СИСТЕМА И СПОСОБ ПОДЪЕМА ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F03B13/26 F03B17/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе подъема гидроэлектрической турбины и, в частности, к системе, значительно упрощающей подъем гидроэлектрической турбины, установленной на основании, с места установки на морском дне или другого подобного места.

Уровень техники

Вследствие большого ущерба, наносимого окружающей среде в результате сжигания ископаемого топлива, возобновляемым источникам энергии, наконец, начали уделять серьезное внимание. Разрабатывается множество проектов, основанных на использовании энергии солнца, ветра и приливов. Из указанных альтернативных источников энергии, энергия приливов вероятно наиболее привлекательна с учетом того, что приливные течения полностью предсказуемы и постоянны в отличие от энергии ветра или солнца, которая относительно прерывиста и поэтому менее надежна.

Однако использование энергии приливов сопряжено с определенными трудностями, которые связаны, в частности, с установкой, техническим обслуживанием и подъемом генераторов, использующих энергию приливов, например, гидроэлектрических турбин. Принцип их действия требует размещения в относительно быстрых приливных течениях, и наиболее вероятным местом их установки является морское дно. Кроме того, для достижения экономического эффекта такие турбины должны быть больших размеров. В результате турбины и соединенные с ними основания/опоры отличаются большими габаритами и требуют мощного подъемно-транспортного оборудования для осуществления как установки, так и подъема турбин и их опор. Применение такого тяжелого подъемного оборудования всегда сопряжено с опасностью, особенно при работе в море, в тяжелых и нестабильных условиях.

Кроме того, выполнение вышеупомянутых работ осложняется ростом нехватки на рынке подходящих судов и оборудования для проведения таких работ и чрезвычайно высокой опасностью задеть водолазов в местах с высокой скоростью приливных течений.

В документе DE 102008032625 описано подъемное устройство для блока турбогенератора, приспособленное для подъема турбины с основания, установленного на морском дне, при этом основание остается закрепленным на морском дне. Устройство имеет погружаемую часть (1), содержащую поперечное центрирующее устройство (9) и удерживающее устройство (10). Поперечное центрирующее устройство содержит перемещаемые элементы корпуса, которые откинуты наружу при доставке подъемного устройства на место у блока генератора и затем закрываются для центрирования подъемного устройства относительно блока турбогенератора (2). После этого возможен подъем турбогенератора с основания, которое остается на своем месте на морском дне.

Таким образом, заявляемое изобретение было разработано с целью упрощения подъема системы гидроэлектрической турбины, установленной на основании, и, в частности, для упрощения подъема с морского дна основания и турбины как единого блока и сокращения времени выполнения таких работ.

Сущность изобретения

Согласно одному аспекту изобретения заявлена система подъема гидроэлектрической турбины для подъема гидроэлектрической турбины, установленной на основании, которая содержит раму, имеющую проем, позволяющий продвигать раму вокруг турбины через посредство проема, отличающаяся тем, что рама содержит группу соединителей, выполненных с возможностью сцепления с основанием.

Предпочтительно, основание содержит соответствующие соединители, обеспечивающие возможность сцепления с группой соединителей на раме.

Предпочтительно, соединители на раме и соединители на основании расположены так, что их совмещение можно осуществить путем вертикального перемещения относительно друг друга.

Предпочтительно, указанная рама имеет по существу U-образную форму.

Предпочтительно рама имеет одну или более направляющих, способствующих выравниванию рамы относительно основания.

Предпочтительно, указанная одна или более направляющих неподвижно закреплена на месте.

Предпочтительно, по меньшей мере одна из направляющих имеет демпфер, установленный для соприкосновения с турбиной и/или основанием, когда рама по существу выровнена относительно основания, для прекращения ее дальнейшего перемещения относительно основания.

Предпочтительно, демпфер содержит поперечину, проходящую между парой противолежащих штанг рамы.

Предпочтительно, демпфер выполнен с возможностью упругого деформирования для предотвращения повреждения турбины и/или основания при соприкосновении с ним.

Предпочтительно, каждый соединитель на раме содержит подъемное устройство с гидравлическим приводом, и каждый соединитель на основании содержит соответствующий стыковочный узел, в котором указанное подъемное устройство может быть обратимо зафиксировано.

Предпочтительно, соединители на раме и/или на основании закреплены с помощью креплений, допускающих ограниченное перемещение соединителей.

Предпочтительно, система содержит один или более датчиков, обеспечивающих детектирование соприкосновения и надлежащего выравнивания рамы с турбиной и/или с основанием.

Предпочтительно, система содержит один или более датчиков формирования изображения.

Согласно второму аспекту изобретения, заявлен способ подъема с морского дна гидроэлектрической турбины, установленной на основании, включающий в себя следующие этапы:

опускание подъемной рамы, имеющей проем, с установочного судна в положение, близкое в плане к турбине, установленной на основании;

продвижение рамы вокруг турбины через посредство проема;

присоединение рамы к основанию;

подъем основания и турбины с морского дна как единого блока.

Предпочтительно, способ предусматривает этап, предшествующий этапу присоединения рамы к основанию и предусматривающий по существу вертикальное опускание рамы для входа в сцепление с основанием.

Предпочтительно, способ включает в себя этап прекращения горизонтального перемещения рамы, когда рама по существу выровнена с основанием, за счет соприкосновения турбины с демпфером, установленным на раме.

Предпочтительно, способ включает в себя этап присоединения рамы к основанию путем вставки группы соединителей на раме в соответствующую группу соединителей на основании.

Предпочтительно, способ включает в себя этап, предусматривающий выполнение указанного способа при прибывающем приливе и позиционирование подъемной рамы ниже по приливу относительно турбины перед опусканием рамы в положение, близкое в плане к турбине.

Предпочтительно, способ включает в себя этап снабжения рамы энергией по силовому кабелю, подключенному между установочным судном и рамой, и управление кабелем посредством позиционирования кабеля в воде ниже по приливу относительно рамы.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 в изометрии показана система подъема гидроэлектрической турбины, соответствующая одному из вариантов осуществления изобретения в процессе продвижения в направлении турбины, установленной на основании.

На фиг.2 показано сбоку устройство, представленное на фиг.1.

На фиг.3 показана подъемная система, представленная на фиг.1, с рамой, подведенной для совмещения с турбиной.

На фиг.4 показано сбоку устройство, изображенное на фиг.3.

На фиг.5 представлена подъемная система, показанная на фиг.1-4, в которой рама опущена и зафиксирована на основании для обеспечения возможности его подъема.

На фиг.6 показано сбоку устройство, изображенное на фиг.5.

На фиг.7 в изометрии показана подъемная рама, оснащенная направляющими одного из возможных типов.

На фиг.8 в изометрии показана подъемная рама, оснащенная направляющими другого типа.

Осуществление изобретения

На приложенных чертежах показана система 10 для подъема гидроэлектрической турбины, предназначенная для извлечения гидроэлектрической турбины Т и основания В с места установки на дне моря или с другого подобного места за одну операцию.

Система 10 для подъема содержит раму 12, подвешенную под установочным судном, например, под баржей (не показана) или под другим подобным судном, с возможностью подъема и опускания относительно баржи на группе направляющих тросов 14. По направляющим тросам 14 возможна также передача с баржи на раму 12 энергии: электрической, гидравлической, пневматической или другой подобной энергии для целей, описанных ниже. Тем не менее, предпочтительно предусмотрена выделенная силовая линия или кабель-шланг (не показаны) между установочным судном и рамой 12. Каждый направляющий трос 14 предпочтительно намотан на соответствующую лебедку или другое подобное устройство, размещенное на барже, позволяющие поднимать и опускать раму 12 относительно баржи. В варианте осуществления изобретения, показанном на чертежах, рама 12 изготовлена из стальных труб. Тем не менее, подразумевается, что возможно применение других материалов и конструкций рамы 12 при условии сохранения основных функциональных возможностей, описанных ниже.

Как показано на фиг.7 и 8, рама 12 в плане имеет по существу U-образную форму и содержит пару штанг 16, вторые половины которых сужается по направлению друг к другу и соединяются в вершине 18. Каждая штанга заканчивается фиксированной или неподвижной направляющей 20 (показана только на фиг.7), которая загнута наружу от продольной оси L рамы 12. Свободные концы штанг 16, ограниченные направляющими 20, ограничивают входной проем 22 в раме 12, обеспечивающий доступ в стыковочное пространство 24, ограниченное рамой 12. Стыковочное пространство 24 заканчивается, в направлении продольной оси L, у третьей направляющей, выполненной в виде поперечины 26. Поперечина 26 действует как демпфер, который при работе, как описано ниже, соприкасается с внешней поверхностью турбины Т, если рама 12 продвинута в заданное положение, для предотвращения продвижения рамы за пределы требуемого положения. Поперечина 26 показана полностью на фиг.8, на остальных чертежах она представлена в упрощенном виде для ясности.

Подъемная система 10 дополнительно содержит три соединителя 28, установленные на раме и выступающие вертикально вниз из рамы 12: по одному на свободном конце каждой штанги 16, и оставшийся соединитель 28 - на вершине 18. Основание B снабжено соединителями 30, которые предназначены для стыковки и размещены соответствующим образом. Указанные соединители 30 образуют интегральную часть основания B и поэтому выдерживают суммарную нагрузку турбины T и основания B при их одновременном подъеме с морского дна, как подробно описано ниже. Соединители 30 на основании предпочтительно выполнены в форме цилиндрических втулок, внутрь которых могут быть вставлены и затем закреплены в определенном положении соединители 28, как описано ниже. В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения соединители 30 ограничены и образованы ножками основания B. Тем не менее, подразумевается, что возможно изменение положения каждого соединителя 30 в зависимости от общей конструкции и/или размеров основания В.

В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения каждый соединитель 28 на раме 12 оснащен подъемным приспособлением 28, содержащим цилиндрическую удерживающую деталь 32, выступающую вертикально вниз из штанги 16 рамы 12. Удерживающая деталь 32 содержит множество удерживающих элементов (не показаны), покрывающих значительную часть внешней поверхности удерживающей детали, при этом возможно их выдвижение наружу, предпочтительно с помощью гидропривода, таким образом, что они выступают за пределы указанной поверхности. Во время работы каждую из удерживающих деталей 32 вставляют внутрь соответствующего соединителя 30, установленного на основании В, и затем удерживающие элементы (не показаны) выдвигают наружу для сцепления с внутренней поверхностью указанного соединителя 30 и ее удержания. Работа подъемных приспособлений 28 возможна с применением гидравлической или другой энергии, подаваемой с баржи (не показана) посредством направляющих тросов 14 или дополнительных тросов (не показаны), но желательно по выделенному силовому кабелю или кабелю-шлангу (не показаны). Открытый верхний конец соединителей 30 может сужаться наружу, ограничивая отверстие в форме воронки, через которое вводят удерживающую деталь 32, что способствует направлению удерживающих деталей 32 в соединители 30. Предусмотрена возможность крепления подъемных приспособлений 28 и/или соединителей 30 на раме 12 или на основании В с помощью плавающих креплений (не показаны), допускающих определенный люфт для снижения требований к точности для осуществления совмещения подъемных приспособлений 28 с соединителями 30.

Далее описан принцип работы системы 10 для подъема. Вначале раму 12 закрепляют прямо на днище баржи в соответствующем месте, например, стыковочном узле или другом подобном месте. Затем установочное судно и раму 12 соединяют силовым кабелем или кабелем-шлангом (не показаны), которые в процессе подъема будут снабжать энергией подъемные приспособления 28, а также любые датчики, установленные на раме 12. После этого баржу транспортируют к месту установки турбины T и основания B либо на буксире (не показан), либо с использованием собственного источника энергии. Точное положение турбины T известно и определяется с помощью глобальной системы позиционирования GPS и указательного буя для опознавания или путем динамического позиционирования DP на поверхности моря над местом установки. Затем необходимо точно позиционировать баржу относительно турбины T, чтобы начать подъем турбины T и основания B за одну операцию.

При достижении турбины T, баржу предпочтительно устанавливают немного ниже по потоку или ниже по приливу относительно турбины и основания B. Затем раму 12 опускают на направляющих тросах 14 до тех пор, пока рама 12 не достигнет по горизонтальной координате того же места, что и турбина T, как показано на фиг.1 и 2. За счет установки рамы 12 в условиях прибывающего прилива и непосредственно ниже по приливу относительно турбины T, течение прилива будет направлено по существу параллельно продольной оси L рамы 12. Приливное течение воды через раму 12 будет способствовать надлежащему выравниванию рамы 12 относительно турбины T и основания B. Кроме того, силовым кабелем или кабель-шлангом (не показаны), обеспечивающим подачу энергии с установочного судна на раму 12, необходимо управлять в процессе подъема таким образом, чтобы он был ниже по приливу относительно турбины T. Для этого, за счет позиционирования рамы 12 ниже по приливу от турбины T, силовой кабель (не показан) может быть просто опущен в воду сзади установочного судна и, соответственно, ниже по приливу относительно рамы 12. Прибывающий прилив обеспечит нахождение кабеля ниже по приливу относительно рамы 12 в течение всего процесса подъема и, таким образом, кабель не будет препятствовать работе. При перемещении баржи и рамы из положения ниже по приливу обеспечивается безаварийная работа в случае отключения электропитания на барже или буксире, поскольку баржу будет относить от турбины T, и, таким образом, исключается возможность соприкосновения рамы 12 с турбиной и повреждение турбины Т.

На этом этапе баржу с подвешенной внизу рамой 12 продвигают в направлении турбины T и основания B, предпочтительно по существу параллельно продольной оси L рамы 12, при этом проем 22 находится впереди. Продвигать раму 12 можно путем продвижения буксира, к которому привязана баржа. Альтернативно, буксир устанавливают в надлежащем месте и затем тянут баржу и раму вверх по течению с помощью лебедки. Рама 12 предпочтительно снабжена группой датчиков (не показаны) для контроля положения/состояния рамы 12 в процессе подъема. В качестве датчиков можно использовать одну или более камер или гидролокаторов, формирующих изображение, для получения визуальной обратной связи при работе даже в непрозрачной и мутной воде или в ночное время.

Таким образом, раму 12 медленно подводят к турбине T, и при наличии некоторого смещения, две пары направляющих 20, показанные только на фиг.7, производят мягкую коррекцию положения рамы 12 так, что турбина проходит через проем 22 в стыковочное пространство 24, ограниченное внутри рамы 12. Горизонтальное перемещение рамы 12 вокруг турбины T продолжается до соприкосновения поперечины 26 с поверхностью турбины T, которое прекращает дальнейшее горизонтальное перемещение рамы 12. Поперечина 26 установлена так, что при ее соприкосновении с внешней поверхностью турбины T каждое из подъемных приспособлений 28 находится прямо над соответствующим соединителем 30 на основании B, как показано на фиг.3 и 4. Также предусмотрена возможность размещения на раме 12 дополнительных датчиков для индикации соприкосновения с турбиной T, например, тензодатчиков (не показаны), которые могут контролировать соприкосновение. Как только датчики указывают на соприкосновение рамы 12 с турбиной T, рама 12 может быть остановлена. На этом этапе предпочтительно продвинуть баржу немного вверх по приливу для создания некоторого натяжения направляющих тросов 14 для надежного удержания рамы 12 напротив турбины Т. Это необходимо, поскольку вследствие турбулентности и/или флуктуации скорости приливного течения, из-за увеличения скорости возможно временное смещение рамы 12 вниз по приливу относительно турбины T. После снижения скорости рама 12 отходит обратно и соприкасается с турбиной T, при этом такие колебания рамы 12 могут привести к повреждению турбины T или рамы 12. Натяжение направляющих тросов 14 обеспечивает надежное удержание рамы 12 напротив турбины T даже при таких флуктуациях прилива.

На этой стадии баржу останавливают и удерживают в положении прямо над турбиной T и основанием B. Затем с помощью направляющих тросов 14 раму 12 медленно опускают в вертикальном направлении, в результате чего каждое подъемное устройство входит внутрь соответствующего соединителя 30 на основании B, как показано на фиг.5 и 6. Как только рама 12 полностью опущена на свое место, направляющие тросы 14 начнут провисать, и в этот момент останавливают лебедки, опускающие раму 12. Затем приводят в действие подъемные приспособления 28, в результате чего удерживающие элементы (не показаны) выступают наружу для сцепления с цилиндрической внутренней поверхностью соединителей 30, тем самым фиксируя подъемные устройства 28 к соединителям 30.

Предусмотрена возможность изменения вертикальной ориентации соединителей 28, 30, например, на горизонтальную ориентацию. При таком расположении необходимо лишь продвинуть раму 12 горизонтально до сцепления с основанием 12, хотя в этом случае требуется более высокая точность начального горизонтального позиционирования рамы 12. Необходимо учитывать также, что возможна замена подъемных приспособлений 28 и соответствующих соединителей 30 любыми другими подходящими устройствами для присоединения и закрепления рамы 12 на основании B, например, возможно применение крюков, хомутов или других механических креплений. Также подразумевается, что хотя система 10 проиллюстрированного варианта осуществления изобретения предназначена для подъема треугольного основания и поэтому содержит три подъемных приспособления 28, возможна реконфигурация системы 10 для подъема оснований другой формы, например, прямоугольного или другого подобного основания. Таким образом, система 10 может содержать менее или более трех подъемных приспособлений 28, предусмотренных в проиллюстрированном варианте осуществления изобретения.

Теперь рама 12 прочно зафиксирована на основании B, на котором закреплена и сама турбина T. Поэтому можно осуществить реверс лебедок для подтягивания направляющих тросов 14 и, следовательно, для подъема со дна моря турбины Т и основания В как единого блока. Возможно, потребуется поднимать отдельно каждую ножку основания B, чтобы устранить эффект осадки на ножках. Это достигается за счет подъема каждого направляющего троса 14 по отдельности, пока соответствующая ножка не будет отделена от морского дна. После этого такую ножку опускают обратно и затем поднимают следующую. После того как все ножки высвобождены из морского дна, подвешенную раму 12 предпочтительно полностью поднимают к днищу баржи, выполненному с возможностью прохода турбины T вверх через отверстие в нем. На этом этапе раму 12 надежно закрепляют на барже, которая затем транспортирует основание и турбину на берег.

Таким образом, за счет применения рамы, открытой с одной стороны и имеющей проем 22 для приема турбины T, направляющих 20 и поперечины 26 обеспечивается возможность сравнительно легкого позиционирования и закрепления рамы на основании B без необходимости присутствия водолазов или другого персонала на морском дне при выполнении работ. В результате обеспечивается возможность подъема турбины T и основания B как единого блока без необходимости их разделения на морском дне. Это также гарантирует, что доставленная на берег турбина T по-прежнему закреплена на основании B и может полностью опираться на основание и на земле, где может быть проведена проверка и/или соответствующие ремонтные работы. Таким образом, исключается необходимость перемещения турбины на отдельную опору, что является сложной и долгой операцией, повышающей риск повреждения турбины T.

Группа изобретений относится к системе подъема гидроэлектрической турбины. Система 10 содержит основание В, турбину Т, установленную основании В, и раму, имеющую проем, позволяющий продвигать раму вокруг установленной на основании В турбины Т посредством указанного проема. Рама содержит группу соединителей 28, выполненных с возможностью сцепления с указанным основанием В так, чтобы обеспечить возможность подъема турбины Т и основания В как единого блока. Группа изобретений направлена на упрощение подъема системы и сокращение времени выполнения этой работы, 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система подъема гидроэлектрической турбины для подъема установленной на основании гидроэлектрической турбины, причем система содержит: основание; турбину, установленную на указанном основании; и раму, имеющую проем, позволяющий продвигать раму вокруг установленной на основании турбины через посредство указанного проема, отличающаяся тем, что рама содержит группу соединителей, выполненных с возможностью сцепления с указанным основанием так, чтобы обеспечить возможность подъема турбины и основания как единого блока.

2. Система по п. 1, в которой указанное основание содержит соответствующие соединители, выполненные с возможностью сцепления с группой соединителей на раме.

3. Система по п. 2, в которой указанные соединители на раме и соединители на основании расположены так, что их совмещение можно осуществить за счет вертикального перемещения относительно друг друга.

4. Система по п. 1, в которой указанная рама имеет по существу U-образную форму.

5. Система по п. 1, в которой рама содержит одну или более направляющих, способствующих выравниванию рамы с основанием.

6. Система по п. 5, в которой указанная одна или более направляющих неподвижно закреплены на месте.

7. Система по любому из пп. 5 или 6, в которой по меньшей мере одна из указанных направляющих содержит демпфер, установленный для сцепления с турбиной и/или основанием, когда рама по существу выровнена с основанием, для прекращения ее дальнейшего перемещения относительно основания.

8. Система по п. 7, в которой демпфер содержит поперечину, проходящую между парой противолежащих штанг рамы.

9. Система по п. 8, в которой указанный демпфер выполнен с возможностью упругого деформирования для предотвращения повреждения турбины и/или основания при соприкосновении с ним.

10. Система по п. 2, в которой каждый соединитель на раме содержит подъемное приспособление с гидравлическим приводом, и каждый соединитель на основании содержит соответствующий стыковочный узел, в котором указанное подъемное приспособление может быть обратимо зафиксировано.

11. Система по п. 1, в которой соединители на раме и/или на основании закреплены с помощью креплений, допускающих ограниченное перемещение указанных соединителей.

12. Система по п. 1, содержащая один или более датчиков, выполненных с возможностью детектирования соприкосновения и надлежащего выравнивания рамы с турбиной и/или основанием.

13. Система по п. 1, содержащая один или более датчиков, формирующих изображение.

14. Способ подъема с морского дна гидроэлектрической турбины, установленной на основании, включающий в себя следующие этапы:
опускание подъемной рамы, имеющей проем, с установочного судна в положение, близкое в плане к турбине, установленной на основании;
продвижение рамы вокруг турбины через посредство указанного проема;
присоединение рамы к основанию; и
подъем основания и турбины с морского дна как единого блока.

15. Способ по п. 14, включающий в себя, перед этапом присоединения рамы к основанию, по существу вертикальное опускание рамы для сцепления с основанием.

16. Способ по любому из пп. 14 или 15, включающий в себя этап прекращения горизонтального перемещения рамы за счет соприкосновения турбины с демпфером, установленным на раме, когда рама по существу выровнена с основанием.

17. Способ по п. 14, предусматривающий, на этапе присоединения рамы к основанию, вставку группы соединителей на раме в соответствующую группу соединителей на основании.

18. Способ по п. 14, включающий в себя этап осуществления указанного способа при прибывающем приливе и позиционирование подъемной рамы ниже по приливу относительно турбины перед опусканием рамы в положение, близкое в плане к турбине.

19. Способ по п. 14, включающий в себя этап снабжения подъемной рамы энергией по силовому кабелю, подключенному между установочным судном и указанной рамой, и управление кабелем посредством позиционирования кабеля в воде ниже по приливу относительно указанной рамы.