МАЛАЯ ГЭС С АКТИВНОЙ ТУРБИНОЙ Российский патент 2007 года по МПК F03B13/00 E02B9/00 

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

Известны малые ГЭС (Патент №2162914/13 С2, заявка №98117019/1300 от 08.09.98 г.), у которых основным сооружением является деривационный канал, выполненный в виде напорного водовода. В конце водовода устанавливается активная турбина. Для ГЭС небольшой мощности установка активных турбин, вместо реактивных, предпочтительна, так как активные турбины, по сравнению с реактивными, имеют более высокий гидравлический к.п.д. и при их использовании проще решается проблема гидравлического удара в трубах водовода при резком изменении нагрузок на генератор тока.

Активная турбина по патенту №2162914 выполнена в виде колеса, по ободу которого закреплены, с возможностью поворота вокруг оси своего крепления, ковши. Каждый ковш выполнен в виде двух соединенных вместе расходящихся под углом гнутых желобов.

Кроме выбора типа турбин для малых ГЭС существенной проблемой для них, не зависимо от того какой тип турбин в них применен, является проблема удержания постоянного числа оборотов генератора при постоянно меняющихся скоростном напоре и нагрузках на генератор от потребителя тока.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Бесплотинная Гидроэлектростанция» по патенту №2173745/13 С2, по заявке №98123023/13 от 18.12.98 г., Авторы Г.Г.Ушаков и др.

По этому изобретению ГЭС имеет активную турбину, по ободу которой закреплены лопатки, выполненные в виде ковшей, генератор и механизм редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора, в котором 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.

Цель изобретения - повышение мощности малых ГЭС и обеспечение постоянства частоты тока при изменении нагрузок на генератор от потребителя тока и изменениях скоростного режима в водоводах станции.

Поставленная цель достигается тем, что в малой ГЭС с активной турбиной, включающей в себя плотину водозабора, конус водозабора, напорный водовод, активную турбину, генератор тока с приводом, согласно изобретению конус водозабора выполнен конусом только в горизонтальной плоскости, вход в донный водосброс и вход в конус водозабора располагаются в одной плоскости и над ними на гребне плотины водозабора установлено теплое помещение, стенка которого, обращенная в сторону водохранилища, располагается перед плотиной и ее нижняя кромка заглублена на величину промерзания водохранилища, а активная турбина выполнена в виде диска, жестко закрепленного на валу турбины, по обеим сторонам которого, по его периферии закреплены ковши, выполненные в виде улиток, закручивающих падающую на них струю воды из сопел напорного водовода таким образом, чтобы отработанная струя воды падала мимо основной струи, каждое сопло напорного водовода выполнено в виде конуса, связанного с задвижкой напорного водовода через промежуточное звено водовода, а в качестве тормозной системы для стабилизации числа оборотов колеса турбины и, следовательно, частоты тока при изменяющихся в процессе работы станции параметрах напора и нагрузок на генератор от потребителей тока применен дополнительный генератор постоянного тока, вал которого жестко связан с валом основного генератора и на обмотку возбуждения которого через диодный мост подается ток из основной трехфазной сети основного генератора, кроме того, в схеме управления обмоткой возбуждения основного генератора применен реостат, предназначенный для изменения силы тока в его обмотке возбуждения, управляемый центробежным толкателем, например, системы Уатта, вал которого также связан с валом основного генератора.

На Фиг.1 показан общий вид Малой ГЭС с активной турбиной. (Вид сбоку)

На Фиг.2 показан общий вид Малой ГЭС с активной турбиной. (Вид в плане).

На Фиг.3 показан путь движения струи воды в лопастях турбины.(Вид сбоку).

На Фиг.4 показан путь движения струи воды в лопастях турбины. (Вид сбоку). Малая ГЭС с активной турбиной включает в себя плотину водозабора 1, конус водозабора 3, его затвор 2, напорный водовод 4, задвижку 5, промежуточное звено водовода 6, сопло 7 и активную турбину 8. Турбина 8 смонтирована в кожухе 9 и закрыта крышкой 10.

Струя воды из напорного водовода 4 подается через задвижку 5 на лопасти турбины 8 через сопла 7. Турбина 8 муфтой 11 соединена с валом редуктора 12, на концах быстроходного вала которого с одной стороны через муфту крепится вал основного генератора 13, вырабатывающего переменный ток, с другой стороны - вал вспомогательного генератора, например генератора постоянного тока 14. Вал редуктора 12, в данном случае через вариатор 15, связан с валом центробежного толкателя, например, системы Уатта 16, толкатель которого связан с бегунком реостата, встроенного в систему возбуждения основного генератора.

Таким образом число оборотов быстроходного вала редуктора 12 контролируется центробежным толкателем 16 и величиной тормозного момента на валу дополнительного, тормозного генератора 14. В связи с тем, что центробежный толкатель, в силу своих конструктивных особенностей, может следить за изменением частоты оборотов турбины только при резких и значительных колебаниях нагрузки, для плавного и мгновенного торможения колеса турбины, при незначительных изменениях в нагрузке потребителей тока, предусмотрен дополнительный тормозной генератор, причем генератор постоянного тока 14, на обмотку возбуждения которого, собранную по независимой схеме, через диодный мост (или мост тиристоров, в станциях большой мощности) с основной, 3-фазной обмотки основного генератора 13 подается постоянный ток, сила которого регулируется встроенным в его схему резистором или реостатом. Хотя сила этого тока может регулироваться, она не влияет на характер ее изменений от нагрузки в сети потребителя тока, а так как тормозной генератор закреплен на одном валу с основным и они оба через редуктор связаны с валом турбины 8, то любое, даже незначительное, изменение силы тока в сети потребителей тока, мгновенно отражается на изменении величины крутящего момента на валу турбины 8. Все это позволяет удерживать число оборотов колеса турбины в широком диапазоне изменений нагрузок в сети потребителей тока. Сама активная турбина 8 представляет собой сплошной диск 19, жестко закрепленный на валу турбины 20, к которому по периферии с обеих сторон приварены ковши 18, по форме напоминающие улитку. На Фиг.3 и 4 показаны схемы движения струи воды в ковше 18 активной турбины 8. Попадая в ковш из сопла 7 водовода 4, она закручивается на 360 градусов и отбрасывается в сторону от основной струи. С тем, чтобы максимально увеличить воздействие струи на турбину, сопло 7 выполнено в виде конуса. С тем, чтобы ГЭС работала устойчиво и в зимнее время, на плотине водозабора 1, над ее затворами, строится теплое помещение 17, стенка которого, обращенная в сторону водохранилища, вынесена перед плотиной и ее нижняя кромка заглублена в водохранилище на величину промерзания льда. Пространство между стенкой и кромкой плотины остается и поддерживается незамерзающим в течение всего времени с отрицательными температурами воздуха. При работе ГЭС в условиях низких температур ее водовод на всем протяжении утепляется. Плотина 1 имеет кроме конуса водозабора 3 донный водосброс 21 и верхний водослив 22. Обязательное условие - затворы донного водосброса 21 и конуса водозабора 3 должны располагаться в одной вертикальной плоскости. Промежуточное звено водовода 6 служит для быстрой смены сопла 7, что позволяет увеличивать или уменьшать мощность станции в зависимости от объемов воды в ручье или реке, на которой построена ГЭС.

Работает Малая ГЭС с активной турбиной следующим образом.

С открытием задвижки 5 вода через напорный водовод 4 поступает в сопло 7 и из него попадает на лопасти турбины 8. То, что конус водозабора выполнен конусом только в горизонтальной плоскости, позволяет ГЭС работать на очень низких горизонтах воды и одновременно обеспечивать турбину необходимым количеством воды. Струя воды, попадая в турбину из сопла 7, делится на две равные части, каждая из которых ударяется в свой ковш 18, закручивается и падает мимо основной струи обратно в ручей или водоотводный желоб станции.

Турбина 8, вращаясь от напора воды, вращает вал редуктора 12, на концах быстроходных валов которого с одной стороны закреплен вал основного генератора 13, с другой вал тормозного генератора 14 и привод инерционного толкателя 16. Так как привод инерционного толкателя жестко связан с валом турбины, любое изменение числа оборотов турбины сказывается на числе оборотов инерционного толкателя, а следовательно, на положении бегунка реостата, с которым он связан и который встроен в цепь обмотки возбуждения основного генератора. При достижении основным генератором необходимого числа оборотов и частоты тока работа инерционного толкателя переводится в автоматический режим. Кроме этого, при включении или выключении потребителей тока в сети основного генератора автоматически изменяется величина тормозного момента на валу тормозного генератора.

При включении потребителей тока тормозной момент на валу тормозного генератора уменьшается, при отключении - увеличивается. Две независимые друг от друга системы изменения силы тока в обмотках возбуждения основного и тормозного генераторов обеспечивают устойчивое поддержание в автоматическом режиме постоянство числа оборотов колеса турбины и частоты тока в широком диапазоне изменений нагрузок в сети потребителей тока.

ГЭС предназначена для выработки электроэнергии, используя поток ручья или реки. ГЭС включает плотину водозабора, конус водозабора, напорный водовод, активную турбину (АК), генератор тока с приводом. Конус (К) водозабора выполнен только в горизонтальной плоскости, вход в донный водосброс и вход в К водовода располагаются в одной плоскости и над ними на гребне плотины водозабора установлено теплое помещение, стенка которого, обращенная в сторону водохранилища, располагается перед плотиной и ее нижняя кромка заглублена на величину промерзания водохранилища. АК выполнена в виде диска с ковшами в виде улиток. Каждое сопло напорного водовода выполнено в виде К, связанного с задвижкой напорного водовода через промежуточное звено водовода. В качестве тормозной системы для стабилизации числа оборотов AT применен дополнительный генератор постоянного тока, вал которого связан с валом основного генератора (ОГ) и на обмотку возбуждения которого через диодный мост подается ток из трехфазной сети ОГ. Кроме того, в схеме управления обмоткой возбуждения ОГ применен реостат, управляемый центробежным толкателем, например системы Уатта, вал которого также связан с валом ОГ. Конструкция ГЭС обеспечивает увеличение мощности и постоянство частоты тока. 4 ил.

Малая гидроэлектростанция с активной турбиной, включающая в себя плотину водозабора, конус водозабора, напорный водовод, активную турбину, генератор тока с приводом, отличающаяся тем, что конус водозабора выполнен конусом только в горизонтальной плоскости, вход в донный водосброс и вход в конус водовода располагаются в одной плоскости и над ними на гребне плотины водозабора установлено теплое помещение, стенка которого, обращенная в сторону водохранилища, располагается перед плотиной и ее нижняя кромка заглублена на величину промерзания водохранилища, а активная турбина выполнена в виде диска, жестко закрепленного на валу турбины, по обеим сторонам которого по его периферии закреплены ковши, выполненные в виде улиток, закручивающих падающую на них струю воды из сопел напорного водовода таким образом, чтобы отработанная струя воды падала мимо основной струи, каждое сопло напорного водовода выполнено в виде конуса, связанного с задвижкой напорного водовода через промежуточное звено водовода, а в качестве тормозной системы для стабилизации числа оборотов колеса турбины и, следовательно, частоты тока при изменяющихся в процессе работы станции параметрах напора и нагрузок на генератор от потребителей тока применен дополнительный генератор постоянного тока, вал которого жестко связан с валом основного генератора и на обмотку возбуждения которого через диодный мост подается ток из основной, трехфазной сети основного генератора, кроме того, в схеме управления обмоткой возбуждения основного генератора применен реостат, предназначенный для изменения силы тока в его обмотке возбуждения, управляемый центробежным толкателем, например системы Уатта, вал которого также связан с валом основного генератора.