ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2004 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к области гидроэнергетики и может быть применено для преобразования в электроэнергию кинетической энергии водопотоков с различной скоростью течения, в том числе и с относительно небольшой.

Известна гидроэлектростанция (ГЭС), включающая установленный в потоке у берега водозаборный короб с донной, верхней и боковыми стенками, с уменьшающимся по потоку поперечным сечением, соединенный с водоводами, составленными из рабочих, поворотных и стыковочных элементов, с рабочими камерами и помещенными в них капсульными гидроагрегатами (см. авторское свидетельство СССР 1652640 А1, МПК 7 F 03 В 13/08, 30.05.1991).

Данная известная гидроэлектростанция имеет сложную конструкцию, вызванную размещением капсульных гидроагрегатов непосредственно в водоводах и необходимостью в силу этого иметь в конструкции по меньшей мере два водовода, ограниченную мощность, вызванную использованием горизонтальных капсульных гидроагрегатов, ограниченную надежность, а также ограниченную область применения, вызванную относительной неэффективностью применения гидроэлектростанции на равнинных реках с небольшой скоростью течения и небольшим расходом.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является "Гидроэлектростанция "ВОЛСЛОВ", включающая установленный в потоке у берега, снабженный на входе защитными решетками, ориентированными под углом к направлению потока, водозаборный короб с верхней наклонной, боковыми и нижней донной стенками, с уменьшающимся по потоку поперечным сечением, соединенный с водоводом прямоугольного поперечного сечения, составленным из поворотных, стыковочных и унифицированных рабочих элементов, в боковой стенке которых выполнено перекрываемое заслонкой отверстие, в которое входят рабочие лопасти вертикально-осевых капсульных гидроагрегатов, снабженных устройствами для регулирования и стабилизации числа оборотов капсул и помещенных в цилиндрических корпусах рабочих камер с вырезом, установленных съемно на подвижных платформах, перемещающихся с помощью электродвигателей и механизмов, установленных в герметичных отсеках, по опорным площадкам, прикрепленным к рабочим элементам водовода (см. патент Российской Федерации 2140012 С1, МПК 7 F 03 В 13/00, 20.10.1999).

Однако и данная гидроэлектростанция имеет ограниченную область применения, вызванную неэффективностью ее применения на потоках с относительно малой скоростью течения, так как для обеспечения ее эффективной эксплуатации габариты водозаборного короба должны быть большими, относительно небольшую мощность, вызванную относительно небольшим водозабором и расходом, а также относительную сложность конструкции, вызванную наличием в рабочих элементах водовода направляющих лопастей, заслонок, укрепленных на выступах, движущихся в пазах в нижних стенках рабочих элементов, и герметичных отсеков с серводвигателями и дуговыми тягами.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, упрощение конструкции и повышение мощности гидроэлектростанции.

Указанный технический результат достигается за счет того, что гидроэлектростанция включает установленный в потоке у берега водозаборный короб с верхней наклонной, боковыми и нижней донной стенками, с уменьшающимся по потоку поперечным сечением, снабженный на входе защитными решетками, соединенный с водоводом прямоугольного поперечного сечения, составленным из стыковочных, поворотных, выпускных, а также унифицированных рабочих элементов, в боковой стенке которых выполнено перекрываемое заслонкой отверстие, в которое входят рабочие лопасти вертикально-осевых капсульных гидроагрегатов, снабженных устройствами для регулирования и стабилизации числа оборотов капсул и помещенных в цилиндрических корпусах рабочих камер с вырезом, установленных съемно на подвижных платформах, перемещающихся с помощью электродвигателей и механизмов, установленных в герметичных отсеках, по опорным площадкам, прикрепленным к рабочим элементам водовода. Устройство для регулирования и стабилизации числа оборотов капсул гидроагрегатов соединено электрокабелями с электродвигателями механизмов перемещения по основанию подвижных платформ, установленных в герметичных отсеках, прикрепленных снаружи к боковой стенке рабочего элемента водовода, отверстие в боковой стенке рабочего элемента имеет ширину, равную диаметру цилиндрического корпуса рабочей камеры, и высоту, равную внутренней высоте боковой стенки рабочего элемента, в отверстие в боковой стенке рабочего элемента входят верхние и нижние профильные планки, к которым прикреплена изнутри водовода заслонка, перекрывающая отверстие в боковой стенке рабочего элемента водовода, и которые прикреплены к профильным стойкам, симметрично прикрепленным к подвижной платформе и конгруэнтно контактирующим с вертикальной стенкой цилиндрического корпуса рабочей камеры, ширина выреза в которой равна расстоянию между этими стойками, и со стенками герметичных отсеков, в которых помещены механизмы и электродвигатели перемещения подвижной платформы и которые ориентированы перпендикулярно боковой стенке рабочего элемента, при этом расстояние между стенками герметичных отсеков равно диаметру цилиндрического корпуса рабочей камеры.

На фиг.1 изображен схематически общий вид сверху предлагаемой ГЭС в варианте возведения дамбы между первым и вторым берегами потока, на фиг.2 - схематически общий вид предлагаемой ГЭС в варианте возведения дамбы между первым берегом и протоком, на фиг.3 - схематически общий вид сверху предлагаемой ГЭС в варианте использования у берегов больших водоемов, на фиг.4 - сечение А-А вида на фиг.1 и 2 в варианте работы ГЭС в условиях меженных вод, на фиг. 5 - сечение А-А вида на фиг. 1 и 2 в варианте работы ГЭС в условиях паводковых вод и ледохода, на фиг. 6 - сечение В-В вида на фиг.1, 2, на фиг. 7 - разрез С-С вида на фиг.1, 2 и фиг.6, на фиг.8 - разрез D-D вида на фиг.6
Предлагаемая ГЭС включает возведенную между берегами 1 и 2 потока 3 и ориентированную вверх по потоку 3 под острым углом к направлению потока 3 дамбу 4 с проемом 5 у берега 1, в котором установлен водозаборный короб 6 с донной 7, верхней 8, нижней 9 и боковыми 10 и 11 стенками, снабженный на входе ориентированной под острым углом к донной стенке 7 защитной решеткой 12 и соединенный с водоводом 13 прямоугольного поперечного сечения, составленным из поворотных 14, стыковочных 15, выпускного 16, а также унифицированных рабочих элементов 17.

У берега 2 дамба 4 снабжена проемом 18, между которым и первым берегом 1 установлено ограждение 19. В варианте исполнения с двумя проемами 5 и 18 дамба 4 снабжена дорожным покрытием 20.

В варианте исполнения с протоком 21 дамба 4 также снабжена ограждением 22, установленным между протоком 21 и первым берегом 1. Над водозаборным коробом 6 в проеме 5 имеется сливное отверстие 23.

В варианте применения у берегов больших водоемов водозаборный короб 6 установлен в потоке 3 волн у берега 1 большого водоема между двумя сходящимися симметрично под острым углом у берега 1 дамбами 4, ориентированными с расширением под острым углом против потока 5 волн, движущихся к берегу 1; при этом водозаборный короб 6 плавно соединен с помощью поворотных и стыковочных элементов с водоводом 13, ориентированным вдоль черты берега 1.

В отверстие 25 боковой стенки 26 унифицированных рабочих элементов 17 водовода 13 входят рабочие лопасти 27 вертикально-осевых капсульных гидроагрегатов 28, снабженных устройствами 29 для автоматического регулирования и стабилизации числа оборотов капсулы 30 на заданном уровне и размещенных в цилиндрических корпусах 31 с вырезом 32 рабочих камер 33, установленных на подвижных платформах 34, перемещающихся с помощью электродвигателей 35 и 36 механизмов перемещения, установленных в герметичных отсеках 37 и 38, прикрепленных к подвижным платформам 34 и боковым стенкам 26; при этом устройство 29 для регулирования и стабилизации числа оборотов капсул 30 гидроагрегатов 28 соединено электрокабелями 39 с электродвигателями 35 и 36 перемещения подвижных платформ 34; отверстие 25 в боковой стенке 26 рабочего элемента 17 имеет ширину, равную диаметру цилиндрического корпуса 31 рабочей камеры 33, и высоту, равную внутренней высоте боковой стенки 26 рабочего элемента 17 водовода, в отверстие 25 в боковой стенке 26 рабочего элемента водовода 17 входят верхние 40 и нижние 41 профильные планки, к которым прикреплена изнутри водовода заслонка 42, движущаяся между верхней 50 и нижней 51 стенками рабочего элемента 17 водовода и перекрывающая отверстие 25 в боковой стенке 26 рабочего элемента водовода 17, и которые прикреплены к профильным стойкам 43 и 44, симметрично прикрепленным к подвижной платформе 34 и конгруэнтно контактирующим с вертикальной стенкой 45 цилиндрического корпуса 31 рабочей камеры 33, ширина выреза 32 в которой равна расстоянию между профильными стойками 44 и 43, и со стенками 46 и 47 герметических отсеков 37 и 38, в которых помещены электродвигатели 35 и 36 механизмов перемещения подвижной платформы 34, и которые ориентированы перпендикулярно боковой стенке 26; расстояние между стенками 47 и 48 герметических отсеков 37 и 38 равно диаметру цилиндрического корпуса 31 рабочей камеры 33.

Предлагаемая ГЭС действует следующим образом. Часть потока 3, в дальнейшем потока, со скоростью V₁ проходя через ограждение 19, 22, освобождается частично от опасных предметов, движущихся с потоком 3, попадает в зону действия дамбы 4 и вследствие уменьшения поперечного сечения потока постепенно увеличивает свою скорость до скорости V₂, превышающей скорость V₁ почти кратно соотношению площади поперечного сечения ω₁ на входе потока 3 в зону действия дамбы 4 и площади ω₂ поперечного сечения потока 3 на входе в проем 5 дамбы 4.

Защитная решетка 12 на входе в водозаборный короб 6, ориентированная под углом к донной стенке 7, препятствует проникновению опасных предметов с потоком 3 внутрь водозаборного короба 6, и благодаря действию горизонтальной составляющей движущегося потока 3 они выносятся через сливное отверстие 23 в проеме 5 над водозаборным коробом 6 за пределы защитной решетки 12 в пространство ниже дамбы 4.

Войдя в водовод, часть потока 3 в каждом рабочем элементе 17 водовода 13 делится на рабочую часть 49, приводящую последовательно во вращение капсулы 30 гидроагрегатов 28, и свободную часть 50, проходящую свободно через рабочий элемент 17, сливающуюся в нем с рабочей частью 49 потока 3 и частично компенсирующую потери напора в рабочей части 49.

Соотношение поперечных сечений рабочей 49 и свободной 50 частей потока в рабочих элементах при проектировании подбирается оптимальным, обеспечивающим максимально возможную мощность гидроагрегата 28 в каждом рабочем элементе 17 и многократный съем мощности потока 3, движущегося в водоводе 13, в соответствующих сечениях потока 3.

Меньшая часть потока 3 в варианте исполнения ГЭС с дамбой 4 и двумя проемами 5 и 18 в ней свободно проходит с первоначальной скоростью V₁ через проем 18 дамбы 4 и выливается в естественное русло потока, создавая возможность свободной миграции речной фауны и судоходства. Дорожное покрытие 20 на дамбе 4 позволяет использовать ее в качестве переправы через поток 3 в течение почти всего года, за исключением периода половодья и ледохода.

В период ледостава все части ГЭС, кроме дамбы 4, находятся ниже нижнего уровня ледостава. В период половодья дамба 4 временно затопляется, лед 52 проходит над дамбой 4, не нарушая режима работы ГЭС.

Выполнение дамбой 4 функции переправы через поток 3 позволяет снизить общую стоимость возведения гидроэлектростанции, исключив из нее стоимость возведения дамбы 4 в качестве устройства для переправы.

Возведение одной дамбы 4 может обеспечить действие гидроэлектростанции с водоводом 13 значительной длины, большим числом рабочих элементов 17 и гидроагрегатов 28, с большой мощностью при полной ее экологичности, т.е. действием ее без затопления пойменных земель, без возведения препятствий для миграции речной фауны и судоходства.

Широкая область применения предлагаемой гидроэлектростанции и ее высокая эффективность, простота конструкции и технологии возведения позволят обеспечить дешевое производство электроэнергии как во многих регионах России, так и во многих других регионах мира.

Изобретение предназначено для преобразования энергии водопотоков в электроэнергию. Гидроэлектростанция содержит установленный в потоке у берега водозаборный короб с верхней наклонной, боковыми и нижней донной стенками, с уменьшающимся по потоку поперечным сечением. Короб снабжен на входе защитными решетками и соединен с водоводом прямоугольного поперечного сечения, составленным из стыковочных, поворотных, выпускных, а также унифицированных рабочих элементов, в перекрываемое заслонкой отверстие в боковой стенке которых входят рабочие лопасти вертикально-осевых капсульных гидроагрегатов, снабженных устройствами для регулирования и стабилизации числа оборотов капсул и помещенных в цилиндрических корпусах рабочих камер с вырезом, установленных съемно на подвижных платформах, перемещающихся с помощью электродвигателей и механизмов, установленных в герметичных отсеках, по опорным площадкам, прикрепленным к рабочим элементам водовода. Устройство для регулирования и стабилизации числа оборотов капсул гидроагрегатов соединено электрокабелями с электродвигателями механизмов перемещения по основанию подвижных платформ, установленных в герметичных отсеках, прикрепленных снаружи к боковой стенке рабочего элемента водовода. Отверстие в боковой стенке рабочего элемента имеет ширину, равную диаметру цилиндрического корпуса рабочей камеры, и высоту, равную внутренней высоте боковой стенки рабочего элемента. В отверстие в боковой стенке рабочего элемента входят верхние и нижние профильные планки, к которым прикреплена изнутри водовода заслонка, перекрывающая отверстие в боковой стенке рабочего элемента водовода, и которые прикреплены к профильным стойкам, симметрично прикрепленным к подвижной платформе и конгруэнтно контактирующим с вертикальной стенкой цилиндрического корпуса рабочей камеры, ширина выреза в которой равна расстоянию между этими стойками, и со стенками герметичных отсеков, в которых помещены механизмы и электродвигатели перемещения подвижной платформы и которые ориентированы перпендикулярно боковой стенке рабочего элемента. При этом расстояние между стенками герметичных отсеков равно диаметру цилиндрического корпуса рабочей камеры. Конструкция гидроэлектростанции позволяет повысить ее мощность. 8 ил.

Гидроэлектростанция, включающая установленный в потоке у берега водозаборный короб с верхней наклонной, боковыми и нижней донной стенками, с уменьшающимся по потоку поперечным сечением, снабженный на входе защитными решетками, соединенный с водоводом прямоугольного поперечного сечения, составленным из стыковочных, поворотных, выпускных, а также унифицированных рабочих элементов, в боковой стенке которых выполнено перекрываемое заслонкой отверстие, в которое входят рабочие лопасти вертикально-осевых капсульных гидроагрегатов, снабженных устройствами для регулирования и стабилизации числа оборотов капсул и помещенных в цилиндрических корпусах рабочих камер с вырезом, установленных съемно на подвижных платформах, перемещающихся с помощью электродвигателей и механизмов, установленных в герметичных отсеках, по опорным площадкам, прикрепленным к рабочим элементам водовода, отличающаяся тем, что устройство для регулирования и стабилизации числа оборотов капсул гидроагрегатов соединено электрокабелями с электродвигателями механизмов перемещения по основанию подвижных платформ, установленных в герметичных отсеках, прикрепленных снаружи к боковой стенке рабочего элемента водовода, отверстие в боковой стенке рабочего элемента имеет ширину, равную диаметру цилиндрического корпуса рабочей камеры, и высоту, равную внутренней высоте боковой стенки рабочего элемента, в отверстие в боковой стенке рабочего элемента входят верхние и нижние профильные планки, к которым прикреплена изнутри водовода заслонка, перекрывающая отверстие в боковой стенке рабочего элемента водовода, и которые прикреплены к профильным стойкам, симметрично прикрепленным к подвижной платформе и конгруэнтно контактирующим с вертикальной стенкой цилиндрического корпуса рабочей камеры, ширина выреза в которой равна расстоянию между этими стойками, и со стенками герметичных отсеков, в которых помещены механизмы и электродвигатели перемещения подвижной платформы и которые ориентированы перпендикулярно боковой стенке рабочего элемента, при этом расстояние между стенками герметичных отсеков равно диаметру цилиндрического корпуса рабочей камеры.