ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
HYDRO-ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии потоков воды в электроэнергию на реках, предпочтительно полноводных, и/или на морских акваториях (для преобразования кинетической энергии морских течений, в том числе приливно-отливных).
Известна гидроэнергетическая установка, содержащая поперечную гидротурбину, вал которой установлен в подшипниках, закрепленных на раме, снабженную формирователем потока, выполненную с возможностью закрепления к береговым или донным опорам, и генератор, кинематически связанный с гидротурбиной, при этом формирователь потока выполнен с возможностью затенения нижней части ротора гидротурбины (см. SU №1700276, кл. F03B 7/10, 1989).
Недостаток такого устройства проявляется при сравнительно небольших массогабаритных характеристиках устройства, поскольку вращающий момент, возникающий при вращении ротора турбины, приводит к развороту гидроагрегата и/или опрокидыванию или ухудшению условий взаимодействия ротора гидроагрегата с набегающим потоком, кроме того, недостаточно высока скорость водного потока, воздействующего на ротор гидроагрегата, что снижает мощность генератора.
Известна также гидроэнергетическая установка, содержащая установленные на раме гидротурбину, выполненную с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, кинематически связанную с электрогенератором, формирователь потока, выполненный в форме конфузора, сообщенного с рабочим каналом, в котором размещена гидротурбина, якорное устройство, балластные емкости, в количестве, достаточном для стабилизации пространственного положения установки по тангажу и крену, и руль (см. RU №97774, кл. F03B 7/00, 2010).
Недостаток такого устройства - его недостаточно надежное позиционирование в горизонтальной плоскости, что исключает возможность его использования на морских акваториях, при его размещении без «посадки на дно» - в толще акватории.
Задачей изобретения является обеспечение надежного позиционирования устройства в горизонтальной плоскости,
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности стабилизации параметров пространственного размещения установки относительно набегающего потока. Кроме того, обеспечиваются возможность использования устройства на морских акваториях, при его размещении без «посадки на дно».
Поставленная задача решается тем, что в гидроэнергетической установке, содержащей установленные на раме гидротурбину, выполненную с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, кинематически связанную с электрогенератором, формирователь потока, выполненный в форме конфузора, сообщенного с рабочим каналом, в котором размещена гидротурбина, якорное устройство, балластные емкости, в количестве, достаточном для стабилизации пространственного положения установки по тангажу и крену, и руль, согласно изобретению использовано четное число гидротурбин, размещенных симметрично относительно продольной оси установки, вдоль которой ориентированы оси их вращения, при этом направления вращения турбин противоположны, причем нижняя плоскость формирователя потока размещена горизонтально, причем концы тяг якорного устройства, скрепленных с тросом, связанным с якорем, закреплены на ползунах, установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения по стойкам, жестко закрепленным по бокам установки у ее переднего конца, кроме того, руль выполнен в виде двух пластин, закрепленных на раме по бокам установки у ее заднего конца, вне гидродинамической тени формирователя потока, при этом суммарная длина троса и тяг превышает глубину акватории на месте размещения установки. Кроме того, привод возвратно-поступательного перемещения ползунов выполнен в виде силовых цилиндров двустороннего действия. Кроме того, блок управления установкой выполнен в виде отдельного узла, выполненного с возможностью дистанционного изменения плавучести, и сообщен кабель-тросом с управляющими механизмами средств управления пространственным положением гидроэнергетической установки.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает решение поставленной технической задачи - обеспечение стабильности условий работы устройства, при одновременном повышении мощности генератора.
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признаки «использовано четное число гидротурбин, размещенных симметрично относительно продольной оси установки, вдоль которой ориентированы оси их вращения, при этом направления вращения турбин противоположны» обеспечивают возможность компенсации крутящего момента (реализующегося, как кренящий), возникающего при работе гидротурбин, при этом заявленная ориентировка турбин обеспечивает полноту отбора энергии воды, поскольку обеспечивается возможность «работы всего сечения турбины - нет необходимости затенения (т.е. холостой работы) части лопаток турбины». Кроме того, при сравнительно небольшом сечении рабочего канала обеспечивается возможность существенного повышения площади лопастей, взаимодействующей с потоком жидкости, при выполнении лопаток в виде шнекообразной спирали, что позволяет минимизировать вертикальные габариты гидротурбины.
Признаки «нижняя плоскость формирователя потока размещена горизонтально» исключают процесс подъема части объема потока вверх, к нижней кромке формирователя потока, что имело бы место при опускании приемной кромки формирователя потока ниже ее уровня и, тем самым, исключаются потери части энергии этого объема потока, на преодоление силы тяжести.
Признаки «концы тяг якорного устройства, скрепленных с тросом, связанным с якорем, закреплены на ползунах, установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения посредством раздвижных силовых цилиндров, по стойкам, жестко закрепленным по бокам установки у ее переднего конца, части потока.
Признаки «концы тяг якорного устройства, скрепленных с тросом, связанным с якорем, закреплены на ползунах, установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения, по стойкам, жестко закрепленным на раме по бокам установки у ее переднего конца» обеспечивают возможность регулирования местоположения точки закрепления тяг якорного устройства и тем самым возможность горизонтирования положения установки (регулирования ее дифферента).
Признаки «руль выполнен в виде двух пластин, закрепленных по бокам установки у ее заднего конца, вне гидродинамической тени формирователя потока» позволяют увеличить гидродинамическую эффективность рулей при уменьшении их площади (и уменьшении их весовой составляющей в общей массе установки) и высоты.
Признаки «суммарная длина троса и тяг превышает глубину акватории на месте размещения установки» позволяют изменять высоту положения установки над дном, вплоть до полного всплытия при сохранении «привязки» установки по площади акватории. При этом не требуется оснащения установки средствами «сматывания-разматывания» привязного троса.
Признаки второго пункта формулы изобретения конкретизируют конструкцию, привода возвратно-поступательного перемещения ползунов.
Признаки третьего пункта формулы изобретения упрощают поддержание работоспособности блока управления установкой.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез установки; на фиг.2 показан ее вид спереди, на фиг.3 - ее вид сверху.
На чертежах показаны гидротурбины 1, установленные в рабочих каналах 2, генераторы электрической энергии 3, ось вращения 4 гидротурбины 1, формирователь потока 5, установленные на раме 6, гибкие тяги 7, трос 8, якорь 9, центральная балластная емкость 10, установленная на донной части рамы 6, и также смонтированные на раме 6 бортовые балластные емкости 11 и концевая балластная емкость 12, рулевые пластины 13, стойки 14 с оттяжками 15, ползуны 16, силовые цилиндры 17, блок управления установкой 18, кабель-трос 19. Кроме того, показаны поверхность 20 акватории 21, продольная ось 22 установки, кабельные выводы 23 генераторов электрической энергии 3, водный поток (течение) 24.
В составе установки использовано четное число гидротурбин 1, размещенных симметрично относительно продольной оси 22 установки, вдоль которой ориентированы оси их вращения 4, при этом направления вращения турбин противоположны. В качестве гидротурбины 1 использован агрегат известной конструкции, выполненный с возможностью горизонтального вращения, предпочтительно в виде вала, снабженного шнекообразными лопастями (по типу архимедова винта). Каждая турбина работает на один генератор 2, который представляет  собой конструкцию известного типа, в водозащищенном исполнении, с рабочими параметрами, определяемыми конкретными условиями эксплуатации, при этом генератор 2 известным образом кинематически связан с гидротурбиной 1 и, посредством герметизированных кабельных выводов 23, связан с приемником энергии (на чертежах не показан), смонтированным либо на берегу, либо на платформе, известным образом смонтированной на свайном основании или морской добычной платформе. Целесообразно использовать генераторы постоянного тока, с регулятором напряжения, при этом в комплекте с генераторами необходимо использовать инверторы (названные узлы на чертежах не показаны).
Формирователь рабочего потока 5 выполнен в виде конфузорной воронки, большее поперечное сечение которой обращено навстречу к потоку, а меньшее обращено к гидротурбине 1, при этом нижняя плоскость формирователя потока размещена горизонтально.
Балластные емкости 10-12 выполнены по одной конструктивной схеме, имеют дистанционно управляемые клапаны (на чертежах не показаны), обеспечивающие сообщение полости емкостей с внешней средой, и подключены, посредством шлангов, рассчитанных на давление 5-10 атмосфер, к аккумулятору сжатого воздуха (рассчитанному на соответствующее давление - на чертежах не показан). Для подпитки аккумулятора может быть затрачена часть электроэнергии, генерируемой установкой, на диссоциацию воды или генерирование давления за счет создания электрогидравлического эффекта. Балластные емкости отличаются местоположением (центральная емкость 10 установлена на донной части рамы 6, бортовые балластные емкости 11 - по бортам установки, а концевая 12 установлена на конце установки, противоположном формирователю рабочего потока 5). Кроме того, центральная балластная емкость 10 может быть разделена поперечными переборками по меньшей мере на два отсека по длине установки.
Свободные концы гибких тяг 7 зафиксированы на ползунах 16, которые установлены с возможностью возвратно-поступательного движения (вверх-вниз) по стойкам 14, закрепленных на противоположных «бортах» устройства в его передней части.
Блок управления установкой 18 выполнен в виде отдельного узла, выполненного известным образом, с возможностью дистанционного изменения плавучести (снабжен балластными цистернами, снабженными средствами принятия в них забортной воды и их осушения, управляемыми по радио- или акустическому каналу) и сообщен кабель-тросом 19 с управляющими механизмами средств управления пространственным положением гидроэнергетической установки (средствами принятия в них забортной воды и их осушения, а также работой силовых цилиндров 17). Датчиком (на чертежах не показан), дающим сигнал для отработки задач стабилизации платформы в горизонтальном положении, является гироскопический датчик известной конструкции, адаптированный к условиям работы энергетической установки.
Руль выполнен в виде двух рулевых пластин 13, закрепленных на раме 6 по бокам установки у ее заднего конца, вне гидродинамической тени формирователя потока 5.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Известным образом выявляют глубину местоположения наиболее скоростного участка водной акватории. Далее на это место по поверхности 20 акватории 21 буксируют на плаву (при пустых балластных емкостях 10-12) установку. Далее, дистанционно открыв клапаны балластных этих емкостей, принимают в них воду в количестве, необходимом для погружения установки в воду. После посадки установки на дно размещают на дне якорь 9 (например, анкерное устройство, заделываемое известным образом в дно акватории 21 так, чтобы оно находилось перед установкой, если смотреть по ходу водного потока (течения) 24). После этого, трос 8 связанный с гибкими тягами 7 (фиксируемыми на ползунах 16, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения по стойкам 14, закрепленных на противоположных «бортах» устройства в его передней части), закрепляют на якоре 9 (при этом длину тяг 6 подбирают так, чтобы суммарной длины тяг хватило и для того, чтобы при подвсплытии устройство оказалось в зоне наиболее скоростного участка водной акватории, причем суммарная длина троса и тяг должна превышать глубину акватории на месте размещения установки). Эти работы и работы по демонтажу названных узлов выполняют с привлечением водолазов или дистанционно-управляемых подводных роботов-манипуляторов известной конструкции.
Затем в балластные емкости 10-12 подают воздух, обеспечивая плавучесть установки несколько большую нулевой, причем подачу воздуха регулируют таким образом, чтобы устройство всплывало «на ровном киле», т.е. его продольная ось 22 находилась в горизонтальной плоскости. В процессе выполнения этих операций гидротурбины застопорены, например фрикционным роликом, поджатым к валу турбины (на чертежах не показан). Разделение балластной емкости 10 на отсеки позволяет «усилить» работу кормовой балластной емкости 12 при соответствующем их заполнении (осушении).
После вывода устройства в рабочее положение (в зону максимальных скоростей водного потока) турбину запускают в работу, освобождая ее вал от контакта с упомянутым фрикционным роликом.
Конфузорность воронки формирователя потока 5 обеспечивает повышение скорости потока воды, взаимодействующего с турбиной 1, пропорционально отношениям площадей входного и выходного ее сечений. Поэтому, даже при сравнительно невысоких абсолютных величинах скорости движения воды в зоне максимальных скоростей водного потока 24 на рабочем колесе турбины скоростной напор воды будет достаточно большим.
Рулевые пластины 13 обеспечивают постоянное удержание продольной оси 22 устройства на стрежне потока, «работая» как флюгер, отслеживающий направление водного потока 24.
Вращение рабочего колеса турбины 1 приводит во вращение генератор, кинематически связанный с ней. Вырабатываемая электроэнергия по кабельным выводам 23 уходит на приемник энергии (на чертежах не показан), смонтированный вне водоема. Использование генераторов постоянного тока, с регулятором напряжения, обеспечивает независимость от изменения скорости течения потока 24. Использование инверторов в комплекте с генераторами 2 обеспечивает преобразование постоянного тока в переменный.
В процессе первоначального этапа позиционирования установки используют изменение местоположения ползунов 16 на стойках 14 (поскольку свободные концы гибких тяг 7 зафиксированы на ползунах 16), при вертикальном перемещении последних изменяется плечо приложения нагрузки, действующей вдоль тяги, что обеспечивает минимизацию дифферента рамы 6 устройства (при этом оттяжки 15 исключают деформирование стоек 14 под действием нагрузки, передаваемой гибкими тягами). Тонкую стабилизацию платформы в горизонтальном положении обеспечивает автоматическая отработка показаний гиродатчика, управляющим устройством, генерирующим команды на включение перекачивающих насосов, установленных в балластных цистернах, что позволяет устранять отклонения по крену и тангажу при внешних возмущениях.
Для перемещения установки на новое место работы продувают балластные емкости 10-12, обеспечивая всплытие установки на поверхность 20 акватории 21, закрепляют на ней буксирный трос и перемещают наплаву на новое место. Извлекают якорное устройство и перемещают его на новый участок.
Далее все повторяется.