ВОЛНОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СУДИЛОВСКОГО А.Г. Российский патент 1997 года по МПК F03B13/22 

Изобретение относится к гидроэнергетике, а более конкретно к волновым гидроэлектростанциям, использующим энергию волн, возникающих на поверхности морей и океанов и предназначено для электроснабжения стационарных морских платформ, имеющих собственные электростанции для снижения уровня шума и экономии энергоносителей при наличии волнения.

В настоящее время электроснабжение стационарных морских нефтегазодобывающих платформ и насосных платформ нефтеперевалочных комплексов осуществляется с помощью дизельных или газотурбинных электростанций, работающих непрерывно независимо от наличия морского волнения.

Эти электростанции одновременно являются главными источниками шумового воздействия на персонал и крупным потребителям дорогостоящих энергоносителей.

В то же время известны волновые гидроэлектростанции, которые преобразуют в электроэнергию энергию волн и открытого моря и в случае соединения их подводным кабелем с морскими платформами позволяет во время волнения отключать их собственные электростанции и, таким образом, снижать уровень шума и экономить энергоносители.

Волновая гидроэлектростанция "Краб" содержит понтон с размещенным на нем гидроагрегатом, равномерно расположенные относительно периметра понтона под уровнем воды поршневые насосы со штоком и, по меньшей мере, три гибкие связи, соединенные с якорями, к каждой из которых последовательно подсоединено, по меньшей мере, два поршневых насоса, при этом нагнетательные магистрали поршневых насосов параллельно подключены к гидроагрегату.

Для подвижного соединения нагнетательных магистралей поршневых насосов между собой и с размещенным на понтоне коллектором гидроагрегата имеются компенсаторы.

При волнении понтон воздействует при помощи гибких связей на поршневые насосы, нагнетательные магистрали которых подключены к гидроагрегату, вырабатывающему электрический ток (см. а.с. СССР N 1767208, кл. F 03 B 13/12, 1992 г.).

Для отбора мощности не используется фазовая скорость волн т.е. скорость перемещения формы волны.

Необходимость применения поршневых насосов, компенсаторов и коллектора усложняет конструкцию гидроэлектростанции.

Наличие понтона, обладающего положительной плавучестью снижает надежность и не позволяет сблокировать волновую гидроэлектростанцию с морской платформой.

Указанные недостатки частично устранены в волновых гидроэлектростанциях, использующих фазовую скорость волн.

Известная гидроэлектростанция (см. заявку Франции N 2369440, м. кл. F 03 B 13/12, 1978 г.) содержит составную вертикальную опору, состоящую из плавучей платформы с фиксаторами и, по меньшей мере, две реверсивные гидротурбины, размещенные в горизонтальных цилиндрических патрубках, установленных под уровнем воды симметрично относительно оси опоры и электрогенераторы.

Электрогенераторы расположены отдельно внутри платформы и соединены с гидротурбинами с помощью конических редукторов.

По периметру плавучей платформы имеется ряд каналов криволинейной формы с входными отверстиями, сужениями и запорными заслонками для подачи воды из моря через выходные отверстия в расположенную в верхней части платформы емкость, соединенную через трубопроводы с задвижками с горизонтальными патрубками.

Под действием морского волнения при прямом или обратном подходе волн, когда оси патрубков совпадают с направлением вектора фазовой скорости волн через горизонтальные патрубки проходит наибольшая масса воды, вращая размещенные в них реверсивные гидротурбины и расположенные внутри плавучей платформы электрогенераторы, которые работают на номинальной мощности.

Одновременно через каналы происходит заполнение емкости водой из моря за счет преобразования кинетической энергии набегающих волн в потенциальную энергию подъема независимо от направления вектора фазовой скорости волн.

При косом подходе волн расход воды через патрубки уменьшается и мощность падает.

Для стабилизации нагрузки гидроэлектростанции открываются задвижки на соответствующих трубопроводах и недостающий объем воды подается из емкости под гидростатическим давлением в горизонтальные патрубки перед рабочими колесами гидротурбины.

Необходимость применения составной вертикальной опоры усложняет конструкцию гидроэлектростанции и не позволяет сблокировать ее с морской платформой.

Неподвижное крепление горизонтальных патрубков с гидротурбинами относительно оси вертикальной опоры, требующее применения реверсивных гидротурбин, емкости, системы каналов с запорными заслонками и трубопроводов с задвижками усложняет конструкцию гидроэлектростанции.

Наличие в составной вертикальной опоре плавучей платформы, обладающей положительной плавучестью и содержащей помещение для электрогенераторов снижает надежность работы гидроэлектростанции.

Применение электрогенераторов, требующих отдельного помещения исключает их размещение в горизонтальных патрубках вместе с гидротурбинами и усложняет конструкцию гидроэлектростанции.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности волновой гидроэлектростанции.

Указанная задача достигается тем, что известная гидроэлектростанция, содержащая закрепленную на дне вертикальную опору и, по меньшей мере, две гидротурбины, размещенные в горизонтальных цилиндрических патрубках, установленных под уровнем воды симметрично относительно оси опоры и электрогенераторы снабжена двумя вертикально расположенными щитами, шарнирно закрепленными на опоре, выполненной в виде сплошной сваи кругового сечения и шарнирно соединенными между собой с образованием острого угла, при этом опора расположена на биссектрисе последнего, а патрубки размещены в щитах, при этом размещенные в патрубках гидротурбины агрегатированы с электрогенераторами капсульного типа.

Гидротурбины могут быть выполнены с поворотными лопастями.

В волновой гидроэлектростанции в качестве вертикальной опоры может быть применена одна из вертикальных опор стационарной морской платформы.

Снабжение вертикальной опоры двумя вертикально расположенными щитами, шарнирно закрепленными на опоре, выполненной в виде сплошной сваи круглого сечения и шарнирно соединенными между собой с образованием острого угла, при этом опора расположена на биссектрисе последнего, размещение патрубков в щитах а агрегатирование размещенных в патрубках гидротурбин с электрогенераторами капсульного типа позволяет упростить конструкцию гидроэлектростанции.

Исключение плавучей платформы, обладающей положительной плавучестью дает возможность повысить надежность работы волновой гидроэлектростанции.

Выполнение гидротурбин с поворотными лопастями обеспечивает стабилизацию нагрузки гидроэлектростанции при изменении фазовой скорости волн.

Применение в гидроэлектростанции в качестве вертикальной опоры одной из вертикальных опор стационарной морской платформы позволяет сблокировать волновую гидроэлектростанцию с морской платформой.

На фиг. 1 изображен общий вид волновой гидроэлектростанции в исходном положении спереди; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Волновая гидроэлектростанция содержит вертикальную опору 1 с хомутами 2, 3 вертикальные щиты 4, 5 с полукольцами 6, 7 и пластинами 8, 9 и горизонтальные патрубки 10 с гидроагрегатами 11.

Вертикальная опора 1 предназначена для шарнирного крепления вертикальных щитов 4, 5 с горизонтальными патрубками 10 и гидроагрегатами 11 на глубине, обеспечивающей полное погружение щитов под уровень воды при высоте волны, соответствующей расчетной фазовой скорости волн и представляет собой сплошную сваю круглого сечения.

С этой целью в верхней части опоры на определенной высоте имеются, по меньшей мере, две пары хомутов 2, которые служат для восприятия нагрузки от массы вертикальных щитов 4, 5 и передачи ее на вертикальную опору 1, а на оголовке опоры одна пара хомутов 3 для фиксации щитов от случайного перемещения вверх вдоль опоры.

Хомуты 2, 3 неподвижно устанавливаются на вертикальной опоре с помощью крепежных деталей, конструктивно одинаковы и отличаются друг от друга только верхним или нижним расположением горизонтальных опорных поверхностей, которыми они контактируют с соответствующими поверхностями полуколец 6, 7.

Каждый хомут представляет собой деталь из уголкового профиля дугообразной формы в плане, внутренний радиус которой равен промежуточному радиусу вертикальной опоры 1, а высоте несколько меньше последнего.

Торцы хомутов 2, 3 закрыты пластинами с отверстиями в центре для крепежных деталей.

Разъемы хомутов смещены на 90^o в плане относительно плоскости разъема полуколец 6, 7 для непрерывности контакта соответствующих поверхностей.

Для возможности автоматической ориентации входных отверстий горизонтальных патрубков 10 в направлении противоположном вектору фазовой скорости волн вертикальная опора 1 расположена на биссектрисе острого угла α который образуют в плане два шарнирно соединенных между собой вертикальных щита 4, 5.

При этом ось вертикальной опоры располагается как можно ближе к вершине угла, что необходимо для совместной работы двух подвижных щитов под действием фазовой скорости волн аналогично флюгеру.

В качестве вертикальной опоры может быть использована одна из вертикальных опор стационарной морской платформы, что позволяет сблокировать волновую гидроэлектростанцию с морской платформой.

Два шарнирно соединенных между собой вертикальных щита 4,5, образующих в плане острый угол a и поворотных вокруг вертикальной опоры 1, предназначены для автоматической ориентации входных отверстий установленных в щитах горизонтальных патрубков 10 с гидроагрегатами 11 в направлении противоположном вектору фазовой скорости волн, что необходимо для наиболее эффективной работы гидроагрегатов.

Принцип действия вертикальных щитов аналогичен действию двухлопастной флюгарки во флюгере, которая под действием ветра устанавливается так, что вершина угла a между лопастями направлена навстречу ему, а в данном случае - навстречу волнам.

Вертикальный щит 4 представляет собой пластину прямоугольной формы жесткой конструкции, которая в плане имеет вид прямой линии.

В передней части щита посредине по высоте имеется отверстие для крепления горизонтального патрубка 10 с гидроагрегатом 11 так, что ось патрубка параллельна биссектрисе угла a.
Снаружи переднего торца на вертикальном щите 4 вверху и внизу по высоте имеются, по меньшей мере, два горизонтальных кронштейна для шарнирного соединения со щитом 5.

Щит, в свою очередь, шарнирно соединяется с вертикальной опорой 1 с помощью полуколец 6, 7 и пластин 8.

Вертикальный щит 5 имеет аналогичную конструкцию и отличается от щита 4 только наличием, по меньшей мере, двух пар горизонтальных кронштейнов и формой пластин 9.

Шарнирное соединение вертикальных щитов 4, 5 между собой с помощью горизонтальных кронштейнов служит для возможности монтажа щитов на вертикальной опоре с хомутами 2, 3.

Полукольца 6, 7 представлены для шарнирного крепления вертикальных щитов 4, 5 с пластинами 8, 9 на вертикальной опоре 1, расположены над хомутами 2 и контактируют с ними с помощью расположенных в нижней части опорных поверхностей.

Кроме того, полукольца 6 имеют в верхней части дополнительные опорные поверхности, с помощью которых они могут упираться в соответствующие поверхности хомутов 3 при случайном перемещении щитов вверх вдоль опоры и, таким образом, фиксировать их в рабочем положении.

С целью уменьшения сопротивления при повороте щитов 4, 5 полукольца 6 и хомуты 3 устанавливаются с зазором по высоте.

Каждое из двух полуколец 6 представляет собой деталь из швеллерного профиля в виде полуокружности, внутренний радиус которой несколько превышает наружный диаметр вертикальной опоры 1.

Полукольца 7 аналогичны по конструкции и отличаются только тем, что выполнены из уголкового профиля.

Торцы полуколец 6, 7 закрыты пластинами с отверстиями в центре для крепежных деталей.

Разъемы полуколец смещены на 90^o в плане относительно плоскости разъема хомутов 2, 3 для непрерывности контакта соответствующих поверхностей.

Пластины 8, 9 служат для неподвижного соединения вертикальных щитов 4, 5 с полукольцами 6, 7, обеспечения заданного острого угла α в плане и расположения оси вертикальной опоры 1 на биссектрисе угла, как можно ближе к его вершине для создания эффекта флюгера.

По меньшей мере, по две пластины 8, 9 жесткой конструкции расположенные выше и ниже по высоте симметрично осям горизонтальных патрубков 10 соединяют вертикальные щиты с соответствующими полукольцами, которые, в свою очередь, будучи соединены между собой встык работают как одно целое, обеспечивая свободный поворот щитов вокруг опоры.

Между пластинами и патрубками имеются ребра жесткости.

Горизонтальные патрубки 10 предназначены для неподвижного крепления гидроагрегатов 11 в вертикальных щитах 4, 5 под уровнем жидкости, а также обеспечения равномерного распределения поля скоростей в потоках воды перед гидротурбинами и представляет собой патрубки цилиндрической формы с открытыми торцами, продольные оси которых расположены параллельно и симметрично биссектрисе острого угла a между щитами в плане, как можно ближе к вертикальной опоре 1 и вершине угла для создания эффекта флюгера.

Плоскости среза входных отверстий патрубков находятся на одном уровне с шарнирными соединениями вертикальных щитов, а торцы выходных отверстий выполнены симметрично им относительно центров тяжести горизонтальных патрубков 10 с гидроагрегатами 11, находящихся на одной прямой с центром тяжести поперечного сечения вертикальной опоры с целью оптимизации нагрузки на опору от массы гидроагрегатов.

Для повышения скорости протекания воды через гидротурбины патрубки могут быть выполнены с конфузорами на входе и диффузорами на выходе жидкости.

Гидроагрегаты 11 служат для прямого преобразования скоростного напора морских волн в электроэнергию и представляют собой прямоточные нереверсивные лопастные гидротурбины с поворотными лопастями, агрегатированные с электрогенераторами капсульного типа.

Гидроагрегаты соосно закреплены внутри погруженных под уровень воды горизонтальных патрубков 10 с помощью трех радиальных опор, равномерно расположенных по окружности.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

В исходном положении входные отверстия горизонтальных патрубков 10 с гидроагрегатами 11 и вершина острого угла a образованного в плане двумя шарнирно соединенными между собой вертикальными щитами 4, 5, погруженными под уровень воды и, в свою очередь, шарнирно закрепленными на расположенной на биссектрисе угла вертикальной опоре 1, направлены в сторону, противоположную вектору фазовой скорости волн.

При перемещении формы волны спереди назад с расчетной скоростью скоростной напор массы воды, проходящей через горизонтальные патрубки 10, воздействует на лопасти гидротурбин, которые преобразовывают кинетическую энергию потоков воды во вращение валов электрогенераторов, вырабатывающих электрический ток.

При этом поворотные лопасти гидротурбин находятся в среднем положении с определенным углом атаки.

При увеличении фазовой скорости волн выше расчетной лопасти поворачиваются так, что угол атаки лопастей уменьшается и наоборот.

В обоих случаях нагрузка волновой гидроэлектростанции стабилизируется.

Снабжение вертикальной опоры двумя вертикально расположенными щитами, шарнирно закрепленными на опоре, выполненной в виде сплошной сваи круглого сечения, и шарнирно соединенными между собой с образованием острого угла, при этом опора расположена на биссектрисе последнего, размещение патрубков в щитах и агрегарирование размещенных в патрубках гидротурбин с электрогенераторами капсульного типа позволяет упростить конструкцию гидроэлектростанции.

Исключение плавучей платформы, обладающей положительной плавучестью, дает возможность повысить надежность работы волновой гидроэлектростанции.

Выполнение гидротурбины с поворотными лопастями обеспечивает стабилизацию нагрузки гидроэлектростанции при изменении фазовой скорости волн.

Применение в гидроэлектростанции в качестве вертикальной опоры одной из вертикальных опор стационарной морской платформы позволяет сблокировать волновую гидроэлектростанцию с морской платформой и, таким образом, при наличии волнения снижать уровень шума и экономить энергоносители.

Использование в гидроэнергетике, в качестве гидроэлектростанции, преобразующей энергию волн. Сущность изобретения: на вертикальной опоре под уровнем воды шарнирно закреплены два вертикальных щита, которые, в свою очередь, шарнирно соединены между собой с образованием в плане острого угла, на биссектрисе которого расположена вертикальная опора. В вертикальных щитах симметрично и параллельно биссектрисе угла установлены два горизонтальных патрубка с гидроагрегатами, лопасти гидротурбин выполнены поворотными. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Волновая гидроэлектростанция, содержащая закрепленную на дне водоема вертикальную опору и по меньшей мере две гидротурбины, размещенные в горизонтальных цилиндрических патрубках, установленных под уровнем воды симметрично относительно оси опоры, и электрогенераторы, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения надежности работы, гидроэлектростанция снабжена двумя вертикально расположенными щитами, шарнирно закрепленными на опоре, выполненной в виде сплошной сваи круглого сечения, и шарнирно соединенными между собой с образованием острого угла, при этом опора расположена на биссектрисе последнего, а патрубки размещены в щитах, при этом размещенные в патрубках гидротурбины агрегатированы с электрогенераторами капсульного типа. 2. Гидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью стабилизации нагрузки при изменении фазовой скорости волн, гидротурбины выполнены с поворотными лопастями.