FI79892B - Hydropneumatisk vattenkraftmaskin. - Google Patents

Description

1 79892

Hydropneumaattinen vesivoimakone

Keksintö koskee hydropneumaattista vesivoimakonet-ta, joka käsittää kellukappaleen, joka on ohjattu vapaasti 5 pystysuunnassa liikkuvaksi ja yhdistetty tangoston välityksellä nestepumppuun, erityisesti painepuoleltaan (-puoliltaan) edullisesti hydropneumaattisen paineaukun nesteeseen vaikuttavan työsylinterin mäntään kaksitoimiseksi, molempiin iskusuuntiin voimaa ja liikettä välittäväksi 10 mäntäpumpuksi hydraulista painenestettä varten, jolloin paineaukun neste on yhdistetty painejohdon välityksellä virtauskoneen, erityisesti turbiinin tai paisunnalla voimaa tuottavan hydromoottorin paisuntatilaan. Näin jatkuvasti hitaassa liikkeessä olevien suurten vesimäärien 15 energiaa muutetaan tunnetun virtauskoneen paisuntatilassa mekaaniseksi työksi ja kytketyssä generaattorissa sähköenergiaksi.

Jo vuosituhansia on tunnettu vesivoimakoneet, jotka hyödyntävät energian virtaavista tai korkeilta paikoil-20 ta putoavista ylävesistä erilaisten työkoneiden, nimenomaan myllyjen vedennostokonelden ja niin edelleen käyttämiseksi. Lisäksi tunnetaan myös sellaisia laitteita ja laitoksia, joissa merenkäynti, toisin sanoen luoteen ja vuoksen synnyttämä ajoittainen vedenkorkeuden vaihtelu tai 25 valtameren aaltojen kineettinen energia hyödynnetään.

Siipipyörien käyttämät vesimyllyt ovat vielä nykyäänkin monilla paikoilla käytössä, vaikka tuollaisia teknisiä ratkaisuja pidetäänkin yhä vielä vain vanhemman ajan vanhentuneen tekniikan jäänteinä ja rakennusmuisto-30 merkkeinä.

Nykypäivän vesivoimakoneiden tunnetuimmat tyypit käsittävät vesiturbiinien erilaiset rakenteet. Turbiinien käyttämiseksi tarvitaan kuitenkin suuri paine ja sen mukaiset veden virtausnopeudet. Esimerkiksi tunnetaan sel-35 laisia vesivoimalaitoksia, joissa pudotuskorkeus, toisin 2 79892 sanoen ylävedenpuolen ja alavedenpuolen välinen pinnankor-keuden ero on yli 200 m. Tarvittavaan pudotuskorkeuteen ja riittävään syöttöveden varastomäärään pääsemiseksi rakennetaan patoja, eivätkä vesialtaatkaan ole suurina ra-5 kennushankkeina harvinaisia. Näin taataan useimmiten riittävän hyvä tekninen tulos. Epäkohtina tulevat esiin kuitenkin yleensä tällaisten rakenneushankkeiden erittäin suuret investointikustannukset ja nykyään jo painotetusti tunnetut ja usein todella katastrofaaliset, ympäristölle 10 vahingolliset vaikutukset.

Keksinnön tavoitteena onkin saada aikaan sellainen vesivoimakone, joka mahdollistaa hitaasti liikkuvien, suurien vesimäärien energian hyödyntämisen nykyaikaisia vaatimuksia vastaavassa muodossa.

15 Asetettu tehtävä ratkaistaan alussa mainittua tyyp piä olevalla hydropneumaattisella vesivoimakoneella, jolle on tunnusomaista, että kellukappale on ohjattu pystysuunnassa liikkuvaksi kuilussa, joka on muodostettu pintavedessä olevaan patoon, ja että kuilu on varustettu padon 20 molemmin puolin ainakin yhdellä vedenlaskuaukolla, jotka aukot sijaitsevat vedenpinnan alapuolella ja ovat suljettavissa vuorottain vastakkaisesti ohjattavilla elementeillä.

Keksinnön mukaisen vesivoimakoneen käytön ohjaamis-25 ta varten käytetään edullisesti laitetta, jossa padon molemmilla puolilla on vedenkorkeusanturit ylemmän ja alemman vedenpinnan korkeuden mittaamiseksi, joiden anturien avulla kellukappaleen ja männän välisen tangoston pituus on sovitettavissa erityisesti ylempään vedenpinnan korkeu-30 teen.

Keksinnön mukainen vesivoimakone pystyy muuttamaan hitaasti liikkuvien ja hitaassa liikkeessä olevien suurien vesimäärien energian mekaaniseksi työksi (vastaavan vään-tömomentin omaavan käyttöakselin pyörimisliike). On osoit-35 tautunut erittäin edulliseksi, että virtauskone, joka ku- 3 79892 ten jo mainittiin, voi olla sekä turbiini että myös hydraulinen moottori, on yhdistetty käyttölaitteella generaattoriin sähköenerigan synnyttämiseksi.

Hydraulisena painenesteenä voidaan käyttää jo si-5 nänsä tunnettuja hydrauliikkaöljyjä tai myös vettä, joka on sopivia lisäaineita lisäämällä tehty riittävän voitelu-kykyiseksi ja vaahtoamattomaksi. Korroosiovahinkojen estämisestä on tällöin luonnollisesti myös pidettävä huolta.

Jo edellä esitetyistä keksinnön mukaisen uuden ve-10 sivoimakoneen tärkeimmistä rakennepiirteistä voidaan selvästi todeta, että se on täysin käyttökelpoinen jo silloin, kun ylä- ja alaveden pinnakorkeuserot ovat vähäiset eli 1-2 metriä, ja että työn siirtämiseen käytetyn hydraulisen painenesteen paine voidaan saada vaikeuksitta 6-15 10 kp/cm2 väliseen vakioarvoon, jota voidaan pitää vesi- voimakoneissa jo ihanteellisena.

Keksinnön mukaisesta ratkaisusta on edelleen seurauksena, että hyvin voitelukykyisellä ja kulumisen aiheuttamista epäpuhtauksista kokonaan vapaalla hydraulisel-20 la painenesteellä voidaan käyttää suoraan myös hydraulisia moottoreita virtaa synnyttävien generaattorien käyttövoimaksi, jolloin tällaisten hydraulisten moottorien hyötysuhde ylittää tunnetusti moninkertaisesti turbiinien hyötysuhteen .

25 Keksinnön erittäin edulliset sovellutusmahdollisuu det voidaan ensisijassa yhdistää seuraaviin tunnuspiirteisiin:

Keksinnön mukaista vesivoimakonetta voidaan käyttää sellaisilla padotusarvoilla, jotka alittavat vesistöjen, 30 nimenomaan jokien, nousuveden pinnankorkeuden. Tämän vuoksi ei jouduta käyttämään erityistä suojapatojärjestelmiä, ja näin ollen jokien nykyinen luonnonmukainen ympäristö voidaankin pitää koskemattomana. Ympäristön saastu-misvaaraa ei sen vuoksi ole.

35 Keksintö mahdollistaa suuria vesimääriä pienellä 4 79892 putouksella kuljettavien jokien energian hyväksikäytön ja hyödyntämisen. Samoin on hyvin mahdollista hyödyntää energiakäyttöön sellaisen vähäisen ajoittaisen merenkäynnin kineettinen energia, jonka pinnakorkeuserot ovat vain 1-2 5 metriä lasku- ja nousuveden välillä.

Keksinnön mukaista vesivoimakonetta voidaan käyttää myös vuorotellen vaihtelevissa vedenkorkeuksissa, toisin sanoen ylä- ja alavedenpuolen vaihdellessa jatkuvasti padon molemmilla puolilla. Tällöin avautuu periaatteessa 10 uusia hyödyntämismahdollisuuksia ajoittaiselle merenkäyn-nille, toisin sanoen luoteen ja vuoksen välisen merenpinnan ajoittaiselle vaihtelulle.

Keksinnön mukaisen vesivoimakoneen teknistä toteuttamista ja toimeenpanoa varten ei tarvita uusia eikä eri-15 tyisesti asianomaiseen tarkoitukseen kehitettäviä raaka-aineita ja/tai teknologiaa. Kaikki rakenneosat ja raken-neryhmät voi olla pantu kokooon teollisesti jo vuosikymmeniä laajalti valmistetuista ja kokeilluista elementeistä.

Keksinnön mukaiset vesivoimakoneet ja energiantuot-20 tojärjestelmät, joihin kuuluu tällaisia koneita yksikköinä tai rakenneryhminä, voidaan rakentaa loppujen lopuksi - nimenomaan vain pienestä padotuskorkeudesta riippuen - vähäisin investointikustannuksia ja riskeittä.

Keksinnön luonnetta ja myös keksinnön mukaisten 25 vesivoimakoneiden toimintatapaa ja muita piirteitä selostetaan lähemmin seuraavassa rakenne-esimerkin avulla viittaamalla oheiseen piirustukseen.

Piirustuksessa kuvio 1 on tuntuvasti yksinkertaistettu toiminta-30 ja ryhmäasennuskuva keksinnön mukaisen vesivoimakoneen esimerkkirakenteesta, ja kuvio 2 on osittainen tasokuva padosta, jossa on keksinnön mukaan vierekkäin riviin järjestettyinä useita kuluja ja kellukappaleita.

35 Kuvio 1 esittää tuntuvasti yksinkertaistettuna 5 79892 leikkauksena keksinnön mukaisen vesivoimakoneen toimintayksiköiden esimerkkijärjestelyä. Ylävesistön, esimerkiksi joen, sopivaksi valittuun paikkaan on ankkuroitu riittävästi vahvistettuun uoman pohjaan 33 pato, jossa on kek-5 sinnön mukaan vähintään yksi pääasiassa pystysuora sisä-kuilu 1. Kuvio 2 esittää osittaisena tasokuvana, että patoon voidaan muodostaa vierekkäin useita tällaisia kuiluja 1, jolloin keksinnön mukaisista vesivoimakoneista voidaan koota täydellisiä laitoksia. Itse pato voi koostua tehdas- 10 valmisteisistä, rakennuspaikalla vierekkäin riviin sijoitetuista, joen koko leveyttä vastaavista kuiluelementeis-tä. Kuiluun 1 on sijoitettu riittävän painava kellukappale 4 telojen 29 avulla pystysuorassa suunnassa vapaasti liikkuvaksi. Lähellä uoman pohjaan kuilun 1 sisätila voidaan 15 yhdistää ympärillä olevaan vesimäärään aina sulkuosilla 2, 3 ohjattavasti suljettavilla laskuaukoilla sekä yläveden puolella että alaveden puolella. Kellukappale 4 on yhdistetty säätösylinterin 6 ja hammaspyöräpumppujen 27, 28 avulla pituudeltaan säädettävällä tangostolla molempiin 20 suuntiin voimaa ja liikettä siirtävänä kaksitoimisena män-täpumppuna hydrauliselle painenesteelle 10 sunnnitellun, painopuolella hydropneumaattisen paineakun 13 nestetilaan vaikuttavan työsylinterin 8 männän 9 männänvarteen 7. Kel-lukappaleen 4 ja männän 9 välinen tangosto käsittää myös 25 kaksi palloniveltä 5/a ja 5/b puristamatonta liikkeen siirtoa varten. Tukijalkojen 32 päällä olevan paineakun nestetila on yhdistetty toisaalta paineensäätöventtiilin 12 käsittävän pumppuputken 11 avulla työsylinterin 9 molempiin sylinteritiloihin, toisaalta pakoventtiilin 14 ja 30 siihen liittyvän paineputken 18 avulla virtauskoneen pai-suntatilaan 19, mainitun virtauskoneen ollessa havainnollistettu tässä turbiinin 20 juoksupyörän avulla. Paineakku 13 on sinänsä tunnettu painesäiliö, joka sisältää kulloinkin vallitsevan nestekorkeuden yläpuolella puristettua 35 paineilmaa, jonka paine riippuu asianomaisesta pinnankor- 6 79892 keudesta, ja on varustettu alhaalla poistoventtiilillä 30 tyhjentämistä ja täyttämistä sekä puhdistamista varten, ylhäällä painemittarilla 15, edelleen vedenkorkeusmitta-rilla 16 sekä sisäänrakennetulla vedenkorkeusilmaisimella 5 17 kauko-ohjaustarkoituksia varten. Suljetun kierron jär jestämiseksi hydrauliselle painenesteelle 10 kaksitoimise-na mäntäpumppuna suunnitellun työsylinterin 8 imupuoliin on (sisäänrakennettujen paineohjattujen vastaventtiilien avulla sinänsä tunnetulla tavalla) yhdistetty venttiilin 10 22 ja imuputken 23 välityksellä turbiinin 20 paisuntati- laan 19 liittyvä varastosäiliö 21, johon laajennettu pai-neneste 10 kootaan.

Laitteeseen, jota ei tässä ole esitetty yksityiskohtaisesti, kuuluvat lisäksi koneen automaattista ohjaus-15 ta varten padon molemmille puolille, yläveden puolelle ja vastaavasti alaveden puolelle järjestetyt vedenkorkeusan-turit 25, 24. Viitenumero 26 tarkoittaa sitä suurinta ve-denkorkeustasoa, johon vedenkorkeus yläveden puolella saa nousta.

20 Edellä mainitulla tavalla rakennettu, kuviossa 1 irtikytketyssä lepotilassa esitetty keksinnön mukainen ve-sivoimakone toimii seuraavalla tavalla:

Kun sulkuosa 3 avataan, vesi virtaa yläveden puolelta kuiluun 1, ja kellukappale nousee ylös. Tangosto 25 siirtää nyt työsylinterin 8 mäntää 9 ylöspäin ja paineak-kuun 13 pumpataan painenestettä 10 pumppuputkea 11 pitkin ylemmästä sylinteritilasta. Akun paineilmaa puristetaan vielä lisää, jolloin paine kasvaa. Paineakussa 13 vallitsevan paineen vakio nimellisarvo rajoitetaan ylöspäin pai-30 neensäätöventtiilillä. Kun poistoventtiili 14 avataan nyt, paineneste 10 virtaa paineputkea 18 pitkin turbiinin 20 paisuntatilaan 19 ja laajenee juoksupyörän samanaikaisen työiskun aikana, jolloin se alkaa pyöriä. Turbiini 20 tai turbiinin tilalla myös käytettävä hydraulinen moottori voi 35 olla käyttöyhteydessä esimerkiksi generaattoriin sähkö- 7 79892 energian tuottamiseksi. Kun venttiili 22 avataan, laajennettu paineneste imetään takaisin työsylinteriin 8 (iskun suunnasta riippuen joko alempaan tai ylempään sylinteriti-laan) varastosäiliöstä 21 imujohtoa 23 pitkin.

5 Kun kellukappale 4 on tullut ylempään ääriasentoon sa, sulkuosa 3 suljetaan koneen automaattisen ohjauslaitteen signaalilla ja se avaa sulkuosan 2. Vesi virtaa pois kuilusta 1, kellukappale alkaa laskea painovoiman vaikutuksesta alaspäin, jolloin pumppuna toimiva työsylinteri 10 8 vaikuttaa tosin vastakkaiseen suuntaan, mutta samoin paineakkuun 13. Kun uimuri tulee sitten pääteasentoonsa, sulkuosa 2 sulkeutuu, sulkuosa 3 avautuu ja edellä selostettu toiminto voidaan toistaa jaksoittain uudestaan. Näin taataan yhtäjaksoinen käyttö.

15 Tuoton vaihteluista, kuten nousuvedestä tai kui- vuusperiodeista johtuvia vedenkorkeuden muutoksia valvotaan jatkuvasti molemmilla vedenkorkeusantureilla 24, 25. Niiden signaalien tehtävänä on sopeuttaa voiman ja liikkeen siirtävän tangoston pituus käyttämällä säätösylinte-20 riä 6 hammaspyöräpumppujen 27, 28 avulla yläveden puolella ja alaveden puolella kulloinkin esiintyviin vedenpinnan korkeuksiin. Hammaspyöräpumput 27, 28 voivat olla esimerkiksi suurpainepumppuja, joilla on pieni siirtoteho. Kel-lukappaleen 4 ohjaamiseen tarkoitetut telat 29 ovat mie-25 luimmin vapaasti pyöriviksi laakeroituja pyöriä tai teloja, jotka on varustettu elastisella, mieluimmin kumia olevalla pinnoitteella. Silloin tällöin voi paineakun 13 pai-neilmahävikkien vuoksi olla välttämätöntä täyttää sitä täyttöventtiilin 31 avulla painamalla sisään paineilmaa. 30 Mahdollisimman tasaisen käynnin varmistamiseksi on sopivaa ja edullista, että samanaikaisesti useiden, monien uimurien käyttämien mahdollisimman paljon vaihesiirrettyi-nä toimivien työsylinterien annetaan vaikuttaa kaksitoimi-sina mäntäpumppuina yhteen hydropneumaattiseen paineakkuun 35 13. Keksinnön mukaisen vesivoimakoneen tällä tavalla koo- 8 79392 tuista rakenneryhmistä voidaan rakentaa kokonaisia voimalaitoksia.

Seuraavien patenttivaatimusten rajaaman suojapii-rin puitteissa voidaan luonnollisesti toteuttaa myös mui-5 ta, edellä selostetuista poikkeavia keksinnön rakenteita.

Claims (2)

9 79892

1. Hydropneumaattinen vesivoimakone, joka käsittää kellukappaleen (4), joka on ohjattu vapaasti pystysuunnas- 5 sa liikkuvaksi ja yhdistetty tangoston (7) välityksellä nestepumppuun, erityisesti painepuoleltaan (-puoliltaan) edullisesti hydropneumaattisen paineakun (13) nesteeseen (10) vaikuttavan työsylinterin (8) mäntään (9) kaksitoimi-seksi, molempiin iskusuuntiin voimaa ja liikettä välittä-10 väksi mäntäpumpuksi hydraulista painenestettä varten, jolloin paineakun (13) neste on yhdistetty painejohdon (18) välityksellä virtauskoneen, erityisesti turbiinin (20) tai paisunnalla voimaa tuottavan hydromoottorin paisuntatilaan (19), tunnettu siitä, että kellukappale (4) on 15 ohjattu pystysuunnassa liikkuvaksi kuilussa (1), joka on muodostettu pintavedessä olevaan patoon, ja että kuilu (1) on varustettu padon molemmin puolin ainakin yhdellä veden-laskuaukolla, jotka aukot sijaitsevat vedenpinnan alapuolella ja ovat suljettavissa vuorottain vastakkaisesti oh-20 jättävillä elementeillä (2,3).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vesivoimakone, tunnettu siitä, että padon molemmilla puolilla on vedenkorkeusanturit (24,25) ylemmän ja alemman vedenpinnan korkeuden mittaamiseksi, joiden anturien avulla kellukap- 25 paleen (4) ja männän (9) välisen tangoston (7) pituus on sovitettavissa erityisesti ylempään vedenpinnan korkeuteen . 10 79392