РУСЛОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1997 года по МПК F03B7/00 F03B13/00 

Изобретение относится к гидроэнергетическим установкам, использующим кинематическую и потенциальную энергию движущейся в реках воды.

Известны современные гидроэлектростанции, содержащие крупные железобетонные плотины, мощные гидравлические турбины, электрогенераторы и ряд других сооружений. Однако эти электростанции используют только потенциальную энергию воды, накопленной с помощью поднятой, иногда весьма высоко, железобетонной плотины, которая в свою очередь вынужденно подавляет кинематическую энергию текущей воды в русле реки, причем на больших участках ее отрезка.

Кроме того, такие гидроэлектростанции с такими высокими и низкими плотинами являются экологически вредными сооружениями на руслах больших и малых рек.

Известен простейший вид гидравлического двигателя наливное колесо, содержащее вал отбора мощности, спицы и обод, на котором смонтированы корытообразные лопасти (см. Физика. Учебник для 6-го класса. 1973, с. 178). В этом двигателе используется главным образом потенциальная энергия поднятой плотиной воды. Как упоминалось выше, имеет место быть та же плотина и те же неизбежные беды от перекрытия русла реки.

Известна гидроэлектростанция, содержащая установку, выполненную в виде двух, жестко связанных поплавков с водонаправляющими стенками, образующими входной сужающий канал, турбины с лопастями, размещенными между поплавками на горизонтальном валу, установленном на корпусах последних и кинематически связанном с электрогенератором, и средства для фиксации установки в потоке воды, дополнительно к упомянутому установка снабжена перемычкой, установленной между поплавками вдоль оси турбины с зазором (см. Авт. св. СССР N 1788309, кл. F 03 B 13/00, 1993).

Однако известная установка не может полно использовать всю массу потока воды на участке, покрытом установкой, т.к. значительная часть энергии потока воды гасится направляющими стенками поплавков, образующими входной сужающийся канал.

По этой же причине ламинарный поток воды на этом участке превращается в турбулентный поток, который в известной мере не лучшим образом воздействует на лопасти турбины.

Часть энергии потока гасится перемычкой, установленной между поплавками, т.е. поперек потока воды.

Не может использоваться энергия массы воды на случай подъема уровня выше оптимального, на который рассчитана установка.

Задачей изобретения является использование как кинематической, так и потенциальной энергии движущейся по руслу реки воды, совмещенных в динамике напора и наката воды на препятствие движению воды по руслу реки.

Указанный технический результат достигается тем, что русловая гидроэлектростанция, включающая гидродвигатель, электрогенераторы и элементы крепления за грунт русла реки, согласно изобретению гидродвигатель выполнен по форме пустотелого ротора, а по значимости применения его в жидкой среде, текущей с определенной скоростью и направлением, гидродвигатель является плавсредством, выполняющим одновременно роль вращающейся плотины, принимающей на себя напор воды в виде определенного ее наката на плавсредство, оребренное по его цилиндрической части лопастями, например, горизонтального, косолопестного (косозубого) и шевронного расположений, согнутых под тупой (совковый) угол по их поперечному сечению. Для удержания плавсредства по месту его эксплуатации на его полые полуоси одеты опорные подшипниковые подушки, которые помещены между вертикально установленными и закрепленными в грунте русла реки силовыми опорами, выполненными с возможностью перемещения подушек между силовыми опорами ограниченно вниз и свободно вверх, вызываемого изменением уровня воды в русле реки, причем перемещение подушек сопровождается совместно с придонной плитой, с которой подушки связаны тягами. Придонная плита обеспечивает запрет свободного прохода воды между лопастями и подошвой русла реки при поднятии уровня воды. Для обеспечения связи и вращения плавсредства с электрогенераторами на каждую из выступающих внутрь проема цилиндрической части плавсредства полую полуось совокупно и шарнирно подвешены редуктор, задействованный шлицевым соединением с осью вращения, противовесы и электрогенератор, силовой кабель которого протянут через отверстие в полой оси, для выхода его за предел плавсредства и к потребителю электроэнергии.

Изложенная выше конструкция гидроэлектростанции обеспечивает возможность при любом уровне воды в русле реки использовать значительную часть кинематической и потенциальной энергии движущейся воды на участке русла реки, оставляя при этом остальную часть реки для установки ряда каскадов экологически чистых гидроэлектростанций.

На фиг. 1 показан общий вид предложенной гидроэлектростанции с частичным вырезом ее стенки для лучшего показа конструкции; на фиг. 2 вид электростанции с ее торцевой стороны.

Гидроэлектростанция состоит из пустотелого цилиндрического плавсредства 1, выполненного по форме ротора, оребренного рабочими лопастями 2, а в его торцевых стенках установлены и закреплены полые полуоси 3, на которые с наружной стороны одеты опорные подшипниковые подушки 4, помещенные между вертикально установленными силовыми опорами 5, закрепленными в грунте русла реки. Опорные подушки связаны тягами 6 с придонной плитой 7. На каждую из выступающих внутрь проема цилиндрической части плавсредства полую полуось 3 совокупно и шарнирно подвешены редуктор 8, противовесы с монтажной плитой 9 и генератор 10, силовой кабель 11 которого протянут через отверстие в полой оси 3 торцевой стенки плавсредства.

Пустотелая цилиндрическая часть плавсредства 1 может быть изготовлена из части трубы определенного диаметра и длины, покрытой внутри и с ее наружной стороны железобетонным слоем для придания трубе определенной жесткости и веса, способного погрузить цилиндрическую часть плавсредства под определенный уровень воды. То же самое покрытие может быть проделано и с придонной плитой 7. Противовесы 9 могут быть изготовлены из любого более тяжелого материала, а редукторы 8 и электрогенераторы 10 могут быть приняты стандартных исполнений. Вертикальные опоры 5 могут быть изготовлены из железобетонных свай, забитых в грунт в ряд. При необходимости демонтажа гидроэлектростанции опорные подушки могут быть освобождены от опор путем отвода одной из пары опор в сторону. В этом случае гидроэлектростанция может свободно перемещаться по воде в иное место работы или стоянки. Совместно с вертикальным перемещением подушек 4 вниз или вверх перемещается и придонная плита 7, сохраняя при этом низменную щель между цилиндрической частью гидроэлектростанции и плитой, при этом высота рабочих лопастей должна соответствовать размеру высоты щели. Противовесы полуоси 3 должны обладать 2-, 3-кратным противодействием кручению подвеса вокруг оси вращения 3. При этом учитывается максимально возможная нагрузка на электрогенераторе, усиливающая момент кручения подвеса.

Длина цилиндрической части гидроэлектростанции, предназначенной для установки на больших и полноводных реках, определяется по ширине активного течения воды в русле реки, если ширина активного течения окажется значительной, то цилиндрическая часть выполняется отдельными секциями. Например, на повороте русла реки, наклонах местности и др. участках, при этом остальной участок "тихой воды" может быть использован для прохода водного транспорта и др. возможных надобностей. Диаметр цилиндрической части гидроэлектростанции определяется с учетом глубины активного слоя течения воды на выбранном для установки электростанции участке русла реки, при этом учитывается высота наката воды на цилиндрическую часть гидроэлектростанции. Погружение цилиндрической части вместе с накатом воды должно быть не более половины высоты ее диаметра.

Пропорциональность между размерами диаметра цилиндрической части гидроэлектростанции и размером высоты лопастей в каждом отдельном случае увязывается со скоростью течения воды на выбранном участке реки, создающем определенную высоту наката воды на цилиндрическую часть гидроэлектростанции.

На одной из торцевых стенок цилиндрической части гидроэлектростанции выполнено герметически закрываемое монтажное окно, служащее для монтажа и обслуживания оборудования, установленного внутри плавсредства.

Установка подушек 4 плавсредства в свои силовые опоры производится с помощью длинных тросов, одним концом закрепленных за чалочные приспособления на опорных подушках 4, а вторые концы тросов должны быть закреплены на противоположных берегах русла реки со стороны истока воды с возможностью наматывания и стравливания тросов.

Плавсредство 1 заводят на свое рабочее место путем осторожного стравливания тросов по ходу течения воды совместно с плавсредством. В самом начале стравливают одну его сторону, ставя плавсредство под определенный угол, а потом вторую сторону плавсредства. Когда подушки 4 будут установлены по своим местам и закреплены в рабочее состояние, закрепляют тяги 6 к придонной плите 7 и силовой электрокабель, к линии потребления электроэнергии. Размерами длины тяг 6 регулируется свободный проход воды на случай большого подъема уровня воды в русле реки.

После окончания всех монтажных работ гидроэлектростанции готова к работе.

Это значит, когда вращается плавсредство вокруг своих осей, закрепленных в опорных подшипниках, то в то же самое время весь подвес редуктора 8 за счет своего и дополнительного груза находится в вертикально подвешенном состоянии на полой полуоси 3 плавсредства 1, а так как эта ось закреплена в торцевой стенке плавсредства и связана шлицевым соединением с зубчатой шестерней первой ступени повышающего обороты редуктора 8, то эта зубчатая шестерня по своим порядковым ступеням повышения оборотов передает вращение оси 3 плавсредства на электрогенератор 10, который при условии наличия нагрузки вырабатывает электроэнергию для использования ее у потребителя.

Гидроэлектростанция в виде вращающегося плавсредства ротора, оборудованного рабочими лопастями и преобразователями механической энергии в электрическую за счет движущейся воды в русле реки может быть установлена как на полноводных реках, так и с умеренной полнотой воды, но относительно ощутимым течением и, конечно же, на реках с мощным и бурным течением, хотя и с изменяющим уровнем воды в русле реки. Это позволяет использовать значительную часть энергетических ресурсов всех способных для этого рек и отказаться от постройки экологически вредных электростанций всех разновидностей, т.к. этих ресурсов будет вполне достаточно на все нужды народного хозяйства.

Предложенные электростанции могут быть изготовлены из листового или полосового проката на специальных монтажных участках, расположенных возле реки, а затем спущенных на воду, они могут транспортироваться по воде к месту назначения, а на месте доводится до полного завершения всех монтажных работ. Одним словом стоимость постройки предложенных электростанций не потребует больших затрат средств и материалов для плавсредств в сравнении с известными электростанциями. Они могут быть установлены на неопределенных участках вдоль протяжения реки, приближая энергоресурсы к потребителю. Особенно в регионах освоения природных ресурсов, удаленных от обжитых мест. Они могут работать в суровых зимних условиях за счет собственного подогрева некоторых элементов конструкций плавсредства.

Экономическая выгодность постройки предложенных гидроэлектростанций очевидна и перспективна.

Использование: в гидроэнергетике, в качестве русловой гидроэлектростанции. Сущность изобретения: гидроэлектростанция содержит вертикальные силовые опоры с элементами крепления, электрогенераторы и связанный с ними посредством передачи гидродвигатель, выполненный в виде лопастного цилиндрического ротора, подшипниковые опоры для установки ротора и придонную перемычку, при этом гидроэлектростанция снабжена противовесами, передача от гидродвигателя выполнена в виде редукторов, придонная перемычка - в виде плиты, а подшипниковые опоры - в виде подушек, силовые опоры закреплены в грунте русла реки, подшипниковые подушки размещены между силовыми опорами с возможностью ограниченного перемещения вниз и свободного вверх, ротор выполнен плавающим, его лопасти установлены горизонтально или косо, или с шевронным расположением и согнуты с образованием в поперечном сечении тупого угла, причем ротор установлен в подшипниковых подушках посредством расположенных внутри него полых полуосей, на каждой из которых совокупно и шарнирно подвешены редуктор, противовесы и электрогенератор, силовой кабель которого для выхода из ротора к потребителю протянут через отверстие в полой оси, при этом придонная плита связана с подшипниковыми подушками при помощи тяг для обеспечения совместного перемещения. 2 ил.

Русловая гидроэлектростанция, содержащая вертикальные силовые опоры с элементами крепления, электрогенераторы и связанный с ними посредством передачи гидродвигатель, выполненный в виде лопастного цилиндрического ротора, подшипниковые опоры для установки ротора и придонную перемычку, отличающаяся тем, что гидроэлектростанция снабжена противовесами, передача от гидродвигателя выполнена в виде редукторов, придонная перемычка в виде плиты, а подшипниковые опоры в виде подушек, силовые опоры закреплены в грунте русла реки, подшипниковые подушки помещены между силовых опор с возможностью ограниченного перемещения вниз и свободного вверх, ротор выполнен плавающим, его лопасти установлены горизонтально, или косо, или с шевронным расположением и согнуты с образованием в поперечном сечении тупого угла, причем ротор установлен в подшипниковых подушках посредством расположенных внутри него полых полуосей, на каждой из которых совокупно и шарнирно подвешены редуктор, противовесы и электрогенератор, силовой кабель которого для выхода из ротора к потребителю протянут через отверстие в полой оси, при этом придонная плита связана с подшипниковыми подушками при помощи тяг для обеспечения совместного перемещения.