Русловая гидроэлектростанция Советский патент 1993 года по МПК F03B13/10 

гидродинамическое образование (водоворот)..

Направляющие конструктивные элементы образуют два., концентрирующих энергию водного потока узла: вертикальный, выполненный в виде трубы Вентури, конгруэнтно повторяющего архитектуру вихревого нисходящего потока, и горизон- тальн.ый, выполненный в форме расширяющегося усеченного конуса (раструба). Широкий конец конуса обращен навстречу течению, а узкий конец направлен в верхнюю периферийную часть камеры и ориентирует .водный поток по касательной к образующим камеру окружностям.

Вертикальная камера снабжена внизу коленообразным выходным патрубком, а в ее верхней части установлено монтажное кольцо с размещенным на нем гидроагрегатом. Причем вертикальная ось гидроагрегата совпадает с вертикальной осью нисходящего потока. Электрическая часть гидроагрегата (генератор) крепится к монтажному кольцу выше уровня воды, а лопастная часть (турбина) располагается в центральной узкой части камеры, в зоне максимальной гидродинамической эффективности.

В целях максимальной концентрации кинематической энергии водного потока, широкая часть входного патрубка продлевается вдоль своих образующих путем установки в русле навстречу течению двух слегка отклоненных по вертикали к берегу дополнительных гидродинамических экранов - щитов, . . ... .

Все элементы сооружения, исключая электрическую часть гидроагрегата, устанавливаются в русле таким образом, что их верхние кромки выступают от среднего уровня водной поверхности реки. Причем собственно входной патрубок, камера, коленообразный выходной патрубок и монтажное кольцо изготавливаются из прочных конструкционных материалов, а элементы (секции) гидродинамических экранов выполнены из бетона или прочных синтетических полимерных материалов.

Фиксация в русле реки комплекса входной патрубок - камера -коленообразный выходной патрубок обеспечена поплавковой и якорной системами. Причем глубина погружения комплекса (маловодье, ледоход) регулируется уровнем балластной воды в поплавковой системе, а электрическая часть гидроагрегата выполнена во влагоза- щищенном герметичном.исполнении и спо- собна временно функционировать в погруженном состоянии под водой во время ледохода.. .

Гидродинамические щиты - экраны устанавливаются на дне посредством уширенных подошв (фундаментных плит - желобов) и снабжены откосами. Причем каждая секция экрана состоит из малой верхней и большой нижней половин, а малая верхняя часть присоединяется к нижней на штырях и может быть демонтирована;под обрез воды во время ледостава.

С береговыми потребителями связь осуществляется донным кабелем, сооружение оборудовано сигнальными навигационными буями, заградительно-фильтрующимй элементами (сетками), установленными пе5 ред входом потока во входной патрубок, контрольно-измерительными приборами и средствами автоматики.

Коленообразный выходной патрубок ориентирует выходящий поток в направле0 нии естественного течения реки с незначительным угловым отклонением вверх по вертикали, а в прилежащем к колену секторе ложа реки смонтированы дноукреп йтель- ные элементы. Поперек удобного форватера

5

0

ус та н а в л и в а е.тс я не с к о ль к о о дно™ п н ы х гидродинамических объектов, в порядке,не

препятствующем судоходству и другим операциям в форватёре, а ниже и взуше по течению реки этот комплекс гидросооружений аналогично тиражирован в .количестве, не.обходимом для нужд региона.:

На фиг. 1 дана принципиальная схема гидродинамического сооружения, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид сверху.

5 Примеры конкретного исполнения.

Предлагаемое гидродинамическое сооружение (фиг. 1-2) устанавливается в русле 1 реки, имеющей минимальный допустимый сток, способный после его концентрации

0 обеспечить гидродинамическую конверсию (преобразование). В верховьях широких, но мелководных рек (глубина форватера) перед установкой сооружения целесообразно предварительное проведение незначитель5 кого комплекса дноуглубительных работ в районе непосредственного действия сооружения. Собственно гидродинамическое сооружение состоит из направляющих конструктивных элементов, которые уста0 наеливаются преимущественно в глубоком месте реки и создают в районе работы гидроагрегата 2 искусственно организованное вихревое гидродинамическое образование - водоворот. Конструктивные элементы об-.

5 разуют два концентрирующих энергию вод-, ного потока узла: вертикальный-камеру 3, выполненную в виде трубы Вентури, конгруэнтно повторяющую архитектуру вихревого нисходящего потока (водоворота) и горизонтальный - входной патрубок 4. выполненный

в форме расширяющего усеченного конуса. Широкий конец патрубка 4 обращен навстречу течению, а узкий открытый конец направлен в верхнюю периферийную часть камеры 3 и ориентирует водный поток по касательной .к образующим диффузор окружности. Камера 3 в целях оптимизации движения потока снабжена внизу коленооб- разным выходным латрубком 5, вплотную примыкающим к камере 3. В верхней части камеры 3 смонтировано монтажного кольцо б, служащее для усилия конструкции и для крепления на кронштейнах 7 гидроагрегата 2. Соединение камеры Зс кольцом б и отводом 5 в зависимости от типажа (размеров) сооружения может быть выполнено разъемным и неразъемным (сварным). Вертикальная ось гидроагрегата совпадает с вертикальной осью нисходящего потока. Электрическая часть 8 гидроагрегата 2 крепится (разъемное болтовое соединение) к монтажному кольцу б выше среднего, уровня воды в надводном положении, а лопастная часть (турбина) 9 располагается в центральной узкой части камеры 3, в зоне максимальной гидродинамической эффективности. Электрическую, и лопастную 9 часть механически соединяет удлиненный вал 1.0. В остальном конструктивное исполнение гидроагрегата 2 типовое. В целях максимальной концентрации кинематической энергии водного потока, широкая часть патрубка 4 продлена вдоль своих горизонтальных образующих путем установки в русле навстречу течению двух слегка наклоненных по вертикали к берегу дополнительных гидродинамических экранов-щитов 11. Гидродинамические экраны 11 устанавливаются непосредственно на дно реки с учетом его профиля на специальные утяжеленные (бетонные) уширенные подошвы 12 в форме фундаментных плит - желобов с узкой прорезью для вставки экрана. В вертикальном сечении подошва 12 имеет перевернутую на 180°. Т-образную форму с прорезью по оси симметрии.

Гидродинамический экран г сборная конструкция, состоящая из нескольких индивидуальных секций, причем каждая единичная секция экрана состоит из двух частей: фиксированной в жедобе нижней части и мобильной (легко демонтируемой) верхней. Монтаж (демонтаж) верхней части секции на нижнюю обеспечивается путем классического штыревого соединения, аналогично применяемому в строительных легкосъемных конструкциях (лесах). Нижняя часть каждой секции по высоте (вертикали) больше верхней. Величина верхней части секции определяется.индивидуально для

каждой реки с учетом климзто-географиче- скрго фактора таким образом, что в зимнее время при любой максимальной толщине льда верхняя кромка нижней фиксирован5 ной части .секции постоянно находится в воде и не может быть вморожена в ледовый массив, т.е. обеспечивается условие безаварийной зимней и. весенней (ледоход) работы сооружения. На реках южной зоны,

10 ледоход на которых.не является осложняющим работу фактором, секции гидродинамического экрана выполняются цельными неразборными. Секции обоих (левого, правого) экранов слегка (до 70°) наклонены от

15 вертикальной оси к одноименному берегу. Этот; развал гидродинамических экранов обеспечивает их большую устойчивость, которая поддерживается наклонными (45°) откосами 13,. опирающимися на дно через 0 фундаментный башмак. Количество откосов дифференцируется гидродинамическим режимом реки: ее глубиной, скоростью потока, профилем дна-, В целом частота установки откосов 13 увеличивается пропорционально

5 нарастанию гидродинамической нагрузки: частота растет с приближением потока к конусу 4. Материал экранов - наиболее доступный для индустрии данного района - прочные, полимерные синтетические плиты,

0- бетонные сортаменты, металлические лмс: ты, деревянные щиты и пр. Выбор зависит

от характера гидрологического режима реки

и возможностей района. В любом случае

материал должен обеспечить надежность и

5 долговечность при минимальных капитальных издержках.

Закрепление в русле реки комплекса конус - диффузор - коленообразный отвод

0. также ориентировано на реальный гидроло- .гический режим и климато-географические условия. . . .

Работоспособность сооружения зависит от этих, изменений режима. Для двух

5 возможных исполнений (юг-север) наиболее рациональным представляется решение вопроса о закреплении с помощью устройства якбрной 14 и поплавковой 15 систем. Каждая система 14, 15 содержит несколько

0 однородных элементов, которые удерживают сооружение в заданных оптимальных координатах. Поплавковое исполнение обеспечивает возможность гибко менять степень погружения; сооружения в зависи5 мости от осложнений гидрологического режима (поводок, ледоход, лесосплав и пр.). Устройство поплавка просто и позволяет регулировать параметры погружения за счет изменения величины балластной воды. Элементы поплавковой системы оборудованы специальными герметично закрываемыми отверстиями (кингстонами) для управления этой операцией с берега или с надводного средства (камера). Устройство якорной системы 14 типовое и включает известные элементы - трос и якорь (балластный груз), расположенный на дне реки в разных точках. Длину троса можно корректировать устройством, аналогичным, лебедке. Материал из которого изготавливаются патрубки, камера и монтажное кольцо, - сталь или высокопрочный бетон. Для небольших рек все элементы могут быть смонтированы на берегу и залиты бетоном в комплексе, составляющем единое конструктивное :целое. Для рек средней величины рациональным по м-аесовотгабаритным сои об раже нйям будет более крупное сооружение, собранное из отдельных больших элементов, при помощи болтовых соединений, клепки или сварки.

Гидродинамическое сооружение удерживается поплавковой 15 и якорной системами таким образом, что верхние кромки конуса и диффузора несколько выступают из воды и обеспечивают визуальный контроль за состоянием и работой сооружения. Сооружение оборудуется сигнальными навигационными буями.

Непосредственно участок дна под сооружением л ри необходимости (широкое русло, малая глубина) углубляется и во всех случаях эксплуатации укрепляется от размыва бетонными плитами. Предотвращению интенсивного размыва дна служит и ориентация раструба крленообразногр отвода: выходящий поток ориентирован не вдоль дна, а несколько (10-20°) вверх в направлении течения реки.

Гидродинамическое сооружение отличается тем, что поперек русла реки устанавливается несколько (серия) однотипных установок в порядке, не препятствующем обеспечению судоходства и другим хозяйственным операциям в реке. Выше и ниже по течению эта серия гидросооружений может быть аналогично тиражирована на других удобных участках форватера, т.е. увязана в систему небольших гидродинамических сооружений для запитки потребности района или небольшого города.

Гидродинамическое сооружение содержит традиционный комплекс экологической направленности, в том числе заградительные элементы (решетки, сетки) для сохранения рыбьей молоди. Они устанавливаются в створе гидродинамических экранов перед конусом. Исполнение типовое.

Электрическая часть 8 гидроагрегата имеет влагозащитное герметичное исполнение и способна обеспечить функционирование агрегата при его полном принудитель-. ном погружении вместе со всем комплексом (конус - камера) глубже в воду на кратковременный период ледохода или более длительный период ледостава.

Энергия гидроагрегата, передается береговым потребителям донным силовым кабелем. Вместе с силовым кабелем

0 смонтированы коммуникации установленных на сооружении приборов контроля и автоматики. Исполнение типовое (на чертеже не обозначены).

При необходимости (резкие перепады

5 уровня реки) между корпусом 4 и экраном 1 устанавливаются промежуточные элементы переходники. Их назначение - изоляция возможных перётёчёк между кромками конуса и экрана, т.е. оптимизация гидродина0 мичёского режима на входе потока в конус: Смысл их установки ясен из схемы. :

Работа предлагаемого гидродинамического сооружения основана на классических законах гидродинамики и технически реали5 зует эффект водоворота. Гидравликам известно, что динамические параметры подобных природных образований очень велики и степень концентраций энергии потока в них приближается к теоретическому

0 оптимуму/ Рассеянные гидравлические потоки малых рек делают нерациональным ср- . оружение на них гидростатически) объектов (плотин). Данное техническое решение частично уст раня ет .этот недостаток; Работа

5 предложенного гидродинамического сооружения очень проста. Сначала рассеянный видный поток концентрируется гидродинамическими экранами 11, Затем степень концентрации, которую, кратно можно

0 охарактеризовать как скорость потока, усиливается в конусе 4. Из конуса ускоренный гидравлический поток выходит на периферию верхней части камеры 3, где происхО дит трансформация прямолинейного

5 характера движения во вращательное,

Завихренный гидравлический поток в направлении периферия - Центр прогрессирующе увеличивает свою скорость и в зоне центр интенсивно устремляется вниз.

0 В нисходящее движение по вертикали втягиваются и соседние с центральной зоной слои жидкости. Максимум концентрации кинематической энергии потока достигается в средней узкой части камеры 3. Здесь уста5 нааливается лопастная (турбинная) часть гидроагрегата и срабатывается потенциал потока. Скорость вращения турбины достаточно велика и зависит от параметров нисходящего потока, его скорости. В дальнейшем работа гидроагрегатов не отличается от традиционных исполнений. Сработанный гидравлический поток выходит через низ диффузора и коленообразный отвод под углом к вертикали в основной поток русла.

Особый интерес представляет собою работа сооружения в период ледохода, и перед ледоставом. Перед тем, как река покроется льдом, заранее снимают верхние части секции экрана 11. При этом верхние кромки нижней части оказываются на глубине, исключающей их вмораживание в лед. Затем частичным добавлением балластной воды в поплавковую систему опускают комплекс конус - диффузор ниже поверхности, реки на глубину, при которой электрическая часть гидроагрегата остается еще в надводном положении. При этом учитывается, что из-за больших скоростей движения жидкости в диффузоре его водная поверхность не

.. замерзнет. Перед ледоходом производят дополнительную заливку балластной воды в поплавковую систему и опускают комплекс конус-диффузор вместе с электрической

: частью под воду во избежание механических повреждений льдинами. Затем, после ледохода, производят все операции в обратном порядке: поднимают комплекс и восстанавливают высоту экрана до нормы. На реках южной зоны, где размер льдин невелик, операции спуска - подъема можно не производить. Само половодье не препятст- вует нормальной работе сооружения. Спу- скоподъемные операции актуальны для рек северной зоны с длительным периодом от- рицательных температур и большой толщиной льда. При качественно выполненной влагрзащищенности электрической, части в северном регионе возможен вариант полного погружения в период, предшествующий ледоставу, и подъем после ледохода. Работа сооружения будет зависеть от гидродинамики реки, в зимнее время и в период летних засух мощностные показатели будут изменяться. Это неустранимое свойство объекта, связанное с гидрологией. Однако в плане защищенности потребителя от этих перепадов может быть использован системный подход, когда падение выработки мощности будет компенсироваться включением резервных гидроагрегатов, расположенных в русле реки рядом с основными или выше (ниже) по течению.

Формул а-изобретен и я1. Русловая гидроэлектростанция, содержащая снабженный поплавками с балластными емкостями проточный корпус с

сужающимися по потоку горизонтальным входным патрубком, вертикальной камерой, выполненной в виде трубы Вентури, и коле- нообразным выходным патрубком, гидроагрегат с лопастной турбиной, установленной

в узкой части камеры, и электрогенератором, размещенным на монтажном кольце, установленном на верхней части камеры, и силовой кабель для связи генератора с потребителем, отличающаяся тем, что

входной патрубок установлен тангенциально к оси камеры и снабжен гидродинамическими экранами, размещенными перед его боковыми стенками с наклоном относитель но вертикали в направлении от оси патрубка, а верхние кромки входного патрубка, экранов и. камеры расположены над уровнем потока.

2. Гидроэлектростанция по п. 1, о т л и - чающаяся тем, что корпус снабжен якорной системой и электрогенератор выполнен влагонепроницаемым.

3. Гидроэлектростанция по п. 1, о т л и ч- а ю щ а я с я тем, что экраны снабжены фундаментными плитами-желобами и откосами и выполнены составными из нижней и съемной верхней частей, соединенных между собой при помощи штырей, причем высота нижних частей превышает высоту верхних.

4. Гидроэлектростанция по п. 1, о т ли ча ю щ а я с я тем, что она снабжена сигнальными навигационными буями,, контрольно- измерительными приборами., средствами автоматики и установленными перед входным патрубком заградительно-фильтрую- щими элементами.

5. Гидроэлектростанция по п. 1, о;т л и- ч.а ю щ а я с я /тем, что она снабжена диокрепительными элементами, размещен- ными в зоне выходного патрубка, а последний выполнен наклонным вверх по направлению потока.

6. Гидроэлектростанция по п. 1, о т л и - ч а ю щ а я с я тем, что она снабжена дополнительными корпусами и гидроагрегатами, аналогичными основным и установленными последовательно и параллельно с ними.