ПРИБОЙНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1994 года по МПК F03B13/14 F03B13/24 

Изобретение относится к гидроэнергетике, а более конкретно - к гидроэлектростанциям, использующим энергию прибойной и отраженной волн, возникающих на прибрежных гидротехнических сооружениях, например на оградительных волноломах портов, расположенных у берегов морей, океанов и других крупных водоемов естественного и искусственного происхождения.

Известная прибойная гидроэлектростанция, устанавливаемая на волнорезе, содержит волноприемное устройство, гидротурбину и связанный с ней электрогенератор.

Волноприемное устройство представляет собой ряд сферической формы поплавков, которые шарнирно присоединены к кронштейнам, закрепленным на перемещаемой по волнолому раме.

Поплавки приводят в действие 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 волнореза, а рама - на его стене, обращенной к открытому морю.

В исходном положении цилиндры заполнены водой, а поршни и связанные с ними шарниры с помощью рычагов поплавки находятся в крайнем левом положении.

Под действием набегающей прибойной волны поплавки приближаются к стенке волнореза и, сжимая поршнями воду в цилиндрах, нагнетают ее по телескопическим трубам наверх к гидротурбине, которая, вращаясь, приводит в действие электрогенератор.

Сложность конструкции обусловлена наличием сферических поплавков, рычагов с шарнирами, цилиндров с подпружиненными поршнями, подвижной рамы с кронштейнами и телескопических нагнетательных труб.

Не используется энергия стоячей волны, возникающей при сложении набегающей прибойной и отраженной волн.

Указанные недостатки частично устранены в известном устройстве резонансного типа, устанавливаемом на волноломе.

Устройство содержит волноприемный орган с трубопроводами и обратными клапанами и гидротурбину с электрогенератором. Волноприемный орган выполнен в виде установленной на горизонтальных направляющих платформы с маятником, верхняя часть которого с одной стороны соединена с пружиной, а с другой - со штоком поршневого насоса двойного действия, шарнирно прикрепленного к платформе.

При возникновении стоячей волны маятник отклоняется, сжимая пружину, и одновременно перемещает поршень насоса, вода из которого под давлением поступает в гидротурбину.

При исчезновении стоячей волны маятник под воздействием пружины возвращается в исходное положение, а в поршневом насосе происходит второй рабочий ход.

Для возможности перемещения маятника при изменении длины набегающей волны волноприемный орган соединен с гидроцилиндром.

Возможность заклинивания маятника снижает надежность, а наличие подвижных частей в волноприемном органе усложняет конструкцию устройства.

Целью изобретения является повышение надежности работы прибойной гидроэлектростанции и упрощение ее конструкции.

Цель достигается тем, что в известной прибойной гидроэлектростанции, устанавливаемой на прибрежном гидротехническом сооружении, содержащей гидротур- бину с электрогенератором и установленный перед гидротехническим сооружением со стороны водоема волноприемный орган с трубопроводами и обратными клапанами, подключенными к гидротурбине, в качестве волноприемного органа используются по меньшей мере два установленных вдоль гидротехнического сооружения погруженных под уровень воды коробчатых корпуса с окнами в днищах, при этом внутренние полости корпусов параллельно подключены к коллектору через обратные клапаны.

Коробчатые корпусы могут быть выполнены подвижными с помощью гидроцилиндров.

Применение в волноприемном органе нескольких погруженных под уровень воды коробчатых корпусов с окнами в днищах позволяет повысить надежность работы прибойной гидроэлектростанции.

Исключение из волноприемного органа подвижных частей дает возможность упростить конструкцию прибойной гидроэлектростанции.

Выполнение коробчатых корпусов подвижными с помощью гидроцилиндров позволяет осуществить регулирование и стабилизацию нагрузки прибойной гидроэлектростанции при изменении силы волнения.

На фиг. 1 изображен общий вид прибойной гидроэлектростанции в плане; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Прибойная гидроэлектростанция содержит волнолом 1 (существующий), коробчатые корпусы 2, 3 с упорами 4, рамами 5 и гидроцилиндрами 6, трубопроводы 7, 8, обратные клапаны 9, 10, компенсаторы 11, коллектор 12 и гидротурбину 13 с электрогенератором 14.

Волнолом 1 представляет собой существующий оградительный волнолом морского порта, который сооружается для защиты от ветровых волн акватории рейдовых причалов, подходов к каналам и шлюзам, или другое прибрежное гидротехническое сооружение.

Волнолом служит для образования стоячей волны, крепления с определенным шагом по длине на расположенной со стороны открытого моря части волнолома коробчатых корпусов 2, 3 и установки на нем гидротурбины 13 с электрогенератором 14.

Коробчатые корпусы 2, 3 предназначены для преобразования кинетической энергии стоячей волны в гидростатическое давление воды и выполнены в виде погруженных под уровень воды закрытых с обеих торцов удлиненных полых корпусов прямоугольного сечения.

Принятая форма корпусов позволяет исключить их случайный поворот в рамах 5 вокруг горизонтальной оси под воздействием набегающей прибойной и отраженной волн.

В днище коробчатых корпусов 2, 3 со стороны волнолома 1 имеется прямоугольное окно для прохода стоячей волны, расположенное между П-образными кронштейнами рам 5, а с противоположной стороны, посередине - отверстие для отвода воды под давлением через трубопроводы 7, 8, обратные клапаны 9, 10, компенсаторы 11 и коллектор 12 в гидротурбину 13 с электрогенератором 14.

Сверху и снизу снаружи к корпусам со стороны прямоугольного окна крепятся упоры 4, которые, упираясь в рамы 5, предотвращают боковое смещение коробчатых корпусов 2, 3 вдоль волнолома 1 под воздействием прибоя и одновременно служат направляющими при их перемещениях с помощью гидроцилиндров 6 перпендикулярно волнолому для регулирования и стабилизации нагрузки при изменении силы волнения.

На боковых стенках корпусов, посередине, со стороны, противоположной волнолому 1, имеются выступы с отверстиями для шарнирного соединения со штоками гидроцилиндров, с помощью которых коробчатые корпусы 2, 3 могут перемещаться возвратно-поступательно.

Корпусы располагаются по длине волнолома с определенным шагом, что позволяет минимизировать пульсацию давления воды в коллекторе 12 в результате последовательного срабатывания и автоматического отключения коробчатых корпусов 2, 3 по мере перемещения стоячей волны вдоль волнолома.

Рамы 5 служат для неподвижного крепления корпусов в зоне образования стоячей волны, образующейся на волноломе 1 со стороны открытого моря, и возможности перемещения коробчатых корпусов 2, 3 перпендикулярно волнолому для регулирования и стабилизации нагрузки прибойной гидроэлектростанции.

Каждая рама состоит из двух расположенных в вертикальной плоскости П-образных кронштейнов, которые с одной стороны закреплены в волноломе 1, а с другой - соединены между собой продольными связями и образуют жесткую пространственную конструкцию.

Посередине средней продольной связи к раме 5 шарнирно крепится корпус гидроцилиндра 6.

Расстояние между кронштейнами несколько превышает расстояние между упорами 4, имеющимися на коробчатых корпусах 2, 3, а высота кронштейнов в свету - немного больше высоты корпусов для возможности перемещения последних вдоль рам 5 с помощью гидроцилиндров.

Шарнирное соединение гидроцилиндров 6 с рамами 5 и их штоков - с коробчатыми корпусами 2, 3 предотвращает перекос камер в П-образных кронштейнах рам при перемещениях.

Обратные клапаны 9, 10 устанавливаются на трубопроводах 7, 8 так, что пропускают воду только в направлении из коробчатых корпусов 2, 3 через коллектор 12 в гидротурбину и предназначены для непрерывной подачи воды в гидротурбину 13 независимо от того, какие корпусы в данный момент находятся под воздействием стоячей волны, а также предотвращения самопроизвольного опорожнения системы при остановке.

Коллектор 12 служит для сбора воды под давлением, поступающей из коробчатых корпусов 2, 3, и подачи ее в гидротурбину 13 и представляет собой проложенный по дну моря под корпусами вдоль волнолома 1 трубопровод с патрубками в верхней части, с помощью которых он через компенсатор 11 соединяется с обратными клапанами.

Компенсаторы предназначены для компенсации возвратно-поступательных перемещений коробчатых корпусов 2, 3 и неподвижно соединенных с ними трубопроводов 7, 8 и обратных клапанов 9, 10 относительно коллектора 12 при регулировании и стабилизации нагрузки прибойной гидроэлектростанции.

Компенсаторы 11 представляют собой расположенные в вертикальной плоскости трехшарнирные трубопроводы с двумя концевыми и одним промежуточным шарнирами.

Трубы компенсаторов расположены под определенным углом α , в вершине которого находится промежуточный шарнир, благодаря чему они могут поворачиваться вокруг шарнира, изменяя угол и одновременно расстояние между концевыми шарнирами.

С целью полного преобразования кинетической энергии стоячей волны и эффективной работы гидротурбины 13 днища коробчатых корпусов 2, 3 погружены под уровень воды на глубину, которая равна высоте расчетной прибойной волны, а гидротурбина установлена на волноломе 1 ниже гребня возникающей стоячей волны.

Коллектор 12 соединяется с гидротурбиной с помощью вертикального трубопровода.

Гидротурбина 13 связана с электрогенератором 14, который служит для получения электроэнергии.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

В исходном положении все оборудование кроме надводной части волнолома 1 и установленных на нем гидротурбины 13 с электрогенератором 14 погружено под уровень воды при спокойном состоянии моря и заполнено водой.

Давление воды в коробчатых корпусах 2, 3 равно наружному гидростатическому давлению на глубине установки коробов.

Штоки гидроцилиндров 6, наполовину выдвинуты, а соединенные с ними коробчатые корпусы 2, 3 на такое же расстояние не доходят до стенки волнолома.

Обратные клапаны 9, 10 под давлением воды, находящейся в гидротурбине 13 и вертикальном трубопроводе, закрыты.

В процессе сложения набегающей прибойной и отраженной от волнолома 1 волн в зоне расположения коробчатого корпуса 2 возникает стоячая волна и масса воды начинает подниматься вверх со скоростью, которая уменьшается по мере удаления от стенки волнолома.

Встречая на своем пути имеющееся в днище коробчатого корпуса со стороны волнолома прямоугольное окно, стоячая волна проходит внутрь замкнутого корпуса 2, в результате чего скоростной напор воды преобразуется в давление, превышающее давление в коробчатом корпусе 3, которое равно наружному гидростатическому давлению на глубине установки.

Под действием перепада давлений вода через специальное отверстие в днище коробчатого корпуса 2 проходит в горизонтальный трубопровод 7, открывает обратный клапан 9 и через компенсатор 11, коллектор 12 и вертикальный трубопровод поступает в гидротурбину 13, вызывая вращение гидротурбины с электрогенератором 14.

В это время обратный клапан 10 продолжает оставаться в закрытом положении, так как давление в коллекторе 12 больше, чем в коробчатом корпусе 3.

По мере перемещения стоячей волны вдоль волнолома 1 из зоны расположения корпуса 2 в зону корпуса 3 поднимающаяся вверх масса воды проходит внутрь корпуса 3, где скоростной напор воды преобразуется в давление, превышающее в некоторый момент времени давление в коробчатом корпусе 2, которое определяется напором уменьшающейся стоячей волны и при ее исчезновении становится равным наружному гидростатическому давлению на глубине установки.

Под действием перепада давлений вода через специальное отверстие в днище коробчатого корпуса 3 проходит в горизонтальный трубопровод 8, открывает обратный клапан 10 и через компенсатор 11, коллектор 12 и вертикальный трубопровод поступает в гидротурбину 13, вызывая вращение гидротурбины с электрогенератором 14.

Далее вышеописанный цикл повторяется непрерывно.

При изменении расчетной силы волнения в сторону увеличения или необходимости уменьшить нагрузку прибойной гидроэлектростанции штоки гидроцилиндров 6 начинают втягиваться внутрь, угол α между подвижными трубами компенсаторов 11 увеличивается, коробчатые корпусы 2, 3 отходят от стенки волнолома 1, скоростной напор массы воды, входящей в корпусы, уменьшается, давление падает и наоборот.

В обоих случаях происходит регулирование и стабилизация нагрузки.

Выполнение волноприемного органа в виде по меньшей мере двух установленных вдоль гидротехнического сооружения погруженных под уровень воды коробчатых корпусов с окнами в днищах с параллельным подключением внутренних полостей корпусов к трубопроводному коллектору через обратные клапаны повышает надежность работы прибойной работы гидроэлектростанции.

Исключение из волноприемного органа подвижных частей упрощает конструкцию прибойной гидроэлектростанции.

Выполнение коробчатых корпусов подвижными с помощью гидроцилиндров позволяет осуществить регулирование и стабилизацию нагрузки прибойной гидроэлектростанции при изменении силы волне- ния. (56) Патент США N 4400940, кл. F 03 B 13/12, опубл. 1983.

Сущность изобретения: гидроэлектростанция установлена на прибрежном гидротехническом сооружении, содержит гидротурбину с электрогенератором. Перед сооружением установлен со стороны водоема волноприемный орган с трубопроводом и обратными клапанами, подключенными к коллектору и гидротурбине. Водоприемный орган выполнен в виде установленных вдоль сооружения погруженных под уровень воды коробчатых корпусов с окнами в днищах. Внутренние полости корпусов параллельно подключены к коллектору через обратные клапаны. 2 ил.

ПРИБОЙНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, устанавливаемая на прибрежном гидротехническом сооружении, содержащая гидротурбину с электрогенератором и установленный перед гидротехническим сооружением со стороны водоема волноприемный орган с трубопроводами и обратными клапанами, подключенными к коллектору и гидротурбине, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности в работе гидроэлектростанции и упрощения ее конструкции, волноприемный орган выполнен в виде по меньшей мере двух, установленных вдоль гидротехнического сооружения, погруженных под уровень воды коробчатых корпусов с окнами в днищах, при этом внутренние полости корпусов параллельно подключены к коллектору через обратные клапаны.