БЕСПЛОТИННАЯ ПЛАВУЧАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к гидроэнергетике, в частности к конструкциям устройств для выработки электроэнергии за счет энергии гидравлического потока реки.
Известна бесплотинная плавучая гидроэлектростанция (далее - БПГЭС), содержащая заякоренное с использованием системы тросов плавучее основание в виде катамарана, на котором установлена, по крайней мере, одна гидротурбина, содержащая ротор, снабженный снаружи его корпуса лопатками, при этом вал ротора гидротурбины кинематически связан с электрогенератором и установлен на опорах (см. патент РФ на изобретение №2474724, МПК F03B 7/00, публ. 10.02.2013). К недостаткам известного устройства можно отнести недостаточную эффективность функционирования БПГЭС при изменяющихся величинах нагрузки на гидротурбину.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является БПГЭС, содержащая заякоренное с использованием системы тросов плавучее основание в виде катамарана, на котором установлена, по крайней мере, одна гидротурбина, содержащая ротор, полость корпуса которого заполнена материалом, плотность которого меньше плотности воды, снабженный снаружи лопатками, при этом вал ротора гидротурбины кинематически связан с электрогенератором и установлен на опорах (см. патент РФ на изобретение №2607142, МПК F03B 17/06, публ. 12.10.2015). К недостаткам известного устройства также можно отнести недостаточную эффективность функционирования БПГЭС при изменяющихся величинах нагрузки на гидротурбину.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической проблемы и достижение технического результата, состоящего в повышении эффективности и стабильности функционирования БПГЭС при изменяющихся величинах нагрузки на гидротурбину за счет возможности саморегулирования глубины ее погружения в водный поток.
Данный технический результат достигается тем, что в БПГЭС, содержащей заякоренное с использованием системы тросов плавучее основание в виде катамарана, на котором установлена, по крайней мере, одна гидротурбина, содержащая ротор, полость корпуса которого заполнена материалом, плотность которого меньше плотности воды, снабженный снаружи лопатками, при этом вал ротора гидротурбины кинематически связан с электрогенератором и установлен на опорах, лопатки гидротурбины имеют форму фрагмента параболы, отходящая от основания часть которой является периферийной частью лопатки, а опоры вала ротора гидротурбины выполнены с возможностью их перемещения по высоте относительно плавучего основания.
Выполнение лопаток гидротурбины, имеющих форму фрагмента параболы, отходящая от основания часть которой является периферийной частью лопатки, обеспечивает возможность саморегулирования глубины погружения гидротурбины в водный поток при изменении нагрузки на гидротурбину. Например, при увеличении нагрузки увеличивается момент сопротивления вращению ротора гидротурбины. При этом увеличивается сила, воздействующая со стороны водного потока на криволинейные лопатки гидротурбины, а направленная вниз ее вертикальная составляющая, обусловленная криволинейной формой лопатки, стремится утопить ротор гидротурбины. Как показали наши экспериментальные исследования (результаты приведены ниже) для того, чтобы имело место наиболее эффективное воздействие на гидротурбину в направлении ее погружения, целесообразно, чтобы кривизна лопатки увеличивалась по направлению к ее периферии, а не оставалась постоянной, как в прототипе. Этому условию соответствует геометрия параболы, которая и предлагается для формы лопатки гидротурбины. В этом случае направленная вниз вертикальная составляющая будет иметь место у практически всех лопаток гидротурбины, находящихся в водном потоке, а при увеличении нагрузки ротор будет все больше погружаться в водный поток и, соответственно, все большая поверхность лопаток будет находиться под воздействием водного потока. Таким образом, происходит автоматическое саморегулирование величины погружения ротора гидротурбины в водный поток до тех пор пока не уравновесятся вертикальная составляющая воздействия на лопатки и направленная вверх Архимедовой силой всплытия ротора, полость которого заполнена материалом, плотность которого меньше плотности воды. При изменении нагрузок на ротор гидротурбины он будет погружаться или всплывать в водном потоке, будет изменяться поверхность лопаток, находящихся под воздействием водного потока, и соответственно, мощность гидротурбины. В виду этого БПГЭСМ будет эффективно и стабильно функционировать при изменяющихся величинах нагрузки на гидротурбину.
При этом, очевидно, что в случае закрепления ротора гидротурбины на опоре, которая установлена без возможности изменения ее высоты над плавучим основанием, ротор может погружаться в водяной поток только вместе с плавучим основанием, что существенно нивелирует описанный выше эффект из-за наличия большого сопротивления погружению ротора. Выполнение опоры вала ротора гидротурбины с возможностью их перемещения по высоте относительно плавучего основания позволяет устранить влияние этого плавучего основания на перемещение ротора и способствует эффективному и стабильному функционированию БПГЭС при изменяющихся величинах нагрузки на гидротурбину за счет возможности саморегулирования глубины ее погружения в водный поток.
Таким образом, одновременное и совместное использование признаков заявленной полезной модели, характеризующих форму лопатки и выполнение опоры вала гидротурбины, позволяет получить указанный выше технический результат.
На фиг. 1 представлен вид сбоку на БПГЭС с одной гидротурбиной; на фиг. 2 - вид сверху на БПГЭС с двумя гидротурбинами; на фиг. 3 - вид сверху на БПГЭС с четырьмя гидротурбинами (гирлянда); на фиг. 4 - схематичное изображение поперечного разреза ротора гидротурбины с лопатками; на фиг. 5 - схематичное изображение продольного разреза ротора гидротурбины с лопатками; на фиг. 6 - чертеж, поясняющий выполнение лопатки ротора в форме фрагмента параболы; на фиг. 7 - экспериментальный график зависимости мощности гидротурбины от скорости водного потока (получены с использованием модели гидротурбины) при выполнении лопатки в форме дуги окружности (как в прототипе), на фиг. 8 - экспериментальный график зависимости мощности гидротурбины от скорости водного потока (получены с использованием модели гидротурбины) при выполнении лопатки в форме в форме фрагмента параболы.
БПГЭС содержит заякоренное с использованием системы 1 тросов плавучее основание 2 в виде катамарана, на котором установлена, по крайней мере, одна гидротурбина, содержащая ротор 3, полость 4 корпуса которого заполнена материалом, плотность которого меньше плотности воды. Это может полый ротор (герметичный) просто только с воздушной полостью 4 корпуса или ротор, полость 4 корпуса которого заполнена, например, пенопластом 5. Ротор 3 снабжен снаружи корпуса лопатками 6, которые имеют форму фрагмента параболы, представленную на фиг. 6 сплошной жирной линией. При этом отходящая от основания 7 параболы часть является периферийной частью лопатки 6, а сама лопатка 6 крепится к корпусу ротора 3 противоположной ее частью. Ротор 3 с лопатками 6 по бокам ограничен дисками 8. Вал 9 ротора гидротурбины кинематически связан с электрогенератором 10 и установлен на опорах 11, которые выполнены с возможностью их перемещения по высоте относительно плавучего основания 2. Такие опоры могут быть выполнены, например, на основе обычных амортизаторов, в том числе с регулируемой жесткостью или аналогично изложенному в патенте РФ на полезную модель №99078 техническому решению в виде опор, перемещающихся по вертикальным стойкам. Электрогенератор 10 снабжен электрическим кабелем (не показан), соединяющим его с потребителем электроэнергии. Также БПГЭС может быть снабжена перегородками 12, образующими на входе суживающийся канал, и направляющими с ускорением водный поток к гидротурбине.
Предлагаемая БПГЭС работает следующим образом.
При установке БПГЭС на реке выбирается удобное для ее размещения место и плавучее основание 2 с установленными на нем агрегатами стопорится в этом месте при помощи якорей и системы 1 тросов. При этом ротор 3 плавает в водном потоке таким образом, что его ось выше ватерлинии. Водный поток при помощи перегородок 12 ускоряется, воздействует на лопатки 6 ротора гидротурбины, заставляя его вращаться. Вал электрогенератора 10, соединенный напрямую или через редуктор (не показан) также вращается и электрогенератор 10 вырабатывает электроэнергию, которая по электрическому кабелю доставляется потребителю.
При изменении нагрузки на гидротурбину, например, при ее увеличении увеличивается момент сопротивления вращению ротора 3 гидротурбины. При этом увеличивается сила, воздействующая со стороны водного потока на криволинейные лопатки 6 ротора гидротурбины, а направленная вниз ее вертикальная составляющая, обусловленная криволинейной формой лопатки, стремится утопить ротор гидротурбины. При увеличении нагрузки ротор 3 будет все больше погружаться в водный поток и, соответственно, все большая поверхность лопаток будет находиться под воздействием водного потока. Таким образом, происходит автоматическое саморегулирование величины погружения ротора 3 гидротурбины в водный поток до тех пор пока не уравновесятся вертикальная составляющая воздействия на лопатки 6 вниз и направленная вверх Архимедовой силой всплытия ротора 3, полость корпуса которого заполнена материалом, плотность которого меньше плотности воды. При изменении нагрузок на ротор 3 гидротурбины он будет погружаться или всплывать в водном потоке, будет изменяться поверхность лопаток, находящихся под воздействием водного потока, и, соответственно, мощность гидротурбины. В виду этого БПГЭС будет эффективно и стабильно функционировать при изменяющихся величинах нагрузки на гидротурбину.
БПГЭС может быть сформирована при различных компоновках отдельных гидротурбин, как это показано на фиг. 2 и фиг. 3, что само по себе известно и не является предметом заявленной полезной модели, и при любой компоновке каждая отдельная гидротурбина будет функционировать описанным выше образом.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает высокую эффективность и стабильность функционирования БПГЭС при изменяющихся величинах нагрузки на гидротурбину за счет возможности саморегулирования глубины ее погружения в водный поток.