ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2171910
ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
Имя изобретателя: Толмачев В.Н.; Боровиков С.Н.; Савчук А.Д.; Лесина Л.Л.
Имя патентообладателя: Военный инженерно-технический университет
Адрес для переписки: 191185, Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, 22, ВИТУ, бюро по изобретательству и патентной работе
Дата начала действия патента: 2000.02.21
Гидроэлектростанция предназначена для преобразования энергии течения реки и
может устанавливаться на любых реках и работать круглосуточно. Гидроэлектростанция
содержит установленное в русле сооружение, состоящее из фундаментной плиты, боковых
стен и перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом
установки гидроколеса. Сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору и бонные
сети, а боковые стены со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие
соответственно конфузорный, рабочий и диффузорный канал. Одна из боковых стен имеет в
рабочем канале секторный полукруглый вырез под гидроколесо, которое установлено в
подшипниковых узлах выше дна реки и ниже кромки возможного ледяного покрова
соответственно, нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии. Гидроколесо
выполнено полым, состоящим из жестко установленных на валу двух параллельных
горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены
лопасти с длиной не более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180o. Гидроколес со
своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем
канале может быть несколько. Рабочий канал со входом и выходом воды снабжен затворами и
насосной установкой. Конструкция устройства позволяет увеличить надежность работы и
круглогодичность использования.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к нетрадиционным электростанциям, не прерывающим
нормального течения реки, не поднимающим ее уровень и не боящихся ледовых условий, то
есть работающих одинаково в летних и зимних условиях. Электростанция может
устанавливаться на любых реках и иметь достаточные электрические мощности для
снабжения электроэнергией близлежащих потребителей.
Известна гидравлическая турбина [1], содержащая установленное в русле реки
сооружение с гидроколесом с горизонтальной осью вращения, и состоящая из жестко
закрепленных на оси опорных дисков, между которыми симметрично по окружности
установлены лопасти с возможностью вращения на своих осях, параллельных оси
гидроколеса, разделяющих лопасть на две неравные части. Гидравлическая турбина
снабжена барьерами, установленными впереди и сзади гидроколеса и погруженными поперек
потока воды на уровень оси гидроколеса.
Недостатком известного устройства [1], является сложность гидроколеса с поворотными
лопастями, которые при работе получают механические удары о свои упоры. В виду
множества поворотных узлов, работающих в водно-воздушной среде устройство обладает
низкой надежностью, и большой стоимостью эксплуатации и обслуживания. Данное
устройство не сможет работать в зимних условиях при ледяном покрове.
Известен гидроагрегат [2], содержащий установленное в русле реки сооружение с
расположенными на горизонтальной оси гидроколесом, кинематически связанным с
электрогенератором. Гидроколесо снабжено поворотными лопастями и системой их
поворота в виде подвижных и неподвижных относительно своих осей шестерен c зубчатым
соотношением 2/1, по периферии связанных между собой цепными передачами.
Недостатком известного устройства [2] являются: сложность гидроколеса с поворотными
лопастями, многочисленными поворотными узлами и зубчатыми колесами с цепными
передачами, что, в конечном итоге, ведет к снижению надежности и ресурса работы
устройства в целом и к увеличению его стоимости, а также стоимости и сложности
технического обслуживания гидроагрегата, работающего в водно-воздушной среде. Такое
устройство не может работать в зимних условиях, при покрытии реки льдом.
Известна речная береговая гидроэлектростанция [3], содержащая сооружение, выполненное
в виде бетонированного берега, и наполовину размещенное в сооружении (его полукруглом
вырезе) гидроколесо с неподвижными лопастями и вертикальной осью вращения с
подшипниковыми узлами вала гидроколеса, кинематически связанного с
электрогенератором.
Недостатком известного устройства [3] является низкая эффективность работы
гидроэлектростанции за счет сравнительно медленного течения реки у берега, а также не
возможность работы в зимних условиях, когда река покрыта льдом.
Прототипом предлагаемого изобретения является гидроэлектростанция [4], содержащая
установленное в русле реки сооружение с электрогенератором, редуктором, расположенным
над водной поверхностью, и гидравлического колеса с вертикальной осью вращения,
расположенного под водой и кинематически связанного через редуктор с
электрогенератором, причем гидроколесо имеет неподвижные лопасти, выполненные таким
образом, что один край его лопасти лежит на его внутренней образующей, а другой - на
внешней и при этом длина лопасти не превышает радиуса гидроколеса, сооружение
гидроэлектростанции снабжено спереди направляющим устройством в виде спрямляющего
щита для потока воды.
Недостатком прототипа [4] являются:
- отсутствие жесткого основания у нижнего подшипникового узла (его опора) вызывает под
действием гидравлических возмущений от работающего гидроколеса эрозию потоками воды
дна реки и подмывание опор его гидроколес и основания;
- параллельное размещение в перпендикулярном течению реки сечении двух гидравлических
колес может быть не всегда возможно, особенно на небольших реках,
- низкая эффективность самого гидроколеса, имеющего большое гидравлическое
сопротивление, так как гидроколесо с лопастями представляет собой в проекции на
перпендикулярную потоку воды плоскость сплошной прямоугольник, не пропускающий
сквозь себя поток воды;
- незащищенность гидроколеса от плывущих в воде предметов, что значительно снижает его
надежность;
- гидравлические возмущения потока воды в реке сзади гидравлических колес вызывают
вредные экологические воздействия и эрозию русла реки;
- возникающие трудности при регламенте и ремонте нижних подшипниковых узлов
гидроколес.
Указанные недостатки ставят задачу упрощения конструкции и увеличения ее надежности и
живучести, а также обеспечения ее непрерывного круглогодичного функционирования.
Указанная задача достигается тем, что в конструкции гидроэлектростанции, содержащей
установленное в русле реки сооружение с направляющим устройством потока воды,
электрогенератор, редуктор, расположенные над водной поверхностью, и гидроколесо с
неподвижными лопастями и с вертикальной осью вращения, расположенное под водой и
кинематически связанное через редуктор с электрогенератором, сооружение
гидроэлектростанции занимает часть центрального сечения реки и состоит из
фундаментной плиты, боковых стен и перекрытия с помещением для редуктора с
электрогенератором над местом установки гидроколеса, сооружение перед водозабором
имеет ледорезную опору и бонные сети, а стены со стороны входа воды и ее выхода имеют
расширения, образующие, соответственно, конфузорный, рабочий и диффузорный канал, одна
из боковых стен имеет в рабочем канале секторный, полукруглый вырез под гидроколесо,
которое установлено выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова в
подшипниковых узлах, соответственно, нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в
перекрытии, причем гидроколесо выполнено полым, состоящим из жестко закрепленных на
вертикальном валу двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и
между ними равномерно установлены лопасти длиной не более 2/3 его радиуса под углом к
нему от 0 до 180o, лопасти гидроколеса установлены при помощи разъемных соединений,
причем гидроколеса со своими редукторами и электрогенераторами по длине
гидроэлектростанции в ее рабочем канале может быть несколько, а ее электрогенератор
может быть выполнен в виде многополюсной динамомашины, работающей при малых оборотах
ротора, и снабженная при надобности редуктором, а повышающая трансформаторная
подстанция установлена на берегу, также сооружение гидроэлектростанции снабжено со
стороны входа и выхода водотока затворами и насосной установкой.
Установка сооружения гидроэлектростанции в центральном сечении реки необходима: во-первых,
для использования максимального скоростного потока воды в реке; во-вторых, для
перепуска мимо гидроэлектростанции ледохода, бревен при сплаве и т.п., а также для
обеспечения судоходства.
Введение фундаментной плиты необходимо для обеспечения жесткости и прочности
конструкции гидроэлектростанции и формирования водотока, а также для исключения
подмывания ее опор и основания под действием гидравлических возмущений от работающего
гидроколеса (так как возможна эрозия потоками воды дна реки).
Введение боковых стен сооружения гидроэлектростанции необходимо для формирования
водотока с конфузорным, рабочим, диффузорными каналами и полукруглыми вырезами, а
также создания стен для перекрытия, в том числе и для помещения редуктора и генератора.
Введение расширений боковых стен со стороны входа воды и ее выхода, образующих
соответственно конфузорный, рабочий и диффузорный канал, необходимо:
- расширение боковых стен (водотока) на входе (конфузорного канала) - для большего сбора
воды и увеличения ее скорости протекания;
- рабочего канала - для установки в нем гидроколес, и успокоения потока воды между ними;
- расширение боковых стен (водотока) на выходе (диффузорного канала) - необходимо для
увеличения давления воды в потоке и снижения ее скорости (для сброса в реку).
Введение перекрытия боковых стен сооружения гидроэлектростанции необходимо для
придания жесткости всей гидроэлектростанции в целом, а также для размещения в нем
верхнего подшипникового узла гидротурбины, и основания для помещения
электрогенератора и при надобности редуктора.
Введение в сооружение гидроэлектростанции, перед ее водозабором ледорезной опоры и
бонных сетей необходимо для обеспечения безопасной работы гидроэлектростанций во
время ледохода, а также при сплаве леса по реке (деревьев в период паводков и т.п.).
Введение помещения для редуктора с электрогенератором над местом установки
гидроколеса необходимо для защиты последних от внешних воздействий, в том числе в
атмосферных, а также для обеспечения их нормального температурно-влажностного режима
работы.
Введение нижнего подшипникового узла оси гидротурбины, который может быть
герметизирован с собственной смазкой или смазываться водой, необходимо для установки
гидротурбины с возможностью вращения и ее разгрузки (в случае закрепления
гидротурбины только в верхнем подшипниковом узле) от радиальных сил, и, следовательно,
повышения надежности и живучести гидроэлектростанции в целом.
Введение верхнего подшипникового узла необходимо для установки гидротурбины с
возможностью вращения и восприятия основных механических нагрузок гидротурбины.
Введение в одной из боковых стен в рабочем канале секторного, полукруглого выреза под
гидроколесо необходимо для повышения эффективности работы гидротурбины, т. е. для
увеличения КПД преобразования энергии, проходящего через гидротурбину потока воды в
ее крутящий момент.
Установка гидроколеса выше дна реки и ниже нижней кромки возможного ледяного покрова в
подшипниковых узлах, соответственно нижним - в фундаментной плите и верхним - в
перекрытии необходимо для безопасной, круглогодичной и непрерывной работы
гидроэлектростанции в целом, т.к. ей при этом не страшны перекатываемые по дну реки
предметы, а также плывущие по поверхности предметы и ледяной покров в зимний период.
Выполнение гидроколеса полым, состоящим из двух параллельных горизонтальных дисков,
по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти, необходимо для
повышения эффективности работы гидротурбины, т.е. для увеличения КПД преобразования
энергии проходящего через гидротурбину потока воды в ее крутящий момент.
Выполнение лопастей длиной не более 2/3 его радиуса и установка лопастей под углом к его
радиусу в пределах от 0 до 180o необходимо для выбора оптимальных размеров и угла
расположения лопастей, в зависимости от размеров расширений боковых стен, секторного
полукруглого выреза и параметров водяного потока в водоводе (рабочем канале).
Выполнение лопастей гидроколеса съемными, установленными пря помощи разъемных
соединений, необходимо для мобильной замены поврежденных лопастей без замены (демонтажа)
гидроколеса, а также для облегчения сборки (монтажа) гидроколеса и его транспортировки,
Установка нескольких гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами по длине
гидроэлектростанции в ее рабочем канале необходимо для увеличения снимаемой мощности
гидроэлектростанции в целом.
Выполнение электрогенератора гидроэлектростанции в виде многополюсной динамомашины,
работающей при малых оборотах ротора и снабженной при надобности редуктором,
необходимо для обеспечения выработки электрического тока заданных параметров при
тихоходном приводе - предложенном гидроколесе.
Размещение повышающей трансформаторной подстанции на берегу вне зоны затопляемости
необходимо для облегчения конструкции сооружения гидроэлектростанции, а также
повышения надежности и живучести сооружения в целом.
Снабжение гидроэлетростанции со стороны входа и выхода водотока затворами и насосной
установкой необходимо для осушения водовода и обеспечения ремонта (технического
обслуживания) гидротурбины и ее нижнего подшипникового узла.
Таким образом, выполнение гидроэлектростанции в виде совокупности вышеприведенных
признаков является новым для гидроэлектростанций нетрадиционного типа с коллинеарным
расположением гидроколес (с вертикальной осью вращения), что соответствует критерию
"новизна".
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна в настоящее время
из уровня техники и не следует из общеизвестных правил конструирования
гидроэлектростанций, что доказывает их соответствие критерию "изобретательский
уровень".
Конструктивная реализация гидроэлектростанции с указанной выше совокупностью
признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических
трудностей, отсюда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
На фиг. 1 представлена схема гидроэлектростанции в разрезе (вид спереди).
На фиг. 2 представлена схема размещения гидроэлектростанции в сусле реки в разрезе (вид
сверху).
Гидроэлектростанция (примерный вариант схемы предлагаемой гидроэлектростанции)
содержит (см. фиг. 1 и 2) установленное в русле реки 1 сооружение, состоящее из
фундаментной плиты 2, боковых стен 3 и 4, перекрытия 5 с помещением 6 для редуктора 7 с
электрогенератором 8 над местом установки гидроколеса 9 сооружение перед водозабором
имеет лездорезную опору 10 и бонные сети 11, а стены 3 и 4 со стороны входа воды и ее выхода
имеют расширения, образующие, соответственно, конфузорный 12, рабочий 13 и диффузорный 14
каналы, одна из боковых стен 3 имеет в рабочем канале секторный, полукруглый вырез 15 под
гидроколесо 9.
Гидроколесо 9 установлено выше дна реки 1 и ниже нижней кромки ее возможного ледяного
покрова 16 в подшипниковых узлах, соответственно, нижнем 17 - в фундаментной плите и
верхнем 18 - в перекрытии 5, причем гидроколесо 9 выполнено полым, состоящим из жестко
установленных на вертикальном валу 19 двух параллельных горизонтальных дисков 20 и 21, по
периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти 22 длиной и более 2/3 его
радиуса под углом к нему от 0 до 180o, лопасти 22 гидроколеса 9 установлены при помощи
разъемных соединений, причем гидроколес 9 со своими редукторами 7 и
электрогенераторами 8 по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале 13 может быть
несколько. Электрогенератор 8 может быть выполнен в виде многополюсной динамомашины,
работающей при малых оборотах ротора и снабженной при надобности редуктором 7, а
повышающая трансформаторная подстанция установлена на берегу. Сооружение
гидроэлектростанции снабжено со стороны входа и выхода рабочего канала 13 затворами
соответственно 23 и 24, и насосной установкой (на фиг. 1 и 2 не показана).
Работает гидроэлектростанция следующим образом. Поток движущейся в реке 1 воды (см. фиг.
1 и 2) обтекая ледорезную опору 10 и бонные сети 11, попадает в конфузорный канала 12,
образованный стенками 3 и 4 гидроэлектростанции, при этом его скорость увеличивается, и
далее в рабочем канале 13 попадает на гидроколесо 9. На лопастях 22 гидроколеса 9 часть
механической поступательной энергии потока воды преобразуется в механическую энергию
вращательного момента гидроколеса, который посредством вала 19 передается на редуктор 7
и из него - на электрогенератор 8, преобразующий механическую энергию вращения в
электроэнергию.
Электроэнергия передается непосредственно в электросеть через опоры, расположенные
на берегу, или же при использовании электрогенератора, выполненного в виде
многополюсной динамомашины, работающей при малых оборотах ротора, электроэнергия
передается на повышающую трансформаторную подстанцию, расположенную на берегу вне
зоны затопления. Проходя через первое гидроколесо 9, поток воды снова попадает в
рабочий канал 13, где спрямляется и поступает в последующее гидроколесо 9. После выхода
из последнего гидроколеса поток воды попадает в диффузорный канала 14, где его скорость
снижается и по выходе из которого смешивается с потоком воды в реке 1, обтекающим
сооружение гидроэлектростанции. В зимнее время ледяной покров 16 вокруг вала 19 будет
постоянно разрушаться последним, что позволит эксплуатировать гидроэлектростанцию
круглогодично. При производстве ремонтных и регламентных работ опускают затворы 23 и 24
и воду из рабочего канала 13 откачивают при помощи насосной установки. При этом могут
меняться как отдельные лопасти 22 и гидроколес 9, установленные при помощи разъемных
соединений, так и гидроколеса 9 в целом, а также производится ремонт или замена нижнего
подшипникового узла 17.
Таким образом, выполнение гидроэлектростанции в совокупности представленных
признаков позволит:
- не поднимать уровень течения реки и не прерывать ее нормальное течение, так как
гидроэлектростанция не имеет плотины;
- не бояться ледовых условий, т.е. работать одинаково в летних и зимних условиях;
- создать простую, надежную, компактную и недорогую конструкцию гидроэлектростанции (незначительный
размер в плане, сравнительно небольшой объем строительных материалов, простота в
технологии строительства и монтажа);
- устанавливать на одно гидроколесо генератор мощностью от 10 до 100-150 кВт.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент Российской Федерации N 2030627, кл. 6 F 03 B 7/00, 17/06, 10.03.95 г., Бюл. N 7.
2. Патент Российской Федерации N 2016220, кл. 6 F 03 B 7/00, 15.07.94 г. , Бюл. N 13.
3. Патент Российской Федерации N 2020260, кл. 6 F 03 B 7/00, 30.09.94 г. , Бюл. N 18.
4. Патент Российской Федерации N 2010992, кл. 6 F 03 B 13/00, 15.04.94 г., Бюл. N 7
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Гидроэлектростанция, содержащая установленное в русле реки сооружение с
направляющим устройством потока воды, электрогенератором, редуктором, расположенным
над водной поверхностью гидроколеса с неподвижными лопастями и с вертикальной осью
вращения, расположенного под водой и кинематически связанного через редуктор с
электрогенератором, отличающаяся тем, что сооружение гидроэлектростанции занимает
часть центрального сечения реки и состоит из фундаментной плиты, боковых стен и
перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки
гидроколеса, сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору и бонные сети, а
стены со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие соответственно
конфузорный, рабочий и диффузорный каналы одна из боковых стен имеет в рабочем канале
секторный, полукруглый вырез под гидроколесо, которое установлено выше дна реки и ниже
нижней кромки возможного ледяного покрова в подшипниковых узлах, соответственно,
нижнем - в фундаментной плите и верхнем - в перекрытии, причем гидроколесо выполнено
полым, состоящим из жестко установленных на вертикальном валу двух параллельных
горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены
лопасти с длиной не более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180°.
2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что лопасти гидроколеса установлены при
помощи разъемных соединений.
3. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что гидроколес со своими редукторами и
электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале может быть
несколько.
4. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что ее электрогенератор выполнен в виде
многополюсной динамо-машины, работающей при малых оборотах ротора и снабженной при
надобности редуктором, а повышающая трансформаторная подстанция установлена на
берегу.
5. Гидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена со стороны входа и
выхода водотока затворами и насосной установкой.
Версия для печати
Дата публикации 11.01.2007гг
вверх
|
