лопастная машина неподвижно заанкерена, а ротор ориентирован в направлении течения воды. В рамках изобретения термин "ротор" включает в себя лопастные колеса и крыльчатки, а также пропеллеры и т.п. В качестве текущих вод в распоряжении имеются морские течения и реки.
Иначе, чем у ветросиловых установок, которые преобразуют энергию течения ветра в электрическую и у которых при безветрии приходится мириться с простоями, гидросиловые установки могут непрерывно вырабатывать электрическую энергию, поскольку текущие воды находятся в постоянном движении. Известны гидросиловые установки описанной выше формы выполнения, содержащие плавающую на поверхности воды лопастную машину. Это неудовлетворительно, с одной стороны, в эстетическом отношении, поскольку это нарушает ландшафт, а с другой стороны, приходится мириться с уменьшенным преобразованием энергии, поскольку ротор в форме выполнения, как правило, в виде лопастного колеса лишь частично погружен в текущую воду и приводится в действие (DE 4112730 С2). Известны, правда, также лопастные машины для применения в подводных гидроэлектростанциях, у которых лопастные колеса расположены на каркасе, а каркас установлен на фундаменте на дне водоема. У подобных форм выполнения устройство фундамента является сложным делом, а достаточная анкеровка каркаса на фундаменте почти не обеспечивается, так что достаточное ориентирование лопастных колес в направлении течения почти не обеспечивается (DE 20011874 U1). У другой подводной лопастной машины для вырабатывания энергии ось ротора установлена на нижнем конце с цапфой с возможностью вращения в подшипнике. Этот подшипник находится в составном фундаменте, отдельные части которого приходится доставлять вплавь к месту назначения и собирать там с помощью водолазов на дне водоема (DE 29900124 U1).
В основе изобретения лежит задача создания гидросиловой установки описанной выше формы выполнения, лопастная машина которой при эксплуатации не видна, обеспечивает монтаж в короткое время и, кроме того, отличается простой конструкцией в отношении техники монтажа и обслуживания.
Эта задача решается, согласно изобретению, у родовой гидросиловой установки за счет того, что лопастная машина удерживается под поверхностью воды во взвешенном состоянии и что для этого поплавок выполнен с возможностью на выбор надувания газообразной средой, например сжатым воздухом и, при необходимости, наполнения водой.
Эти меры имеют следствием прежде всего то, что лопастная машина при эксплуатации не видна и, таким образом, отвечает в эстетическом отношении всем требованиям, поскольку ландшафт сохранен. Кроме того, ротор по всей своей периферии постоянно находится в текущей воде, и, следовательно, достигается оптимальное преобразование энергии течения в электрическую энергию. Далее может быть реализована относительно простая в конструктивном отношении конструкция, которая обеспечивает ее применение в короткие сроки и простой монтаж. Также работы по обслуживанию и ремонту проводить несложно, поскольку лопастная машина за счет нагружения газообразной средой, например за счет надувания поплавка сжатым воздухом, может быть поднята на поверхность воды. Фактически процессом подъема и опускания можно управлять через пневмопровод путем подачи воздуха, при необходимости также путем наполнения водой. Возможно также опускание лопастной машины на дно водоема.
Другие существенные для изобретения признаки приведены ниже. Так, ротор установлен на ориентированной в направлении течения воды оси, а его лопасти выполнены с возможностью поворота посредством механизма поворота в направлении течения или против него, чтобы, например, предотвратить уменьшение мощности при превышающем заданное значение напоре течения. Это удается у лопастей ротора за счет как бы положения флажка и, следовательно, уменьшения поверхностей натекания. Далее изобретение предусматривает, что ось ротора выполнена в виде полой оси и образует поплавок. Такая полая ось отличается высокой изгибной жесткостью и способствует ориентированию ротора в направлении течения воды. Согласно изобретению лопасти жестко установленного на оси ротора выполнены с возможностью отклонения в направлении течения и посредством нагружения пружинами удерживаются прямыми против напора течения и при превышении напора течения на заданное значение отклоняются в направлении течения с уменьшением поверхности натекания. Этим достигается относительно простой и функциональный механизм поворота лопастей ротора. Это действует, в частности, тогда, когда лопасти ротора на своей обращенной от течения стороне опираются посредством опорных носиков на разжатые пружины лопастей, распределенные по периферии оси ротора и закрепленные на ней. Усилие этих пружин лопастей определяет тот напор течения, при котором лопасти ротора удерживаются прямыми. Только если напор течения превысит усилие пружин лопастей, лопасти ротора отклонятся как бы в положении флажка.
Согласно другому варианту осуществления изобретения на оси ротора расположена контропора, причем с лопастями ротора сочленены направляющие рычаги, и направляющие рычаги сочленены с опорным кольцом, установленным с возможностью перемещения на оси ротора в ее продольном направлении, и причем далее между контропорой и опорным кольцом расположена окружающая ось ротора пружина сжатия в виде спиральной пружины, которая нагружает лопасти ротора через направляющие рычаги и против направления течения воды. В этом случае лопасти ротора отклоняются, если эффективный напор течения превышает усилие пружины сжатия. Ось ротора может быть выполнена, по меньшей мере, на переднем и заднем концах в виде шпиндельной оси, причем контропора и/или опора для лопастей ротора выполнены в виде перемещаемых на шпиндельной оси и фиксируемых маточных гаек, чтобы можно было натягивать пружину сжатия на заданную величину или варьировать усилие пружины. Согласно одному видоизмененному варианту осуществления изобретения между опорным кольцом и опорой для лопастей ротора расположена окружающая шпиндельную ось спиралеобразная пружина сжатия или растяжения, причем опорное кольцо и опора для лопастей ротора выполнены в виде маточных гаек. В этом случае от направления течения и, следовательно, нагружения лопастей ротора с того или иного направления зависит, будет ли расположенная между опорным кольцом и опорой для лопастей ротора пружина работать в качестве пружины сжатия или растяжения.
Далее, согласно изобретению, на оси ротора с заданными промежутками расположено несколько роторов с механизмом поворота каждый. У этого варианта осуществления изобретения напор течения воды распределен по нескольким лопастям роторов, так что даже небольшие скорости течения обеспечивают достаточное преобразование энергии. В то же время достигается снижение напора течения за счет его распределения по отдельным лопастям ротора. Это справедливо, в частности, тогда, когда наружные диаметры роторов или лопастей возрастают в направлении течения воды на заданную ступень и превышают наружные диаметры соответственно предыдущих роторов.
Преимущественно ось ротора выполнена в виде полой оси, конически расширяющейся в направлении течения воды, и отличается за счет этого не только благоприятной в отношении течения конструкцией, но и уменьшает в то же время воздействующие на прифланцованный генератор нагрузки и, в частности, изгибающие усилия. Полая ось состоит целесообразно из образующих полые камеры отрезков с ротором каждый и выполнена с возможностью удлинения, причем отрезки оси выполнены с возможностью присоединения друг к другу посредством газо- или воздухо- и водонепроницаемых фланцевых соединений. За счет этого ось ротора можно выборочно удлинять с достаточной стабильностью и плавучестью. В этой связи существует также возможность поддержания оси ротора с заданными промежутками посредством направляющих опор. Далее задний в направлении течения конец оси ротора может содержать направляющее устройство, что обеспечивает безупречное ориентирование оси и находящихся на ней роторов.
Генератор может быть расположен в водонепроницаемом корпусе, например корпусе из полусфер, таких как половины трубы, с охлаждающими ребрами на внешней стороне, которые проходят преимущественно в продольном направлении корпуса и, следовательно, в направлении течения. Далее существует возможность расположения нескольких генераторов в ряд друг за другом и их присоединения друг к другу и к оси ротора для достижения оптимального преобразования энергии в электрический ток. По гидравлическим причинам к корпусу со стороны натекания может быть прифланцован полый конус обтекания, который к тому же в области генератора заботится о подъемной силе, поскольку поплавок образован преимущественно полой осью, при необходимости корпусом и конусом обтекания. Согласно другому варианту осуществления изобретения поплавок образован рамным каркасом с полыми балками и/или коробами для одной или нескольких лопастных машин. Кроме того, к заполняемому поплавку могут быть присоединены один или несколько газо- или пневмопроводов. Наконец изобретение предусматривает, что несколько лопастных машин расположены в ряд одна около другой и/или со смещением друг за другом и присоединены друг к другу при необходимости гибкими или эластичными соединительными средствами, чтобы реализовать нечто вроде электростанции. Лопастная машина или машины заанкерены на берегу или на дне водоема цепями, тросами и т.п., так что в последнем случае анкеровка остается незаметной.
Ниже изобретение более подробно поясняется с помощью чертежей, изображающих лишь один пример его осуществления. На чертежах представляют:
- фиг.1: лопастную машину, согласно изобретению, в схематичном виде сбоку;
- фиг.2: объект фиг.1 при виде спереди;
- фиг.3: гидросиловую установку, согласно изобретению, с несколькими расположенными в ряд одна около другой лопастными машинами при виде спереди;
- фиг.4: фрагмент объекта фиг.1 с отклоняемыми в направлении генератора лопастями ротора;
- фиг.5: объект фиг.4 с отклоняемыми во встречном направлении лопастями ротора;
- фиг.6: видоизмененную форму выполнения объекта фиг.1 с размещенным в корпусе генератором;
- фиг.7: видоизмененную форму выполнения объекта фиг.6;
- фиг.8: другую видоизмененную форму выполнения объекта фиг.6;
- фиг.9: видоизмененную форму выполнения объекта фиг.8;
- фиг.10: другую видоизмененную форму выполнения объекта фиг.7;
- фиг.11: фрагмент вида сверху на объект фиг.3.
На фигурах изображена гидросиловая установка для вырабатывания электрической энергии или электрического тока с преобразованием энергии течения воды. Эта гидросиловая установка содержит, по меньшей мере, одну лопастную машину 1, по меньшей мере, с одним ротором 2, приводимый ротором 2 генератор 3 и поплавок 4 для лопастной машины 1, причем лопастная машина 1 заанкерена неподвижно, например, в фиксированных точках 5 на берегу и/или на дне водоема с возможностью ориентирования ротора 2 в направлении течения воды. Лопастная машина 1 удерживается ниже поверхности 6 воды во взвешенном состоянии. Для этого поплавок 4 выполнен с возможностью на выбор надувания сжатым воздухом или другой газообразной средой и, при необходимости, наполнения водой. Необходимые для этого клапанные и управляющие устройства не показаны.
Ротор 2 установлен на оси 7, ориентированной в направлении течения воды. Его лопасти 8 выполнены с возможностью поворота посредством механизма 9 поворота в направлении течения и против него. Кроме того, лопасти 8 могут поворачиваться вокруг своей продольной оси для изменения своего угла наклона. У некоторых форм выполнения ось 7 ротора выполнена в виде полой оси, которая одновременно образует поплавок 4. Лопасти 8 жестко установленного в направлении течения ротора 2 выполнены с возможностью отклонения в направлении течения и удерживаются прямо против напора течения посредством пружин. При превышении напора течения на заданную величину лопасти 8 отклоняются в направлении течения с уменьшением поверхности натекания как бы в положение флажка. Это обозначено штриховыми линиями. Лопасти 8 на своей обращенной от течения стороне опираются посредством опорных носиков на разжатые плоские пружины 11, которые распределены по периферии оси 7 и закреплены на ней.
У другой формы выполнения на оси 7 ротора расположена контропора 12. Далее с лопастями 8 сочленены направляющие рычаги 13, которые сочленены также с перемещаемым по оси 7 в ее продольном направлении опорным кольцом 14. Между контропорой 12 и опорным кольцом 14 расположена окружающая ось 7 пружина 15 сжатия, которая нагружает лопасти 8 через направляющие рычаги 13 против направления течения воды. Ось 7, по меньшей мере, на переднем и заднем концах может быть выполнена в виде шпиндельной оси 7а, 7b, причем контропора 12 /или опора 16 для лопастей 8 выполнены в виде перемещаемых на шпиндельной оси 7а, 7b и фиксируемых маточных гаек. У видоизмененной формы выполнения между опорным кольцом 14 и опорой 16 для лопастей 8 расположена окружающая шпиндельную ось 7 спиральная пружина 15′ сжатия, которая в зависимости от направления течения может работать также в качестве пружины растяжения. Опорное кольцо 14 и опора 16 для лопастей 8 выполнены в виде маточных гаек.
На оси 7 с заданными промежутками может быть расположено несколько роторов 2 с механизмом 9 поворота каждый. В этом случае наружные диаметры роторов или их лопастей 8 возрастают в направлении течения воды на заданную ступень и превышают наружные диаметры соответственно предыдущих роторов, за счет чего образуется как бы конус обтекания. У этой формы выполнения рекомендуется выполнение оси 7 в виде конически расширяющейся в направлении течения воды полой оси, которая своим суженным концом присоединена к генератору 3. Полая ось может состоять из образующих полые камеры 17 отрезков 18 с ротором 2 и механизмом 9 поворота каждый и, следовательно, может быть выполнена с возможностью удлинения на несколько отрезков 18. Для этого отрезки 18 оси выполнены с возможностью присоединения друг к другу посредством газо- или воздухо- и водонепроницаемых фланцевых соединений 19. В остальном существует также возможность поддержания оси 7 ротора с заданными промежутками посредством направляющих опор 20. У одной формы выполнения задний в направлении течения конец оси 7 ротора содержит направляющее устройство 21, что стабилизирует ориентирование лопастной машины 1 в направлении течения.
Генератор 3 может быть расположен в корпусе 22, например корпусе из полусфер с охлаждающими ребрами 23 на внешней стороне. Существует также возможность расположения нескольких генераторов 3 в ряд друг за другом и их присоединения друг к другу и к оси 7 ротора. Также в этом случае генераторы могут быть заключены в корпус. Преимущественно со стороны натекания к корпусу 22 прифланцован полый конус 24 обтекания.
У одной формы выполнения поплавок 4 образован полой осью 7, при необходимости корпусом 22 и конусом 24 обтекания. У другой формы выполнения поплавок 4 образован рамным каркасом 25 с полыми балками 26 и/или коробами для одной или нескольких лопастных машин 1. Этот рамный каркас 25 может быть оснащен для надевания полозьями 27.
К наполняемому водой поплавку 4 присоединен один или несколько пневмопроводов 28. Для реализации гидроэлектростанции несколько лопастных машин 1 могут быть расположены в ряд одна около другой и/или со смещением друг за другом и присоединены друг к другу при необходимости гибкими или эластичными соединительными средствами 29. Лопастная машина или машины 1 заанкерены на берегу 31 и/или на дне 32 водоема в фиксированных точках 5 цепями, тросами 30 и т.п. При анкеровке на дне 32 водоема можно, отказавшись от трудоемкого фундамента, установить забивную или буровую сваю 33.
1. Гидросиловая установка для вырабатывания электрической энергии с преобразованием энергии течения воды посредством лопастной машины (1), содержащей, по меньшей мере, один ротор (2), приводимый ротором (2) генератор (3) и поплавок (4) для лопастной машины (1), причем
а) лопастная машина (1) неподвижно заанкерена, а ротор (2) ориентирован в направлении течения воды;
б) лопастная машина (1) удерживается ниже поверхности воды во взвешенном состоянии, при этом
в) поплавок (4) выполнен с возможностью на выбор надувания газообразной средой, например сжатым воздухом, и при необходимости наполнения водой;
г) ротор (2) установлен на оси (7), ориентированной в направлении течения воды;
д) лопасти (8) ротора (2) выполнены с возможностью поворота посредством механизма (9) поворота в направлении течения или против него;
е) ось (7) ротора выполнена в виде полой оси и образует поплавок (4).
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти (8) жестко установленного на оси (7) ротора (2) выполнены с возможностью отклонения в направлении течения и посредством нагружения пружинами удерживаются прямыми против напора течения и при превышении напора течения на заданное значение отклоняются в направлении течения с уменьшением поверхности натекания.
3. Установка по одному из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что лопасти (8) ротора на своей обращенной от течения стороне выполнены с возможностью опоры посредством опорных носиков (10) на разжатые плоские пружины (11), распределенные по периферии оси (7) ротора и закрепленные на ней.
4. Установка по одному из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что на оси (7) ротора расположена контропора (12), причем с лопастями (8) ротора сочленены направляющие рычаги (13), которые сочленены с опорным кольцом (14), установленным с возможностью перемещения на оси (7) ротора в ее продольном направлении, при этом между контропорой (12) и опорным кольцом (14) расположена окружающая ось (7) ротора пружина (15) сжатия, которая нагружает лопасти (8) ротора через направляющие рычаги (13) и против направления течения воды.
5. Установка по одному из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что ось (7) ротора может быть выполнена, по меньшей мере, на переднем и заднем концах в виде шпиндельной оси (7а, 7b), причем контропора (12) и/или опора (16) для лопастей (8) ротора выполнены в виде перемещаемых на шпиндельной оси (7а, 7b) и фиксируемых маточных гаек.
6. Установка по одному из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что между опорным кольцом (14) и опорой (16) для лопастей (8) ротора расположена окружающая шпиндельную ось (7) пружина (15′) сжатия или растяжения, причем опорное кольцо (14) и опора (16) для лопастей (8) ротора выполнены в виде маточных гаек.
7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ось (7) ротора может быть выполнена, по меньшей мере, на переднем и заднем концах в виде шпиндельной оси (7а, 7b), причем контропора (12) и/или опора (16) для лопастей (8) ротора выполнены в виде перемещаемых на шпиндельной оси (7а, 7b) и фиксируемых маточных гаек.
8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что наружные диаметры роторов (2) или их лопастей (8) возрастают в направлении течения воды на заданную ступень и превышают наружные диаметры соответственно предыдущих роторов (2).
9. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на оси (7) ротора с заданными промежутками расположено несколько роторов (2) с механизмом (9) поворота каждый.
10. Установка по п.1, отличающаяся тем, что наружные диаметры роторов (2) или их лопастей (8) возрастают в направлении течения воды на заданную ступень и превышают наружные диаметры соответственно предыдущих роторов (2).
11. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ось (7) ротора выполнена в виде полой оси, конически расширяющейся в направлении течения воды.
12. Установка по п.11, отличающаяся тем, что полая ось (7) состоит из образующих полые камеры (17) отрезков (18) с ротором (2) и механизмом (9) поворота каждый и выполнена с возможностью удлинения на несколько отрезков (18), причем отрезки (18) оси выполнены с возможностью присоединения друг к другу посредством газо- или воздухо- и водонепроницаемых фланцевых соединений (19).
13. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ось (7) ротора поддерживается с заданными промежутками направляющими опорами (20).
14. Установка по п.1, отличающаяся тем, что задний в направлении течения конец оси (7) ротора содержит направляющее устройство (21).
15. Установка по п.1, отличающаяся тем, что генератор (3) расположен в корпусе (22), например корпусе из полусфер с охлаждающими ребрами (23) на внешней стороне.
16. Установка по п.1, отличающаяся тем, что несколько генераторов (3) расположены в ряд друг за другом и присоединены друг к другу и к оси (7) ротора.
17. Установка по п.15, отличающаяся тем, что со стороны натекания к корпусу (22) прифланцован полый конус (24) обтекания.
18. Установка по п.1, отличающаяся тем, что поплавок (4) образован полой осью (7), при необходимости корпусом (22) и конусом (24) обтекания.
19. Установка по п.1, отличающаяся тем, что поплавок (4) образован рамным каркасом (25) с полыми балками (26) и/или коробами и при необходимости полозьями (27) для одной или нескольких лопастных машин (1).
20. Установка по п.1, отличающаяся тем, что к наполняемому поплавку (4) присоединен один или несколько газо- или пневмопроводов (28).
21. Установка по п.1, отличающаяся тем, что несколько лопастных машин (1) расположены в ряд одна около другой и/или со смещением друг за другом, и/или друг над другом и присоединены друг к другу при необходимости гибкими или эластичными соединительными средствами (29).
22. Установка по п.1, отличающаяся тем, что лопастная машина или машины (1) заанкерены на берегу (31) и/или на дне (32) водоема в фиксированных точках (5) цепями, тросами (30) и т.п.
