ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ СООРУЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E02B9/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к плавучим гидроэлектростанциям.

Известна [1] гидроэлектростанция, включающая плавучесть с подвешенным к ней водяным двигателем, колесо (гидротурбина) которого расположена в потоке воды в реке.

Недостатком известной гидроэлектростанции является ее малая мощность вследствие не полного использования кинетической энергии водного потока из-за того, что значительная часть воды обтекает колеса и, таким образом, уклоняется от передачи ему своей энергии.

Известна [2] гидроэлектростанция, расположенная в русле реки и включающая плавучесть, закрепленную в потоке воды в реке, и скрепленную с плавучестью проточную часть, между входным раструбом и выходным трубопроводом которой выполнена гидротурбина, присоединенная к генератору, при этом выпускной трубопровод расположен в пределах плавучести, а его выходное отверстие расположено с низовой относительно направления движения потока воды, стороны плавучести.

Недостатком такой гидроэлектростанции является также ее малая мощность из-за того, что используется преимущественно только кинетическая энергия внутреннего водного потока, проходящего через проточную часть, и в малой степени используется энергия наружного водного потока, проходящего рядом с плавучестью, вследствие расположения выходного отверстия проточной части в гидродинамической тени потока, создаваемой плавучестью, а также вследствие малой площади взаимодействия (трения) наружного и внутреннего потоков. При этом известная гидроэлектростанция может эффективно работать только при ее сооружении на участке реки с высокоскоростным потоком, который на равнинной реке, обычно содержащей протоки, практически отсутствует.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении мощности гидроэлектростанции без увеличения габаритов гидротурбины и высоты ее проточной части, которые определяют необходимую глубину водного потока, за счет более полного использования кинетической энергии наружного водного потока, а также за счет повышения скорости наружного потока путем сооружения гидроэлектростанции по особым правилам.

Этот технический результат достигается за счет того, что в гидроэлектростанции, включающей плавучесть, закрепленную в потоке воды в реке с возможностью вертикального перемещения при изменении уровня воды, и скрепленную с плавучестью проточную часть, между входным раструбом и выпускным трубопроводом которой выполнена гидротурбина, присоединенная к генератору, согласно изобретению, концевой участок выпускного трубопровода расположен за пределами плавучести под уровнем потока воды и выполнен с увеличивающейся площадью поперечного сечения, при этом поперечному сечению концевого участка выпускного трубопровода плавно придана многолепестковая (два и более лепестка) форма и/или концевой участок выпускного трубопровода разветвлен на две или более трубы. Технический результат достигается также за счет того, что в способе сооружения гидроэлектростанции, включающем расположение в потоке воды в реке плавучести с гидротурбиной, согласно изобретению, плавучесть с гидротурбиной располагают в потоке протоки реки, при этом протоку реки в поперечном сечении стесняют водоподпорным сооружением до образования в месте расположения плавучести с гидротурбиной прорана с высокоскоростным потоком воды.

Сущность технического решения заключается в том, что в результате обтекания высокоскоростным потоком концевого участка выпускного трубопровода за счет эжекции происходит передача части кинетической энергии высокоскоростного наружного потока внутреннему потоку, который существенно замедлен вследствие передачи своей энергии гидротурбине и увеличения на выходе площади поперечного сечения. При этом увеличение площади поперечного сечения на выходе из концевого участка выпускного трубопровода, его разветвление на отдельные трубы и плавное придание каждой трубе в поперечном сечении многолепестковой формы, существенно увеличивает эффективность эжекции за счет увеличения разницы скоростей наружного и внутреннего потоков, а также за счет увеличения площади взаимодействия (трения) этих двух потоков вследствие увеличение длины периметра поперечного сечения на выходе из выпускного трубопровода. При этом как разветвление выпускного трубопровода на отдельные трубы, так и придание выпускному трубопроводу на выходе многолепестковой формы, может быть охарактеризовано следующей обобщенной зависимостью:

где ξ длина кромки стенки на выходе из выпускного трубопровода или сумма длин кромок стенок на выходе в случае разветвления выпускного трубопровода;
w площадь поперечного сечения на выходе из выпускного трубопровода или сумма площадей поперечных сечений на выходе в случае разветвления выпускного трубопровода;
p = 3,14...
Одновременно с этим разницу скоростей наружного и внутреннего потоков существенно увеличивают, а следовательно увеличивают эффективность эжекции и непосредственно мощность электростанции, за счет многократного увеличения скорости потока воды в месте сооружения гидроэлектростанции путем сосредоточения всего (почти всего) перепада уровней воды на участке реки от входа в протоке и до выхода из нее на коротком участке протоки в месте расположения гидроэлектростанции вследствие стеснения протоки водоподпорным сооружением.

Снижение пьезометрического уровня воды под рабочим колесом гидротурбины эжекцией, осуществляемой путем холостых паводковых сбросов через блоки гидроэлектростанции или в непосредственной близости от них, и увеличение, таким образом, напора на гидротурбину известно и широко используется в практике при реализации потенциальной энергии на ГЭС: Бухтарминская, Усть-Каменогорская, Братская, Цимлянская, Красноярская и др. Вопросу влияния потоков водосливных пролетов на пропускную способность донных труб при их совместной работе (Татаров И.Я. Диссертация -заглавный лист и выводы, п.п. 5,8 и 9).

На фиг. 1 представлена гидроэлектростанция без разветвления выпускного трубопровода, план; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4-7 разрезы С-С на фиг. 1, варианты выполнения; на фиг. 8 представлена гидроэлектростанция с разветвлением выпускного трубопровода на три трубы, план; на фиг. 9 гидроэлектростанция в протоке реки, общий вид.

Гидроэлектростанция включает плавучесть в виде катамарана 1 с двумя корпусами 2, соединенными палубой 3, к которой снизу элементами 4 прикреплена проточная часть 5 с гидротурбиной 6, расположенной между входным раструбом 7 и выпускным трубопроводом 8 и присоединенной к генератору 9, расположенному на палубе 3. Катамаран 1 тросо-якорной системой 10 закреплен в потоке воды 11 в реке с возможностью вертикального перемещения при изменении уровня воды 11, а концевой участок 12 выпускного трубопровода 8 расположен между кормовыми частями 13 корпусов 2 катамарана 1 под уровнем потока воды 11, выполнен с увеличивающейся по направлению движения потока воды 11 площадью поперечного сечения и ему плавно придана многолепестковая форма: два лепестка 14 (фиг. 4), три лепестка 14 (фиг. 5), четыре лепестка 14 (фиг. 6), шесть лепестков 14 (фиг. 7).

Концевой участок 12 выпускного трубопровода 2 может быть разделен, например, на три трубы 15 (фиг. 8), каждая из которых в поперечном сечении также может быть выполнена многолепестковой.

На равнинной реке гидроэлектростанцию сооружают на участке реки, где она разделяется на русло 16 и протоке 17 (фиг. 9) путем расположения катамарана 1 с гидротурбиной 6 в протоке 17, которую в поперечном сечении стесняют подоподпорным сооружением 18 до образования в месте расположения катамарана 1 с гидротурбиной 6 прорана 19 с высокоскоростным потоком воды. При этом дно и борта прорана 19 закрепляют от размыва.

Поток воды 11 через входной раструб 7 попадает в проточную часть 5 и передает гидротурбине 6 большую часть своей кинетической энергии, в результате чего скорость потока воды существенно замедляется, чему способствует увеличение на выходе площади поперечного сечения проточной части 5. Поэтому скорость наружного потока воды 11 существенно выше скорости потока воды на выходе из проточной части 5. Одновременно с этим в результате разветвления концевого участка 12 на отдельные трубы 15 (фиг. 7) и выполнения этих труб многолепестковыми существенно увеличена площадь взаимодействия (трения) этих разноскоростных потоков, что существенно снижает пьезометрический уровень воды за гидротурбиной 6 за счет эжекции и увеличивает, таким образом, мощность электростанции без увеличения габаритов гидротурбины 6 и высоты проточной части 5, которые ограничиваются глубиною водного потока в маловодный период года.

Стеснение протоки 17 реки (фиг. 9) до существенного уменьшения расхода воды в протоке 17 многократно уменьшает уклон свободной поверхности воды в протоке по обе стороны от водоподпорного сооружения 18, в результате чего в пределах прорана 19 сосредотачивается практически весь перепад уровней воды Δh участка реки между началом протоки и ее концом:
Δh ≈ il,
где i уклон свободной поверхности в русле 16 реки между точками T₁ и T₂.

l расстояние между точками T₁ и T₂.

Под воздействие перепада уровней воды Δh в проране 19 образуется высокоскоростной поток, что дополнительно существенно повышает мощность гидроэлектростанции и ее работоспособность в зимнее время. При этом паводковые воды беспрепятственно пропускаются по руслу 16 реки и частично по стесненной протоке 17 с затоплением водоподпорных сооружений 18 или без затопления.

Использование изобретения позволяет повысить мощность плавучей гидроэлектростанции за счет использования кинетической энергии водного потока, проходящего за пределами проточной части гидроэлектростанции, а также за счет создания вокруг гидроэлектростанции высокоскоростного потока путем сооружения гидроэлектростанции в месте стеснения протоки реки.

Использование: в гидроэнергетике при сооружении плавучих гидроэлектростанций. Сущность изобретения: гидроэлектростанция включает плавучий элемент в виде катамарана 1 с двумя корпусами 2, соединенными палубой 3, к которой снизу прикреплена проточная часть 5 с гидротурбиной, расположенной между входным раструбом 7 и выпускным трубопроводом 8. Катамаран 1 закреплен в потоке воды посредством тросо-якорной системы 10, а концевой участок 12 выпускного трубопровода 8 выполнен с увеличивающейся по направлению потока площадью поперечного сечения, которая имеет многолепестковую форму или концевой участок разветвлен на две или более трубы. Гидроэлектростанцию сооружают в протоке реки, сечение которой стесняют водоподпорным сооружением с образованием в месте расположения катамарана 1 с гидротурбиной прорана с высокоскоростным потоком воды. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Гидроэлектростанция, включающая плавучий элемент, закрепленный в потоке воды в реке с возможностью вертикального перемещения при изменении уровня воды, и закрепленную на плавучем элементе проточную часть, между входным раструбом и выпускным трубопроводом на которой установлена гидротурбина, соединенная с генератором, отличающаяся тем, что концевой участок выпускного трубопровода плавучего элемента расположен за его пределами под уровнем воды и выполнен с увеличивающейся по направлению движения потока площадью поперечного сечения, причем поперечное сечение концевого участка выпускного трубопровода имеет многолепестковую форму или концевой участок выпускного трубопровода разветвлен на две и более трубы. 2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что поперечное сечение концевого участка каждой из труб разветвления выпускного трубопровода имеет многолепестковую форму. 3. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена водоподпорным сооружением, имеющим проран, при этом плавучий элемент размещен в проране. 4. Способ сооружения гидроэлектростанции, включающий установку в потоке воды в реке плавучего элемента с гидротурбиной, отличающийся тем, что плавучий элемент с гидротурбиной размещают в протоке реки, а поперечное сечение протоки реки в месте расположения плавучего элемента стесняют водоподпорным сооружением с образованием прорана с высокоскоростным потоком воды.