ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2004 года по МПК F03B13/00 E02B9/00 

Изобретение относится к области гидроэлектроэнергетике и гидротурбиностроению и предназначено для использования на гидроэлектростанциях с вертикальными реактивными гидротурбинами.

Известна плотинная гидроэлектростанция (см. "Гидроэлектрические станции", Учебник для вузов Н.Н.Аршеневский, М.Ф.Губин, В.Я.Карелин и др., под ред. В.Я.Карелина, Г.И.Кривченко. - М.: Энергоатомиздат, 1987. с. 16-19.) с односторонним подводом жидкости, например воды, под напором Н и также с односторонним ее отводом от здания станционного узла гидроэлектростанции.

Недостатками таких гидроэлектростанций являются неуравновешенные поперечные силовые нагрузки на фундаментные детали и опорные узлы ротора гидроагрегата, высокий уровень невыравненности и нестационарности потока рабочей жидкости.

Наиболее близкой по техническому существу к предлагаемой является гидроэлектростанция с русловым зданием, описанная в книге "Гидроэлектрические станции", Учебник для вузов Н.Н.Аршеневский, М.Ф.Губин, В.Я.Карелин и др., под ред. В.Я.Карелина, Г.И.Кривченко. - М.: Энергоатомиздат, 1987. с. 29-33, 109-111 и содержащая установленные поперек русла реки плотину и станционный узел, выполненный как часть плотины, либо непосредственно примыкающий к ней, с односторонним подводом из верхнего бьефа реки и отводом рабочей жидкости, например воды, в нижний бьеф, водоприемниками с элементами защиты, односторонними турбинными напорными и отводящими водоводами, соединенными в здании гидроэлектростанции по входным и выходным створам с расположенными в нем агрегатными блоками с турбинными камерами, роторами гидроагрегатов, которые включают установленные на одном валу гидротурбины и гидрогенераторы, и отсасывающими трубами.

Однако в такой гидроэлектростанции подвод рабочей жидкости к зданию станции и ее отвод в нижний бьеф осуществляется односторонне, по входным и выходным створам, установленным поперек направления течения руслового потока. Кроме того, отсутствует центральная симметрия потока в агрегатных блоках относительно вертикальных осей роторов гидроагрегатов. В этих условиях организация и последующие преобразования расходно-циркуляционных течений в агрегатных блоках, необходимых для осуществления рабочего цикла вертикальных реактивных гидротурбин, приводят к несбалансированным силовым воздействиям гидродинамического происхождения на элементы проточных трактов и гидросилового оборудования гидроэлектростанции, а также к повышению в них неравномерности распределения скоростей и давлений рабочей жидкости. В результате гидроэлектростанция имеет ухудшенные виброакустические характеристики и показатели напряженного состояния наиболее нагруженных узлов конструкции, а следовательно, надежность и долговечность работы агрегатных блоков. Кроме того, снижается их пропускная способность, возрастают гидравлические потери, приводящие к уменьшению кпд гидротурбин, и интенсивность эрозионного износа обтекаемых поверхностей с соответствующим уменьшением межремонтного периода работы гидроэлектростанции.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение выработки электроэнергии и долговечности функционирования плотинной гидроэлектростанции.

Эта задача достигается тем, что в известной гидроэлектростанции, содержащей плотину, станционный узел с водоприемником с элементами защиты, турбинными напорными и отводящими водоводами с элементами защиты, зданием гидроэлектростанции с расположенными в нем агрегатными блоками, включающими входные и выходные створы, турбинные напорные и отводящие водоводы станционного узла выполнены двусторонними, симметрично расположенными вдоль его продольной оси симметрии, и соединены в здании гидроэлектростанции по входным и выходным створам, выполненным двусторонними, с центрально-симметричными относительно своих вертикальных осей агрегатных блоков, расположенных вдоль продольной оси симметрии станционного узла.

Водоприемник станционного узла с элементами защиты может быть расположен внутри плотины, а турбинные напорные и отводящие водоводы и здание гидроэлектростанции установлены за плотиной, при этом отводящие водоводы выполнены в виде открытых каналов.

Станционный узел может быть расположен перед плотиной, его водоприемник с элементами защиты соединен с турбинными напорными водоводами, которые подсоединены к входным створам агрегатных блоков, а их выходные створы соединены с турбинными отводящими водоводами, выполненными в виде герметичных сливных галерей, при этом плотина снабжена сливными перепускными арками, расположенными симметрично относительно продольной оси станционного узла.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез по А-А гидроэлектростанции с расположением здания гидроэлектростанции за плотиной; на фиг.2 изображен план этой гидроэлектростанции в сечении С-С; на фиг.3 представлен поперечный разрез по В-В станционного узла гидроэлектростанции; на фиг.4 показан продольный разрез по А-А гидроэлектростанции с расположением станционного узла перед плотиной; на фиг.5 изображен план этой гидроэлектростанции; на фиг.6 приведен разрез по В-В станционного узла; на фиг.7 представлен вид по стрелке В на плотину со стороны нижнего бьефа; на фиг.8 показана меридианная проекция осесимметричной части проточного тракта агрегатного блока с гидромеханическими устройствами гидротурбины и гидроэлектрогенератором.

Гидроэлектростанция содержит плотину 1, станционный узел 2, выполненный симметричным по отношению к ориентированной по течению реки продольной оси O-O и установленный на плите 3 заложения гидроэлектростанции. Станционный узел 2 включает водоприемник 4 с элементами защиты, имеющими сороудерживающие решетки 5 и затворы 6, двусторонние турбинные напорные 7 и отводящие (сливные) 8 водоводы, опорно-поточные (ориентированные по потоку) бычки 9, здание 10 гидроэлектростанции с центрально-симметричными относительно вертикальных осей O₁-O₁ агрегатными блоками 11, имеющими двусторонние входные 12 и выходные 13 створы. Опорно-поточные бычки 9 установлены в турбинных напорных водоводах 7, сливных водоводах 8 и в зоне выходных створов 13. Между двусторонними входными 12 и выходными 13 створами расположены центрально-симметричные проточные тракты 14 агрегатных блоков 11. Перед плотиной 1 образован верхний бьеф 15, а за ней находится нижний бьеф 16.

При расположении турбинных напорных 7 и отводящих сливных 8 водоводов и здания 10 гидроэлектростанции за плотиной 1 водоприемник 4 станционного узла 2 с элементами защиты 5 и 6 расположен в плотине 1. Турбинные напорные водоводы 7 выполнены в виде герметично изолированных от нижнего бьефа 16 галерей, а турбинные отводящие водоводы 8 - в виде открытых в нижний бьеф 16 каналов.

При расположении станционного узла 2 перед плотиной 1 его водоприемник 4 с элементами защиты 5 и 6 соединен с турбинными напорными водоводами 7, которые подсоединены к входным створам 12 агрегатных блоков 11. При этом выходные створы 13 агрегатных блоков 11 соединены с турбинными отводящими водоводами 8, выполненными в виде герметично изолированных от верхнего бьефа 15 галерей. Плотина 1 имеет открытые в нижний бьеф 16 сливные перепускные арки 17, выполненные симметрично относительно оси O-O.

Каждый агрегатный блок 11 содержит проточный тракт 14, имеющий турбинную камеру 18, камеру 19, отсасывающую трубу 20 и гидромеханические устройства, включающие статор 21, направляющий аппарат 22, вал 23 с жестко закрепленным на нем фланцевым соединением 24 рабочим колесом 25 гидротурбины. На валу 23 в его верхней части жестким фланцевым соединением 26 закреплен ротор 27 гидроэлектрогенератора.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

Плотина 1 создает статический напор Н рабочей жидкости, например воды, в верхнем бьефе 15, которая подводится к водоприемнику 4 станционного узла 2 через сороудерживающие решетки 5 при открытых затворах 6. Из водоприемника 4 рабочая жидкость поступает в турбинные напорные водоводы 7, огибает опорно-поточные бычки 9, корректирующие направление потоков и обеспечивающие совместно с плитой 3 необходимую прочность конструкции турбинных водоводов 7 и 8, и направляется во входные створы 12 агрегатных блоков 11 здания 1 гидроэлектростанции. В этих агрегатных блоках 11 при обтекании проточных трактов 14 и рабочих органов гидромеханических устройств, а именно турбинной камеры 18, статора 21, направляющего аппарата 22, рабочего колеса 25 и его камеры 19, отсасывающей трубы 20, преодолевается момент нагрузки на гидроэлектогенераторе. При этом рабочее колесо 25, вал 23, фланцевые соединения 24, 26 и ротор 27 гидроэлектрогенератора приводятся во вращение с угловой скоростью ω, и происходит преобразование механической энергии рабочей жидкости в электрическую энергию. Затем рабочая жидкость через симметрично расположенные относительно оси O-O выходные створы 13 и турбинные отводящие водоводы 8 выносится в нижний бьеф 16. Поскольку станционный узел 2 расположен вдоль русла реки и имеет продольную симметрию размещения в здании 10 гидроэлектростанции агрегатных блоков 11 с двусторонним подводом и отводом рабочей жидкости через турбинные напорные 7 и отводящие сливные 8 водоводы, поток делится на две в целом равные части. Следовательно, к каждому агрегатному блоку 11 слева и справа подводится в среднем половина расхода рабочей жидкости. Каждая из этих частей, поступая через расположенные диаметрально притивоположно входные створы 12 в центрально-симметричные турбинные камеры 18, закручивается с образованием необходимого для осуществления рабочего процесса гидротурбин расходно-циркуляционного потока перед осесимметричной частью проточного тракта 14. За рабочим колесом 25 рабочая жидкость поступает в отсасывающую трубу 20 с двусторонним центрально симметричным сливом через выходные, выполненные диаметрально противоположно створы 13 в отводящие сливные водоводы 8, расположенные симметрично по отношению к продольной оси симметрии O-O станционного узла 2. Таким образом, и на выходе из осесимметричной части отсасывающей трубы 20, т.е. из осесимметричной части проточного тракта 14 поток в каждом агрегатном блоке 11 делится на две части.

Следовательно, в турбинных водоводах 7 и 8 из-за их осевой симметрии в любых точках, расположенных в горизонтальной плоскости симметрично продольной оси O-O станционного узла 2, скорости (по модулю) и давления в среднем равны друг другу, а поперечные к оси O-O составляющие скоростей имеют противоположные направления. Соответственно, в проточных трактах 14 агрегатных блоков 11, в силу их центральной симметрии относительно своих вертикальных осей O₁-O₁ агрегатных блоков 11, в каждой паре находящихся диаметрально противоположно точек давления одинаковы, а скорости также равны по абсолютному значению, но имеют обратные направления.

Наличие симметрии потоков в гидроэлектростанции относительно продольной оси O-O станционного узла 2 и их центральной симметрии относительно вертикальных осей O₁-O₁ агрегатных блоков 11 позволяет уравновесить поперечные к ним динамические нагрузки на элементы проточных трактов и гидросилового оборудования от сил давления и изменения количества движения рабочей жидкости.

При расположении турбинных напорных водоводов 7, турбинных отводящих водоводов 8 и здания 10 гидроэлектростанции за плотиной 1 здание 10 электростанции в его верхней части не воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа 15 и упрощается отвод рабочей жидкости в нижний бьеф 16, осуществляемый по открытым каналам - турбинным отводящим водоводам 8.

При размещении станционного узла 2 перед плотиной 1 упрощается подвод напорной рабочей жидкости к агрегатным блокам 11, в которые она поступает непосредственно из бьефа 15 через входные створы 12 с установленными в них элементами защиты в виде сороудерживающих решеток 5 и затворов 6. При этом створы 12 совмещают также функции водоприемника 4 и турбинных напорных водоводов 7. Отвод рабочей жидкости из агрегатных блоков 11 осуществляется через выходные створы 13 в сливные галереи (турбинные отводящие водоводы) 8, которые в этом случае изолированы от верхнего бьефа 15. Далее через сливные перепускные арки 17 рабочая жидкость стекает в нижний бьеф 16. Опорно-поточные бычки установлены в галереях 12, которые, как и здание 10 гидроэлектростанции, находятся под статическим напором Н.

Принцип центральной симметрии агрегатных блоков 11 при двустороннем подводе к ним через створы 12 и отвод через створы 13 рабочей жидкости с разделением расхода на две равные части позволяет:

- обеспечить практически равномерное в окружном направлении распределение радиальных и тангенциальных скоростей на входе в осесимметричную часть проточного тракта 14 агрегатных блоков 11 с сохранением даже для быстроходных (низконапорных) осевых вертикальных гидротурбин постоянства значения момента количества движения рабочей жидкости на углах охвата статора 21 циркуляционным потоком, равных 330÷360°;

- на выходе из осесимметричной части отсасывающей трубы 20 уменьшить и осуществить плавную деформацию потока при изменении направления течения в указанной трубе 20 от вертикального к горизонтальному, тем самым снизить неравномерность распределения кинетической энергии отводимых из проточного тракта 14 потоков по поперечным сечениям выходных створов 13.

Дополнительные гидродинамические силы и гидравлические сопротивления, возникающие при подводе рабочей жидкости из водовода 7 к створам 12 и ее отводом из створов 13 в водоводы 8 с изменением направления течений по отношению к оси O-O станционного узла 2 от продольных к поперечным, и наоборот, несущественны ввиду низкого уровня скоростей (~1 м/с) на этих участках проточных трактов.

Использование предлагаемого изобретения повышает выработку электроэнергии и долговечность высокоэффективного функционирования плотинной гидроэлектростанции.

Изобретение предназначено для выработки электрической энергии с помощью плотинной гидроэлектростанции. Последняя содержит плотину и станционный узел (У), выполненный симметричным по отношению к ориентированной по течению реки продольной оси. (У) имеет водоприемник с элементами защиты, двусторонние турбинные напорные и отводящие водоводы (В), здание гидроэлектростанции с центрально симметричными относительно вертикальных осей агрегатными блоками с двусторонними входными и выходными створами (С). Между (С) расположены центрально-симметричные проточные тракты агрегатных блоков. При расположении напорных и отводящих (В) и здания гидроэлектростанции за плотиной водоприемник (У) расположен в плотине. Напорные (В) выполнены в виде герметично изолированных от нижнего бьефа галерей, а отводящие (В) - в виде открытых в нижний бьеф каналов. При расположении (У) перед плотиной его водоприемник соединен с напорными (В), которые подсоединены к входным (С) агрегатных блоков. При этом выходные (С) соединены с отводящими (В), выполненными в виде герметично изолированных от верхнего бьефа галерей. Плотина имеет открытые в нижний бьеф сливные перепускные арки, выполненные симметрично относительно продольной оси. Гидроэлектростанция позволяет обеспечить повышение выработки электроэнергии. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Гидроэлектростанция, содержащая плотину, станционный узел с водоприемником с элементами защиты, турбинными напорными и отводящими водоводами, зданием гидроэлектростанции с расположенными в нем агрегатными блоками, включающими входные и выходные створы, отличающаяся тем, что турбинные напорные и отводящие водоводы станционного узла выполнены двусторонними, симметрично расположенными вдоль его продольной оси симметрии и соединены в здании гидроэлектростанции по входным и выходным створам, выполненным двусторонними, с центрально-симметричными относительно вертикальных своих осей агрегатных блоков, расположенных вдоль продольной оси симметрии станционного узла.2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что водоприемник станционного узла с элементами защиты расположен внутри плотины, а турбинные напорные и отводящие водоводы и здание гидроэлектростанции установлены за плотиной, при этом отводящие водоводы выполнены в виде открытых каналов.3. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что станционный узел расположен перед плотиной, его водоприемник с элементами защиты соединен с турбинными напорными водоводами, которые подсоединены к входным створам агрегатных блоков, их выходные створы соединены с турбинными отводящими водоводами, выполненными в виде герметичных сливных галерей, при этом плотина снабжена сливными перепускными арками, расположенными симметрично относительно продольной оси станционного узла.