EA 008133B1 20070427

	Патентная документация ЕАПВ
Запрос:	ea000008133b*\id
Результат:	ID\|Номер и дата охранного документа

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

1. Устройство в соответствии с изобретением для использования потенциальной энергии воды, характеризующееся турбиной, состоящей из

колеса (1), снабженного лопастями (2), форма которого и объем движения для вращающейся части (1) обеспечивают установку неподвижной части (4),

неподвижных частей (4), служащих плотиной, необходимой для поддержания уровня воды, и расположенных на внутренней стороне вращающейся части колеса.

2. Устройство по п.1 в соответствии с изобретением для распределения притока воды (15), которое образовано нижним участком неподвижной части для направления потока воды, обеспечивающим использование кинетической энергии воды.

3. Устройство по п.1, отличающееся лопастным колесом, состоящим из опорных дисков (3-5), имеющих внешнюю форму, которая может быть зубчатой или незубчатой, опору (2) для лопастей, объем движения для узла, обеспечивающий большое внутреннее пространство для установки одной или нескольких неподвижных частей.

4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся дисками (3-5), внешняя зубчатая или незубчатая форма которых обеспечивает установку лопастей, имеющих гидродинамическую форму.

5. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся идентичной работой в непрерывном или обратимом гидравлическом потоке (при приливах).

6. Устройство по предшествующим пунктам, отличающееся функцией подъемного устройства для рыбы, в котором лопасти снабжены клапанами С1 и С2 в соответствии с фиг. 3.

Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:
Устройство в соответствии с изобретением для использования потенциальной энергии воды, характеризующееся турбиной, состоящей из

008133
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству, использующему потенциальную и кинетическую энергию воды водотоков или приливов с целью ее преобразования в электроэнергию.
Известный уровень техники
Существующие в настоящее время колеса для использования энергии воды в естественном направлении течения представляют собой колеса, снабженные лопастями, имеющими постоянную толщину, на которые вода оказывает давление и которые собраны на вращающейся раме, в целом образованной двумя параллельными дисками на торцах лопастей; причем эти колеса, в основном, используют динамическую энергию воды. Были созданы различные типы лопастных колес с так называемой верхней, боковой и нижней подачей воды и т.д., при этом наиболее эффективным является водяное колесо Sagebien, изобретенное в девятнадцатом веке. Затем лопастные колеса стали применяться в меньшей степени, так как ни одно лопастное колесо не было в состоянии использовать потенциальную энергию водяных уровней.
Практически в девятнадцатом веке они были заменены турбинами, работающими при значительно более высоких расходах воды и обладающими более высокой скоростью вращения, обеспечиваемой потоком воды, который был существенно изменен и ограничен машиной (турбина Франсиса-Каплана и т.д.), и такие турбины позволяют максимально использовать потенциальную энергию водяных уровней.
Появились новые колеса, образующие плотину для воды с помощью оси, образованной вращающимся цилиндром, однако, в силу того, что лопасти соединены с цилиндром, при входе их в воду создаются напряжения, нарушающие поток и геометрию устройства; указанные колеса позволяют пропускать воду в стационарном режиме.
Настоящая турбина работает на основе нового лопастного колеса, именуемого лопастным плотинным колесом, позволяющим впервые объединить в колесе глухую плотину и, благодаря этому, использовать весь потенциал водяного уровня дополнительно к кинетической энергии известных лопастных колес, при этом на естественный поток не устанавливается никаких ограничений. Единственными потерями являются потери интенсивности утечки, связанные с точностью производства и которые в данном случае сокращены до минимума и зависят от размера зазоров лопастей в водоотводном и водоподводя-щем каналах.
Описание изобретения
Настоящее изобретение относится к лопастному колесу, использующему потенциальную и динамическую энергию воды водотоков или приливов с целью ее преобразования в механическую, а затем в электрическую энергию, включающему
вращающуюся подвижную часть, именуемую ротором (1) и образованную лопастями (2), вращающимися вокруг горизонтальной оси (6) и собранными по торцам с помощью круглых дисков (3) и (5),
неподвижную часть (4), служащую в качестве плотины, необходимой для поддержания уровня воды, и
водоподводящий канал (15) и водоотводной канал (16).
Новизна заключается в цилиндрической корончатой форме подвижной части (1), обеспечивающей в пространстве, остающемся свободным при ее движении, установку элемента (4) для задержания воды; водоподводящий канал имеет заданные размеры и является целой частью устройства; благодаря естественному потоку воды без каких-либо ограничений, колесо обеспечивает максимальную производительность при поддержании низкого уровня воды; используется кинетическая энергия воды нисходящего участка в верхнем течении от А до В и во время перехода С от давления перед элементом до давления за элементом - потенциальная энергия водяного уровня.
Единственными потерями являются потери интенсивности утечки, связанные с точностью производства, которые в данном случае сокращены до минимума. В глухой плотине (4) расположено устройство ускоренной передачи, необходимое для приведения в действие электрогенераторов, за счет чего ликвидируются внешние устройства, в основном используемые для этой цели.
С целью наиболее полного понимания изобретения первый пример осуществления изобретения описывается со ссылками на фиг. 1 и 2.
В соответствии с фиг. 1 устройство содержит вращающуюся часть (1), образованную сборкой лопастей (2), установленных одним из своих торцов на внешнем диске (5); пример включает 24 лопасти, но их количество может изменяться в зависимости от диаметра колеса и его длины, при этом конструкция зависит от расхода и уровней воды, и, в частности, узел (1) может вращаться вокруг оси (6); лопасти (2) движутся по траектории (7) в исключительно ограниченном внешнем пространстве и, таким образом, внутреннее пространство остается полностью свободным, в котором расположена неподвижная часть (4), служащая в качестве плотины для задержания воды. Промежуточные опорные диски (5) могут быть необходимы в зависимости от интервала лопастей, указанные корончатые диски (5) имеют углубление в своей центральной части и не снабжены осью. Сплошной диск на противоположном торце лопастей передает энергию оси вращения и, таким образом, степень движения вращения ограничена только внешней огибающей поверхностью цилиндра, имеющего толщину, непосредственно обусловленную только объемными пространственными требованиями к лопастям в пространстве и сплошному диску.
Внешний диск (5) можно перемещать на неподвижной цилиндрической части (8), служащей в каче
- 1 -
008133
стве направляющей и ограничителя, при этом контакт обеспечивается рядом роликов (9), количество которых может изменяться в зависимости от диаметров и передаваемых усилий.
Лопасти (2) имеют гидродинамическую форму с целью, с одной стороны, обеспечения достаточной жесткости для придания им механической прочности, и, с другой стороны, благодаря их углу наклона, который может изменяться в значительном диапазоне, с целью ограничения отрицательного воздействия во время их вхождения в воду и перемещения в воде на расстояние до водоотводного канала (15).
Положение оси (6), расположенной в плотине для задержания воды, позволяет лопастям входить в воду в положении, обеспечивающем минимальное сопротивление, и после их вхождения в воду, обеспечивает приведение их в движение потоком воды, производимым машиной в канале (15).
В соответствии с фиг. 2 пространство, не используемое круговым движением ротора (1), поддерживающим лопасти (2), обеспечивает установку внутри неподвижной части (4), образующей глухую плотину для задержания воды и оставляющей проход для лопастей только в нижней части.
Сама плотина благодаря своей низкой посадке образует водоотводной канал, соответствующий расходам потока каждого сооружения. Узел состыкован с вертикальной бетонной стенкой (14), служащей для продольного удерживания грунта.
Конфигурация указанных плотин (4), выполненных из металлической рамной конструкции, форма которой обеспечивает ее механическую прочность, позволяет установить в раме ременное или зубчатое устройство ускоренной передачи (10), необходимое для генерирования электроэнергии генераторами, благодаря чему узел превращается в гидроэлектрический генератор, имеющий характеристики, полностью определяемые уровнем задерживаемой воды, скоростями прохода потока, углом наклона и геометрий водоотводного канала, шириной и высотой; в настоящем примере указанное устройство ускоренной передачи состоит из зубчатого колеса (10) большого диаметра, снабженного внутренними зубьями и небольшим сателлитом (13), передающим усилие генератору с помощью ременной передачи, представляющей собой устройство ускоренной передачи.
Устройство ускоренной передачи (10) соединено с тормозным диском (11), который обеспечивает программный и постепенный запуск и останов колеса, - когда колесо остановлено, прекращается протекание воды (за исключением утечек), - следовательно, устройство обеспечивает использование энергии приливов в обоих направлениях, т. е. при приливах и отливах.
Таким образом, фиксация колеса позволяет использовать энергию водяного уровня; производится расчет времени, необходимый для прилива и отлива воды, и угол наклона лопастей с целью использования потока воды в обоих направлениях.
Ось (6), образуемая высокопрочным металлическим валом, выполняет исключительно важную функцию по удерживанию и точности установки узла. Указанный вал (6) собирается вместе с неподвижной частью (4) с помощью роликов (12), и тем самым обеспечивается максимально возможный уровень механической точности узла.
На фиг. 3-8 представлены другие решения или дополнения в соответствии с другими примерами, основанными на аналогичном принципе, предусматривающем использование подвижных и неподвижных частей.
В соответствии с примером на фиг. 3, включающим 16 лопастей, с целью максимального использования энергии имеющегося количества воды диски, поддерживающие лопасти, могут иметь внешнюю зубчатую форму; так как лопасти возвышаются над опорой, ими используется все имеющееся количество воды.
В этом же примере лопасти снабжены клапанами С1 и С2, приводимыми в действие поворотной штангой и кулачковыми системами и выполняющими функцию подъемного устройства для рыбы (при отсутствии возможности создания каскадов, требуемых соответствующими правилами). Рыба всегда собирается возле водоотводных каналов, когда позволяет скорость воды на выходе, что в данном случае имеет место при использовании данного устройства; когда лопасть находится в положении Р10, клапан С1 открывается и выполняет функцию черпака с лопастью. После выхода из воды второй клапан С2 закрывает верхнюю часть черпака, и в положении, в котором они снова входят в воду (положение Р4), оба клапана возвращаются в свое начальное положение, выпуская рыбу в воду около плотины, позволяя ей продолжить миграцию вверх по течению.
Во всех случаях перемещение рыбы вниз по течению осуществляется через колесо в пространстве между лопастями, и естественные скорости потока воды и перемещение рыбы вниз по течению не приводят к ее гибели.
На фиг. 4 проиллюстрированы различные углы наклона криволинейных лопастей, и расчеты позволяют определить максимально эффективные профили и углы наклона.
Изменение расходов потока турбины может быть достигнуто двумя способами.
В соответствии с примером на фиг. 5 вращающийся цилиндр (1) включает несколько секций, в настоящем примере - 2; указанные секции могут быть механически изолированы друг от друга, в то время как одна из секций зафиксирована, другие могут вращаться, что сокращает расход воды, при этом вода перекрывается в стационарном режиме, либо усилие секций объединяется с использованием известной системы зацепления и расцепления муфты (например, с помощью магнитных ключей), установленной на
- 2 -
008133
смежных коронках (цилиндрических частях) (5'), опоре (8) и роликах (9) и, таким образом, соединенной с каждой коронкой (5') таким же способом, что и коронки (5).
На фиг. 6 и 7 показано, что изменение расхода достигается с помощью многопрофильных лопастей, снабженных подвижными частями.
На фиг. 6 показана лопасть в поперечном сечении, принимающая различные формы с помощью неподвижной части (17) и с помощью шарнирно соединенных подвижных частей (18) и (19), именуемых створками.
Указанные лопасти монтируются на цилиндрической части (5), имеющей трубчатую форму и прямоугольное поперечное сечение, для установки систем регулирования, гидравлических микроподъемников или электродвигателей.
Указанные створки вращаются вокруг оси вращения (20).
Внешняя створка (18) шарнирно соединена таким образом, чтобы соответствовать внешней форме канала, которая также является внешней формой цилиндрической части (5).
Внутренняя створка (19) шарнирно соединена таким образом, чтобы соответствовать внутренней форме канала, которая также является внутренней формой цилиндрической части (5).
Указанные створки направляются и позиционируются на противоположном торце с помощью канавок (21) в цилиндрической части (5) для поддержки лопастей.
На фиг. 7. показаны лопасти с подвижными частями, обеспечивающими изменение расхода воды; колесо с 16 лопастями, т.е. с 16 зазорами между двумя лопастями, а именно, 16 пространствами между двумя лопастями для полного вращения колеса.
На фиг. 7 показана четверть колеса в поперечном сечении лопастей, когда одно пространство из двух может закрываться или нет, при этом лопасти последовательно снабжены либо внешней створкой (18), либо внутренней створкой (19).
На фиг. 7 показаны щитки в сложенном положении на неподвижных частях - положение D; створки в открытом положении - положение Е.
Таким образом, в положении Е предотвращается заполнение пространства водой между двумя лопастями.
В данном примере за счет изолирования пространства обеспечивается сокращение расхода воды на 1/16 ее значения, следовательно, обеспечивается постепенное сокращение расхода на 1/16 вплоть до 8/16, т.е. в 2 раза от номинального расхода колеса.
Использование многопрофильной лопастной системы позволяет постепенно сократить расход на 1/16, и за счет установки створок на всех лопастях в соответствии с фиг. 6, при необходимости, обеспечивалось бы постепенное сокращение расхода воды на 1/16 вплоть до полного останова колеса.
Оборудование колеса створками определяется в зависимости от конкретного случая в соответствии с целями предполагаемого расхода воды и уровней мощности, и для начала можно обеспечить один зазор между двумя лопастями вплоть до 100% зазоров.
На фиг. 8 показан вид спереди колеса, снабженного 16 лопастями, в котором указанные лопасти имеют V-образную форму; в данном примере лопасти плоские, но они могут иметь криволинейную поверхность, как показано на фиг. 4; на этой фигуре вода не перекрывается в стационарном режиме, и узел работает в первую очередь под динамическим и кинетическим воздействием, и скорость вращения будет выше; расчеты позволят определить эффективность данного технического решения, аналогичного турбинам, имеющим вертикальную ось, но работающим в совершенно отличных скоростных диапазонах; скорость вращения турбины остается непосредственно связанной с расходом воды.
При необходимости лопасти удерживаются в трех положениях: два диска (5) и диск (3), как на фиг.
В любом случае наибольший наружный диаметр колеса ввиду положения оси и требований по входу лопастей в воду в 1,5 раз больше высоты перепада, воды, умноженной на двойное значение высоты водоотводного канала (представляющую собой высоту лопастей), и эта высота напрямую функционально зависима от поддерживаемого расхода воды.
Работа лопастей в канале обеспечивается за счет исключительно большого плеча рычага благодаря диаметру колеса, тем самым обеспечивается работа при минимальной энергии и низкой скорости.
Потенциальная сила уровней воды и кинетическая энергия воды/движения лопастей между А и В используется максимально эффективно в точке С (фиг. 1).
Геометрические размеры могут изменяться в широких пределах: наибольший наружный диаметр колеса, его ширина, высота и форма лопастей и уровень удержания воды непосредственно связаны с рабочими параметрами реки или водоема, высотами перепада, снижающимися до минимально низкого уровня (составляющими не менее 1 м, что является экономическим пределом при использовании этого устройства) и увеличивающимися до 4 м и более. Единственными ограничениями устройства являются ограничения по механической прочности и прецизионности различных используемых материалов.
Для минимальных высот перепада высота канала (15) становится несущественной.
В примере, проиллюстрированном на фиг. 1 и 2, использовались следующие параметры:
уровень Н удержания воды - 2 м,
- 3 -
008133
высота лопастей - 60 см, общая высота колеса - 5 м, расход воды - порядка 3,5 м3/с,
выработанная полезная мощность на выходе генератора - порядка 50 кВт.
Предполагаемое промышленное применение
Производство элементов, включая производство лопастей, характеризуется простотой и экономичностью ввиду их формы.
Весь узел может быть полностью собран на месте.
Высота узла в целом и количество вырабатываемой электроэнергии зависят от двух параметров, обусловливаемых двумя различными сборными элементами: центральным неподвижным диском (уровень воды) (4-8) и лопастями (расход воды) (2), следовательно, путем сочетания этих двух элементов, каждый из которых может соответствовать производственному стандарту, обеспечивается соответствие при использовании стандартного узла (сочетание двух стандартов) широкому диапазону производства электроэнергии, что может привести к промышленному применению системы и эффективному контролю за уровнем издержек, как и в случае с другими компонентами узла: устройство ускоренной передачи -генератор.
Концепция изобретения позволяет устранить серьезные ограничения гидроэлектростанций. После выемки грунта обеспечивается простая и быстрая установка из нескольких предварительно смонтированных частей гидроэлектрического генератора, который собирается указанным способом, имеет четко определенные и гарантированные характеристики и представляет собой абсолютно новый класс оборудования, предназначенный для минимальных расходов и градиентов, использование которых в настоящее время ограничено, при низкой стоимости оборудования и эксплуатации.
Указанное устройство полностью приемлемо для предприятий микроэкономики при низких издержках для экологически чистого и длительного производства энергии.
Охрана окружающей среды
Поток воды, а также диапазон расхода воды остаются в объеме естественных потоков, форма и расстояние между лопастями позволяют видам водной фауны проходить через устройство без гибели или повреждений, вследствие чего соблюдаются интересы рыболовов и организаций по защите окружающей среды по обеспечению прохождения рыбы вниз по течению; настоящее устройство также обеспечивает прохождение через него с потоком большинства объектов. Таким образом, необходимо установить защитную сетку с крупными ячейками для задержания крупных объектов.
Сохраняется эстетическая форма традиционных лопастных колес, при этом отсутствуют источники загрязнения за исключением шума, создаваемого вращением колеса в воде.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство в соответствии с изобретением для использования потенциальной энергии воды, характеризующееся турбиной, состоящей из
колеса (1), снабженного лопастями (2), форма которого и объем движения для вращающейся части (1) обеспечивают установку неподвижной части (4),
неподвижных частей (4), служащих плотиной, необходимой для поддержания уровня воды, и расположенных на внутренней стороне вращающейся части колеса.
2. Устройство по п.1 в соответствии с изобретением для распределения притока воды (15), которое образовано нижним участком неподвижной части для направления потока воды, обеспечивающим использование кинетической энергии воды.
3. Устройство по п.1, отличающееся лопастным колесом, состоящим из опорных дисков (3-5), имеющих внешнюю форму, которая может быть зубчатой или незубчатой, опору (2) для лопастей, объем движения для узла, обеспечивающий большое внутреннее пространство для установки одной или нескольких неподвижных частей.
4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся дисками (3-5), внешняя зубчатая или незубчатая форма которых обеспечивает установку лопастей, имеющих гидродинамическую форму.
5. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся идентичной работой в непрерывном или обратимом гидравлическом потоке (при приливах).
6. Устройство по предшествующим пунктам, отличающееся функцией подъемного устройства для рыбы, в котором лопасти снабжены клапанами С1 и С2 в соответствии с фиг. 3.
- 4 -
008133
008133
Фиг. 4
- 6 -
008133
Фиг. 6
- 7 -
008133
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 8 -