ГИДРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК F03B7/00 F03B13/00 

Изобретение относится к области гидроэнергетического строительства и может быть использовано при сооружении приливных электростанций (ПЭС) и низконапорных речных гидроэлектростанций (ГЭС).

Известны гидротурбинные установки, содержащие установленную в водоводе ортогональную турбину, вал которой расположен перпендикулярно продольной оси водовода и кинематически связан с валом генератора [1], [2].

Недостаток установок [1] и [2] - практическая невозможность объединения нескольких турбин в общий гидроагрегат для работы на один генератор, что связано, в частности, с вертикальным расположением вала турбины.

Известна выбранная в качестве прототипа гидротурбинная установка, содержащая, две турбины, горизонтально-соосно установленные в водоводе, и один генератор [3].

В устройстве-прототипе соосные валы турбин ориентированы вдоль водовода и связаны мультипликатором, размещенным в герметичной капсуле в центре водовода, с вертикальным валом генератора, установленного вне водовода.

Недостаток прототипа - низкая эффективность использования энергии водного потока, проходящего через сечение водовода. Это обусловлено тем, что в устройстве-прототипе турбины (пропеллерного типа) работают поочередно в зависимости от направления потока, и тем, что капсула с мультипликатором, размещенная в центре рабочего сечения водовода, частично перекрывает вращающий турбины рабочий поток, который в устройстве-прототипе направлен вдоль валов турбин.

Задача изобретения - повышение эффективности использования водного потока, проходящего через рабочее сечение водовода.

Предметом изобретения является гидротурбинная установка, содержащая, по меньшей мере, две турбины, горизонтально-соосно установленные в водоводе, и один генератор, отличающаяся согласно изобретению тем, что турбины выполнены ортогональными поперечно-струйными, их валы ориентированы поперек водовода установки, который разделен, по меньшей мере, одним бычком на турбинные водоводы, и соединены блоком кинематической связи, который размещен в герметичной полости, образованной в теле бычка.

Это позволяет повысить эффективность использования водного потока, проходящего через рабочее сечение водовода, и соответственно повысить энергоотдачу установки.

Изобретение имеет следующие вариантные развития для частных случаев его реализации:
- в качестве блока кинематической связи может быть использован генератор, выполненный со сквозным валом, соединяющим валы турбин;
- блок кинематической связи может быть выполнен в виде дополнительно введенного мультипликатора со сквозным тихоходным валом, соединяющим валы турбин;
- блок кинематической связи может включать генератор, выполненный со сквозным валом, и два дополнительно введенных мультипликатора, при этом быстроходные валы мультипликаторов соединены валом генератора, а тихоходные - с валом соответствующей турбины.

Это позволяет оптимизировать состав и компоновку электромеханического оборудования установки.

Кроме того, изобретение имеет развитие, предусматривающее выполнение установки в виде обладающего собственной плавучестью блок-модуля гидроэнергетического сооружения.

Это дает возможность использовать для возведения речной ГЭС или ПЭС наплавной способ, позволяющий изготавливать и отлаживать крупногабаритный блок-модуль гидросооружения на заводе-изготовителе, а затем доставлять его на плаву к месту строительства гидросооружения.

Дальнейшее развитие изобретения состоит в том, что блок-модуль содержит плотину или фрагмент плотины гидроэнергетического сооружения в виде полого верхнего строения над водоводом установки.

Это упрощает строительство гидростанции.

Верхнее строение может быть выполнено короче водовода установки в направлении движения блок-модуля.

Это повышает ледостойкость гидросооружения.

Чертеж иллюстрирует пример осуществления изобретения (с учетом его развития) в двухтурбинной установке с размещением в полости бычка генератора и двух мультипликаторов. На фиг.1 показан разрез А-А установки в плоскости, перпендикулярной оси турбин, на фиг.2 - ее разрез Б-Б в плане на уровне осей турбин.

Установка (см. фиг. 1 и 2) содержит водовод 1 установки, разделенный бычком 2 на два турбинных водовода 3 и 4. В водоводах 3 и 4 размещены ортогональные поперечно-струйные турбины 5 и 6. Валы 7 и 8 турбин 5 и 6 установлены горизонтально и соосно поперек водовода 1 (и водоводов 3 и 4). Разделительный бычок 2 выполнен полым и расширенным в средней части. Валы 7 и 8 турбин соединены блоком 9 кинематической связи, который размещен в герметичной полости 10 бычка 2, оборудованной в виде машинного зала. В частном случае осуществления изобретения, представленном на чертеже, блок 9 содержит генератор 11 и два мультипликатора 12. Быстроходные валы 13 двух мультипликаторов 12 соединены сквозным валом 14 генератора 11. Тихоходный вал 15 каждого мультипликатора 12 соединен с валом 7 или 8 соответствующей турбины.

В качестве мультипликаторов 12 могут быть использованы относительно дешевые одноступенчатые горизонтальные цилиндрические редукторы.

Изобретение предусматривает также возможность отказа от использования мультипликаторов 12 путем прямого соединения валов 7 и 8 сквозным горизонтальным валом генератора 11, который в этом случае должен быть низкооборотным. Хотя диаметр генератора увеличивается при этом в несколько раз, он свободно размещается в полости 10. Возможна также реализация изобретения с размещением в полости бычка 2 только одного мультипликатора, соединяющего валы 7 и 8 своим тихоходным сквозным валом, и выносом генератора 11 (вал которого при этом кинематически связан с быстроходным валом мультиплексора), например, в верхнюю часть установки.

Для управления турбинами 5 и 6 водоводы 3 и 4 могут быть снабжены рабочими затворами 16.

На фиг. 2 показано выполнение установки, когда с каждой стороны бычка 2 установлено по одной ортогональной турбине. Возможна также реализация изобретения в виде установки с несколькими турбинными водоводами и турбинами с каждой стороны бычка 2, соединенными в один гидроагрегат. При этом установка может содержать несколько блоков 9, кинематически соединяющих валы турбин и размещенных в герметичных полостях, образованных в соответствующих бычках.

Установка используется в составе приплотинной гидроэлектростанции (приливной или речной) и работает следующим образом.

После открытия затворов 16 турбины 5 и 6 вращаются под действием напора воды, протекающей по их турбинным водоводам 3 и 4, который обеспечивается разницей уровней воды между верхним и нижним бьефами (см. фиг.1).

На речной ГЭС более высокие уровни воды со стороны водохранилища верхнего бьефа и более низкие за плотиной (в нижнем бьефе). На ПЭС более высокие уровни наблюдаются то с одной, то с другой стороны водовода 1, что связано с естественным чередованием приливов и отливов. Ортогональные турбины 5 и 6 могут работать в двустороннем турбинном режиме, т.е. при периодической смене направления течения воды по турбинному водоводу. При этом направление вращения турбин (а следовательно, и генератора 1) остается неизменным.

Предложенное техническое решение позволяет повысить (по отношению к прототипу) эффективность использования водного потока, проходящего через рабочее сечение водовода. Предложенное решение допускает также дополнительное повышение энергоотдачи путем оптимизации геометрии проточных трактов турбин в соответствии с [2].

Кроме того, к достоинствам предложенного решения относится:
- возможность компактно и с удобствами для эксплуатации разместить гидроагрегат, объединяющий в себе генератор(ы) и несколько турбин;
- возможность уменьшить число гидроагрегатов на многоагрегатных ПЭС или речных ГЭС и тем самым снизить стоимость электромеханического оборудования электростанции;
- возможность использовать в многотурбинных агрегатах ортогональные турбины - более дешевые, чем традиционные осевые (например, пропеллерного типа).

Установка может быть выполнена в виде обладающего собственной плавучестью блок-модуля гидроэнергетического сооружения.

В этом случае отверстия турбинных водоводов 3 и 4 должны быть снабжены средствами для установки и снятия транспортных затворов 17, например ботопортов (плавающих затворов), а также средствами временной герметизации.

Выполнение предложенной установки в виде обладающего собственной плавучестью блок-модуля дает возможность использовать наплавной способ возведения гидроэлектростанции, включающий промышленное изготовление и отладку блок-модулей (с гидроагрегатами и всем электромеханическим оборудованием машинного зала) на заводе-изготовителе и их доставку на плаву к месту эксплуатации.

Плавучий блок-модуль может содержать плотину или фрагмент плотины гидроэлектростанции (ПЭС или ресной ГЭС) в виде полого верхнего строения 18 над водоводом 1.

Для повышения ледостойкости возводимого гидросооружения ширина плотины (верхнего строения) может быть укорочена по отношению к длине водовода 1 и бычка 2 (см. фиг.1).

Источники информации
1. Авт. свид СССР 1606731, МПК F 03 B 1/00, 1990 г.

2. Патент РФ 2044155, МПК F 03 B 1/00, 1995 г.

3. Авт. свид. СССР 1280178, МПК F 03 B 13/10, 1986 г.

Изобретение предназначено для использования в качестве приливных электростанций и низконапорных речных гидроэлектростанций. Устройство содержит, по меньшей мере, две турбины, горизонтально-соосно установленные в водоводе, и один генератор. Турбины выполнены ортогональными поперечно-струйными, их валы ориентированы поперек водовода установки, который разделен, по меньшей мере, одним бычком на турбинные водоводы, и соединены блоком кинематической связи, который размещен в герметичной полости, образованной в теле бычка. В качестве блока кинематической связи использован генератор, выполненный со сквозным валом, соединяющим валы турбин. Блок кинематической связи может быть выполнен в виде дополнительно введенного мультипликатора со сквозным тихоходным валом, соединяющим валы турбин. Блок кинематической связи также может включать генератор, выполненный со сквозным валом, и два дополнительно введенных мультипликатора, при этом быстроходные валы мультипликаторов соединены валом генератора, а тихоходные - с валом соответствующей турбины. Установка может быть выполнена в виде обладающего собственной плавучестью блок-модуля гидроэнергетического сооружения. Технический результат - повышение эффективности использования энергии водного потока. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидротурбинная установка, содержащая, по меньшей мере, две турбины, горизонтально-соосно установленные в водоводе, и один генератор, отличающаяся тем, что турбины выполнены ортогональными поперечно-струйными, их валы ориентированы поперек водовода установки, который разделен, по меньшей мере, одним бычком на турбинные водоводы, и соединены блоком кинематической связи, который размещен в герметичной полости, образованной в теле бычка. 2. Установка по п. 1 отличающаяся тем, что в качестве блока кинематической связи использован генератор, выполненный со сквозным валом, соединяющим валы турбин. 3. Установка по п. 1 отличающаяся тем, что блок кинематической связи выполнен в виде дополнительно введенного мультипликатора со сквозным тихоходным валом, соединяющим валы турбин. 4. Установка по п. 1 отличающаяся тем, что блок кинематической связи включает генератор, выполненный со сквозным валом, и два дополнительно введенных мультипликатора, при этом быстроходные валы мультипликаторов соединены валом генератора, а тихоходные - с валом соответствующей турбины. 5. Установка по п. 1 отличающаяся тем, что она выполнена в виде обладающего собственной плавучестью блок-модуля гидроэнергетического сооружения. 6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что блок-модуль содержит плотину или фрагмент плотины гидроэнергетического сооружения в виде полого верхнего строения над водоводом установки. 7. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что верхнее строение короче водовода установки.