БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2001 года по МПК E02B9/00 F03B13/00 

Изобретение относится к гидростроительству и может быть применено при строительстве ГЭС в любой местности.

До конца 19 века гидростроители отдавали предпочтение активным турбинам /мельничному колесу/, способным брать от речного потока максимум его энергетического потенциала, однако с изобретением и совершенствованием реактивных турбин /винт/, увеличением напоров во вновь строящихся гидроэлектростанциях активные турбины отошли на второй план. Бесплотинная гидроэнергетика - энергетика малых напоров, которая может использовать в качестве источника энергии или энергию свободного потока реки, или напор столба воды между концом деривационного канала и рекой. Малые напоры требуют применения в качестве движителей активных турбин и их совершенствование.

Деривационные каналы могут выполняться открытыми и закрытыми /напорный водовод/. Напорный водовод позволяет создать ГЭС большей мощности, однако требует установку непосредственно перед турбинами уравнительного резервуара, в задачу которого входит сглаживание пиков в расходах турбины. Уравнительные резервуары известных конструкций не обеспечивают гашение гидравлических ударов от работы турбины в напорном водоводе, которые по своей силе могут в десятки раз превышать давление на стенки водоводов при статическом режиме. Кроме того, реактивные турбины - это турбины, в которых их вал вращается не от прямого воздействия потока воды на лопатки турбины, а от реактивной составляющей давления этого потока. Такое техническое решение позволяет выполнить процесс работы турбины управляемым, хотя в турбинах этого типа на один киловатт выработанной ими электроэнергии расходуется в два раза больше воды, чем в турбинах активных, например ковшовых. Ковшовые турбины имеют вместо лопаток на своих рабочих колесах ковши, позволяющие получать на валу колеса значительный крутящий момент при минимальных расходах. Это турбины с самым высоким КПД. Сложность заключается в том, что реактивные турбины управляемы в процессе их работы, а для активных турбин еще не найдено техническое решение, позволяющее при малых напорах управлять ими в процессе их эксплуатации.

Необходимость в этом существует. Максимум мощности активная турбина, например ковшовая, отдает тогда, когда скорость колеса, которое вращает поток, достигает половины скорости этого потока. Достаточно изменить нагрузку на валу колеса и сразу начинает изменяться скорость его вращения. А генераторы общего назначения, выпускаемые отечественной промышленностью, требуют постоянной скорости вращения вала генератора, т.е. движитель бесплотинной гидроэлектростанции должен содержать в себе такой элемент редуцирования чисел оборотов колеса турбины к оборотам вала генератора, который позволял бы вращаться рабочему колесу турбины как с постоянным крутящим моментом на своей оси, так и с постоянной скоростью, при неизменных параметрах потока реки и вне зависимости от нагрузок на генератор.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является деривационная гидроэлектростанция с ковшовыми турбинами /см. "Гидроэнергетические установки". Под редакцией Щавелева Д.С. Л.: Энергия, 1972, с. 241/. Все недостатки активных турбин и гидроэлектростанции с деривационными каналами, о которых шла выше речь, присущи прототипу.

Цель изобретения - обеспечить вращение рабочего колеса турбины с постоянной скоростью и обеспечить постоянный крутящий момент на его оси вне зависимости от нагрузок на роторе генератора и тем самым обеспечить постоянство вращения вала генератора независимо от электрических нагрузок в его сети.

Поставленная цель достигается тем, что бесплотинная гидроэлектростанция включает деривационный канал, выполненный с уклоном дна, меньшим уклона дна реки в месте установки гидроэлектростанции, активную турбину, по ободу рабочего колеса которой жестко закреплены лопатки, выполненные в виде ковшей, генератор и механизм редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора, для подвода водотока из деривационного канала к рабочему колесу турбины гидроэлектростанция имеет спиральную камеру, а в механизме редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора установлен механизм искусственного торможения вала генератора, выполненный, например, в виде управляемой гидродинамической муфты, одна крыльчатка которой жестко закреплена на валу генератора, а вторая крыльчатка закреплена на этом валу подвижно в осевом направлении с возможностью изменения зазора между чашками крыльчаток муфты для регулирования величины тормозного момента на валу генератора от нуля до значения максимального крутящего момента.

На чертежах (фиг. 1-5) показаны русло реки 1 с уклоном дна реки i_дна, водозабор 2 деривационного канала 3 с затвором 4, смонтированного на эстакаде 5. Уклон деривационного канала 3 i_эст. меньше уклона дна реки i_реки. В том месте, где уровень потока воды в деривационном канале превысит уровень воды в реке на величину расчетного напора H_полн., вертикально установлена спиральная камера 6 активной ковшовой турбины 8. В месте перехода канала 3 в спиральную камеру 6 в боковых стенках канала выполнены водосливы 7 с общей длиной полок водослива не менее 3-х глубин канала в месте водослива.

Рабочее колесо турбины 8 может состоять из нескольких отдельных колес 10, как это показано на фиг.2, или представлять собой единое колесо шириной B_к, как это показано на фиг.5.

По ободу рабочего колеса жестко закреплены ковши 11. Ось 9 рабочего колеса 10 турбины вращается в подшипниках 12. На консоли оси закреплены звездочки 13 закрытой цепной передачи механизма редуцирования оборотов колеса к оборотам генератора. Закрытая передача через конусную муфту 14, редуктор 15, мягкую муфту 16 соединена с валом генератора 17. На этом же валу редуктора 15 с его противоположной стороны через муфту 25 закреплена гидродинамическая муфта 18, представляющая собой разновидность управляемой реактивной турбины. Одна крыльчатка муфты закреплена на валу жестко и вращается вместе с валом генератора, вторая крыльчатка 24 муфты 18 закреплена на этом же валу подвижно только в осевом направлении. Изменяя зазор между чашками крыльчаток муфты 18, можно менять величину тормозного момента на оси генератора от нуля до максимального крутящего момента при полной электрической нагрузке на него.

Рабочее колесо 10 закрыто кожухом 19. Все оборудование размешено в помещении машинного зала 20.

Спиральная камера 6 на своем конце имеет ряд сопел цилиндрической формы. Количество сопел равно количеству колес на оси 9.

Каждое сопло закрывается специальным конусом. Привод всех конусов объединен в один. Движение конусов кинематически связано с генератором станции и зависит от электрической нагрузки на него или на них, если станция имеет несколько генераторов, работающих от одного рабочего колеса турбины. Прикрывая или открывая конусный затвор сопел, можно регулировать мощность на валу рабочего колеса активной турбины 8 или полностью останавливать его.

Водослив 7 водоводом 22 связан с рекой 1 или с деривационным каналом последующей очереди станции. Водосливы 7, турбина 8, спиральная камера 6 механизма редуцирования 15, включающего в себя весь набор механизмов для изменения числа оборотов генерирования тока, - все размещено в одном здании 23 гидростанции.

Гидродинамическая муфта 18, работающая в совокупности с генератором, призвана обеспечить постоянство крутящего момента на валу турбины вне зависимости от нагрузок на генератор.

Применение в приводе генератора гидродинамической муфты 18 решает поставленную задачу, однако не является единственным техническим решением. Вместо муфты 18 с управляемым тормозным моментом можно использовать реактивную турбину, укрепленную на одном валу с активной, центробежный или масляный насосы, с дросселированием их потока жидкости в зависимости от изменения электрической нагрузки на генератор.

Работает станция следующим образом.

После того как будет открыт затвор 4 водозабора и вода заполнит деривационный канал 3, она через водослив 7 поступает сначала в канал 22, а через него обратно в реку 1. В это время затвор 21 спиральной камеры 6 закрыт, поэтому и колесо, и генератор остаются без движения. При включении привода затвора 21 вода из спиральной камеры начинает поступать в ковши рабочего колеса 10. После того как затвор 21 отойдет на заданный угол и колесо наберет обороты, включается гидродинамическая муфта 18, если в качестве тормозного механизма с управляемым тормозным моментом выбрана именно гидродинамическая муфта, а не насос, электродвигатель постоянного тока с реостатом и прочее, которая создает тормозной момент, равный тормозному моменту генератора 17 при полной его электрической загрузке. Обороты колеса при этом уменьшаются и после того, как окружная скорость колеса будет равна половине скорости струи водотока сопла, число оборотов колеса стабилизируется и стабилизируются все параметры водотока во всем деривационном канале. Только после этого включается генератор 17. Ротор генератора на холостых режимах набирает необходимые обороты, и генератор ставится в режим автоматического управления, при котором тормозной момент гидродинамической муфты 18 пропорционально зависит от электрических нагрузок на генератор. С включением потребителей тока автоматически уменьшается тормозной момент гидродинамической муфты 18. Однако крутящий момент на оси рабочего колеса, скорость его вращения, скорость потока в деривационном канале, секундный расход воды в нем - все остается неизменным, как бы резко не изменялись нагрузки на генератор, какой бы бурной или наоборот тихой и мелководной в этот момент не была река.

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано при строительстве гидроэлектростанций в любой местности. Бесплотинная гидроэлектростанция включает деривационный канал, выполненный с уклоном дна, меньшим уклона дна реки в месте установки гидроэлектростанции, активную турбину, по ободу рабочего колеса которой жестко закреплены лопатки, выполненные в виде ковшей, генератор и механизм редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора. Для подвода водотока из деривационного канала к рабочему колесу турбины гидроэлектростанция имеет спиральную камеру. В механизме редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора установлен механизм искусственного торможения вала генератора, выполненный в виде управляемой гидродинамической муфты, одна крыльчатка которой жестко закреплена на валу генератора, а вторая крыльчатка - закреплена на этом валу подвижно в осевом направлении с возможностью изменения зазора между чашками крыльчаток муфты для регулирования величины тормозного момента на валу генератора от нуля до значения максимального крутящего момента. Изобретение обеспечивает вращение рабочего колеса турбины с постоянной скоростью и постоянным крутящим моментом на его оси вне зависимости от нагрузок на роторе генератора и, как следствие, постоянство вращения вала генератора независимо от электрических нагрузок в его сети. 5 ил.

Бесплотинная гидроэлектростанция, включающая деривационный канал, выполненный с уклоном дна, меньшим уклона дна реки в месте установки гидроэлектростанции, активную турбину, по ободу рабочего колеса которой жестко закреплены лопатки, выполненные в виде ковшей, генератор и механизм редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора, отличающаяся тем, что для подвода водотока из деривационного канала к рабочему колесу турбины гидроэлектростанция имеет спиральную камеру, а в механизме редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора установлен механизм искусственного торможения вала генератора, выполненный, например, в виде управляемой гидродинамической муфты, одна крыльчатка которой жестко закреплена на валу генератора, а вторая крыльчатка - закреплена на этом валу подвижно в осевом направлении с возможностью изменения зазора между чашками крыльчаток муфты для регулирования величины тормозного момента на валу генератора от нуля до значения максимального крутящего момента.