ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2016 года по МПК F03B3/06 

Данное изобретение касается гидроэлектростанции.

Из WO 2010/026072 А2 известна гидроэлектростанция с проточным каналом и турбиной в этом проточном канале, которая посредством вала соединена с генератором. Проточный канал имеет первый участок с первым сужением и второй участок с диаметром, который меньше, чем диаметр расширения, причем во втором участке предусмотрена турбина.

В US 2009/0214343 А1 показана турбина для гидроэлектростанции. Турбина имеет рабочее колесо с множеством турбинных лопаток и расположенным за рабочим колесом направляющим аппаратом, который работает как опорный аппарат. Турбина имеет по существу сферическую ступицу, и угол установки турбинных лопаток может регулироваться.

Задача данного изобретения заключается в том, чтобы предложить усовершенствованную гидроэлектростанцию с учетом этого уровня техники. Эта задача решается посредством гидроэлектростанции согласно независимому пункту 1 формулы изобретения.

Таким образом, предложена гидроэлектростанция, содержащая первый участок, внутренний диаметр которого уменьшается в направлении потока, примыкающий к первому участку второй участок для размещения турбины, причем внутренний диаметр второго участка имеет по меньшей мере частично сферический контур, причем турбина содержит множество турбинных лопаток, которые расположены внутри второго участка в зоне внутреннего диаметра со сферическим контуром, и блок аварийного отключения в зоне второго участка, причем блок аварийного отключения своим первым концом по меньшей мере частично входит во второй участок, по которому протекает вода, так что в случае, когда турбинные лопатки перестают вращаться без биения, турбинные лопатки входят в контакт с первым концом блока аварийного отключения и тем самым вызывают срабатывание блока аварийного отключения. В основу изобретения положена идея создания гидроэлектростанции, которая имеет первый участок с расширенным, соответственно увеличенным диаметром и второй участок, причем турбина расположена во втором участке проточного канала. По меньшей мере на внутренней стороне второго участка проточного канала в зоне концов турбинных лопаток предусмотрена выемка, которая на отдельных участках имеет сферическую форму, соответственно имеет частично сферическую форму, так что внутренний диаметр второго участка в направлении потока сначала увеличивается, а затем снова уменьшается к концу второго участка. Внутренний диаметр второго участка предпочтительно подогнан под сферический контур.

Зона второго участка с увеличенным внутренним диаметром в частности подогнана также под регулируемые турбинные лопатки.

В основу изобретения положена также идея создания турбины с гидравлически регулируемыми турбинными лопатками для гидроэлектростанции.

Таким образом, предложенная гидроэлектростанция содержит турбину со ступицей, с множеством турбинных лопаток, которые предусмотрены на этой ступице, с блоком регулирования угла установки, который связан с турбинными лопатками и предназначен для изменения угла установки турбинных лопаток, с гидравлическим цилиндром двойного действия и связанным с ним поршневым штоком. Поршневой шток связан с блоком регулирования угла установки таким образом, что этот блок регулирования угла установки осуществляет ротационное движение, когда поршневой шток движется в продольном направлении. Гидравлический цилиндр двойного действия расположен в гидравлической камере, которая связана с первой и второй гидравлическими линиями, так что путем подачи гидравлической жидкости через первую или вторую гидравлические линии гидравлический цилиндр двойного действия может перемещаться и тем самым за счет связи с поршневым штоком и блоком регулирования угла установки приводить к изменению угла установки турбинных лопаток.

Согласно одному аспекту данного изобретения турбина гидроэлектростанции имеет первую и вторую гидравлические линии для подачи и отвода гидравлической жидкости. Эти первая и вторая гидравлические линии в поршневом штоке связаны с первой и второй гидравлическими линиями вала, так что гидравлическая жидкость может течь через эти первую и вторую гидравлические линии в первую и вторую гидравлические линии поршневого штока и в гидравлическую камеру, чтобы вызывать перемещение гидравлического цилиндра двойного действия.

Согласно одному аспекту данного изобретения гидравлический цилиндр двойного действия делит гидравлическую камеру на первую и вторую камеры. Первая гидравлическая линия поршневого штока выходит в первую камеру, а вторая гидравлическая линия выходит во вторую камеру.

Другие варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы.

Преимущества и примеры выполнения изобретения поясняются ниже более подробно с привлечением чертежей. На них схематически показано:

фиг. 1 - вид частичного сечения гидроэлектростанции согласно первому варианту выполнения,

фиг. 2 - вид сечения гидроэлектростанции согласно второму варианту выполнения,

фиг. 3-5 - соответствующие сечения турбины для гидроэлектростанции согласно третьему варианту выполнения,

фиг. 6 - вид сечения турбины и вала для гидроэлектростанции согласно четвертому варианту выполнения,

фиг. 7А и 7В - соответствующие изображения в изометрии генераторной рамы для генератора гидроэлектростанции согласно пятому варианту выполнения,

фиг. 8 - вид сечения турбины для гидроэлектростанции согласно шестому варианту выполнения,

фиг. 9 - изображение части турбины для гидроэлектростанции согласно шестому варианту выполнения,

фиг. 10 - вырыв турбины для гидроэлектростанции согласно седьмому варианту выполнения и

фиг. 11 - изображение предохранительного выключателя для турбины для гидроэлектростанции согласно седьмому варианту выполнения.

На фиг. 1 схематически показано частичное сечение гидроэлектростанции согласно первому варианту выполнения. Эта гидроэлектростанция согласно первому варианту выполнения имеет проточный канал для воды с первым участком 100, внутренний диаметр которого в направлении потока уменьшается, соответственно сужается, со вторым участком 200, внутреннее сечение которого повторяет по существу сферический контур, и третьим участком 300. Во втором участке 200 расположена турбина 400 с острием, соответственно наконечником 410, ступицей 430 и множеством турбинных лопаток 440. В зоне третьего участка 300 расположен направляющий аппарат 500 с множеством лопаток направляющего аппарата. Вода течет в направлении 10 потока через гидроэлектростанцию, попадает сначала на турбинные лопатки 440, а затем на направляющий аппарат 500.

Между турбиной 400 и генератором 900 (на фиг. 1 не показан) дополнительно предусмотрен вал 600. Посредством этого вала вращательное движение, создаваемое турбиной за счет вращения турбинных лопаток, передается на генератор, который в свою очередь преобразует это вращательное движение в электрическую энергию, соответственно вырабатывает электрическую энергию.

На фиг. 2 схематически показано сечение гидроэлектростанции согласно второму варианту выполнения. Гидроэлектростанция согласно второму варианту выполнения может базироваться на гидроэлектростанции согласно первому варианту выполнения. Турбина 400 расположена по существу в зоне второго участка 200 (см. фиг. 1) гидроэлектростанции. Турбина 400 имеет наконечник 410 (первый конец) и второй конец 420, который в направлении 10 потока располагается за первым концом 410. Между первым и вторым концами 410, 420 предусмотрено множество турбинных лопаток 440, которые закреплены в ступице 430 с возможностью поворота. Угол установки лопаток 440 может регулироваться посредством блока 460 регулирования угла установки, в частности гидравлически.

Блок 460 регулирования угла установки содержит гидравлический цилиндр 450 двойного действия. Цилиндр 450 содержит поршень 453 в объеме 451 и делит этот объем 451 на первую и вторую камеры 451, 452. Кроме того, цилиндр содержит поршневой шток 470 (с гидравлическими линиями) и гидравлический передаточный блок 480.

Регулирование угла установки турбинных лопаток 440 согласно второму варианту выполнения осуществляется посредством гидравлической системы, работающей на воде. Исполнительный цилиндр 450 двойного действия расположен в ступице 410, 430 турбины 400. Гидравлическая линия 610, 620 образована во вращающейся части, например, в виде удлиненных отверстий в валу 600. От вала 600 она проходит в ступицу 430 и через гидравлическую передачу 480 в удлиненные отверстия в поршневом штоке 470. С помощью гидравлического передаточного блока 480 может осуществляться осевое перемещение поршневого штока 470 при одновременной передаче гидравлической жидкости. В зоне участка 220 может быть предусмотрен блок 1000 аварийного отключения, который может взаимодействовать с турбинными лопатками 440, когда имеется дисбаланс. В таком случае срабатывает блок 1000 аварийного отключения и турбина останавливается.

На фиг. 3 схематически показано сечение турбины для гидроэлектростанции согласно третьему варианту выполнения. Турбина имеет наконечник (первый конец) 410 и поворотную ступицу 430 с множеством турбинных лопаток 440. Кроме того, турбина содержит гидравлический цилиндр 450 двойного действия в зоне первого конца 410, поршневой шток 470 с гидравлическими линиями 471, 472 и гидравлический передаточный блок 480. К турбине примыкает вал 600. Первая гидравлическая линия 610 имеет первый, второй и третий участки 611, 612, 613, а вторая гидравлическая линия 620 имеет первый, второй и третий участки 621, 622, 623. Первый участок 611 первой гидравлической линии 610 и первый участок 621 второй гидравлической линии 620 выполнены на валу 600. Второй участок 612 первой гидравлической линии 610 и второй участок 622 второй гидравлической линии 620 выполнены в ступице 430. Третий участок 613 первой гидравлической линии 610 и третий участок 623 второй гидравлической линии 620 выполнены в гидравлическом передаточном блоке 480 и в передаточном цилиндре соответственно.

Третий участок 613 первой гидравлической линии 610 выходит в первый участок 481 гидравлического передаточного блока 480. Третий участок 623 второй гидравлической линии 620 выходит во второй участок 484 гидравлического передаточного блока 480.

В поршневом штоке 470 выполнены первый и второй гидравлические каналы 471, 472. Первый конец 471а первого гидравлического канала 471 выходит в зону первого участка 482 гидравлического передаточного блока 480. Второй конец 471b гидравлической линии 471 выходит в первый участок 451 гидравлической камеры. Первый участок 472а второй гидравлической линии 472 заканчивается в зоне третьего участка 483 гидравлического передаточного блока 480. Второй конец 472b второй гидравлической линии 472 заканчивается во второй камере 452, которая может быть выполнена в виде кольца. Первый участок 481 и третий участок 483 гидравлического передаточного блока 480 могут быть выполнены в виде окружного кольца или канала. Тем самым возникает соединение между первым и третьим участками 481, 483, которое служит для того, чтобы гидравлическая жидкость могла протекать из третьего участка 613 во второй гидравлический канал 472 (или наоборот). Второй участок 484 и первый участок 482 гидравлического передаточного блока 480 тоже могут образовывать кольцо или окружной канал, так что первый и второй участки 482, 484 могут быть образованы как один общий участок. Благодаря этому гидравлическая жидкость может течь от первого гидравлического канала 471 к третьему участку 623 второй гидравлической линии 620 (или наоборот).

Блок 460 регулирования угла установки турбинных лопаток 440 связан с поршневым штоком 470, так что этот блок 460 регулирования угла установки движется, когда движется поршневой шток 470.

На фиг. 4 схематически показано сечение турбины согласно третьему варианту выполнения. Конструкция турбины согласно фиг. 4 соответствует конструкции турбины по фиг. 3. В представленном на фиг. 4 случае гидравлическая жидкость (например, вода) нагнетается в первую гидравлическую линию 610. Затем гидравлическая жидкость течет через первый, второй и третий участки 611, 612, 613 первой гидравлической линии 610 в четвертый участок 481 гидравлического передаточного блока 480. Так как четвертый и третий участки 481, 483 гидравлического передаточного блока 480 выполнены как окружное кольцо или канал, то гидравлическая жидкость течет затем через это кольцо или кольцевой канал 481, 483 через первый конец 472а гидравлической линии 472 сквозь вторую гидравлическую линию 472 ко второму концу 472b гидравлической линии 470, а оттуда в гидравлическую камеру 452. Таким образом, давление во второй гидравлической камере 452 увеличивается, так что гидравлический цилиндр двойного действия движется влево. Гидравлическая жидкость в первой гидравлической камере 451 течет тогда от второго к первому концу 471b, 471а второго канала 471 и к участку 482 гидравлического передаточного блока 480, т.е. к кольцу или кольцевому каналу 482, 483. От первого участка 482 гидравлическая жидкость течет ко второму участку 483 и от этого участка через участки 623, 622 и 621 во вторую гидравлическую линию 620. Таким образом, когда гидравлическая жидкость накачивается в первую гидравлическую линию 610, то поршневой шток 472 (а тем самым и блок 460 регулирования угла установки) движется влево, т.е. против направления 10 потока.

На фиг. 5 схематически показано сечение турбины согласно третьему примеру выполнения. Выполнение турбины по фиг. 5 соответствует выполнению турбины по фиг. 3 или фиг. 4. На фиг. 5 показана ситуация, когда гидравлическая жидкость вводится через вторую гидравлическую линию 620. Таким образом, гидравлическая жидкость течет по второй гидравлической линии 620 в первый, второй и третий участки 621, 622, 623. Оттуда гидравлическая жидкость течет через участок 483 в участок 482, т.е. по кольцу или кольцевому каналу. От участка 482 гидравлическая жидкость течет в первый конец 471а гидравлической линии 471 в поршневой шток 470. Затем гидравлическая жидкость течет по первой гидравлической линии 471 вплоть до второго конца 471b, а оттуда в первую гидравлическую камеру 451, так что поршневой шток 470 движется вправо, т.е. в направлении 10 потока. Таким образом, гидравлическая жидкость течет из второй камеры 452 через второй конец 472b второй гидравлической линии 472 ко второму концу 472а второй гидравлической линии, а оттуда в участок 484 и дальше, в участок 481. Из участка 481 гидравлическая жидкость снова течет через участки 613, 612 и 611, а оттуда в первую гидравлическую линию 610. Первая гидравлическая линия 610 имеет первый участок 611 (в валу или, соответственно, на валу 600), второй участок 612 в ступице 430 и третий участок 613 в гидравлическом передаточном блоке 480.

Согласно изобретению линейное поступательное движение поршневого штока 470 преобразуется в поворотное движение турбинных лопаток 440 для регулирования угла установки. Это осуществляется посредством блока 460 регулирования угла установки. Блок 460 регулирования угла установки предусмотрен на поршневом штоке 470. Блок 460 регулирования угла снабжен пазами 461, которые выполнены на его концах, обращенных к роторным лопаткам. Блок 460 регулирования угла установки дополнительно снабжен салазками 462 для каждой турбинной лопатки, которые в зоне вблизи ножек турбинных лопаток соединены с этими турбинными лопатками. Такие салазки 462 могут перемещаться в пазах, соответственно направляться пазами 461. При этом салазки 462 выполняют прямолинейное движение под углом 90° относительно оси поршневого штока. Роторные лопатки 440 закреплены в ступице 430 с помощью осевого подшипника. Салазки 462 по пазам 461 перемещаются в блоке 460 регулирования угла установки. Блок 460 регулирования угла установки содержит, далее, установочную шайбу 463, которая имеет поворотную цапфу 464. Поворотная цапфа 464 содержит опору для салазок 462, чтобы салазки могли осуществлять вращательное движение. Салазки 462 могут поворачиваться вокруг поворотной цапфы 464, так что линейное поступательно движение поршневого штока 460 преобразуется в поворотное движение турбинных лопаток.

Таким образом, салазки 462 посредством поворотной цапфы 464 установлены с возможностью вращения. Салазки перемещаются 462 в пазу 461, так что линейное движение поршневого штока преобразуется в поворотное движение.

На фиг. 6 схематично показано сечение турбины с соответствующим валом для гидроэлектростанции согласно четвертому варианту выполнения. При этом турбина может соответствовать турбине по фиг. 3-5. Ступица 430 турбины 400 связана с валом 600, который в свою очередь может быть связан с генератором 900.

На фиг. 7А и 7В показан соответствующий вид в перспективе генераторной рамы для размещения электрогенератора гидроэлектростанции. В частности, показана компоновка генераторной рамы по контуру S-образной трубы. Генераторная рама 800 имеет дно 810, а также две боковых полки 820. При этом боковые полки 820 проходят под таким углом к дну 810, что электрогенератор 900 может разместиться между ними и удерживаться этими полками 820 и дном 810. Полки на своей внешней стороне имеют множество листов 821. На их внутренней стороне предусмотрено множество ребер 822. Дно 810 тоже имеет множество ребер 811, которые могут быть ориентированы по ребрам 822. Генераторная рама согласно изобретению может быть снабжена тонкими бетонными стенками и несмотря на это быть непроницаемой для воды. Такая рама может служить для защиты генератора.

На фиг. 8 схематично показано сечение турбины для гидроэлектростанции согласно шестому примеру выполнения. Конструкция турбины согласно шестому примеру выполнения может соответствовать конструкции турбины согласно третьему примеру выполнения или может базироваться на ней. Турбина имеет острие, соответственно наконечник 410, ступицу 430 и множество турбинных лопаток 440. Посредством блока 460 регулирования угла установки можно регулировать угол установки роторных лопаток 440. Блок 460 регулирования угла установки связан с поршневым штоком 470, так что движение поршневого штока 470 ведет к движению блока 460 регулирования угла установки. Блок 460 регулирования угла установки снабжен пазами 461, которые предусмотрены на его обращенных к роторным лопаткам 440 концах. Блок 460 регулирования угла установки имеет также салазки 442 для каждой турбинной лопатки 440, которые в зоне вблизи ножек турбинных лопаток 440 соединены с этими турбинными лопатками 440. Салазки 462 могут перемещаться по пазу или направляться пазом 461. Движение поршневого штока 470 ведет к линейному поступательному движению блока регулирования угла установки, так что салазки 462 тоже могут двигаться в пазах 461. На расположенном вблизи ножки конце турбинной лопатки предусмотрена установочная шайба 463. В частности, эта установочная шайба 463 посредством поворотной цапфы 464, так что эта установочная шайба 463 может двигаться вместе с салазками 462.

На фиг. 9 схематично показана турбина для гидроэлектростанции согласно шестому примеру выполнения. На фиг. 9 некоторые элементы турбины для гидроэлектростанции не показаны, чтобы можно было лучше представить установочную шайбу 463, салазки 462 и пазы 461. Установочная шайба 463 закреплена на роторных лопатках 440. На установочной шайбе 463 могут быть предусмотрены салазки 462, которые также могут входить с зацеплением в пазы 461 на блоке 460 регулирования угла установки. Движение блока 460 регулирования угла установки вызывает движение салазок 462, которые находятся в пазах, и тем самым вызывает изменение угла установки турбинных лопаток 440.

На фиг. 10 показано изображение выреза турбины для гидроэлектростанции согласно седьмому примеру выполнения. В зоне второго участка 200 может быть предусмотрен блок 1000 аварийного отключения. При этом блок 1000 аварийного отключения своим первым концом 1100 по меньшей мере частично заходит в участок, по которому протекает вода. Если турбинные лопатки 440 перестают вращаться без биения, то они могут войти в контакт с первым концом 1100 блока 1000 аварийного отключения. В таком случае вода, например, сможет протекать через первый конец 1100 внутрь второго участка 1200. Во втором участке предусмотрен поплавок 1300, который при проникновении воды через первый конец 1100 всплывает наверх, так что второй конец 1400 может вызвать срабатывание контакта.

На фиг. 11 схематично показан предохранительный выключатель для турбины гидроэлектростанции согласно седьмому примеру ее выполнения. Этот блок 1000 аварийного отключения имеет первый конец 1100 и второй конец 1400. Между ними располагается средний участок 1200 и поплавок 1300. В случае дисбаланса турбинных лопаток 440 часть первого конца 1100 может быть повреждена, так что вода сможет попасть внутрь блока отключения. В среднем участке 1200 расположен поплавок 1300 с первым концом 1310 и вторым концом 1330. Между ними может быть предусмотрен поплавковый элемент 1320. Когда вода затекает внутрь этого среднего участка 1200, поплавок 1300 поднимается к поверхности воды. Когда средний участок 1200 заполнен, поплавок 1300 плавает сверху, так что второй участок 1400 может вызвать срабатывание контакта.

Изобретение относится к гидроэлектростанции. Гидроэлектростанция содержит первый участок, внутренний диаметр которого уменьшается в направлении потока, примыкающий к первому участку второй участок (200) для размещения турбины (400), блок (1000) аварийного отключения в зоне второго участка (200). Внутренний диаметр второго участка (200) имеет по меньшей мере частично сферический контур. Турбина (400) содержит множество турбинных лопаток (440), которые расположены внутри второго участка (200) в зоне внутреннего диаметра со сферическим контуром. Блок (1000) аварийного отключения своим первым концом по меньшей мере частично входит во второй участок (200), по которому протекает вода, так что в случае, когда турбинные лопатки (440) перестают вращаться без биения, турбинные лопатки входят в контакт с первым концом блока (1000) аварийного отключения и тем самым вызывают срабатывание блока (1000) аварийного отключения. Изобретение направлено на создание гидроэлектростанции, турбина которой выполнена с гидравлически регулируемыми турбинными лопатками. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Гидроэлектростанция, содержащая
первый участок (100), внутренний диаметр которого уменьшается в направлении потока,
примыкающий к первому участку (100) второй участок (200) для размещения турбины (400), причем внутренний диаметр второго участка имеет по меньшей мере частично сферический контур,
причем турбина (400) содержит множество турбинных лопаток (440), которые расположены внутри второго участка (200) в зоне внутреннего диаметра со сферическим контуром, и
блок (1000) аварийного отключения в зоне второго участка (200),
причем блок (1000) аварийного отключения своим первым концом (1001) по меньшей мере частично входит во второй участок, по которому протекает вода, так что в случае, когда турбинные лопатки (440) перестают вращаться без биения, турбинные лопатки входят в контакт с первым концом (1100) блока (1000) аварийного отключения и тем самым вызывают срабатывание блока (1000) аварийного отключения.

2. Гидроэлектростанция по п. 1, в которой турбина содержит ступицу (430),
множество турбинных лопаток (440), которые предусмотрены на ступице (430),
блок (460) регулирования угла установки, который связан с турбинными лопатками (440), для регулирования угла установки турбинных лопаток,
гидравлический цилиндр (450) двойного действия и соединенный с ним поршневой шток (470),
причем поршневой шток (470) связан с блоком (460) регулирования угла установки таким образом, что блок (460) регулирования угла установки выполняет вращательное движение при движении поршневого штока (470) в продольном направлении,
причем гидравлический цилиндр (450) двойного действия предусмотрен в гидравлической камере, которые связаны посредством первой и второй гидравлических линий, так что путем подачи гидравлической жидкости через первую или вторую гидравлическую линию обеспечивается перемещение гидравлического цилиндра двойного действия и тем самым за счет соединения с поршневым штоком (470) и блоком (460) регулирования угла установки осуществляется регулирование угла установки турбинных лопаток (440).

3. Гидроэлектростанция по п. 2, дополнительно содержащая первую и вторую гидравлические линии (610, 620) для подачи и отвода гидравлической жидкости, причем первая и вторая гидравлические линии (471, 472) в поршневом штоке (470) соединены с первой и второй гидравлическими линиями (610, 620) вала (600), так что обеспечивается течение гидравлической жидкости через первую и вторую гидравлические линии (610, 620) в первую и вторую гидравлические линии (471, 472) поршневого штока (470) в гидравлическую камеру (451, 452) для перемещения гидравлического цилиндра двойного действия.

4. Гидроэлектростанция по п. 2 или 3, в которой
гидравлическая камера разделена гидравлическим цилиндром (450) двойного действия на первую и вторую камеры (451, 452),
причем первая гидравлическая линия (471) поршневого штока (470) выходит в первую камеру (451), а вторая гидравлическая линия (472) выходит во вторую камеру (452).