НАПЛАВНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

1. Область техники
Предлагаемое техническое решение относится к возобновляемым источникам электроэнергии для децентрализованного энергоснабжения небольших населенных пунктов, расположенных вблизи рек.
2. Уровень техники
В настоящее время в промышленно развитых странах интенсивно ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по освоению возобновляемых, в том числе маломощных, децентрализованных источников электроэнергии. Для России, обладающей огромной территорией, а также большим и рассредоточенным гидроэнергетическим потенциалом, экономически эффективными и экологически безопасными могут быть бесплотинные наплавные гидроэлектростанции (ГЭС), устанавливаемые на больших и малых реках.
Анализ патентов на наплавные ГЭС показывает, что их конструкции совершенствуются с целью увеличения единичных мощностей за счет повышения КПД гидротурбин, а также расширения функциональных возможностей, в частности, работы подо льдом в зимнее время года.
Известна наплавная гидроэлектростанция с активной гидротурбиной, которая находится в надводном положении в летнее время года и в потоке воды подо льдом зимой [1]. С целью увеличения мощности станции за счет более полного использования энергии потока активная гидротурбина выполнена в виде ленточного транспортера, установленного на ребро под углом к потоку воды, а на ленте транспортера закреплены лопасти турбины в виде ковшей, способных складываться и ложиться на транспортерную ленту при переходе их с рабочей ветви на холостую, причем каждая лопасть имеет на внешней поверхности карман для ее автоматического подъема потоком воды при переходе на рабочую ветвь. Использование большого количества лопаток, закрепленных на ленте транспортера, существенно увеличивает мощность гидростанции, но делает ее тихоходной из-за громоздкости конструкции и сложной траектории движения лопаток.
Так же известно устройство [2], представляющее собой плавучее средство в виде понтонов, под которыми подвижно с возможностью перемещения в вертикальной плоскости закреплены колеса гидротурбин, кинематически соединенные с электрогенераторами. С целью обеспечения возможности работы под водой каждая лопасть гидротурбины выполнена в виде ряда ковшей, а их днища набраны из шарнирно закрепленных шторок, поворот которых вокруг осей уменьшает гидравлическое сопротивление лопасти при ее движении навстречу потоку.
Недостаток конструкции гидротурбины состоит в том, что несмотря на значительное уменьшение гидравлического сопротивления шторок гидротурбины при движении навстречу потоку, суммарное сопротивление лопасти остается большим, т.к. сама лопасть не поворачивается и при встречном движении представляет собой решетку, состоящую из рядов, ориентированных по потоку поворотных пластин. Другим недостатком станции является отсутствие устройств формирования потока на входе и выходе гидротурбины, что при малой скорости воды в реке существенно влияет на ее технико-экономические показатели. Этот недостаток не позволяет оптимизировать значения технологических параметров при различных скоростях потока воды в реке и глубине русла.
По количеству общих признаков и достигнутому результату данное техническое решение близко заявляемому и выбрано в качестве прототипа.
3. Сущность полезной модели
Задачей является разработка такой конструкции наплавной ГЭС, которая более эффективно использовала бы энергию потока воды в реке за счет минимизации потерь, регулирования основных технологических параметров и работы станции в круглогодичном режиме.
Поставленная задача решается формированием потока по всей длине рабочей зоны станции и специальной конструкцией гидротурбины. Для этого в предлагаемой конструкции наплавной ГЭС на входе и выходе гидротурбины установлены регулируемые подводящее и отводящее устройства формирования потока в виде усеченных пирамид так, что их малые сечения совмещены с входным и выходным сечениями корпуса гидротурбины, а лопасти рабочего колеса гидротурбины закреплены на торцевых дисках с возможностью поворота относительно горизонтальных осей на угол 90 градусов, причем, рабочие поверхности лопастей снабжены наклонными ребрами, которые расположены симметрично и наклонены к продольной оси так, что при взаимодействии с потоком на входе в гидротурбину рабочий поток сужается. Причем, на нижней передней кромке
подводящего устройства формирования потока и на нижней задней кромке отводящего устройства шарнирно прикреплены поворотные лотки, а над ними на плавсредстве установлены подъемные устройства, например, лебедки, кинематически связанные с передними кромками лотков.
В гидротурбине на торцевых участках полуосей поворотных лопастей неподвижно закреплены крестовины, а на внутренних торцевых поверхностях корпуса гидротурбины неподвижно установлены полукольцо и упор так, что при вращении рабочего колеса они кинематически взаимодействуют с рычагами крестовин, складывая лопасти по окружности в режиме холостого хода и возвращая их в исходное положение в рабочей зоне. Крестовины, полукольца и упоры установлены с двух сторон рабочего колеса, причем упоры, ограничивающие поворот лопастей в рабочей зоне, закреплены на внутренних поверхностях торцевых дисков так, что в рабочей зоне они кинематически взаимодействуют с верхними кромками рабочих поверхностей лопастей. На полукольцах в местах их контактов с рычагами крестовин установлено по одному подшипнику, например, подшипнику скольжения.
Оснащение плавсредства подводящим сужающим устройством, представляющим собой регулируемый конфузор, позволяет увеличить мощность потока за счет увеличения входного сечения, и осуществлять его регулирование при изменении скорости потока и (или) уровня воды в реке. Дополнительный положительный эффект от установки конфузора заключается в том, что при сужении потока на входе в гидротурбину его скорость возрастает и вследствие этого увеличивается число оборотов рабочего колеса, что позволяет использовать редуктор с меньшим передаточным числом, обеспечивая при этом работу электрогенератора в оптимальном режиме.
Отводящее расширяющее устройство, представляющее собой регулируемый диффузор, снабжено поворотным лотком, что позволяет минимизировать турбулизацию потока на выходе, уменьшить его гидравлическое сопротивление и снизить за счет этого потери мощности станции. Вторым важным конструктивным элементом, способствующим решению поставленной задачи, является специальная конструкция лопастной гидротурбины. Благодаря наличию на рабочих поверхностях лопастей сходящихся к центру ребер поток воды при смывании лопасти продолжает сужаться, при этом, сила давления воды на лопасть и мощность турбины возрастают.
Вторая задача: обеспечение работы станции в зимний период подо льдом решается тем, что рабочие лопасти горизонтального рабочего колеса гидротурбины выполнены с возможностью поворота относительно продольной оси при движении навстречу потока, а при входе в рабочую зону они автоматически возвращаются
в исходное положение. В отличие от прототипа конструкция рабочего колеса стала значительно проще, а степень уменьшения гидравлического сопротивления больше, т.к. на холостом участке траектории движения лопасти складываются и образуют цилиндрическую поверхность.
В целом, совокупность признаков ограничительной и отличительной частей формулы полезной модели необходима и достаточна для решения поставленной задачи. Эта совокупность в полном объеме ранее нигде не использовалась для решения поставленной задачи и других эквивалентных задач. Следовательно, предлагаемое техническое решение отвечает критерию существенной новизны.
Схема и конструкции основных элементов предлагаемой наплавной гидроэлектростанции иллюстрируются чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 показан главный вид наплавной гидроэлектростанции.
На фиг.2 - общий вид сверху.
На Фиг.3 - главный вид рабочего колеса подводной гидротурбины.
4. Примеры конкретного выполнения
Пример 1 конкретного выполнения
Наплавная гидроэлектростанция в надводном положении (фиг.1, 2) монтируется на плавсредстве 1, например, катамаране, который неподвижно удерживается в потоке воды на якорях. К подводной части плавсредства прикреплены подводящее сужающее устройство 2 и отводящее устройство 3, имеющие формы усеченных пирамид. Каждое из этих устройств снабжено поворотными лотками 4, 5, поворот которых обеспечивается подъемными устройствами 6, 7, например, лебедками. В средней части плавсредства установлена лопастная гидротурбина 8 с возможностью регулирования глубины ее погружения в зависимости от осадки плавсредства. Лопасти 9 надводной гидротурбины 8 неподвижно закреплены на торцевых дисках 10, а на рабочих поверхностях лопастей имеются выступающие ребра, расположенные симметрично относительно оси потока и наклоненные от периферии к центру (фиг.2). Для безопасной эксплуатации рабочее колесо гидротурбины закрыто цилиндрическим корпусом 12, в нижней части которого выполнены сквозные проемы 11, обеспечивающие свободный проход рабочего потока воды.
Крутящий момент, возникающий на валу 13 гидротурбины, посредством механической передачи 14, например ременный, передается электрогенератору 15, установленному на плавсредстве 1.
Наплавная гидроэлектростанция в надводном положении, выполненная по примеру 1, работает следующим образом: поток воды, регулируемый поворотным лотком 4, поступает в подводящее сужающее устройство 2, где его скорость увеличивается пропорционально отношению площадей входного и выходного сечений. Благодаря наличию на рабочих поверхностях лопастей 9 наклонных ребер, рабочий поток в гидротурбине продолжает сужаться, что увеличивает суммарное гидравлическое сопротивление лопастей и повышает мощность гидротурбины. После прохождения нижней точки лопасть 9 поворачивается так, что наклонные ребра направляют поток от центра к периферии, т.е. поток расширяется. Дальнейшее расширение потока осуществляется в отводящем устройстве 3, причем степень расширения и скорость регулируются поворотным лотком 5, что позволяет минимизировать турбулизацию выходного потока и связанные с ней потери мощности.
Пример 2 конкретного выполнения.
Описанная в примере 1 конструкция наплавной гидроэлектростанции после модернизации рабочего колеса гидротурбины и герметизации узла электрогенератора с приводом может работать в погруженном состоянии в зимнее время года. Конструкция рабочего колеса подводной гидроэлектростанции показана на фиг.3. Отличие рабочего колеса подводной гидротурбины от рабочего колеса надводной состоит в том, что его лопасти 18 закреплены на торцевых дисках 20 с возможностью поворота относительно горизонтальных осей 16, а на концевых участках осей за торцевыми дисками неподвижно установлены крестовины 17, которые принудительно поворачиваются вместе с лопастями 18. Для обеспечения поворотов крестовин 17 при переходах из рабочей зоны в зону холостого хода и обратных переходах упоры 19 размещены на торцевом диске 20 рабочего колеса, а упор 21 и полукольцо 22 установлены на корпусе гидротурбины.
Гидротурбина наплавной гидроэлектростанции в подводном положении подо льдом работает следующим образом: в рабочей зоне на лопасть 18 действует сила давления потока жидкости и лопасть поворачивается против часовой стрелки (фиг.3), после чего рычаг А крестовины 17 упирается в упор 19 на торцевом диске 20.
При выходе лопасти из рабочей зоны, когда сила давления воды близка к нулю, рычаг В крестовины 17 упирается в неподвижное полукольцо 22 торцевого диска корпуса гидротурбины, лопасть поворачивается по часовой стрелке на угол 90° и удерживается в этом положении при движении по всей длине полукольца. В свернутом положении лопасти образуют цилиндрическую поверхность (фиг.3), которая при движении навстречу потока оказывает минимальное гидравлическое сопротивление. Перед подходом лопасти
1
2
1
2
к рабочей зоне крестовина 17 выходит из зоны контакта с полукольцом и рычагом С взаимодействует с упором 21, закрепленном на неподвижном торцевом диске корпуса гидротурбины. В результате силового взаимодействия крестовина вместе с лопастью поворачиваются против часовой стрелке и возвращается в исходное положение. В поперечном сечении поворотная лопасть 18 представляет собой рычаг с плечами L и L, причем для уменьшения затрат энергии на принудительные повороты по часовой стрелке в зоне рабочего хода ось расположена так, что L>L.
Пример 3 конкретного выполнения.
Крестовины 17 (фиг.3) установлены с двух сторон рабочего колеса, т.е. на обоих торцевых дисках 20, а упоры 19 с наружных сторон торцевых дисков перенесены на внутренние (на чертеже не показаны) и закреплены так, что они контактируют не с крестовинами, а непосредственно с лопастями. Такая конструкция исключает нагрузки на крестовины при движении лопастей в рабочей зоне и равномерно распределяет усилия, возникающие при поворотах лопастей и их движении в режиме холостого хода.
Пример 4 конкретного выполнения.
На упорном полукольце 22 в месте его контакта с крестовиной установлен ролик 23 (фиг.3), что увеличивает долговечность и КПД гидротурбины за счет уменьшения силы трения в зоне контакта.
5. Промышленная применимость.
Опытный образец наплавной гидроэлектростанции в соответствии с примером 1 изготовлен в мастерской экспериментально-технологической лаборатории ФТП Томского государственного педагогического университета. Его испытания, проведенные в русле реки Томи, подтвердили перспективность заявленного технического решения, которое может быть реализовано с помощью известных средств по общепринятым технологиям. Во втором квартале 2007 года планируются совместно с ООО «Альфатех» повторные испытания с целью оптимизации значений технологических параметров станции и дальнейшая коммерциализация разработки. При необходимости возможны и другие формы реализации заявляемого технического решения не выходящие по своей сущности за пределы совокупности признаков отличительной и ограничительной частей формулы полезной модели.