ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Область техники
Полезная модель относится к области гидроэнергетического строительства и может быть использована при сооружении приливных гидроэлектростанций (ПЭС) и низконапорных речных гидроэлектростанций, имеющих водные потоки с относительно большими глубинами, превышающими диаметр турбины более, чем в 2,5 раза.
Уровень техники
Известна многоярусная гидроэнергетическая установка проекта Пенжинской ПЭС [1], в которой горизонтальные турбинные водоводы расположены один над другим в три яруса. В каждом из турбинных водоводов установлен капсульный гидроэлектроагрегат, состоящий из горизонтальной осевой турбины и размещенных внутри водонепроницаемой капсулы генератора с мультипликатором. Для обеспечения требуемых удельных показателей пропускной способности и мощности диаметр турбин принят равным 10 м, которому соответствует максимальные удельные (на 1 квт установленной мощности) значения массы и стоимости гидроэлектроагрегата.
Недостаток установки [1] - высокая удельная стоимость установки на 1 квт установленной мощности, а также сложность монтажа и эксплуатации многоярусных капсульных гидроэлектроагрегатов.
Известна гидроэнергетическая установка содержащая, по меньшей мере, две установленные в турбинных водоводах ортогональные турбины, валы которых связаны в общий вал через герметичную полость бычка, разделяющего турбинные водоводы, и генератор, вал которого
кинематически связан с общим валом [2]. В установке [2] турбинные водоводы, расположены на одном горизонтальном уровне, валы турбин и генератора связаны в общий горизонтальный вал, а генератор размещен на одном уровне с водоводами в герметичной полости расширенного бычка, разделяющего два турбинных водовода.
Недостаток установки [2] состоит в том, что при использовании турбин малого диаметра для снижения удельных капитальных затрат она характеризуется низкими удельными показателями пропускной способности и мощности.
Задача полезной модели - обеспечить возможность одновременного получения низких удельных капитальных затрат на 1 квт установленной мощности и высоких удельных показателей пропускной способности и мощности на единицу длины напорного фронта гидроэлектростанции.
Сущность полезной модели
Предметом полезной модели является гидроэнергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, два горизонтально расположенных один над другим турбинных водовода, ортогональные турбины, размещенные в турбинных водоводах, и генератор, установленный над турбинными водоводами, при этом валы ортогональных турбин установлены вертикально в подшипниковых опорах и кинематически связаны соединительными элементами между собой и с валом генератора.
Это позволяет решить задачу полезной модели.
Полезная модель имеет развития для частных случаев ее реализации.
Установка может быть выполнена с балластировочной емкостью, размещенной под генератором. Эта емкость заполняется водой и повышает общую устойчивость установки в водном потоке.
Установка может быть выполнена в виде обладающего собственной плавучестью блока. Это дает возможность изготавливать и отлаживать в собранном виде крупногабаритный блок на заводе-изготовителе, а затем доставлять его на плаву к месту возведения гидроэлектростанции, что упрощает и удешевляет строительство.
Перечень фигур чертежей
Фиг.1 иллюстрируют пример осуществления полезной модели с учетом ее развития. На фиг.1 показан разрез установки вертикальной плоскостью, направленной вдоль потока и проходящей через валы ортогональных турбин.
Осуществление полезной модели с учетом ее развития
Установка содержит два горизонтально расположенных один над другим турбинных водовода: верхний турбинный водовод 1 и нижний турбинный водовод 2.
В средней, наиболее узкой части водоводов 1 и 2 размещены ортогональные турбины 3 и 4 соответственно. Над водоводами 1 и 2 установлен генератор 5. Валы 6 и 7 турбин 3 и 4 установлены вертикально в подшипниковых опорах 8. В описываемом примере реализации валы 6 и 7 кинематически связаны между собой соединительным элементом 9 в виде муфты, а с валом 10 генератора 5 - соединительным элементом, включающим (помимо соединительных муфт) удлиняющий вал 11 и мультипликатор 12. В других вариантах исполнения элемент 9 может быть выполнен в виде короткого промежуточного вала и двух зубчатых полумуфт или в виде упругой муфты, компенсирующей несоосность валов 6 и 7 турбин 3 и 4, возникающую при изготовлении и монтаже. Удлиняющий вал 11 проходит через балластировочную емкость 13. Если емкость 13 не создается, удлиняющий вал 11 может не использоваться.
В случае выполнения установки в виде крупногабаритного блока, обладающего собственной плавучестью, монтаж ортогональных турбин и генератора производится, как правило, на заводе-изготовителе, после чего блок подготавливается к наплавной доставке на место возведения гидроэлектростанции, например, ПЭС.
Для придания блоку плавучести из балластировочной емкости 13 и других его полостей, включая водоводы 1 и 2, откачивается вода.
Установка в составе ПЭС работает следующим образом.
Напорный фронт отсекает от моря бассейн ПЭС. При приливно-отливных колебаниях уровня моря возникают циклические колебания разности уровней воды между бассейном и морем. Эта разность уровней создает статический напор, который периодически меняется как по величине, так и по знаку. При равенстве уровней воды бассейна и моря напор принимает нулевое значение, и течение в водоводах 1 и 2 практически отсутствует. Поэтому гидротурбины 3 и 4 неподвижны. В процессе прилива возрастает уровень моря и вода в водоводах 1 и 2 течет из моря в бассейн. Из-за ограниченной пропускной способности водоводов ПЭС уровень в бассейне растет медленнее, чем в море, а напор на ПЭС по абсолютной величине, и соответственно скорость течения воды в водоводах 1 и 2 увеличивается. Под действием текущей в водоводах 1 и 2 воды турбины 3 и 4 начинают вращаться и постепенно увеличивают частоту вращения. Через вал 11 и мультипликатор 12, увеличивающий скорость вращения, вращающий момент турбин передается валу 10 генератора 5. При наступлении отлива напор падает и при снижении его до определенного уровня валы турбин 3, 4 и генератора 5 останавливаются. Далее по мере отлива напор проходит нулевое значение и, когда уровень воды в бассейне становиться выше, чем в море, напор меняет свой знак на противоположенный, обеспечивая обратное течение
воды в водоводах 1 и 2 из бассейна в море. При соответствующем напоре обратного направления гидроэлектроагрегат из турбин 3, 4 и генератора 5 вновь набирает обороты. Поскольку направление вращения ортогональных турбин не зависит от направления течения воды [2], направление вращения вала 10 генератора 5 при этом сохраняется. Затем отлив сменяется приливом и цикл работы повторяется.
При неизменной общей мощности установки использование турбин меньшего диаметра уменьшает общую стоимость ее гидроэлектроагрегата. Кроме того, стоимость установки снижается из-за уменьшения необходимой по гидравлическим условиям длины водоводов. Однако в известных установках уменьшение диаметра используемых турбин сопровождается снижением удельных показателей пропускной способности и мощности на единицу длины напорного фронта.
В отличие от известных решений [1] и [2] предложенная полезная модель позволяет использовать турбины меньшего диаметра без ухудшения удельных показателей пропускной способности и мощности на единицу длины напорного фронта. Например, реализация предложенной установки вместо установки [2] на Мезенской ПЭС с глубинами 25-30 м позволяет применить гидроэлектроагрегаты с ортогональными турбинами диаметром 5 м, а не 10 м. При этом существенно (почти в два раза) уменьшаются капитальные затраты на гидроэлектроагрегаты и примерно на 30% затраты на здание ПЭС и вместе с тем сохраняются неизменными удельные показатели пропускной способности и мощности на единицу длины напорного фронта.
Источники информации
1. Приливные электростанции. Под ред. Л.Б.Бернштейна. Москва, АО «Институт Гидропроект», 1994 г., книга 1, стр.194, рис.12.12.
2. Патент РФ №2216644 от 27.12.2001 г. МПК F 03 B 7/00, 13/00