ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2001 года по МПК F03B13/00 F03B7/00 

Изобретение относится к нетрадиционным электростанциям, не прерывающим нормального течения реки, не поднимающим ее уровень и не боящихся ледовых условий, то есть работающих одинаково в летних и зимних условиях. Электростанция может устанавливаться на любых реках и иметь достаточные электрические мощности для снабжения электроэнергией близлежащих потребителей.

Известна гидравлическая турбина [1], содержащая установленное в русле реки сооружение с гидроколесом с горизонтальной осью вращения, и состоящая из жестко закрепленных на оси опорных дисков, между которыми симметрично по окружности установлены лопасти с возможностью вращения на своих осях, параллельных оси гидроколеса, разделяющих лопасть на две неравные части. Гидравлическая турбина снабжена барьерами, установленными впереди и сзади гидроколеса и погруженными поперек потока воды на уровень оси гидроколеса.

Недостатком известного устройства [1], является сложность гидроколеса с поворотными лопастями, которые при работе получают механические удары о свои упоры. В виду множества поворотных узлов, работающих в водно-воздушной среде устройство обладает низкой надежностью, и большой стоимостью эксплуатации и обслуживания. Данное устройство не сможет работать в зимних условиях при ледяном покрове.

Известен гидроагрегат [2], содержащий установленное в русле реки сооружение с расположенными на горизонтальной оси гидроколесом, кинематически связанным с электрогенератором. Гидроколесо снабжено поворотными лопастями и системой их поворота в виде подвижных и неподвижных относительно своих осей шестерен c зубчатым соотношением 2/1, по периферии связанных между собой цепными передачами.

Недостатком известного устройства [2] являются: сложность гидроколеса с поворотными лопастями, многочисленными поворотными узлами и зубчатыми колесами с цепными передачами, что, в конечном итоге, ведет к снижению надежности и ресурса работы устройства в целом и к увеличению его стоимости, а также стоимости и сложности технического обслуживания гидроагрегата, работающего в водно-воздушной среде. Такое устройство не может работать в зимних условиях, при покрытии реки льдом.

Известна речная береговая гидроэлектростанция [3], содержащая сооружение, выполненное в виде бетонированного берега, и наполовину размещенное в сооружении (его полукруглом вырезе) гидроколесо с неподвижными лопастями и вертикальной осью вращения с подшипниковыми узлами вала гидроколеса, кинематически связанного с электрогенератором.

Недостатком известного устройства [3] является низкая эффективность работы гидроэлектростанции за счет сравнительно медленного течения реки у берега, а также не возможность работы в зимних условиях, когда река покрыта льдом.

Прототипом предлагаемого изобретения является гидроэлектростанция [4], содержащая установленное в русле реки сооружение с электрогенератором, редуктором, расположенным над водной поверхностью, и гидравлического колеса с вертикальной осью вращения, расположенного под водой и кинематически связанного через редуктор с электрогенератором, причем гидроколесо имеет неподвижные лопасти, выполненные таким образом, что один край его лопасти лежит на его внутренней образующей, а другой - на внешней и при этом длина лопасти не превышает радиуса гидроколеса, сооружение гидроэлектростанции снабжено спереди направляющим устройством в виде спрямляющего щита для потока воды.

Недостатком прототипа [4] являются:
- отсутствие жесткого основания у нижнего подшипникового узла (его опора) вызывает под действием гидравлических возмущений от работающего гидроколеса эрозию потоками воды дна реки и подмывание опор его гидроколес и основания;
- параллельное размещение в перпендикулярном течению реки сечении двух гидравлических колес может быть не всегда возможно, особенно на небольших реках,
- низкая эффективность самого гидроколеса, имеющего большое гидравлическое сопротивление, так как гидроколесо с лопастями представляет собой в проекции на перпендикулярную потоку воды плоскость сплошной прямоугольник, не пропускающий сквозь себя поток воды;
- незащищенность гидроколеса от плывущих в воде предметов, что значительно снижает его надежность;
- гидравлические возмущения потока воды в реке сзади гидравлических колес вызывают вредные экологические воздействия и эрозию русла реки;
- возникающие трудности при регламенте и ремонте нижних подшипниковых узлов гидроколес.

Указанные недостатки ставят задачу упрощения конструкции и увеличения ее надежности и живучести, а также обеспечения ее непрерывного круглогодичного функционирования.

Указанная задача достигается тем, что в конструкции гидроэлектростанции, содержащей установленное в русле реки сооружение с направляющим устройством потока воды, электрогенератор, редуктор, расположенные над водной поверхностью, и гидроколесо с неподвижными лопастями и с вертикальной осью вращения, расположенное под водой и кинематически связанное через редуктор с электрогенератором, сооружение гидроэлектростанции занимает часть центрального сечения реки и состоит из фундаментной плиты, боковых стен и перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки гидроколеса, сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору и бонные сети, а стены со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие, соответственно, конфузорный, рабочий и диффузорный канал, одна из боковых стен имеет в рабочем канале секторный, полукруглый вырез под гидроколесо, которое установлено выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова в подшипниковых узлах, соответственно, нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии, причем гидроколесо выполнено полым, состоящим из жестко закрепленных на вертикальном валу двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти длиной не более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180^o, лопасти гидроколеса установлены при помощи разъемных соединений, причем гидроколеса со своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале может быть несколько, а ее электрогенератор может быть выполнен в виде многополюсной динамомашины, работающей при малых оборотах ротора, и снабженная при надобности редуктором, а повышающая трансформаторная подстанция установлена на берегу, также сооружение гидроэлектростанции снабжено со стороны входа и выхода водотока затворами и насосной установкой.

Установка сооружения гидроэлектростанции в центральном сечении реки необходима: во-первых, для использования максимального скоростного потока воды в реке; во-вторых, для перепуска мимо гидроэлектростанции ледохода, бревен при сплаве и т.п., а также для обеспечения судоходства.

Введение фундаментной плиты необходимо для обеспечения жесткости и прочности конструкции гидроэлектростанции и формирования водотока, а также для исключения подмывания ее опор и основания под действием гидравлических возмущений от работающего гидроколеса (так как возможна эрозия потоками воды дна реки).

Введение боковых стен сооружения гидроэлектростанции необходимо для формирования водотока с конфузорным, рабочим, диффузорными каналами и полукруглыми вырезами, а также создания стен для перекрытия, в том числе и для помещения редуктора и генератора.

Введение расширений боковых стен со стороны входа воды и ее выхода, образующих соответственно конфузорный, рабочий и диффузорный канал, необходимо:
- расширение боковых стен (водотока) на входе (конфузорного канала) - для большего сбора воды и увеличения ее скорости протекания;
- рабочего канала - для установки в нем гидроколес, и успокоения потока воды между ними;
- расширение боковых стен (водотока) на выходе (диффузорного канала) - необходимо для увеличения давления воды в потоке и снижения ее скорости (для сброса в реку).

Введение перекрытия боковых стен сооружения гидроэлектростанции необходимо для придания жесткости всей гидроэлектростанции в целом, а также для размещения в нем верхнего подшипникового узла гидротурбины, и основания для помещения электрогенератора и при надобности редуктора.

Введение в сооружение гидроэлектростанции, перед ее водозабором ледорезной опоры и бонных сетей необходимо для обеспечения безопасной работы гидроэлектростанций во время ледохода, а также при сплаве леса по реке (деревьев в период паводков и т.п.).

Введение помещения для редуктора с электрогенератором над местом установки гидроколеса необходимо для защиты последних от внешних воздействий, в том числе в атмосферных, а также для обеспечения их нормального температурно-влажностного режима работы.

Введение нижнего подшипникового узла оси гидротурбины, который может быть герметизирован с собственной смазкой или смазываться водой, необходимо для установки гидротурбины с возможностью вращения и ее разгрузки (в случае закрепления гидротурбины только в верхнем подшипниковом узле) от радиальных сил, и, следовательно, повышения надежности и живучести гидроэлектростанции в целом.

Введение верхнего подшипникового узла необходимо для установки гидротурбины с возможностью вращения и восприятия основных механических нагрузок гидротурбины.

Введение в одной из боковых стен в рабочем канале секторного, полукруглого выреза под гидроколесо необходимо для повышения эффективности работы гидротурбины, т. е. для увеличения КПД преобразования энергии, проходящего через гидротурбину потока воды в ее крутящий момент.

Установка гидроколеса выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова в подшипниковых узлах, соответственно нижним - в фундаментной плите и верхним - в перекрытии необходимо для безопасной, круглогодичной и непрерывной работы гидроэлектростанции в целом, т.к. ей при этом не страшны перекатываемые по дну реки предметы, а также плывущие по поверхности предметы и ледяной покров в зимний период.

Выполнение гидроколеса полым, состоящим из двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти, необходимо для повышения эффективности работы гидротурбины, т.е. для увеличения КПД преобразования энергии проходящего через гидротурбину потока воды в ее крутящий момент.

Выполнение лопастей длиной не более 2/3 его радиуса и установка лопастей под углом к его радиусу в пределах от 0 до 180^o необходимо для выбора оптимальных размеров и угла расположения лопастей, в зависимости от размеров расширений боковых стен, секторного полукруглого выреза и параметров водяного потока в водоводе (рабочем канале).

Выполнение лопастей гидроколеса съемными, установленными пря помощи разъемных соединений, необходимо для мобильной замены поврежденных лопастей без замены (демонтажа) гидроколеса, а также для облегчения сборки (монтажа) гидроколеса и его транспортировки,
Установка нескольких гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале необходимо для увеличения снимаемой мощности гидроэлектростанции в целом.

Выполнение электрогенератора гидроэлектростанции в виде многополюсной динамомашины, работающей при малых оборотах ротора и снабженной при надобности редуктором, необходимо для обеспечения выработки электрического тока заданных параметров при тихоходном приводе - предложенном гидроколесе.

Размещение повышающей трансформаторной подстанции на берегу вне зоны затопляемости необходимо для облегчения конструкции сооружения гидроэлектростанции, а также повышения надежности и живучести сооружения в целом.

Снабжение гидроэлетростанции со стороны входа и выхода водотока затворами и насосной установкой необходимо для осушения водовода и обеспечения ремонта (технического обслуживания) гидротурбины и ее нижнего подшипникового узла.

Таким образом, выполнение гидроэлектростанции в виде совокупности вышеприведенных признаков является новым для гидроэлектростанций нетрадиционного типа с коллинеарным расположением гидроколес (с вертикальной осью вращения), что соответствует критерию "новизна".

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна в настоящее время из уровня техники и не следует из общеизвестных правил конструирования гидроэлектростанций, что доказывает их соответствие критерию "изобретательский уровень".

Конструктивная реализация гидроэлектростанции с указанной выше совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, отсюда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

На фиг. 1 представлена схема гидроэлектростанции в разрезе (вид спереди).

На фиг. 2 представлена схема размещения гидроэлектростанции в сусле реки в разрезе (вид сверху).

Гидроэлектростанция (примерный вариант схемы предлагаемой гидроэлектростанции) содержит (см. фиг. 1 и 2) установленное в русле реки 1 сооружение, состоящее из фундаментной плиты 2, боковых стен 3 и 4, перекрытия 5 с помещением 6 для редуктора 7 с электрогенератором 8 над местом установки гидроколеса 9 сооружение перед водозабором имеет лездорезную опору 10 и бонные сети 11, а стены 3 и 4 со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие, соответственно, конфузорный 12, рабочий 13 и диффузорный 14 каналы, одна из боковых стен 3 имеет в рабочем канале секторный, полукруглый вырез 15 под гидроколесо 9.

Гидроколесо 9 установлено выше дна реки 1 и ниже нижней кромки ее возможного ледяного покрова 16 в подшипниковых узлах, соответственно, нижнем 17 - в фундаментной плите и верхнем 18 - в перекрытии 5, причем гидроколесо 9 выполнено полым, состоящим из жестко установленных на вертикальном валу 19 двух параллельных горизонтальных дисков 20 и 21, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти 22 длиной и более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180^o, лопасти 22 гидроколеса 9 установлены при помощи разъемных соединений, причем гидроколес 9 со своими редукторами 7 и электрогенераторами 8 по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале 13 может быть несколько. Электрогенератор 8 может быть выполнен в виде многополюсной динамомашины, работающей при малых оборотах ротора и снабженной при надобности редуктором 7, а повышающая трансформаторная подстанция установлена на берегу. Сооружение гидроэлектростанции снабжено со стороны входа и выхода рабочего канала 13 затворами соответственно 23 и 24, и насосной установкой (на фиг. 1 и 2 не показана).

Работает гидроэлектростанция следующим образом. Поток движущейся в реке 1 воды (см. фиг. 1 и 2) обтекая ледорезную опору 10 и бонные сети 11, попадает в конфузорный канала 12, образованный стенками 3 и 4 гидроэлектростанции, при этом его скорость увеличивается, и далее в рабочем канале 13 попадает на гидроколесо 9. На лопастях 22 гидроколеса 9 часть механической поступательной энергии потока воды преобразуется в механическую энергию вращательного момента гидроколеса, который посредством вала 19 передается на редуктор 7 и из него - на электрогенератор 8, преобразующий механическую энергию вращения в электроэнергию.

Электроэнергия передается непосредственно в электросеть через опоры, расположенные на берегу, или же при использовании электрогенератора, выполненного в виде многополюсной динамомашины, работающей при малых оборотах ротора, электроэнергия передается на повышающую трансформаторную подстанцию, расположенную на берегу вне зоны затопления. Проходя через первое гидроколесо 9, поток воды снова попадает в рабочий канал 13, где спрямляется и поступает в последующее гидроколесо 9. После выхода из последнего гидроколеса поток воды попадает в диффузорный канала 14, где его скорость снижается и по выходе из которого смешивается с потоком воды в реке 1, обтекающим сооружение гидроэлектростанции. В зимнее время ледяной покров 16 вокруг вала 19 будет постоянно разрушаться последним, что позволит эксплуатировать гидроэлектростанцию круглогодично. При производстве ремонтных и регламентных работ опускают затворы 23 и 24 и воду из рабочего канала 13 откачивают при помощи насосной установки. При этом могут меняться как отдельные лопасти 22 и гидроколес 9, установленные при помощи разъемных соединений, так и гидроколеса 9 в целом, а также производится ремонт или замена нижнего подшипникового узла 17.

Таким образом, выполнение гидроэлектростанции в совокупности представленных признаков позволит:
- не поднимать уровень течения реки и не прерывать ее нормальное течение, так как гидроэлектростанция не имеет плотины;
- не бояться ледовых условий, т.е. работать одинаково в летних и зимних условиях;
- создать простую, надежную, компактную и недорогую конструкцию гидроэлектростанции (незначительный размер в плане, сравнительно небольшой объем строительных материалов, простота в технологии строительства и монтажа);
- устанавливать на одно гидроколесо генератор мощностью от 10 до 100-150 кВт.

Источники информации
1. Патент Российской Федерации N 2030627, кл. 6 F 03 B 7/00, 17/06, 10.03.95 г., Бюл. N 7.

2. Патент Российской Федерации N 2016220, кл. 6 F 03 B 7/00, 15.07.94 г. , Бюл. N 13.

3. Патент Российской Федерации N 2020260, кл. 6 F 03 B 7/00, 30.09.94 г. , Бюл. N 18.

4. Патент Российской Федерации N 2010992, кл. 6 F 03 B 13/00, 15.04.94 г., Бюл. N 7

Гидроэлектростанция предназначена для преобразования энергии течения реки и может устанавливаться на любых реках и работать круглосуточно. Гидроэлектростанция содержит установленное в русле сооружение, состоящее из фундаментной плиты, боковых стен и перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки гидроколеса. Сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору и бонные сети, а боковые стены со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие соответственно конфузорный, рабочий и диффузорный канал. Одна из боковых стен имеет в рабочем канале секторный полукруглый вырез под гидроколесо, которое установлено в подшипниковых узлах выше дна реки и ниже кромки возможного ледяного покрова соответственно, нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии. Гидроколесо выполнено полым, состоящим из жестко установленных на валу двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти с длиной не более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180^o. Гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале может быть несколько. Рабочий канал со входом и выходом воды снабжен затворами и насосной установкой. Конструкция устройства позволяет увеличить надежность работы и круглогодичность использования. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидроэлектростанция, содержащая установленное в русле реки сооружение с направляющим устройством потока воды, электрогенератором, редуктором, расположенным над водной поверхностью гидроколеса с неподвижными лопастями и с вертикальной осью вращения, расположенного под водой и кинематически связанного через редуктор с электрогенератором, отличающаяся тем, что сооружение гидроэлектростанции занимает часть центрального сечения реки и состоит из фундаментной плиты, боковых стен и перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки гидроколеса, сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору и бонные сети, а стены со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие соответственно конфузорный, рабочий и диффузорный каналы одна из боковых стен имеет в рабочем канале секторный, полукруглый вырез под гидроколесо, которое установлено выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова в подшипниковых узлах, соответственно, нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии, причем гидроколесо выполнено полым, состоящим из жестко установленных на вертикальном валу двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти с длиной не более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180°. 2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что лопасти гидроколеса установлены при помощи разъемных соединений. 3. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале может быть несколько. 4. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что ее электрогенератор выполнен в виде многополюсной динамо-машины, работающей при малых оборотах ротора и снабженной при надобности редуктором, а повышающая трансформаторная подстанция установлена на берегу. 5. Гидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена со стороны входа и выхода водотока затворами и насосной установкой.