МикроГЭС Советский патент 1992 года по МПК F03B13/00 

te/

СА)

Изобретение относится к энергетике, а именно к нетрадиционным источникам энергии, и может быть использовано для электрификации труда и быта населения, проживающего в районах, не имеющих по- стоянного электроснабжения: в подсобных хозяйствах, коллективных садах, лесниками, чабанами, на базах отдыха и других стационарных и нестационарных пунктах.

Известны разные конструкции Микро (в литературе встречаются термины: Мини, Переносная, Походная, Автономная) ГЭС (МкГЭС), разработанные в Советском Союзе - в Киргизском НИОЭ (г.Фрунзе), Ленинградском СКВ Тидротурбомаш, Харьковском турбинном заводе им. С.М.Кирова, Чебоксарском заводе Электрозапчасть, Сызранском турбостроительном заводе.

Как правило, конструкции МкГЭС пере- численных предприятий включают водозабор, водоподводящий тракт, гидротурбину, электрический генератор, регуляторы частоты, мощности и напряжения. Гидротурбина и электрогенератор изготовляются отдельно и соединяются между собой валами, ,

Известна МикроГЭС (разработанная Харьковским турбинным заводом им. С.М.Кирова), где гидротурбина пропеллер- ного типа встроена в генератор с полым ротором. Агрегат прямоточный. В подводящем и отводящем патрубках закреплены цилиндрический направляющий аппарат и специальная опора с обтекателем, в кото- ром расположены радиально-упорные подшипники (керамические) для вала рабочего колеса. В качестве генератора используется асинхронный двигатель с короткозамкну- тым ротором. Для регулирования мощно- сти, частоты и напряжения электрического тока использована дополнительная управляемая балластная нагрузка. В качестве источника реактивной мощности, необходимой при асинхронном генераторе, применена батарея конденсаторов.

Недостатками описанной МкГЭС является расположение рабочего колеса внутри вала ротора генератора. Для обеспечения соответствующего расхода воды на ГЭС с напорами до 10-15 м (зона работы гидроэлектростанций, где удельная величина расхода воды на 1 кВт мощности максимальная) приходится диаметр вала и соответственно энергоблока увеличивать, чтобы получить турбину необходимой пропускной способности при умеренных потерях энергии. Некоторое увеличение потерь энергии неизбежно из-за того, что поток воды, поступающий из напорного тракта во

внутрь полого вала генератора, вращающегося с высокой частотой, также начинает вращаться, потребляя для этого энергию. Потери энергии возникают при этом также из-за ухудшения эффекта восстановления отсасывающей трубы. Недостатком является также опасность попадания влаги на обмотки статора и ротора, что снижает надежность и безопасность эксплуатации. Поскольку из-за сложности выполнения из состава конструкции исключен вентилятор, то ухудшены условия охлаждения статора генератора. При этом возникает необходимость снижения плотности тока в его обмотке и, значит, соответственно увеличение веса и размеров. Крепление активных узлов ротора генератора на лопастях рабочего колеса требует увеличения их прочности, повышает трудности центровки.

Известна также разработанная Киргизским НИОЭ Карманная ГЭС, содержащая водозаборное устройство, напорный тракт, гидротурбину с направляющим аппаратом и рабочим колесом, генератор и элек- тронную систему управления. Агрегат МкГЭС создан сочленением турбины типа Банки со стандартным электрическим генератором переменного тока. Водовод к агрегату - гибкий, рукавный. Генератор с турбиной соединяется через ременную передачу. Регулирование параметров электроэнергии производится автоматически при помощи блока стабилизации частоты и напряжения с использованием балластной нагрузки. Напряжение 220-380 В, частота 50 Гц.

Недостатком аппарата является то, чтсГ он создан на базе турбины типа Банки, которая имеет низкие КПД и быстроходность. Из-за этого появляется необходимость соединения турбины с электрическим генератором через устройство повышения скорости вращения, в данном случае через ременную передачу, что еще более снижает КПД, увеличивает вес, снижает надежность в эксплуатации.

МкГЭС частот переносятся с одного места на другое в условиях бездорожья. Обычно они используются в местах, где отсутствуют соответствующие мастерские и персонал для ремонта. Поэтому для них особое значение приобретают требования максимального снижения веса, экономичности и надежности в работе.

Целью изобретения является выполнение именно этих требований. Указанная цель достигается тем, что в энергоблоке МкГЭС гидротурбину и генератор превращают в один агрегат, поместив синхронный генератор внутри отсасывающей трубы гидоотурбины, т.е. генератор вмонтирован в турбину. При этом генератор располагается за рабочим колесом, где напор воды уже сработан. Для этого отсасывающая труба выполняется несколько большой по диамет- ру и по длине, чтобы в ней поместить генератор и поддержать разрежение. Размещение генератора в этой зоне упрощает выполнение его уплотнений от попадания влаги. Итак, уплотнение подвижной части (вала) генератора размещено в зоне с минимальным давлением воды в блоке агрегата МкГЭС, между турбиной и генератором. При этом генератор, кроме специального узла уплотнения, дополни- тельно подстрахован еще уловителем воды с дренажным устройством, выводящим ее наружу, в случае попадания. В генераторе водою охлаждается непосредственно статор, для чего кожух выполняется из матери- ала повышенной теплопроводности, например из сплава алюминия и плотно надевается на сердечник статора. При этом возникает возможность для значительного увеличения его электрической нагрузки (плотности тока в обмотках). Размеры, вес и стоимость генератора и, соответственно, всего энергоблока снижаются. Отпадают все вышеотмеченные (характерные для прототипа) источники потерь энергии.

Обычно в гидрогенераторах капсульно- го выполнения не только средней, но даже и малой мощности кожух является элементом несущей конструкции, выдерживающим удары плавающих предметов, льда, высокие нагрузки от внешнего давления воды. Охлаждение осуществляется воздухом обдуванием их активных элементов (сердечников и обмоток). В некоторых конструкциях при этом сам воздух охлаждается водою, омывающей кожух с наружными специальными воздухоохладителями. Охлаждение таких генераторов отводом тепла непосредственно от их кожухов практически невозможно. На МкГЭС сочетание низких напоров и малых диаметров статоров (допускающих уменьшение толщины кожухов до 2-3 мм), небольшие толщины цилиндров сердечников статоров и расстояния до пазов в них от наружных поверхностей (1,5-2 см) (облегчающие теплоотвод от обмотки) и, наконец, относительно большие удельные величины поверхностей цилиндров статоров микромашин по сравнению с крупными ГЭС (известно, что с уменьшением разме- ров тела удельные поверхности его возрастают), также способствующие усилению теплоотводов, позволяют создать вышеуказанным способом высокоиспользованный гидрогенератор, в котором в 1,5-2 раза увеличиваются допустимые электрические нагрузки.

В МкГЭС оригинально решена конструкция оголовка водозабора (входная часть водозаборного устройства). Опыт эксплуатации малых ГЭС и МкГЭС показал, что решетки водозабора частот засоряются и их очистка, особенно в дождливую погоду, создает определенные трудности. В вышеперечисленных МкГЭС Киргизского НИОЭ оголовок водозабора выполнен в виде цилиндра, а Ленинградского СКВ Тидромаш - в виде прямоугольной коробки, покрытой сеткой. В предлагаемой конструкции для увеличения поверхности и промежутка времени между очистками оголовок водозабора выполнен пакетным. Пакет составляется из нескольких более узких коробок, покрытых сеткой. Коллектор, на котором собирается пакет из этих коробок, может быть прямоугольной формы или в виде цилиндра. Для составления пакета на коллекторе выполняются окна с пазами, а на основаниях коробок - полочки, Каждая отдельная коробка легко снимается с коллектора для очистки или ремонта.

С целью организации водоподвода к водозаборному оголовку, и углубления последнего под водою для устранения возможности захвата воздуха в напорный водовод, а также для создания условий хотя бы частичного осветления воды отстоем насосов, желательно соорудить небольшой напорный бассейн. Сооружение такого бассейна иногда, особенно при скальных основаниях, затруднительно. Поэтому к МкГЭС прилагаются несколько (около 10 шт.) пустых мешков размером примерно 30 х 40 см из плотной материи (например, парусины). Чтобы соорудить с их помощью плотину, они заполняются речным песком, глиной и т.п. При переносе МкГЭС заполнитель из мешков для облегчения веса высыпается и вновь заполняется, если есть необходимость, на новом месте установки.

Выход воды из турбины обычно носит довольно бурный характер. Чтобы повысить комфорт и технику безопасности эксплуатации более организованным отводом воды от места работы МкГЭС, отсасывающая труба турбины снабжена соединенным с ней матерчатым рукавным отводом около 1-1,5 м. Диаметр этого водоотвода на входе равен диаметру отсасывающей трубы. Для экономии материала и исключения попадания воздуха диаметр постепенно уменьшается, оставаясь на выходе несколько большим диаметра водоподвода к агрегату.

Требуемое качество электроэнергии обеспечивают следующим образом. Турбина и генератор рассчитываются на задаваемые параметры1 мощность, напор и расход воды, обороты, напряжение и частоту электрического тока. Регуляторы напряжения и частоты не предусматриваются Вместо них к агрегату кроме полезной подключают еще дополнительно балластную нагрузку (например, емкость воды с электронагревателем). При изменении полезной нагрузки потребителя, чтобы сохранить частоту и напряжение электрического тока постоянными, регулируют не расход воды через турбину и ток возбуждения генератора, а поддерживают постоянной общую нагрузку агрегата, изменяя потребляемую балластной нагрузкой величину мощности при помощи электронной схемы управления. Нагреваемая вода может быть использована в быту.

Использование синхронного генератора дает возможность отказаться от дополнительного источника реактивной энергии в виде батареи конденсаторов и обеспечить меньшие колебания напряжения при изменениях нагрузки и оборотов, характерных для асинхронных генераторов. При этом легче создать и устройство плавного регулирования напряжения Это снижает общий вес и стоимость МкГЭС Повышается надежность эксплуатации в том числе исключается возможность выхода агрегата в разгонные режимы и связанные с этим опасности разрушения ротора генератора Меньшие колебания напряжения обеспечивают хорошую работу приемников электроэнергии (что очень важно, например, для телевизоров, ламп освещения) и комфорт в быту.

Совокупность перечисленных элементов привело к простой, экономической и надежной конструкции МкГЭС.

На фиг.1 изображена МкГЭС; на фиг.2 - функциональная схема стабилизации режима агрегата по частоте и напряжению.

МкГЭС имеет водозаборное устройство 1, водонапорный тракт 2, направляющий аппарат 3 с обтекателем, камеру 4 рабочего колеса, конус 5 отсасывающей трубы, выходную часть 6 отсасывающей трубы, водо- отврд 7. Внутри отсасывающей трубы на распорках 8 закреплен синхронный генератор 9 с кожухом 10, плотно насаженным на наружную поверхность сердечника его статора 11, Вал ротора 12 генератора через уплотнение 13 выведен в камеру 4 рабочего колеса и на него насажено рабочее колесо 14. Электрические провода из корпуса генератора к распределительному щиту выведены через уплотнения 15. Напорный бассейн и плотина ГЭС сооружены из мешков 16.

МикроГЭС работает следующим образом

Вода из напорного бассейна, созданного при помощи мешков 16 (заполненных ме- стным материалом), попадает в водозаборное устройство 1 (выполненное в виде пакета из сьемных коробок, покрытых

сеткой), затем через водонапорный тракт 2 и направляющий аппарат 3 - в рабочее колесо 14. Из рабочего колеса вода, проходя конус 5 отсасывающей трубы, попадает в выходную ее часть 6. При этом вода омывает

кожух 10 статора 11 генератора 9 и охлаждает его, так как кожух плотно насажен на сердечник и выполнен из материала высокой теплопроводности. Из отсасывающей трубы отработанная вода сбрасывается наружу, несколько удаляя ее рукавным отводом 7. Для экономии материала и исключения возможности попадания воздуха диаметр рукавного отвода постепенно уменьшается так, чтобы сечение его в конце

оставалось примерно на 50% больше сечения водоподвода к агрегату.

Электронный стабилизатор режима работы агрегата (фиг.2), регулирующий частоту и напряжения электрического тока, создан

с использованием балластной нагрузки 17 Ее потребляемая мощность регулируется при изменении полезной нагрузки 18 или частоты. Стабилизатор состоит из управляемого диодно-тиристорного выпрямителя

19 и органа функционального управления 20.

Орган функционального управления стабилизатора режима работы агрегата МкГЭС может обеспечить управление по частоте или по напряжению. При управлении по частоте орган выполняется на базе частотного дискриминатора, настроенного на частоту 50 Гц, При изменении скорости вращения турбины на выходе частотного дискриминатора появляется сигнал Дт, пропорциональный величине изменения частоты, который преобразуется в фазовый сдвиг управляющих импульсов тиристоров Этот фазовый сдвиг, изменяя угол открытия

тиристоров, меняет потребляемую мощность управляемой балластной нагрузки и, соответственно, стабилизирует режим работы МкГЭС

При управлении по напряжению измерительным органом является стабилитрон- ный мост сравнения, настроенный на напряжение 220 В При изменении режима генератора, вызванного изменением нагрузки, или водотока на выходе моста сравнения появляется сигнал Л U, пропорциональный величине изменения напряжения. Этот сигнал в схеме управления преобразуется в фазовый сдвиг управляющего импульса и по ней, как в вышеописанной схеме, стабилизируется режим работы МкГЭС.

Технико-экономическое сравнение с другими МкГЭС показало, что заявляемая конструкция МкГЭС примерно на 25-35% мень- ше по весу и стоимости, обеспечивает повышение КПД на 5-8%. Она не загрязняет окружающую среду, т.е. экологически чиста, работает в автоматическом режиме, без персонала. Конструкция ее сравнительно проста, транспортабельна и позволяет легко монтировать и демонтировать отдельные узлы.

Формулаизобретения

1. МикроГЭС, содержащая водозаборное устройство, напорный тракт, гидротурбину с направляющим аппаратом и рабочим колесом, отсасывающую трубу, электрогенератор со статором, имеющим сердечник и кожух, балластную нагрузку и электронную

систему управления для стабилизации частоты и напряжения электрического тока, о т- личающаяся тем, что генератор выполнен синхронного типа, размещен в отсасывающей трубе и снабжен уплотнением, размещенным между турбиной и генератором в зоне минимального давления воды, а кожух статора плотно посажен на сердечник.

2.МикроГЭС поп.1,отличающая- с я тем, что кожух статора выполнен из материала с высокой теплопроводностью, например из сплавов алюминия.

3.МикроГЭС поп.1,отличающая- с я тем, что входная часть водозаборного устройства выполнена в виде пакета из съемных коробок, покрытых сеткой.

4.МикроГЭС по пп. 1-3, отличающаяся тем, что она снабжена напорным бассейном, стенки которого выполнены из мешков, выполненных грунтовыми материалами, например песком или глиной.

5.МикроГЭС по пп. 1-4, отличаю- ща я с я тем, что отсасывающая труба снабжена соединенным с ней матерчатым рукавным отводом.

Изобретение относится к энергетике, МикроГЭС снабжена водозаборным устройством 1, водонапорным трактом 2, направляющим аппаратом 3 с обтекателем и камерой 4 рабочего колеса. Конус 5 отсасывающей трубы соединен с ее выходной частью 6, а последняя - с водоотводом 7, Синхронный генератор 5 с кожухом 10 закреплен на распорках 8, Кожух 10 насажен на сердечник статора 11, Рабочее колесо 14 размещено на валу ротора 12. Последний снабжен уплотнителем 13. Корпус генератора снабжен уплотнениями 15 для вывода проводов. Напорный бассейн и плотина сооружены из мешков 16. Такое выполнение МикроГЭС позволит повысить КПД и надежность ее работы, а также снизить ее вес и габариты. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

фиг.2