Береговая проточная гидроэлектростанция Российский патент 2023 года по МПК F03B13/00 E02B9/00 

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности, к конструкциям установок для преобразования энергии течения воды в электрическую энергию.

Известна автономная водопогружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция (патент РФ №2324068, МПК F03B 17/06, опубликовано 10.05.2008 г.), содержащая наземный блок, включающий электрораспределительное устройство, неподвижно закрепленный водопогруженный модуль, включающий электрогенератор, расположенный ниже уровня воды в герметичном корпусе и соединенный с наземным блоком водостойким электрокабелем, гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенной через расположенную в гондоле и выполненную в виде мультипликатора зубчатую передачу с валом электрогенератора, электрогенератор расположен по ходу течения за мультипликатором в общей с ним гондоле, которая снабжена устройством для откачки воды из ее нижней части, коническая решетка выполнена из плоских элементов, по крайней мере, часть из которых выполнена с возможностью их поворота относительно продольных осей и снабжена для этого приводом.

Недостатком указанного технического решения является сложное конструктивное исполнение.

Известна гидроэлектростанция на потоке (патент RU 2148184 С1, МПК F03B 13/00, опубл. 27.04.2000 г.), преобразующая механическую энергию проточной воды в электрическую, агрегатами, имеющими лопасти для восприятия воздействия потока, закрепленными на горизонтальных рамах, имеющих сборную конструкцию, перемещающихся по направляющим береговых опор, заделанных в грунт. Рама размещена над каналом (руслом) и перемещается вверх-вниз, на ней смонтированы колеса с лопастями агрегата, погруженные в воду и соединенные с электрогенератором. Перед агрегатом смонтирован регулятор потока воды. На дне канала (русла) выполнена набетонка, создающая оптимальную геометрию потока в вертикальном сечении. Вертикальные перемещения рамы по направляющим обеспечивают оптимальное погружение лопастей при изменении уровня воды в канале (русле). Для увеличения мощности гидроэлектростанции в канале размещается несколько агрегатов.

Недостатком указанной гидроэлектростанции является необходимость в выполнении строительно-монтажных работ в стенках канала и на его дне. Поскольку наличие естественного русла с вертикальными стенками и необходимыми скоростными характеристиками потока маловероятно, потребуется создание специального канала и его оборудование. Гидротехнические работы при сооружении такой гидроэлектростанции значительны по объему и дорогостоящи.

Известна также гидроэлектростанция (патент RU 2088724 С1, МПК Е02 В 9/00, опубл. 27.08.97), включающая плавучий элемент, закрепленный в потоке воды в реке с возможностью вертикального перемещения при изменении уровня воды, и закрепленную на плавучем элементе проточную часть, между входным раструбом и выпускным трубопроводом, на котором установлена гидротурбина, соединенная с генератором, причем концевой участок выпускного трубопровода плавучего элемента расположен за его пределами под уровнем воды и выполнен с увеличивающейся по направлению движения потока площадью поперечного сечения, причем поперечное сечение концевого участка выпускного трубопровода имеет многолепестковую форму или концевой участок выпускного трубопровода разветвлен на две и более трубы, а сам плавучий элемент размещен в проране.

Недостатками такой гидроэлектростанции являются сложность и нетехнологичность конструкции, обусловленные наличием катамарана и, особенно, сложной конструкцией водовода с плавно изменяющимися его сечением и формой. Кроме того, такая гидроэлектростанция требует создания гидротехнических сооружений: канала и насыпи с прораном определенного размера в нем.

Известна автономная водопогруженная свободнопоточная микрогидроэлектростанция (патент на полезную модель №23317, МПК: F03B 13/00, опубликовано 10.06.2002 г.), содержащая электрогенератор, неподвижно закрепленный водопогруженный модуль, включающий гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенной через расположенную в гондоле зубчатую передачу с валом электрогенератора, причем электрогенератор размещен ниже уровня воды и установлен в герметичном корпусе, соединенном с гондолой мультипликатора, вертикально расположенной герметичной трубой, размеры которой выбраны исходя из условий образования в районе электрогенератора воздушной подушки, достаточной для предотвращения проникновения воды в корпус электрогенератора. Применение на погруженной микрогидроэлектростанции типового электрогенератора привело к герметизации корпуса, в котором он размещен и к использованию зубчатой передачи - мультипликатора.

Недостаток такой гидроэлектростанции - сложность и нетехнологичность конструкции герметичного корпуса и привода с механическим мультипликатором, снижающие надежность установки и приводящие к большой трудоемкости и стоимости ее изготовления.

Известна береговая гидроэлектростанция (патент РФ №2023903, МПК F03B 13/00, опубликовано 30.11.1994 г.), имеющая водозаборный трубопровод ориентированный входом против потока воды Трубопровод выполнен Г-образным, его входной участок - конфузорным. Водозаборные трубопроводы подключены к водоподъемным участкам с образованием V-образных каналов. Каналы сообщены между собой последовательно. Выход каждого предыдущего канала расположен выше входа последующего. Водоподъемные участки установлены на берегу в один или несколько рядов. Электрогенераторы размещены внутри водоподъемного участка.

К недостаткам указанного аналога можно отнести наличие береговых каналов, требующих большого объема дорогостоящих гидротехнических работ при ее сооружении, а также подводное расположение элекрогенерирующего оборудования, удорожающее стоимость, снижающего надежность и долговечность его работы.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является гидроэлектростанция (патент РФ №2342486, МПК Е02 В 9/00, F03B 13/10, опубликовано 27.12.2008 г.), содержащая открытое распределительное устройство, генераторы синхронные горизонтальные капсульные гидротурбинные, помещенные в интенсивный поток воды, при этом в гидроэлектростанцию введены платформа-основание, вертикальные стойки-направляющие, спускоподъемный механизм и технологическая платформа, а указанные синхронные генераторы объединены, по крайней мере, в две вертикальные площадные сотово-капсульные системы и подвешены попарно и подвижно над и/или под водной поверхностью с помощью спускоподъемного механизма к стойкам-направляющим, нижние концы этих стоек-направляющих укреплены на платформе-основании, установленной на дне интенсивного водного потока, площадные сотово-капсульные системы синхронных генераторов установлены подвижно в направляющих, связанных с дном анкерно-тросовыми креплениями, а над водной поверхностью на направляющих установлено открытое распределительное устройство.

Недостатками указанного технического решения является высокая стоимость, а также сложность изготовления гидротурбины, выполненной капсульной, а также возможность торможения турбины ввиду расположения лопастей перпендикулярно потоку в широком диапазоне глубин, а известно, что скорость потока переменна по глубине и чем ближе к поверхности, тем она больше. К тому же такая гидроэлектростанция может работать только на водном потоке, имеющим большую скорость и глубину, что практически невозможно на речных акваториях, так как в верховьях рек есть высокая скорость, но нет глубины потока, а в равнинных частях есть глубина, но крайне низкая скорость водного потока.

Заявляемое изобретение решает техническую проблему создания эффективной проточной гидроэлектростанции с возможностью ее работы при небольших скоростях водного потока без потери мощности от разности расположения рабочих роторов турбины по глубине и в широком диапазоне возможных глубин водного потока.

Техническая проблема решается тем, что береговая проточная гидроэлектростанция, содержит гидравлическую турбину, установленную на турбинной платформе, представляющую собой сборную конструкцию, установленную на свайное основание на дно водоема, в отличие от прототипа, сборная конструкция выполнена из железобетонных панельных элементов и включает в себя донный корпус, опорную плиту, рабочий корпус, по меньшей мере, один промежуточный корпус, верхний корпус; гидравлическая турбина выполнена в виде закрепленных на ведущий вал рабочих роторов, с возможностью свободного их вращения в рабочем корпусе железобетонной конструкции; у верхнего конца ведущего вала, расположенном над верхним краем турбинной платформы над уровнем воды, закреплен ведущий шкив большого диаметра, соединенный посредством транспортерно-ременной передачи с ведомым шкивом повышающего редуктора, соединенного через предохранительную муфту с мультипликатором, соединенным через предохранительную муфту с масляным насосом, входящим в гидродинамическую передачу, гидромотор которой, установленный в береговом помещении, обеспечивает вращение электрогенератора. Транспортерно-ременная передача представляет собой пятислойную десятисантиметровую транспортерную ленту, причем в трех крайних смежных слоях, распложенных у внутренней поверхности, выполнены отверстия для исключения пробуксовывания ведомого шкива.

Турбинная платформа предлагаемого изобретения в отличие от прототипа состоит из простых и дешевых в изготовлении железобетонных панельных элементов, которые можно производить на любом предприятии по выпуску железобетонных строительных панелей, на типовом оборудовании. Небольшой размер панельных элементов составных частей турбинной платформы (донного корпуса, плиты основания, рабочего, промежуточного и верхнего корпусов) в значительной степени упрощает их сборку и монтаж на постоянное место. Такое конструктивное решение турбинной платформы позволяет использовать для строительства гидроэлектростанции не только глубокие водоемы, но и водные акватории с широким диапазоном глубины водного потока.

Гидравлическая турбина в предлагаемом изобретении очень простая по конструкции она имеет вал, собранный из буровых штанг, на котором закреплены несколько рабочих роторов в зависимости от глубины водного потока, с наличием у них 24-х или 48-ми рабочих поворотных лепестков, которые позволяют получить большую рабочую поверхность контакта с водным потоком, что обеспечивает получение приемлемой мощности от работы ротора даже при скорости течения воды меньше 1 метра в секунду. Гидравлическая турбина прототипа при таких скоростях течения воды эффективно работать не может.

Кинематическая схема турбинной платформы, включающая ведущий шкив, имеющий большой диаметр (в предлагаемых чертежах 3470 мм), транспортерно-ременную передачу, ведомый шкив повышающего редуктора, повышающий редуктор, предохранительную муфту, мультипликатор, предохранительную муфту, обеспечивает увеличение числа оборотов ведомого вала после мультипликатора до значений, обеспечивающих эффективную работу масляного насоса, входящего в гидродинамическую передачу, гидромотор которой, установленный в береговом помещении, обеспечивает вращение электрогенератора. Такое конструктивное решение передачи вращения гидротурбины электрогенератору позволяет разместить токогенерирующее оборудование в береговых помещениях станции, что удешевляет его стоимость и значительно увеличивает его надежность и срок эксплуатации.

Стационарная береговая проточная гидроэлектростанция может включать в себя любое количество береговых проточных комплексов (БПК), состоящих из нескольких (до 25) турбинных платформ.

Ведущий вал, может быть изготовлен из буровых штанг, соединенных муфтами. Гидравлическая турбина в зависимости от глубины водного потока может состоять из нескольких 24 или 48 лепестковых рабочих роторов.

Устройство поясняется фигурами:

Фиг. 1 - Турбинная платформа

Фиг. 2 - Свайное основание платформы

Фиг. 3 - Донный корпус платформы

Фиг. 4 - Опорная плита платформы

Фиг. 5 - Рабочий корпус платформы

Фиг. 6 - Промежуточный корпус платформы

Фиг. 7 - Верхний корпус платформы

Фиг. 8 - Ведущий вал рабочей турбины и составляющие ее ротора

Фиг. 9 - Ротор турбины с поворотными рабочими лепестками

Фиг. 10 - Начало кинематической схемы (ведущий шкив, ведомый шкив, повышающий редуктор)

Фиг. 11 - Транспортерно-ременная передача

Фиг. 12 - Узлы кинематической схемы платформы

Фиг. 13 Начало гидродинамической передачи (масляный насос, масляная магистраль высокого давления)

Фиг. 14 Схема расположения узлов в береговом помещении БПК

Береговая проточная гидроэлектростанция состоит из определенного числа береговых проточных комплексов (БПК) (их число определяется необходимой мощностью станции), включающих в свой состав несколько (до 25) турбинных платформ, каждая из которых представляет собой сборную железобетонную конструкцию 1 (фиг. 1), установленную на свайное основание 2 (фиг. 2) на дно водоема. Сборная железобетонная конструкция 1 турбинной платформы включает в себя донный корпус 3 (фиг. 3), опорную плиту 4 (фиг. 4), рабочий корпус 5 (фиг. 5), по меньшей мере, один промежуточный корпус 6 (фиг. 6), верхний корпус 7 (фиг. 7). Число промежуточных корпусов 6 в турбинной платформе определяется ее нахождением в БПК, так как каждая последующая турбинная платформа смещается вглубь русла реки, относительно предыдущей для повышения эффективности ее работы и величиной поднятия на реке паводковых вод с таким расчетом, чтобы верхний корпус 7 турбинной платформы ими не затапливался. Гидравлическая турбина 8 (фиг. 1) устанавливается на турбинной платформе и представляет собой закрепленные на ведущий вал 9 рабочие роторы 10, которые выполнены с возможностью свободного их вращения в рабочем корпусе 5 железобетонной конструкции (фиг. 8).

Рабочие роторы 10 (фиг. 9) гидравлической турбины 8 выполнены из 24-х или 48-ми поворотных рабочих лопастей. Число поворотных рабочих лопастей в роторе зависит от скорости движения водного потока в речных акваториях. Там, где его скорости больше 1 м/сек, турбина будет эффективно работать и с 24 поворотными рабочими лопастями. А там, где скорость течения меньше 1 м/сек для эффективной работы гидротурбины нужно увеличивать число поворотных рабочих лопастей на ее роторах до 48.

Верхний край турбинной платформы расположен над уровнем воды. У верхнего конца ведущего вала 9, расположенном над верхним краем турбинной платформы, закреплен ведущий шкив большого диаметра 11 (фиг. 10), соединенный транспортерно-ременной передачей 12 с ведомым шкивом 13 повышающего редуктора 14. Транспортерно-ременная передача 12 представляет собой пятислойную десятисантиметровую транспортерную ленту, в трех крайних смежных слоях, которые распложены у внутренней поверхности, относительно натяжения, выполнены отверстия 15 (фиг. 11) для исключения пробуксовывания ведомого шкива 13. Повышающий редуктор 14 соединен через предохранительную муфту 16 с мультипликатором 17 (фиг. 12). Мультипликатор 17 через предохранительную муфту 18 соединен с масляным насосом 19 (фиг. 13), входящим в гидродинамическую передачу.

Гидродинамическая передача представляет собой масляный насос 19, имеющий масляную магистраль высокого давления 20, соединенную со впускным клапаном 21 (фиг. 14), стоящим на емкости высокого давления масла 22, соединенной подводящим маслопроводом 23 с гидромотором 24, соединенным с электрогенератором 25. Отводящие маслопроводы 26 соединены с емкостью низкого давления 27, которая соединена с масляной магистралью низкого давления 28 масляного насоса 19.

Впускные клапаны 21, емкости высокого давления масла 22, подводящий маслопровод 23, гидромотор 24, электрогенератор 25, отводящий маслопровод 26, емкость низкого давления 27 расположены в береговом помещении 29.

Ведущий вал 9 с помощью корпусов с подшипниками 30 (фиг. 7) и 31 (фиг. 4) крепится в верхней и нижней частях турбинной платформы.

Береговая проточная гидроэлектростанция работает следующим образом:

Отдельные части платформы монтируют на берегу из железобетонных плит, а потом на постоянном месте собирают в цельную конструкцию. На свайное основание 2 (фиг. 2) на дне реки первым устанавливают донный опорный корпус 3 (фиг. 3). В него вставляется опорная плита 4 (фиг. 4) в центральное отверстие которой для корпуса с подшипником 31 крепят нижний конец ведущего вала турбины 9. На опорную плиту 4 устанавливают рабочий корпус платформы 5, где размещаются рабочие роторы турбины 10. Их число зависит от глубины водного потока и может колебаться от 1 до 6 на речных вариантах береговых турбинных платформ. На рабочий корпус платформы 5 устанавливается один или несколько промежуточных корпусов 6, а на него верхний корпус 7 турбинной платформы.

В верхнем конце ведущего вала 9 гидротурбины закреплен ведущий шкив большего диаметра 11 (фиг. 10), передающий вращение посредством специальной транспортерно-ременной передачи 12 на ведомый шкив повышающего редуктора 13, с повышающего редуктора 14 через предохранительную муфту 16 вращение передается на мультипликатор 17 (фиг. 11), соединенный через предохранительную муфту 18 с масляным насосом 19, вращение которого обеспечивает создание давления в масляной магистрали высокого давления 20 (фиг. 13), предающую его в береговое помещение БПК 29 (фиг. 14) через впускной клапан 21 в емкость высокого давления масла 22, соединенной подводящим маслопроводом 23 с гидромотором 24, приводящим в действие электрогенератор 25, и отводящим маслопроводом 26, соединенным с емкостью низкого давления 27 из которой по масляной магистрали низкого давления 28 масло вновь поступает в масляный насос 19 для следующего цикла работы гидродинамической передачи.

Полученная от электрогенераторов электроэнергия на данном береговом проточном комплексе (БПК) передается на электроподстанцию ГЭС. С электроподстанции электроэнергия поступает в систему электрических сетей потребителей.

На гидроэлектростанциях предлагаемого типа малой мощности токорегулирующая аппаратура может устанавливаться и непосредственно в токогенерирующем помещении 29, а потом направляться в локальные сети потребителям.

Береговые проточные гидроэлектростанции могут быть за счет блочной конструкции любой мощности от мобильных (на вездеходных автомобильных шасси для газовиков, нефтяников и военных), до стационарных, способных обеспечить электроэнергией от маленькой отдаленной метеостанции или поселка до целых городов на берегах больших рек.

Стационарный вариант береговой проточной гидроэлектростанции включает в себя несколько береговых проточных комплексов, располагающихся по берегу реки и каждый из которых может иметь до 25 турбинных платформ.

Предлагаемое техническое решение позволяет создавать с минимальными затратами труда, средств и материалов практически любые необходимые площади рабочих поверхностей турбин, а значит и мощности гидроэлектростанций. В сравнении с прототипом его создание значительно проще, дешевле и может использоваться на речных акваториях с широким диапазоном глубин водного потока и его скорости.

Дешевизна создания предлагаемого изобретения во многом определяется, практически полным отсутствием набережных гидротехнических работ. Кроме того монтаж железобетонных платформ-оснований очень простой, заключающийся в последовательной установке их элементов на свайное основание на дно реки.

Нахождение электрогенерирующего оборудования у предлагаемой станции в специальном помещении на берегу позволяет сильно уменьшить его стоимость, но в тоже время значительно увеличить его надежность и долговечность работы.

Для создания предлагаемого типа станций не требуется налаживать производство новых сложных механизмов и агрегатов, а можно комплектовать ее уже серийно выпускаемыми масляными насосами, редукторами, мультипликаторами, гидромоторами и электрогенераторами необходимой мощности. Ведущий вал турбины, как уже выше отмечалось, может быть изготовлен из буровых штанг, соединенных серийными муфтами. Конструкция ведущего шкива позволяет легко изготовить его из листового металла или пластика и метизов необходимого размера. Специальная транспортерно-ременная передача, предлагаемая в изобретении, также легко может изготавливаться из серийно выпускаемых транспортерных лент.

Предлагаемое изобретение может круглогодично эффективно работать на равнинных участках рек с низким перепадом высот по руслу и небольшой скоростью водного потока, а также может быть применено на морских или океанических течениях. Оно позволяет избежать каких-либо отрицательных экологических воздействий на используемую акваторию или ее обитателей, а также не будет мешать судоходству и не окажет отрицательного влияния на ее рекреационные возможности.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения заключается в простоте изготовления гидравлической турбины при преобразовании энергии текущей воды с возможностью работы при небольших скоростях водного потока без потери мощности от разности расположения рабочих роторов турбины по глубине и в широком диапазоне возможных глубин водного потока.

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к береговым проточным гидроэлектростанциям. Гидроэлектростанция содержит гидравлическую турбину, закрепленную на турбинной платформе, представляющую собой сборную конструкцию, установленную на свайное основание на дно водоема. Конструкция выполнена из железобетонных панельных элементов и включает в себя донный корпус, опорную плиту, рабочий корпус, по меньшей мере один промежуточный корпус, верхний корпус. Турбина выполнена в виде закрепленных на ведущий вал рабочих роторов с возможностью свободного их вращения в рабочем корпусе. У верхнего конца ведущего вала, расположенного над верхним краем платформы над уровнем воды, закреплен ведущий шкив, соединенный посредством транспортерно-ременной передачи с ведомым шкивом повышающего редуктора, соединенного через предохранительную муфту с мультипликатором, соединенным через предохранительную муфту с масляным насосом, входящим в гидродинамическую передачу, гидромотор которой, установленный в береговом помещении, обеспечивает вращение электрогенератора. Изобретение направлено на создание эффективной проточной гидроэлектростанции. 2 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Береговая проточная гидроэлектростанция, содержащая гидравлическую турбину, закрепленную на турбинной платформе, представляющую собой сборную конструкцию, установленную на свайное основание на дно водоема, отличающаяся тем, что сборная конструкция выполнена из железобетонных панельных элементов и включает в себя донный корпус, опорную плиту, рабочий корпус, по меньшей мере один промежуточный корпус, верхний корпус, при этом гидравлическая турбина выполнена в виде закрепленных на ведущий вал рабочих роторов с возможностью свободного их вращения в рабочем корпусе железобетонной конструкции, причем у верхнего конца ведущего вала, расположенного над верхним краем турбинной платформы над уровнем воды, закреплен ведущий шкив, соединенный посредством транспортерно-ременной передачи с ведомым шкивом повышающего редуктора, соединенного через предохранительную муфту с мультипликатором, соединенным через предохранительную муфту с масляным насосом, входящим в гидродинамическую передачу, гидромотор которой, установленный в береговом помещении, обеспечивает вращение электрогенератора.

2. Береговая проточная гидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что транспортерно-ременная передача представляет собой пятислойную десятисантиметровую транспортерную ленту, причем в трех крайних смежных слоях, расположенных у внутренней поверхности, выполнены отверстия для исключения пробуксовывания ведомого шкива.

3. Береговая проточная гидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что корпуса турбинных платформ выполнены из сборных железобетонных панельных элементов.