ГИДРОТУРБИНА М.А.СОБОЛЕВА И СПОСОБ ПРОПУСКА ВОДЫ ЧЕРЕЗ НЕЕ Российский патент 1994 года по МПК F01D1/08 

Изобретение относится к технике гидроэнергетики и рыбопропускным устройствам. Преимущественная область применения: по напорам от менее 0,5 м на приливных электростанциях до средних напоров на гидростанциях. Гидротурбина пропускает рыбу через водный тракт в обоих направлениях.

Цель изобретения - повышение напора на турбину без повышения диаметра ротора, т.е. обеспечение независимости напора от диаметра ротора турбины.

У прототипа перепад между бьефами всегда равен перепаду воды под статором, но последний никогда не может быть более 0,3 D ротора по конструктивным соображениям.

Под статором у прототипа происходит вся циркуляция сжатого воздуха в направлении, обратном вращению ротора, начинается и заканчивается воздушный тракт. Подстаторная циркуляция сжатого воздуха связывает у прототипа напор с диаметром ротора. Прототип работает по принципу: больше диаметр ротора - больший напор на турбину.

Поставленная цель - увеличение напора на турбину, т.е. независимость напора от диаметра ротора, достигается установкой на турбине цилиндрического статора и П-образного воздуховода, который выносит циркуляцию воздуха (воздушный тракт) за пределы статора выше отметки верхнего бьефа. Поэтому напор на турбине определяется не диаметром ротора, а высотой воздуховода с учетом глубины погружения турбины для миграции рыбы. Больше высота воздуховода - больше напор на турбину - таков принцип определения напора у предлагаемой турбины.

Цель достигается благодаря переносу воздушного тракта за пределы статора, т. е. к воздуховоду, который всегда должен быть выше отметки верхнего бьефа.

Дополнительная цель - улучшение экологической характеристики турбины путем обеспечения миграции рыбы из нижнего бьефа в верхний.

У прототипа рыба может мигрировать с водой через турбину только в прямом направлении из верхнего бьефа в нижний. В обратном направлении рыба не может мигрировать.

Для этого отработанная на роторе вода с помощью П-образного воздуховода и воздуха определенного давления не полностью выдавливается из камер, а разделяется на два потока, один из которых выводят за турбину, а другой циркулирует в камерах ротора, создавая в пределах статора обратный водоток, с которым мигрирует рыба из нижнего бьефа в верхний.

Дополнительная цель - упрощение конструкции турбины и повышение КПД.

Водоводы у прототипа непрямолинейные, фигурные, вода в каждом из них меняет направление на 360^o, что снижает КПД.

Для этого устанавливают прямолинейные водоводы, что упрощает конструкцию и повышает КПД.

Дополнительная цель - двусторонняя работа турбины.

Прототип - турбина одностороннего действия, так как статор несимметричен для повышения напора при движении воды в одном направлении, что предопределяет ее назначение только для ГЭС. Несимметричность по напору исключает применение ее на ПЭС.

Двусторонняя работа достигается установкой цилиндрического статора, П-образного воздуховода, а также симметричных статора и водоводов.

На фиг. 1 показано поперечное сечение гидротурбины; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - поперечное сечение турбины на плотине в предстартовом положении (показаны отметки верхнего и нижнего бьефов, а также отметки воды в воздуховоде и турбине при различных режимах); на фиг.4 - продольное сечение по плотине.

Гидротурбина состоит из двух основных узлов: cтатора и ротора. Статор представляет собой горизонтальный цилиндр 1, который торцами крепится к опорным дискам 2. На статоре по всей длине образующей установлены водоводы 3 с косыми фланцами 4.

Вращающаяся часть турбины - ротор имеет форму многогранного барабана 5 с торцовыми дисками 6 по концам, которые центрально насажены на роторный вал 7. Последний опирается через подшипник 8 на опорные диски 2. К граням барабана 5 крепятся неподвижно пластины 9 равной длины, образующие между собой и статором камеры 10. Между пластинами 9 и статором создается гарантированный зазор. Роторный вал 7 по концам имеет муфты 11.

Из фиг.1 видно, что предлагаемая турбина симметрична, поэтому она может быть использована на приливных станциях.

Поперечное сечение турбины (фиг. 1) можно условно разделить на три функциональные зоны:
1. Энергетическая (рабочая) зона - ниже водоводов. Здесь происходит превращение энергии падающей воды в крутящий момент;
2. Проходная зона совпадает с водоводами;
3. Оборотная (холостая) зона - над водоводами.

С целью повышения напора на турбину, возможности подъема рыбы через турбину, а также более эффективного отсечения высокого давления от низкого (повышение КПД, снижение протечек) на статоре, в его верхней части, устанавливается П-образный воздуховод 12 для воздушной связи прилегающих к водоводам частей статора и выдавливания отработанной на роторе воды. П-образный воздуховод выносит за пределы статора воздушный тракт, что делает напор на турбину независимым от диаметра ротора, а зависимым только от высоты воздуховода.

Воздуховод всегда должен быть выше отметки верхнего бьефа, в противном случае он превратится в водовод и турбина остановится.

В зависимости от степени (полноты) выдавливания воды из камер 10 на турбине может быть использовано два принципиально разных режима работы (фиг.3).

Первый режим является основным и предназначен только для ГЭС для получения энергии и пропуска рыбы через турбину в обоих направлениях. Из верхнего бьефа в нижний рыба через турбину мигрирует с прямым водотоком через энергетическую зону. Для создания условий миграции рыбы через турбину из нижнего бьефа в верхний на турбине в оборотной зоне в пределах статора создается обратный водоток, который образуется путем неполного выдавливания воды из камер 10 до отметки Н₁¹ выше оси турбины у выходного водовода 3 при помощи сжатого воздуха давления Р, подаваемого в воздуховод и определяемого по формуле Р = H₁ - Н₁¹, где Н₁ - отметка нижнего бьефа.

Давление воздуха Р не зависит от отметки верхнего бьефа Н₂.

Камеры 10 переносят рыбу из нижнего бьефа в верхний в составе обратного водотока. При этом рыба самостоятельно входит в обратный водоток и выходит из него, направляясь все время против течения, что не противоречит рыбному инстинкту двигаться против течения на нерест. Невытесненная из камер вода повторно циркулирует на роторе, поддерживая непрерывность обратного водотока в верхней части турбины.

В этом режиме в камерах 10 остается 10-30% воды от полного их объема в зависимости от размера рыбы и диаметра турбины, что снижает на столько же мощность.

Энергетические затраты на создание обратного водотока и подъема рыбы состоят только из потерь на трение воды в камерах и потерь на трение воздуха в воздуховоде.

На фиг.3 показана отметка воды Н₁¹ у выходного водовода, гарантирующая создание обратного водотока в пределах статора.

Таким образом, особенностью первого режима (только для ГЭС) является неполное выдавливание отработанной воды из камер 10 и создание на турбине обратного водотока для подъема рыбы.

В этом режиме в поперечном сечении турбины существует три несмешиваемых, но взаимно связанных между собой потока:
прямой водоток, он же энергетический и рыбопропускной;
воздушный поток, который движется по воздушному тракту: оборотная зона - воздуховод;
круговой поток невытесненной из камер воды, который в верхней части турбины образует обратный водоток.

Второй режим характеризуется полным выдавливанием воды из камер 10 без создания обратного водотока и без подъема рыбы из нижнего бьефа в верхний. Выдавливание отработанной на роторе воды производится до отметки Н^П₁ ниже оси турбины. Этот режим предназначен только для ПЭС, где вода на плотине по несколько раз в сутки меняет направление по законам прилива. Поэтому рыба поочередно может мигрировать в обоих направлениях с прямым водотоком без создания обратного водотока. На ПЭС турбина может работать и по первому режиму, если к этому принудят экологические обстоятельства.

Преимущества второго режима над первым на ПЭС заключаются в повышении на 10-30% мощности турбины за счет отсутствия обратного водотока.

Так как отметка Н₁ нижнего бьефа на ПЭС изменчива в силу свойств прилива, а отметка Н^П₁ должна быть неизменной, что и давление воздуха Р в воздуховоде 12 должно быть величиной переменной для сохранения неизменной отметки Н^П₁ - условия полного вытеснения из камер 10. В этом особенность работы турбины на ПЭС. Изменчивость давления воздуха Р в воздуховоде обеспечивается как самим компрессором, так и специальными устройствами.

Несколько турбин (10-15) могут с помощью муфт 11 и промежуточных валов 13 объединяться в блок и работать на один генератор 14. Это уменьшит число генераторов, увеличит их единичную мощность и КПД.

На фиг. 4 показан продольный разрез по плотине ГЭС, блоки турбин со своими генераторами 14. Для увеличения крутящего момента несколько блоков с помощью муфт 11 и промежуточных валов 13 могут объединяться и работать на один генератор, а промежуточные генераторы работают как валопроводы.

Воздуховоды 12 всех турбин станции соединяются с протянутым вдоль плотины магистральным трубопроводом 15, на который работает компрессор 16.

В связи с конструктивными особенностями турбины плотина для ее размещения имеет два гребня 17, между которыми расположен машинный зал, а в нем турбинные блоки. В гребнях 17 размещены плотинные водоводы 18. Между последними и турбинными водоводами 3 с помощью косых фланцев 4 и гибких уплотнений создается герметичное и одновременно податливое соединение.

Таким образом, вся внешняя часть турбины и ее опорные части находятся вне воды, что облегчает ее эксплуатацию, а также ведение ремонтных и монтажных работ. На плотинных водоводах 18 установлены затворы 19, которые могут изолировать турбину от бьефов.

Пуск и работа турбины осуществляется выполнением следующих операций.

1. Ротор турбины стопорится для более четкого пуска и отслеживания уровней отработанной воды (Н₁¹ и Н^П₁) и уточнения давления воздуха Р. Плотинные затворы 19 открываются (фиг.3).

2. Подается сжатый воздух определенного давления в воздуховод и вытесняется вода из камер со стороны выходного водовода до отметки Н₁¹ (неполное выдавливание воды из камер - условие создания обратного водотока для подъема рыбы из нижнего бьефа в верхний) или до отметки Н^П₁ (полное выдавливание воды из камер без создания обратного водотока. Это положение является предстартовым и оно зафиксировано на фиг.3. В этом положении четко видно, что перепад между бьефами Н₂-Н₁ = Н переносится под воздуховод, где тот же перепад между бьефами равен Н = Н¹₂ - H₁¹ по закону сообщающихся сосудов. Под отметки Н₁¹ или Н^П₁ в предстартовом положении регулируется давление воздуха Р в воздуховоде.

3. После того как достигнуты нужные отметки Н₁¹ или Н^П₁ - признак точного выхода на расчетный режим по давлению воздуха, ротор снимается со стопоров, начинается прокрутка, во время которой вода из воздуховода, примыкающего к верхнему бьефу, стекает на ротор. В воздушном тракте начинается круговое движение сжатого воздуха. Затем турбина входит в рабочий режим по числу оборотов, отметкам Н₁¹ или Н^П₁, созданию обратного водотока. Поддержание этих отметок близкими к расчетным создает оптимальные условия для работы турбины.

При установившемся режиме работы в турбине происходит следующее. Сжатый воздух у выходного водовода вытесняет воду из камер 10, а в это же время вода верхнего бьефа вытесняет воздух из камер у входного водовода. При этом сжатый воздух перекачивается камерами 10 по воздушному тракту в направлении, обратном вращению ротора. С целью более плавного вытеснения воздуха из камер 10 водой верхнего бьефа на воздуховоде 12 в верхней части может устанавливаться дроссель.

Так как воздушный тракт (верхняя часть статора и воздуховод) является замкнутым объемом, то не будет потерь сжатого воздуха из этого объема за исключением малых потерь на его растворение в воде. Это является дополнительным положительным эффектом, поскольку вода в нижнем бьефе обогащается кислородом воздуха, что повышает биологическую ценность, особенно в зимний период.

Важнейшей характеристикой низконапорных турбин для равнинных ГЭС, а особенно для ПЭС, является величина минимального напора, при котором блок турбин еще может создавать избыточный крутящий момент сверх момента холостого хода и КПД.

Несложные расчеты по известным формулам показывают, что для прокрутки составного агрегата (блок турбин и генератор) вхолостую требуется напор около 10 мм, а всякий напор сверх этого создает избыточный крутящий момент, который известными способами можно превратить в энергию, при КПД около 90% из-за малости потерь в зазорах и отсутствии завихрений. Прототип может работать на таких же низких напорах, но ему не доступны высокие напоры, для этого диаметр ротора должен возрасти до десятков и сотен метров.

Самая низконапорная капсульная гидротурбина на напорах менее 1 м не работает, а КПД на таком предельно низком напоре составляет около 10%.

Основные преимущества предлагаемой турбины перед прототипом и аналогами - обеспечение возможности работы на напорах от менее 0,1 м на ПЭС до высоких на ГЭС, высокое КПД, высокая единичная мощность даже на малых напорах и, самое главное, экологическая чистота. Среди аналогов нет турбин с такими показателями по напору, КПД и экологическим показателям.

Турбина может найти применение на существующих гидроузлах и водохранилищах с малыми перепадами (2-6 м), где не получают электроэнергии из-за отсутствия низконапорных турбин с возможностью двусторонней миграции рыб. Таких объектов в стране более 400. Установка на них данной турбины с генератором превратит их в ГЭС без капвложений и экологических обоснований.

Турбина может быть использована при строительстве малых ГЭС на равнинных реках. Запас энергии на них составляет 320 млрд.кВ.ч, что равно выработке всех ГЭС страны. Напор на таких ГЭС будет менее 3-6 м, для которых нет рыбопроходимых турбин в обоих направлениях.

Особенно перспективно применение заявляемой турбины на ПЭС, для которых нет низконапорных турбин с напором от менее 0,1 до 10 м. При этом мощность известных проектов ПЭС возрастает на 40-80% как за счет использования перепада менее 1 м, так и за счет более высокого КПД турбины. Запасы приливной энергии в стране оцениваются более 250 млн. кВт, что соизмеримо с мощностью всех станций страны. Мировые запасы приливной энергии оцениваются в 1-8 млрд.кВт.ч.

Предлагаемая турбина может быть эффективно использована на всех существующих равнинных ГЭС взамен лопастных турбин, рыбонепроходимых и разрушающих планктон. Это улучшает экологическую ситуацию на реках, они станут рыбопроходными как до строительства ГЭС.

Каскад низконапорных ГЭС на равнинной реке с рыбопропускными турбинами по настоящей заявке предпочтительнее одной высоконапорной ГЭС равной мощности по техническим, экологическим и иным показателям. При этом сократится площадь затопленных земель.

Дополнительный эффект более высокий, чем по стране, может быть получен от патентования турбины за рубежом. Более высокий эффект может быть получен от использования турбины в приливной энергетике, запасы которой в 2000 раз превосходят запасы гидроэнергии всех рек мира.

Поскольку турбина низконапорна и рыбопроходима, то это обстоятельство может повысить экономический потенциал ресурса до 175-200 млн.кВт за счет уменьшения потерь на испарение, фильтрацию, повышения КПД, строительства ГЭС в устьях.

Весь гидроресурс, поддающийся реализации с помощью заявляемой турбины, составит около 175+250 = 425 млн.кВт. При необходимых темпах годового наращивания энергетических мощностей по стране около 10 млн. кВт этого ресурса вполне достаточно, чтобы в течение 40-50 лет наращивать энергомощности только из этих самых дешевых, экологически чистых и восполнимых источников. При этом уменьшится добыча органического и атомного топлива, а значит уменьшится экологическое воздействие их на биосферу как в местах добычи, так и в местах сжигания.

Из приведенного можно сделать вывод о целесообразности отказа на этот период в строительстве большинства АЭС и ТЭС в пользу экологически чистых ГЭС и ПЭС, как более дешевых, экологически чистых и восполняемых.

Использование: в гидроэнергетике. Сущность изобретения: по образующей статора под повышенным давлением воздуха расположены водоводы. В статоре размещен ротор, выполненный в виде многогранника с неподвижными пластинчатыми лопастями одинаковой длины. Лопасти образуют с статором межлопастные камеры. Статор выполнен цилиндрическим, водоводы - прямоточными. Ротор установлен соосно в статоре, снабженном П-образным воздуховодом для воздушной связи частей статора, прилегающих к водоводам, и перенесения циркуляции воздуха за пределы статора. Верхняя часть воздуховода расположена над уровнем верхнего бьефа. Воду подают в камеры из верхнего бьефа и отводят отработанную воду в нижний бьеф. Часть отработанной воды камеры подают в обратном направлении - от нижнего бьефа к верхнему. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Гидротурбина, содержащая статор под повышенным давлением воздуха, расположенные по его образующей водоводы и размещенный в статоре ротор, выполненный в виде многогранника с неподвижными пластинчатыми лопастями одинаковой длины, образующими со статором межлопастные камеры, отличающаяся тем, что статор выполнен цилиндрическим, водоводы прямоточными, ротор установлен соосно в статоре, а последний снабжен П-образным воздуховодом для воздушной связи частей статора, прилегающих к водоводам, и перенесения циркуляции воздуха за пределы статора, причем верхняя часть воздуховода расположена над уровнем верхнего бьефа. 2. Способ пропуска воды через гидротурбину, включающий подачу воды в межлопастные камеры из верхнего бьефа и отвод отработанной воды из последних в нижний бьеф, отличающийся тем, что часть отработанной воды межлопаточные камеры подают в обратном направлении - от нижнего бьефа к верхнему.