СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F03B13/26 F03B17/06 G01M10/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к способу испытаний гидроэлектрической турбины, позволяющему выполнять испытания турбины до ее окончательной установки на дне моря путем моделирования прохождения приливно-отливных течений воды через турбину.

Уровень техники

Повышенный интерес к информированности о состоянии окружающей среды и стремление воздерживаться от использования невозобновляемых источников энергии ведет ко все более широкому применению систем, использующих возобновляемые источники энергии, например, солнечную энергию, энергию ветра, термальную энергию, энергию приливов и отливов. Последний упомянутый источник энергии предполагает установку в районе приливно-отливных течений турбогенераторов и преобразование энергии приливов в электрическую энергию.

Такие генераторы, работающие от гидроэлектрических турбин, располагают в зонах действия приливно-отливных течений таким образом, что морская вода, проходя через генератор, действует на лопасти, вызывая вращение ротора внутри статора. Движение магнитов относительно катушек статора приводит к тому, что магнитное поле, создаваемое магнитами, индуцирует в каждой катушке электродвижущую силу (ЭДС). Данная ЭДС обеспечивает электрическую энергию на выходе турбогенератора.

Покорение энергии приливов и отливов сопряжено со значительными трудностями в части технического обслуживания турбины, необходимого для продолжительной и эффективной работы в суровых подводных условиях. Установка и вывод из эксплуатации подводных турбогенераторов относительно дорога, и выполнение регулярных работ по техническому обслуживанию различных компонентов системы экономически невыгодно.

Кроме того, такого рода турбины рентабельно строить очень большими. В результате этого турбины и их основания/опоры представляют собой громоздкие и тяжелые компоненты, для установки которых необходимо мощное подъемно-транспортное оборудование. Использование такого тяжелого подъемного оборудования обычно несет в себе ряд рисков, причем в условиях моря это становится еще более опасным.

Процесс установки затрудняется также недостаточным наличием на рынке судов и оборудования, способных выполнять такие работы, и крайней опасностью привлечения водолазов для работы в местах высоких приливов.

Таким образом, задача данного изобретения состоит в том, чтобы обеспечить способ испытаний гидроэлектрической турбины перед ее установкой и закреплением на дне моря, позволяющий убедиться в работоспособности турбины. Это позволит снизить вероятность случаев, когда приходится поднимать гидроэлектрическую турбину со дна моря при ее выходе из строя, что, как указано выше, является дорогостоящей, занимающей много времени и технически сложной операцией.

Раскрытие изобретения

Согласно данному изобретению предложен способ испытаний гидроэлектрической турбины, содержащей статор и ротор, расположенный с возможностью вращения внутри статора, причем способ содержит следующие этапы:

закрепление турбины на транспортном судне;

транспортировка турбины и судна на открытое водное пространство;

размещение турбины таким образом, чтобы по меньшей мере ротор был погружен;

и перемещение транспортного судна и турбины по воде с тем, чтобы вызвать вращение ротора.

Предпочтительно, способ содержит этап закрепления турбины под транспортным судном, выполняемый до транспортировки турбины на открытое водное пространство.

Предпочтительно, способ содержит этап спуска турбины с судна, выполняемый до этапа перемещения судна и турбины по воде.

Предпочтительно, способ содержит этап регистрации и/или анализа эксплуатационных данных от турбины, во время перемещения судна и турбины по воде.

Предпочтительно, способ содержит этап беспроводной передачи эксплуатационных данных от турбины на регистратор/анализатор данных.

Предпочтительно, способ содержит этап изменения скорости буксировки турбины в воде.

Предпочтительно, способ на этапе изменения скорости содержит изменение скорости с тем, чтобы моделировать изменение скорости приливно-отливного течения, которое предположительно будет испытывать турбина в процессе эксплуатации.

Предпочтительно, способ на этапе перемещения турбины в воде содержит перемещение турбины в воде в первом направлении, а затем перемещение турбины в воде во втором направлении, противоположном первому направлению.

Предпочтительно, способ на этапе перемещения транспортного судна и турбины по воде с тем, чтобы вызвать вращение ротора, содержит перемещение судна и турбины без электрической нагрузки, подсоединенной к турбине.

Предпочтительно, способ на этапе перемещения транспортного судна и турбины по воде с тем, чтобы вызвать вращение ротора, содержит перемещение судна и турбины с электрической нагрузкой, подсоединенной к турбине.

Предпочтительно, способ содержит этап анализа эксплуатационных данных для определения соотношения между скоростью прохождения водного потока через турбину и одним или большим количеством эксплуатационных параметров турбины.

Предпочтительно, способ содержит этап анализа эксплуатационных данных для определения соотношения между скоростью прохождения водного потока через турбину и угловой скоростью ротора.

Предпочтительно, способ содержит этап анализа эксплуатационных данных для определения соотношения между скоростью прохождения водного потока через турбину и энергией, вырабатываемой турбиной.

Предпочтительно, способ содержит этап анализа эксплуатационных данных для определения соотношения между скоростью прохождения водного потока через турбину и электрическими характеристиками турбины.

Предпочтительно, способ содержит этап закрепления турбины и основания на судне посредством множества основных тросов и соответствующих резервных тросов.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 в аксонометрии показан вид гидроэлектрической турбины, смонтированной на основании и подвешенной под монтажным судном; и

на фиг.2 изображен вид сбоку установки, показанной на фиг.1.

Осуществление изобретения

С помощью прилагаемых чертежей ниже описан способ испытаний гидроэлектрической турбины 10, которая, согласно показанному варианту осуществления изобретения, смонтирована на основании 12, посредством которого в процессе применения турбину 10 размещают и закрепляют известным образом в нужном положении на дне моря. Очевидно, что способ согласно изобретению дает возможность проводить на гидроэлектрической турбине 10 моделирование условий эксплуатации и соответствующие испытания до того, как окончательно установить турбину 10 на дне моря, чтобы заранее убедиться, что турбина 10 работает ожидаемым образом.

Согласно показанному варианту осуществления изобретения, основание 12 содержит треугольную раму 14, имеющую три ножки 16, хотя, как очевидно из последующего описания способа, данный вариант осуществления основания 12 является лишь примером, и основание 12 может иметь любую другую форму и/или конфигурацию.

Для выполнения испытаний турбины 10 основание 12 и турбину 10 монтируют под судном 18, в качестве которого предпочтительно используют то же судно, которое будут использовать при окончательной установке турбины 10 и основания 12 на дне моря. Таким образом, до начала испытаний необходимо установить турбину 10 и основание 12 на судно 18. Это можно выполнить различным образом, например, в зависимости от оборудования, доступного на месте. Следует также отметить, что турбину 10 необязательно монтировать непосредственно под судном, ее можно разместить в любом другом подходящем месте и/или направлении, если благодаря этому возможно расположить турбину 10 в воде для проведения описанных далее испытаний.

Судно 18 снабжено грузоподъемным средством в виде лебедок (не показаны), каждую из которых можно использовать для поднятия основания 12 в такое положение под судном 18, в котором турбина 10 выступает в окно 20, сформированное между парами понтонов 22 и поперечных элементов 24 судна 18. Во время испытаний основание 12 предпочтительно закреплено каждой ножкой 16 на судне 18 посредством пары тросов, основным тросом 26 и резервным буксировочным тросом 28 для испытаний. Каждый из основных тросов 26 намотан на соответствующую лебедку (не показаны) и, таким образом, используется для спуска турбины 10 и основания 12 с судна 14 на глубину, необходимую для испытаний. Резервные буксировочные тросы 28 для испытаний предпочтительно проходят между фиксированной точкой на судне 18 и подходящим местом на основании 12, например, соответствующей ножкой 16, и имеют такую длину, которая в размотанном состоянии соответствует нужной глубине для испытаний турбины 10 и основания 12. Однако основную нагрузку от турбины 10 и основания 12 несут основные тросы 26, а часть нагрузки распределена между резервными буксировочными тросами 28 для испытаний. Таким образом, резервные буксировочные тросы 28 для испытаний натянуты и размотаны на полную длину. Таким образом, в случае отказа одного или большего количества основных тросов 26 нагрузку от турбины 10 и основания 12 примут полностью размотанные резервные буксировочные тросы 28 для испытаний, и турбина с основание останутся погруженными на ту же глубину. Поскольку резервные буксировочные тросы 28 для испытаний натянуты, при отказе одного или более основных тросов не произойдет никакого «отскока» данных резервных буксировочных тросов 28 для испытаний.

После надежного закрепления основания 12 под судном 18, данное судно 18 и турбину 10 можно транспортировать на открытое водное пространство для начала испытаний. Для этого судно 18 может содержать собственный источник движущей силы, однако в показанном варианте осуществления изобретения оно, как показано на фиг.1, прицеплено к буксиру Т, который можно использовать для буксирования судна 18 и турбины 10 на открытое водное пространство.

Когда судно 18 оказывается на открытом водном пространстве, применяют лебедки (не показаны), чтобы спустить основание 12 и турбину 10 с судна 18 так, чтобы турбина 10 была полностью погружена в воду, предпочтительно, на достаточное расстояние от днища судна 18 для того, чтобы уменьшить или исключить воздействие турбулентности, создаваемой судном 18, которая может повлиять на полученные результаты. Предпочтительно, турбину 10 спускают с судна 18 тогда, когда судно 18 неподвижно, хотя, очевидно, спуск турбины 10 можно выполнять и при движении судна 18. После этого буксир Т можно использовать для буксирования по воде судна 18 и, следовательно, погруженной турбины 10 на желаемой скорости с тем, чтобы провести испытания работоспособности турбины 10. Например, судно 18 можно буксировать по воде на скорости от 2 до 3 узлов, наблюдая при этом за работой турбины 10. Данную скорость можно менять, чтобы смоделировать преобладающие условия в том месте, где в конечном счете будут установлены турбина 10 и основание 12.

Кроме того, при испытаниях турбину 10 можно перемещать в воде в первом направлении, отслеживая при этом различные эксплуатационные параметры, а затем во втором направлении, противоположном первому направлению, чтобы моделировать переход от приливного течения к отливному, который будет воздействовать на турбину 10 после окончательной установки на дне моря. Переход от первого направления ко второму направлению можно осуществлять образом, аналогичным изменению направления приливно-отливного течения, которое будет воздействовать на турбину 10.

Во время испытаний турбина 10 и, в частности, силовые клеммы (не показаны) могут быть не включены в электрическую цепь или же могут быть подключены к электрической нагрузке, чтобы турбина 10 могла вырабатывать электричество, моделируя таким образом работу турбины 10 после монтажа на дне моря. Электрическая нагрузка может быть размещена на турбине 10, основании 12, судне 18 или в любом другом подходящем месте.

При этом предпочтительно, чтобы данные дистанционных измерений и другие эксплуатационные характеристики, например, электрические характеристики/мощность турбины 10, скорость вращения или угловая скорость ротора турбины 10 анализировали и/или записывали в процессе перемещения судна 18 и турбины 10 по воде. Для этого судно 18 может быть оборудовано соответствующим оборудованием, обеспечивающим контроль/регистрацию эксплуатационных характеристик. Для этого между турбиной 10 и/или основанием 12 и упомянутым оборудованием для контроля/регистрации предусмотрено соединение с передачей данных. Данное соединение с передачей данных можно осуществлять по физическому кабелю 30 или через беспроводную связь, например в виде подводного акустического модема (не показан).

Таким образом, перемещая турбину 10 в воде, можно моделировать прохождение через нее приливно-отливного течения, причем за счет изменения скорости моделируют изменение скорости приливно-отливных течений, которые будут воздействовать на турбину 10 при обычных условиях эксплуатации. Такого рода испытания могут быть источником полезной информации, например, о пусковой скорости турбины 10, об энергии, вырабатываемой при различных скоростях прохождения воды через турбину 10 и о скорости/времени остановки турбины 10 при остановке судна 18. Далее данные могут быть проанализированы для определения соотношения между скоростью прохождения водного потока через турбину 10 и одним или более эксплуатационными параметрами турбины 10. Испытания могут также дать другую информацию о работе турбины 10, например, касающуюся гидродинамического поведения воды, протекающей через турбину 10 и огибающей ее, что может быть полезно либо во время окончательной установки и длительной эксплуатации турбины 10, либо для других задач.

Таким образом, согласно данному изобретению предложен способ испытаний больших гидроэлектрических турбин 10 до их полного введения в эксплуатацию с установкой на дне моря.

Изобретение относится к способу испытаний гидроэлектрической турбины, позволяющему выполнять испытания турбины до ее окончательной установки на дне моря путем моделирования прохождения приливно-отливных течений воды через турбину. Способ испытания гидроэлектрической турбины 10, содержащей статор и ротор, расположенный с возможностью вращения внутри статора, содержит следующие этапы: закрепление турбины 10 на транспортном судне 18, транспортировка турбины 10 и судна 18 на открытое водное пространство, размещение турбины 10 таким образом, чтобы по меньшей мере ротор был погружен и перемещение транспортного судна 18 и турбины 10 по воде с тем, чтобы вызвать вращение ротора. Изобретение направлено на обеспечение возможности определения работоспособности турбины перед её установкой и закреплением на дне моря. 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ испытания гидроэлектрической турбины, содержащей статор и ротор, расположенный с возможностью вращения внутри статора, причем способ содержит следующие этапы:
закрепление турбины на транспортном судне;
транспортировка турбины и судна на открытое водное пространство;
размещение турбины таким образом, чтобы по меньшей мере ротор был погружен;
и перемещение транспортного судна и турбины по воде с тем, чтобы вызвать вращение ротора.

2. Способ по п.1, содержащий этап закрепления турбины под транспортным судном, выполняемый до транспортировки турбины на открытое водное пространство.

3. Способ по п.1, содержащий этап спуска турбины с судна, выполняемый до этапа перемещения судна и турбины по воде.

4. Способ по п.1, содержащий этап регистрации и/или анализа эксплуатационных данных от турбины во время перемещения судна и турбины по воде.

5. Способ по п.1, содержащий этап беспроводной передачи эксплуатационных данных от турбины на регистратор/анализатор данных.

6. Способ по п.1, содержащий этап изменения скорости буксировки турбины в воде.

7. Способ по п.6, который на этапе изменения скорости содержит изменение скорости с тем, чтобы моделировать изменение скорости приливно-отливного течения, которое предположительно будет испытывать турбина в процессе эксплуатации.

8. Способ по п.1, который на этапе перемещения турбины в воде содержит перемещение турбины в воде в первом направлении, а затем перемещение турбины в воде во втором направлении, противоположном первому направлению.

9. Способ по п.1, который на этапе перемещения транспортного судна и турбины по воде с тем, чтобы вызвать вращение ротора, содержит перемещение судна и турбины без электрической нагрузки, подсоединенной к турбине.

10. Способ по п.1, который на этапе перемещения транспортного судна и турбины по воде с тем, чтобы вызвать вращение ротора, содержит перемещение судна и турбины с электрической нагрузкой, подсоединенной к турбине.

11. Способ по п.4, содержащий этап анализа эксплуатационных данных для определения соотношения между скоростью прохождения водного потока через турбину и одним или большим количеством эксплуатационных параметров турбины.

12. Способ по п.4, содержащий этап анализа эксплуатационных данных для определения соотношения между скоростью прохождения водного потока через турбину и угловой скоростью ротора.

13. Способ по п.4, содержащий этап анализа эксплуатационных данных для определения соотношения между скоростью прохождения водного потока через турбину и энергией, вырабатываемой турбиной.

14. Способ по п.4, содержащий этап анализа эксплуатационных данных для определения соотношения между скоростью прохождения водного потока через турбину и электрическими характеристиками турбины.

15. Способ по п.1, содержащий этап закрепления турбины и основания на судне посредством множества основных тросов и соответствующих резервных тросов.