ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2007 года по МПК F03B13/00 

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

Известна речная береговая гидроэлектростанция [1] - патент РФ №2020260, МПК⁶ F03В 7/00, 30.09.94 г., Бюл. №18, 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 [1] является низкая эффективность работы гидроэлектростанции за счет сравнительно медленного течения реки у берега, а также отсутствие возможности работы в зимних условиях, когда река покрыта льдом.

Известна гидроэлектростанция [2] - патент РФ №2010992, МПК⁶ F03В 13/00, 15.04.94 г., Бюл. №7, содержащая установленное в русле реки сооружение с электрогенератором, редуктором, расположенным над водной поверхностью, и гидравлическое колесо с вертикальной осью вращения, расположенное под водой и кинематически связанное 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, при этом длина лопасти не превышает радиуса гидроколеса, сооружение гидроэлектростанции снабжено спереди направляющим устройством в виде спрямляющего щита для потока воды.

Недостатками гидроэлектростанции [2] являются:

- отсутствие жесткого основания у нижнего подшипникового узла (его опоры) вызывает под действием гидравлических возмущений от работающего гидроколеса эрозию потоками воды дна реки и подмывание опор его гидроколес и основания;

- 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.

Прототипом предлагаемого изобретения является гидроэлектростанция [3] - патент РФ №2171910, МПК⁷ F03В 13/00, 7/00, 10.08.2000 г., Бюл. №22, содержащая установленное в центральной части сечения русла реки сооружение с электрогенераторами, редукторами, расположенными над водной поверхностью, и кинематически связанными с ними вертикальными валами полых гидроколес с неподвижными лопастями, сооружение имеет перед водозабором ледорезную опору с бонными сетями, конфузорный, рабочий и диффузорный каналы и выполнено из фундаментной плиты, боковых стен, перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки в полукруглых вырезах стены под водой выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова полых гидроколес в подшипниковых узлах, соответственно, нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии.

Недостатками гидроэлектростанции-прототипа [3] являются:

- недостаточное использование своего полезного объема для преобразования механической энергии течения реки в электрическую энергию (низкая эффективность использования потока воды в объеме гидроэлектростанции);

- необходимость полного выключения гидроэлектростанции в случае профилактических и ремонтных работ, что значительно снижает ее надежность.

Указанные недостатки ставят задачу повышения эффективности использования внутреннего полезного объема гидроэлектростанции и ее удельных характеристик.

Указанная задача достигается тем, что в конструкции гидроэлектростанции, представленного в совокупности признаков прототипа «гидроэлектростанция, содержащая установленное в центральной части сечения русла реки сооружение с электрогенераторами, редукторами, расположенными над водной поверхностью, и кинематически связанными с ними вертикальными валами полых гидроколес с неподвижными лопастями, сооружение имеет перед водозабором ледорезную опору с бонными сетями, конфузорный, рабочий и диффузорный каналы и выполнено из фундаментной плиты, боковых стен, перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки в полукруглых вырезах стены под водой выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова полых гидроколес в подшипниковых узлах, соответственно, нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии», боковые стены выполнены одинаковыми и симметричными относительно центральной вертикальной плоскости сооружения, а между ними установлена дополнительная средняя стена с полукруглыми вырезами с разных сторон, расположенными в шахматном порядке, и образующая два рабочих канала для гидроколес (например, 2-4 гидроколеса с каждой стороны средней стены).

Введение дополнительной средней стены необходимо для возможности установки большего количества полых гидроколес без увеличения толщин боковых стен и увеличения их объема и материалоемкости.

Введение двух рабочих каналов, образованных дополнительной средней стенкой с размещенными в ней в шахматном порядке по разные стороны полукруглыми вырезами под гидроколеса, необходимо для более эффективного использования объема гидроэлектростанции для преобразования механической энергии потока воды в электроэнергию. То есть, центральная стена позволяет более компактно в сооружении разместить гидроколеса, что повышает его удельные показатели и снижает удельные капитальные затраты.

Так при равных размерах с гидроэлектростанцией-прототипом заявленная гидроэлектростанция имеет рабочий канал с относительно большим размером (общий по сумме двух рабочих каналов) и большее число гидроколес, которые смогут механическую энергию одного и того же потока воды преобразовать с большей эффективностью в электроэнергию. Этому способствует размещение с обеих сторон общей дополнительной средней стенки полукруглых вырезов в шахматном порядке, что делает стенку относительно (на два рабочих канала) уже.

Так как снижаются удельные капитальные расходы на строительство такой гидроэлектростанции, то это делает предложенную конструкцию гидроэлектростанции более предпочтительной.

Все остальные конструктивные узлы и элементы заявленной гидроэлектростанции идентичны устройству-прототипу.

Таким образом, выполнение гидроэлектростанции в виде совокупности вышеприведенных признаков является новым для гидроэлектростанций нетрадиционного типа с ортогональным 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 в разрезе 1-1 по фиг.2).

На фиг.2 представлена схема размещения гидроэлектростанции в русле реки в разрезе (вид сверху в разрезе 2-2 по фиг.1).

Гидроэлектростанция (примерный вариант схемы предлагаемой гидроэлектростанции) содержит (см. фиг.1 и фиг.2) установленное в русле реки 1 сооружение, состоящее из фундаментной плиты 2, боковых стен 3 и дополнительной средней стены 4, перекрытия 5 с помещением 6 для редукторов 7 с электрогенератороми 8 над местом установки гидроколес 9, сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору 10 и бонные сети 11, а стены 3 со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения. Между прямыми участками стен 3 установлена дополнительная средняя стена 4. Сооружение имеет по два конфузорных (на входе), рабочих и диффузорных (на выходе) каналов. Дополнительная средняя стена 4 имеет расположенные по разные стороны в шахматном порядке полукруглые вырезы 12 под гидроколеса 9. Гидроколеса 9 установлены выше дна реки 1 и ниже нижней кромки ее возможного ледяного покрова 13 в подшипниковых узлах, соответственно, нижних 14 - в фундаментной плите и верхних 15 - в перекрытии 5. Гидроколеса 9 выполнены полыми, состоящими из жестко установленных на каждом из вертикальных валов двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти. Гидроколес 9 со своими редукторами 7 и электрогенераторами 8 (также расположенными в шахматном порядке) по длине гидроэлектростанции в ее двух рабочих каналах может быть несколько, расположенных на расстоянии друг за другом. Электрогенераторы 8 (как и в прототипе) могут быть выполнены в виде многополюсных динамо-машин, работающих при малых оборотах ротора и снабженных при надобности редукторами 7, а повышающая трансформаторная подстанция установлена на берегу. Сооружение гидроэлектростанции может быть снабжено со стороны входа и выхода двух рабочих каналов водяными затворами и насосной установкой (не показаны). Водяные затворы и насосная установка необходимы для проведения профилактических и ремонтных работ в одном из рабочих каналов.

Работает гидроэлектростанция следующим образом. Поток движущейся в реке 1 воды (см. фиг.1 и фиг.2), обтекая ледорезную опору 10 и бонные сети 11, попадает в конфузорный канал, образованный боковыми стенами 3 и дополнительной средней стеной 4 гидроэлектростанции, при этом его скорость увеличивается, и далее в двух рабочих каналах попадает на гидроколеса 9. На лопастях гидроколес 9 часть механической поступательной энергии потока воды преобразуется в механическую энергию вращательного момента гидроколес 9, который посредством валов передается на редукторы 7 и из них на электрогенераторы 8, преобразующие механическую энергию вращения в электроэнергию. Электроэнергия передается непосредственно в электросеть через опоры, расположенные на берегу, или же при использовании электрогенераторов, выполненных в виде многополюсных динамо-машин, работающих при малых оборотах роторов, электроэнергия передается на повышающую трансформаторную подстанцию, расположенную на берегу вне зоны затопления. Проходя через первые гидроколеса 9, поток воды в рабочих каналах снова спрямляется и попадает на следующие гидроколеса 9, дополнительно вырабатывая электроэнергию. После выхода из последних гидроколес поток воды попадает в диффузорный канал, где его скорость снижается, на выходе из которого смешивается с потоком воды в реке 1, обтекающим сооружение гидроэлектростанции. В зимнее время ледяной покров 13 вокруг валов вращающихся гидроколес 9 будет постоянно разрушаться последним, что позволит эксплуатировать гидроэлектростанцию круглогодично. При производстве ремонтных и регламентных работ опускают затворы и воду из рабочего канала откачивают при помощи насосной установки.

Наличие двух рабочих каналов позволит проводить профилактические и ремонтные работы поочередно в каждом из рабочих каналов без полной остановки гидроэлектростанции, что позволит повысить ее надежность и эффективность.

При этом могут меняться как отдельные лопасти гидроколес 9, установленные при помощи разъемных соединений, так и гидроколеса 9 в целом, а также производиться ремонт или замена нижнего подшипникового узла 14.

Таким образом, выполнение гидроэлектростанции в совокупности представленных признаков позволит как и гидроэлектростанции-прототипу:

- 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.

Также дополнительно:

- повысить эффективность преобразования механической энергии потока воды в электрическую энергию;

- повысить надежность гидроэлектростанции, так как появляется возможность проведения регламентных и ремонтных работ без полной остановки гидроэлектростанции и без полного прерывания подачи электроэнергии потребителям;

- снизить удельные капитальные затраты на строительство и эксплуатацию гидроэлектростанции такой же мощности.

Источники информации

1. Патент РФ №2020260, кл. МПК⁶ F03В 7/00, 30.09.94 г., Бюл. №18.

2. Патент РФ №2010992, МПК⁶ F03В 13/00, 15.04.94 г., Бюл. №7.

3. Патент РФ №2171910, МПК⁷ F03В 13/00, 7/00, 10.08.2000 г., Бюл. №22 - прототип.

Гидроэлектростанция предназначена для выработки электрической энергии и может устанавливаться на любых реках и работать круглогодично. Гидроэлектростанция содержит сооружение, состоящее из фундаментной плиты, боковых стен и дополнительной средней стены, перекрытия с помещением для редукторов с электрогенераторами над местом установки гидроколес. Сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору и бонные сети, а боковые стены со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения. Сооружение на входе воды имеет два конфузорных, два рабочих и на выходе воды два диффузорных канала. Дополнительная средняя стена имеет расположенные по разные стороны в шахматном порядке полукруглые вырезы под гидроколеса. Гидроколеса установлены выше дна реки и ниже нижней кромки ее возможного ледяного покрова в подшипниковых узлах соответственно нижних - в фундаментной плите и верхних - в перекрытии. Гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее двух рабочих каналах может быть несколько. Сооружение гидроэлектростанции снабжено со стороны входа и выхода двух рабочих каналов затворами и насосной установкой. Конструкция устройства позволяет обеспечить повышение эффективности и надежности работы. 2 ил.

Гидроэлектростанция, содержащая установленное в центральной части сечения русла реки сооружение с электрогенераторами, редукторами, расположенными над водной поверхностью и кинематически связанными с ними вертикальными валами полых гидроколес с неподвижными лопастями, имеющее перед водозабором ледорезную опору с бонными сетями, конфузорный, рабочий и диффузорный каналы и выполненное из фундаментной плиты, боковых стен, перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки в полукруглых вырезах стены под водой выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова полых гидроколес в подшипниковых узлах соответственно нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии, отличающаяся тем, что боковые стены выполнены одинаковыми и симметричными относительно центральной вертикальной плоскости сооружения, а между ними установлена дополнительная средняя стена с полукруглыми вырезами с разных сторон, расположенных в шахматном порядке, и образующая два рабочих канала для гидроколес.