ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2085759

ВОЛНОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СУДИЛОВСКОГО А.Г.

ВОЛНОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СУДИЛОВСКОГО А.Г.

Имя изобретателя: Судиловский Анатолий Георгиевич[UA] 
Имя патентообладателя: Судиловский Анатолий Георгиевич[UA]
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1992.12.29 

Использование: в гидроэнергетике, в частности в волновых гидроэлектростанциях. Сущность изобретения: волновая гидроэлектростанция содержит равноплечий рычаг с поплавками на концах, качающийся вокруг установленной посередине горизонтальной оси, и связанный с ним через соединительные элементы электрогенератор, при этом рычаг выполнен переменной длины с помощью силового гидроцилиндра, а на оси могут быть установлены по меньшей мере два рычага разной длины.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к гидроэлектростанциям, использующих энергию волн, возникающих на поверхности морей, океанов и других крупных водохранилищ естественного или искусственного происхождения.

Известны гидроэлектростанции, использующие энергию волн.

Известная волновая гидроэлектростанция (патент СССР N 4950, кл. F 03 B 13/12, 1928) имеет сферической формы поплавки, которые шарнирно присоединены к кронштейнам, закрепленным на перемещаемой по плотине раме. Поплавки приводят в движение подпружиненные поршни, перемещающиеся в цилиндрах также присоединенных к раме и снабженных отверстиями для заполнения их водой и телескопическими нагнетательными трубами для подачи воды под давлением к гидротурбине. Последняя установлена на гребне плотины, а рама на ее стене, обращенной к открытому морю. В исходном положении цилиндры заполнены водой, а поршни и связанные с ними шарнирно с помощью рычагов поплавки находятся в крайнем левом положении. Под действием набегающей волны поплавки приближаются к стене плотины и, сжимая поршнями воду в цилиндрах, нагнетают ее по телескопическим трубам наверх к гидротурбине, которая, вращаясь, приводит в действие электрогенератор.

Преобразователь энергии волн крепится на специальной плотине, которая служит также для установки гидротурбины и связанного с ней электрогенератора, что приводит к сложности конструкции.

Указанный недостаток устранен в волновых гидроэлектростанциях, не имеющих плотин.

Известная волновая гидроэлектростанция (патент Японии N 55-46510, кл. E 03 B 13/12, 1980) состоит из поплавка, плавающего на поверхности воды, соединенного с ним одноцилиндрового поршневого компрессора и турбины, установленных над водой на стационарной платформе.

Поплавок снабжен вертикальным штоком, перемещающимся в направляющих, верхний конец которого шарнирно соединен с качающимся неравноплечим рычагом, ось которого в виде сферического шарнира, в свою очередь, может перемещаться в горизонтальных направляющих.

Второй конец неравноплечего рычага шарнирно соединен со штоком поршня, перемещающегося возвратно-поступательно в цилиндре компрессора. Вертикальный шток поршня также снабжен направляющими.

Сжатый воздух из компрессора направляется в турбину, которая приводит во вращение рабочую машину, например электрогенератор.

Сложность кинематической связи между поплавком и установленным на платформе компрессором приводит к сложности конструкции.

Ненадежность работы возникает в результате возможности заклинивания штока в направляющих на волнении.

Наиболее близким к изобретению является волновая электростанция, описанная в заявке Франции N 2467999, кл. F 03 B 13/12, 1981 г и содержащая рычаг с поплавками на концах, качающийся вокруг установленной посередине горизонтальной оси и связанный с ним через соединительные элементы электрогенератор.

При изменении длины волны не всегда обеспечивается наибольший КПД волновой гидроэлектростанции, когда один из поплавков рычага находится на гребне волны, а другой во впадине.

Задача изобретения возможность получения максимального КПД в широком диапазоне длин используемых волн.

Это достигается за счет того, что рычаг выполнен переменной длины с помощью силового гидроцилиндра, при этом на оси рычага могут быть установлены по меньшей мере два рычага разной длины.

ВОЛНОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СУДИЛОВСКОГО А.Г. ВОЛНОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СУДИЛОВСКОГО А.Г.
 
 

На фиг. 1 изображен общий вид волновой гидроэлектростанции в исходном положении спереди; на фиг. 2 план на фиг. 1; на фиг. 3 вид А на фиг. 2; на фиг. 4 общий вид поршневого насоса в разрезе; на фиг. 5 вид Б на фиг. 4.

Волновая гидроэлектростанция состоит из двух укрепленных в зоне волнения на некотором расстоянии друг от друга вертикальных опор 1 частично выступающих над поверхностью воды с горизонтальной установленной между ними в верхней части опор осью 2, вокруг которой могут качаться с частотой волнения два равноплечих рычага 3 и 4 разной длины с поплавками 5 на концах и силовыми гидроцилиндрами 6 и 7 в центре.

На площадке выше уровня воды на рамах 8 установлены поршневые насосы 9, которые с одной стороны с помощью штоков, а также хомутов 10 и цапф 11, имеющихся на поплавках 5, соединены с последними, а другой с помощью компенсаторов 12, всасывающего коллектора 13 и напорного коллектора 14 соединены с морем и гидротурбиной 15, которая в свою очередь, связана с электрогенератором 16.

Направление створа, в котором находятся обе опоры, перпендикулярно направлению движения волн, преобладающему в месте установки гидроэлектростанции.

Вертикальные опоры 1 предназначены для крепления оси 2 и представляют собой сваи произвольного поперечного сечения, например квадратного, в верхней части которых имеются по одному сквозному отверстию для пропуска оси.

Ось 2 служит для возможности качения равноплечих рычагов 3 и 4 с поплавками 5 и силовыми гидроцилиндрами 6 и 7 в соответствии с периодичностью волнения и закреплена горизонтально в верхней части расположенных по концам оси опор 1 с помощью крепежных деталей.

Высота оси 2 от уровня спокойной поверхности моря (в штиль) равна разности между радиусом поплавков и высотой их ватерлинии.

Равноплечие рычаги 3 и 4 предназначены для неподвижного регулируемого соединения поплавков 5 между собой и их независимого качения вокруг оси 2 с частотой волнения.

Длина каждого рычага определяется длиной расчетной волны синусоидального профиля, при которой один из его поплавков находится на вершине гребня волны, другой в середине впадины, а ход поршней соответствующих поршневых насосов максимальный.

Рычаги имеют телескопическую конструкцию и состоят из трубчатой центральной части с отверстием посередине для пропуска оси 2 и двух входящих в нее с торцов симметрично расположенных боковых стержней, на наружных концах которых установлены поплавки 5.

Сверху на центральных частях равноплечих рычагов 3 и 4 имеются кронштейны для крепления силовых гидроцилиндров 6 и 7, штоки которых, в свою очередь, крепятся к боковым стержням.

Поплавки 5 служат для создания выталкивающей силы и сил сцепления с жидкостью. Кроме того, при качении равноплечих рычагов 3 и 4 поплавки перемещаются возвратно-поступательно в горизонтальном направлении.

Поплавки 5 представляют собой закрытые полые емкости произвольной, например сферической, формы, которые крепятся на концах рычагов.

Для передачи возникающих усилий штокам поршневых насосов 9 на каждом поплавке имеются по две горизонтально расположенные цапфы 11, шарнирно соединенные с хомутом 10 дугообразной формы.

Силовые гидроцилиндры 6 и 7 с двумя поршнями и штоками каждый предназначены для изменения длины равноплечих рычагов 3 и 4 путем одновременного симметричного продольного перемещения боковых стержней в трубчатых центральных частях рычагов, что позволяет стабилизировать нагрузку волновой гидроэлектростанции при изменении силы волнения.

Корпуса гидроцилиндров неподвижно крепятся сверху на центральных частях рычагов с помощью кронштейнов, а концы штоков с поршнями к боковым стержням.

Габариты силовых гидроцилиндров 6 и 7 определяются длиной равноплечих рычагов и степенью ее регулирования.

Рамы 8 служат для подвижного крепления поршневых насосов 9 на площадке выше уровня воды с целью компенсации возвратно-поступательного перемещения в горизонтальном направлении поплавков 5 при качании их на рычагах 3 и 4 вокруг оси 2 во время работы волновой гидроэлектростанции и представляют собой каждая две П-образные конструкции, обращенные поперечинами к площадке и соединенные между собой в верхней части с боков пластинами с двумя горизонтальными пазами для прохода цапф поршневых насосов.

Поршневые насосы установлены между П-образными конструкциями, а в площадке под ними имеются пазы для проходов штоков, соединяющих насосы с поплавками.

Поршневые насосы 9 подвижно крепятся на цапфах между П-образными конструкциями рам 8 с возможностью возвратно-поступательного перемещения в горизонтальном направлении и состоят каждый из цилиндра 17 с цапфами18 и крышкой 19, поршня 20 со штоком 21, корпусов 22 и 23 клапанных коробок с крышками 24 и 25, трубопроводов 26 29, тарельчатых всасывающих клапанов 30 и 31 и нагнетательных клапанов 32 и 33, пружин 34 и 35, всасывающего коллектора 36 и напорного коллектора 37.

В вертикально расположенном цилиндре 17 нижний торец открыт и снабжен фланцем для крепления крышки 19, а на боковой поверхности снаружи посередине имеются две горизонтально расположенные цапфы 18 для подвижного крепления цилиндра в пазах рамы 8.

Под углом 90o в плане на боковой поверхности выполнены два окна для соединения его внутренней полости с корпусами 22 и 23 клапанных коробок, а с противоположной стороны имеются кронштейны для крепления всасывающего коллектора 36 и напорного коллектора 37.

Для монтажа поршня 20 со штоком 21 на цилиндре имеется фланцевая крышка 19. Пропуск штока в цилиндр 17 осуществляется через отверстие с сальником, расположенное в центре крышки.

Цилиндр для попеременного соединения со всасывающим коллектором 36 и отвода воды под давлением в напорный коллектор 37 снабжен двумя клапанными коробками, расположенными в зоне окон.

Корпуса 22 и 23 клапанных коробок выполнены в виде вертикально расположенных прямоугольных призм, которые со стороны окон имеют дно, и с противоположной стороны открыты и разделены на две равные части горизонтальными перегородками.

Открытые и закрытые торцы корпусов снабжены фланцами для крепления крышек 24 и 25 и присоединения к цилиндру 17.

Для монтажа всасывающих клапанов 30 и 31, нагнетательных клапанов 32 и 33 и пружин 34 и 35 в корпусах 22 и 23 имеются фланцевые крышки 24 и 25.

Все фланцевые соединения по периметру примыкания и горизонтальные перегородки со стороны крышек уплотнены эластичными прокладками.

В передних боковых стенках корпусов 22 и 23 выше горизонтальных перегородок имеются по одному отверстию для соединения трубопроводами 26 и 27 со всасывающим трубопроводом 36, а в дне с внутренней полостью цилиндра.

Аналогичные отверстия в заданных боковых стенках и дне имеются ниже горизонтальных перегородок и служат соответственно для соединения клапанных коробок с помощью трубопроводов 28 и 29 с напорным коллектором 37 и отвода воды под давлением из внутренней полости цилиндра 17.

Отверстия в дне корпусов клапанных коробок закрыты тарельчатыми всасывающими клапанами 30 и 31 и нагнетательными клапанами 32 и 33.

Прижатие всасывающих клапанов к входным отверстиям производится с помощью пружин 34, закрепленных одним концом с помощью шайб и шплинтов на стержнях клапанов 30 и 31, а другим упирающихся в дно корпусов 22 и 23.

Прижатие нагнетательных клапанов к выходным отверстиям осуществляется с помощью пружин 35, упирающихся одним концом в тарелки клапанов 32 и 33, а другим в крышки 24 и 25 клапанных коробок.

Внутри цилиндра 17 находится поршень 20, который неподвижно закреплен посредине верхней утолщенной части штока 21 и может перемещаться возвратно-поступательно в вертикальном направлении (рабочий ход), совершая одновременно небольшие возвратно-поступательные перемещения в горизонтальном направлении под действием связанного с ним одного из поплавков 5, качающегося на соответствующем рычаге вокруг оси 2.

Утолщенные части штока по обе стороны поршня являются упорами, ограничивающими перемещение поршня 20 в зоне окон.

Снаружи цилиндра 17 на боковой поверхности под углом 150o в плане относительно окон имеется всасывающий коллектор 36, который с помощью компенсатора 12 соединен со всасывающим коллектором 13 волновой гидроэлектростанции, а последний с морем.

Всасывающий коллектор предназначен для подвода воды во внутреннюю полость цилиндра и представляет собой закрытую с обоих торцов вертикальную трубу, которая на кронштейнах крепится к цилиндру 17 и имеет отверстия и патрубок в нижней части.

Отверстия служат для соединения с помощью трубопроводов 26 и 27 с корпусами 22 и 23 клапанных коробок, а патрубок для шарнирного соединения с компенсатором.

Снаружи цилиндра 17 на боковой поверхности под углом 180o в плане относительно оси окон имеется напорный коллектор 37, который с помощью компенсатора 12 соединен с напорным коллектором волновой гидроэлектростанции, а последний с гидротурбиной 15.

Напорный коллектор предназначен для сбора воды под давлением, поступающей из внутренней полости цилиндра и представляет собой закрытую с обоих торцов вертикальную трубу, которая на кронштейнах крепится к цилиндру 17 и имеет два отверстия и патрубок в нижней части.

Отверстия служат для соединения с помощью трубопроводов 28 и 29 с корпусами 22 и 23 клапанных коробок, а патрубок для шарнирного соединения с компенсатором.

Хомуты 10 предназначены для соединения штоков 21 поршневых насосов 9 с поплавками 5. Хомуты выполнены в виде жестких конструкций дугообразной формы, которые посередине неподвижно прикреплены к штокам, а концами шарнирно к цапфам 11 поплавков.

Компенсаторы 12 служат для шарнирного соединения всасывающих коллектором 35 и напорных коллекторов 37 поршневых насосов 9 со всасывающим коллектором 13 и напорным коллектором 14 волновой гидроэлектростанции, а с помощью последних с морем и гидротурбиной 15 соответственно.

Компенсаторы представляют собой 3-хшарнирные трубопроводы с двумя концевыми и одним промежуточным шарнирами.

Трубы компенсаторов 12 расположены под определенными острыми углами, в вершинах которых находятся промежуточные шарниры, благодаря чему они могут поворачиваться вокруг шарниров и, изменяя углы, и одновременно расстояния между концевыми шарнирами, которые крепятся к патрубкам коллекторов 36 и 37 подвижных поршневых насосов 9 или неподвижных коллекторов 13 и 14 волновой гидроэлектростанции.

Всасывающий коллектор 13 волновой гидроэлектростанции предназначен для подвода воды из моря к всасывающим коллекторам 36 поршневых насосов 9 с помощью компенсаторов 12 и представляют собой трубопровод с патрубками, к которым крепятся концевые шарниры соответствующих компенсаторов.

Напорный коллектор 14 волновой гидроэлектростанции служит для сбора воды под давлением, поступающей из напорных коллекторов 37 поршневых насосов 9 с помощью компенсаторов 12, а также подвода ее к гидротурбине 15 и представляет собой трубопровод с патрубками, к которым крепятся концевые шарниры соответствующих компенсаторов.

Гидротурбина 15 соединена с электрогенератором 16, который предназначен для получения электроэнергии.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

В исходном положении поршневые насосы 9, коллекторы 36 и 37 насосов, коллекторы 13 и 14 гидроэлектростанции, компенсаторы 12 и гидротурбина 15 заполнены водой.

Рассмотрим работу равноплечевого рычага 3 с поплавками 5 на концах и соединенных с ними поршневых насосов 9 на волнении с расчетной для данного рычага длиной волны, при которой левый поплавок находится на вершине гребня волны, правый в середине впадины, а ход поршней насосов максимальный.

При этом боковые стержни рычага 3 частично выдвинуты из трубчатой центральной части на величину, равную половине хода каждого из поршней силового гидроцилиндра 6, а цапфы корпусов поршневых насосов 9 в продольных пазах рам 8 находятся в среднем положении.

В процессе прохождения волны в направлении справа налево равноплечий рычаг 4 начинает поворачиваться вокруг оси 2 против часовой стрелки в результате того, что левый поплавок 5 опускается по склону волны с гребня во впадину по дуге окружности с радиусом, равным расстоянию между центрами оси и поплавка на высоту, равную высоте расчетной волны, а правый поплавок 5 в это время поднимается из впадины на гребень набегающей волны по той же траектории.

Одновременно оба поплавка совершают небольшие возвратно-поступательные перемещения в горизонтальном направлении.

Находящийся в крайнем верхнем положении поршень 19 со штоком 20 поршневого насоса 9, соединенного с левым поплавком 5, начинает опускаться, а сам насос на цапфах перемещается вдоль пазов рамы 8 из среднего положения в крайнее левое (в момент прохождения поплавком уровня спокойного моря) и обратно, совершая возвратно-поступательное движение. При этом по мере повышения давления в нижней части цилиндра 17 сжимается пружина 35 нагнетательного клапана 33, клапан открывается и вода под давлением через корпус 23 клапанной коробки, трубопровод 29, напорный коллектор 37, компенсатор 12 и напорный коллектор 14 поступает в гидротурбину 15, вызывая вращение гидротурбины и связанного с ней электрогенератора 16.

Одновременно в верхней части цилиндра под действием разряжения сжимается пружина 34 всасывающего клапана 30, клапан открывается, и вода из моря через всасывающий коллектор 13, компенсатор 12, всасывающий коллектор 36, трубопровод 26 и корпус 22 клапанной коробки поступает в цилиндр 17.

При опускании левого поплавка 5 по склону волны с гребня во впадину острые углы между подвижными трубами в вершинах компенсаторов 12 сначала увеличиваются, а затем снова уменьшаются до первоначальной величины, компенсируя периодические изменения расстояний между коллекторами 36 и 37 поршневого насоса 9, шарнирно соединенного с левым поплавком и неподвижными коллекторами 13 и 14 волновой гидроэлектростанции.

В процессе прохождения волны в направлении справа налево равноплечий рычаг 3 начинает поворачиваться вокруг оси 2 против часовой стрелки в результате того, что правый поплавок 5 поднимается по склону волны с впадины на гребень по дуге окружности с радиусом, равным расстоянию между центрами оси и поплавка на высоту, равную высоте расчетной волны, а левый поплавок 5 в это время спускается с гребня во впадину набегающей волны по той же траектории.

Одновременно оба поплавка совершают небольшие возвратно-поступательные перемещения в горизонтальном направлении.

Находящийся в крайнем нижнем положении поршень 19 со штоком 21 поршневого насоса 9, соединенного с правым поплавком 5, начинает подниматься, а сам насос на цапфах перемещается вдоль пазов рамы 8 из среднего положения в крайнее правое (в момент прохождения поплавком уровня спокойного моря) и обратно, совершая возвратно-поступательные движения.

При этом по мере повышения давления в верхней части цилиндра 17 сжимается пружина 35 нагнетательного клапана 32, клапан открывается и вода под давлением через корпус 22 клапанной коробки, трубопровод 28, напорный коллектор 37компенсатор 12 и напорный коллектор 14 поступает в гидротурбину 15, вызывая вращение гидротурбины и связанного с ней гидрогенератора 16.

Одновременно в нижней части цилиндра под действием разряжения сжимается пружина 34 всасывающего клапана 31, клапан открывается, и вода из моря через всасывающий коллектор 13, компенсатор 12, всасывающий коллектор 36, трубопровод 27 и корпус 23 клапанной коробки поступает в цилиндр 17.

При поднимании правого поплавка 5 по склону волны из впадины на гребень острые углы между подвижными трубами в вершинах компенсаторов 12 сначала увеличиваются, а затем снова уменьшаются до первоначальной величины, компенсируя периодические изменения расстояний между коллекторами 36 и 37 поршневого насоса 9, шарнирно соединенного с правым поплавком и неподвижными коллекторами 13 и 14 волновой гидроэлектростанции.

Далее вышеописанный цикл повторяется непрерывно.

При увеличении длины волны выше расчетной для равноплечего рычага 3 боковые стержни начинают перемещаться внутрь трубчатой цилиндрической части с помощью поршней и штоков силового гидроцилиндра 6, амплитуда качаний рычага уменьшается и наоборот.

В обоих случаях нагрузка волной гидроэлектростанции стабилизируется.

Аналогично работает равноплечий рычаг 4 с поплавками 5 на концах и соединенными с ними поршневыми насосами 9 на волнении с расчетной для данного рычага длиной волны, при которой левый поплавок находится на вершине гребня волны, правый в середине впадины, а ход поршней насосов максимальный.

Рычаги 3 и 4 качаются вокруг оси 2 одновременно и независимо друг от друга с частотой волнения.

В зависимости от соотношения длин равноплечих рычагов их одноименные поплавки 5 (левые или правые) могут работать в одной фазе (на гребнях волн) или в противоположных фазах (один на гребне, а второй во впадине).

Все поршневые насосы 9 соединены параллельно и работают на коллекторы 13 и 14 волновой гидроэлектростанции.

Расположение по меньшей мере двух поплавков на концах равноплечего рычага, качающегося вокруг горизонтальной оси, позволяет упростить конструкцию и повысить надежность.

Выполнение рычага переменной длины с помощью силового гидроцилиндра стабилизирует нагрузку волновой гидроэлектростанции при изменении силы волнения.

Установка на оси по меньшей мере двух равноплечих рычагов разной длины дает возможность расширения длин используемых волн.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Волновая гидроэлектростанция, содержащая равноплечий рычаг с поплавками на концах, качающийся вокруг установленной посередине горизонтальной оси и связанный с ним через соединительные элементы электрогенератор, отличающаяся тем, что рычаг выполнен переменной длины с помощью силового гидроцилиндра.

2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что на оси установлены по меньшей мере два рычага разной длины.

Версия для печати
Дата публикации 12.01.2007гг


вверх