ВОДОПРИЕМНИК-ВОДОВЫПУСК
WATER INTAKE/WATER OUTLET

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к гидроаккумулирующим электростанциям (ГАЭС), в частности к водоприемникам-водовыпускам этих ГАЭС, а также может быть использовано в водоприемных сооружениях гидроэлектростанций (ГЭС) и водовыпускных устройствах крупных насосных станций (НС), работающих в режиме гидроаккумулирования.
Известен водоприемник-водовыпуск, используемый для ГАЭС (Авторское свидетельство СССР 1155665, МКИ Е02В 9/04. Водоприемник гидротехнического сооружения / Ленинградский политехнический институт.- Опубл. 15.05.85, бюл. №18) [1]. Он включает входной оголовок напорного водовода (или водоприемно-водовыпускную камеру), пазы затвора и напорный водовод. Водоприемник-водовыпуск обеспечивает сопряжение водоема и напорного водовода и плавное поступление воды из водоема в водовод при работе ГАЭС в турбинном режиме и плавный выход потока воды из напорного водовода в водоем при работе ГАЭС в насосном режиме. В связи с этим водоприемно-водовыпускная камера имеет раструбную форму, т.е. со стороны водоема имеет большое поперечное сечение, а ближе к напорному водоводу - значительно меньшее. Сужение этой водоприемно-водовыпускной камеры или угол ее раструбности значительно влияет на потери напора и энергии потока. Для турбинного режима работы ГАЭС, при котором поток воды в своем движении сужается (имеет место конфузорность), наименьшие потери напора соответствуют углу конфузорности 35-50°. Для насосного режима работы ГАЭС, при котором поток воды в своем движении расширяется (имеет место диффузорность), наименьшие потери напора соответствуют углу конфузорности 8-12°. С целью обеспечения наименьших потерь напора и в турбинном, и в насосном режимах работы в известном техническом решении потолок водоприемно-водовыпускной камеры выполнен с возможностью изменения угла раструбности водоприемно-водовыпускной камеры за счет шарнирного крепления рамы, размещенной на верхней грани камеры.
Недостатком известного технического решения является сложность эксплуатации. Недостаток обусловлен необходимостью использования подъемного механизма для опускания и подъема потолочного элемента - верхней рамы, который должен применяться при изменении режима работы ГАЭС с турбинного на насосный и обратно. При этом необходимо отслеживать изменение режима работы ГАЭС и своевременно обеспечить перемещение потолочного элемента.
Недостатком известного устройства является также низкая надежность его работы, поскольку перемещение потолочного элемента зависит от работоспособности подъемного механизма. При выходе из рабочего состояния этого подъемного механизма невозможно будет обеспечить и перемещение потолочного элемента.
Также недостатком известного устройства является его большая материалоемкость и стоимость, которые обусловлены тем, что водоприемно-водовыпускная камера выполняется значительной длины (по направлению потока). Такая длина камеры обусловлена насосным режимом работы ГАЭС. Именно в насосном режиме необходимо обеспечить также и наименьшие выходные потери энергии потока из водоприемно-водовыпускной камеры. Эти потери пропорциональны квадрату скорости выходного потока воды в выходном сечении камеры. Для обеспечения наименьшей скорости потока в выходном сечении при угле раструбности всего в 8-12° необходима большая длина водоприемно-водовыпускной камеры. Это приводит к значительной материалоемкости водоприемника-водовыпуска и большой его стоимости.
Известен также водоприемник-водовыпуск (Авторское свидетельство СССР 1705484, МКИ Е02В 9/00. Водовыпуск / Самарский инженерно-строительный институт и Ленинградский политехнический институт. - Опубл. 15.01.92, бюл. №2 - прототип) [2]. Устройство предназначено для работы в режиме гидроаккумулирования. Оно включает водоприемно-водовыпускную камеру, пазы затвора, напорный водовод и разделители потока, размещенные в водоприемно-водовыпускной камере. Наличие разделителей потока уменьшает отмеченный выше известный недостаток, а именно снижает материалоемкость водоприемника-водовыпуска и его стоимость, поскольку позволяет уменьшить длину водоприемно-водовыпускной камеры.
Недостаток этого устройства заключается в сложности его эксплуатации и низкой надежности, поскольку для перемещения (опускания и подъема) потолочного элемента водоприемно-водовыпускной камеры и разделителей потока предусмотрено использование подъемного механизма. Сложность эксплуатации обусловлена необходимостью отслеживать режим работы ГАЭС и в зависимости от режима использовать подъемный механизм. Низкая надежность работы устройства объясняется зависимостью его работы от работоспособности подъемного механизма.
Кроме того, недостатком этого водоприемника-водовыпуска является значительная его материалоемкость и стоимость, поскольку для реализации такого технического решения необходимо изготовить разделители потока из дорогостоящего материала (металла) и установить их в водоприемно-водовыпускной камере.
Сущность изобретения состоит в упрощении эксплуатации, повышении надежности работы водоприемника-водовыпуска, а также в уменьшении его материалоемкости и стоимости.
Технический результат - обеспечение упрощения эксплуатации за счет автоматического изменения раструбности водоприемно-водовыпускной камеры водоприемника-водовыпуска путем изменения толщины разделителя потока, повышение надежности работы всего водоприемника-водовыпуска путем обеспечения надежной автоматической работы разделителя потока, уменьшение материалоемкости и стоимости водоприемника-водовыпуска.
Указанный технический результат достигается тем, что водоприемник-водовыпуск, включающий водоприемно-водовыпускную камеру, пазы затвора, напорный водовод и разделители потока, размещенные в водоприемно-водовыпускной камере, снабжен управляющим элементом и водопроводом, а разделители потока выполнены полыми с возможностью изменять свою толщину и включают концевые и промежуточные балки и эластичную оболочку с фиксирующими тягами, при этом концевые балки выполнены со своих внешних сторон удобообтекаемой формы, промежуточные балки выполнены полыми с перфорацией по своей длине, эластичная оболочка выполнена в виде замкнутой полости, а управляющий элемент выполнен в виде трубки, свободный конец которой размещен в водоприемно-водовыпускной камере и повернут в сторону напорного водовода, а другой конец посредством водопровода соединен с внутренней полостью промежуточной балки разделителя потока, причем концевые и промежуточные балки размещены внутри полости эластичной оболочки и своими концевыми частями жестко связаны со стенками водоприемно-водовыпускной камеры, эластичная оболочка связана посредством жесткого крепления с внешними удобообтекаемыми сторонами концевых балок разделителя потока, а фиксирующие тяги размещены внутри эластичной оболочки и связывают противоположные поверхности эластичной оболочки с возможностью ограничения максимального расстояния между ними.
Предлагаемая конструкция может эффективно применяться в водоприемниках-водовыпусках гидроаккумулирующих электростанций, особенностью которых является реверсивное движение водного потока в связи с работой ГАЭС в турбинном и насосном режимах, и может быть использовано в водоприемных сооружениях ГЭС и водовыпускных устройствах насосных станций, работающих в режиме гидроаккумулирования. При этом автоматически обеспечивается оптимальная раструбность водоприемно-водовыпускной камеры как для турбинного, так и для насосного режимов, а следовательно, наименьшие потери энергии.
Эффект от использования предлагаемого устройства заключается в том, что в сравнении с прототипом обеспечивается упрощение эксплуатации из-за автоматического изменения толщины разделителя потока и раструбности водоприемно-водовыпускной камеры, а также повышение надежности работы всего водоприемника-водовыпуска из-за обеспечения надежной автоматической работы разделителя потока. Кроме того, уменьшается материалоемкость и стоимость водоприемника-водовыпуска за счет использования для разделителей потока более дешевого материала.
На фиг.1 изображен поперечный разрез водоприемника-водовыпуска, где приняты следующие обозначения: водоприемно-водовыпускная камера 1, паз затвора 2, напорный водовод 3, разделитель потока 4, управляющий элемент 5, водопровод 6, концевые балки 7, промежуточная балка 8, эластичная оболочка 9, фиксирующая тяга 10.
На фиг.2 - план-разрез водоприемника-водовыпуска, где приняты следующие обозначения: водоприемно-водовыпускная камера 1, паз затвора 2, напорный водовод 3, управляющий элемент 5, водопровод 6, концевые балки 7, промежуточная балка 8, трубка 11, полость 12.
На фиг.3 - разрез разделителя потока при работе водоприемника-водовыпуска в режиме выпуска потока в водоем (диффузорном), где приняты следующие обозначения: концевые балки 7, промежуточная балка 8, эластичная оболочка 9, фиксирующая тяга 10, полость 12, жесткое крепление 13.
На фиг.4 - разрез разделителя потока при работе водоприемника-водовыпуска в режиме входа потока в водовод (конфузорном), где приняты следующие обозначения: концевые балки 7, промежуточная балка 8, эластичная оболочка 9, фиксирующая тяга 10, полость 12, жесткое крепление 13.
Водоприемник-водовыпуск включает водоприемно-водовыпускную камеру 1, паз затвора 2, напорный водовод 3 и разделитель потока 4, размещенный в водоприемно-водовыпускной камере 1, снабженной управляющим элементом 5 и водопроводом 6, а разделитель потока 4 выполнен полым с возможностью изменять свою толщину и включает в себя концевые балки 7 и промежуточную балку 8, эластичную оболочку 9 с фиксирующими тягами 10, при этом концевые балки 7 выполнены со своих внешних сторон удобообтекаемой формы, промежуточная балка 8 выполнена полой с перфорацией по своей длине, эластичная оболочка 9 выполнена в виде замкнутой полости, а управляющий элемент 5 выполнен в виде трубки 11, свободный конец которой размещен в водоприемно-водовыпускной камере 1 и повернут в сторону напорного водовода, а другой конец посредством водопровода 6 соединен с внутренней полостью 12 промежуточной балки 8 разделителя потока 4, причем концевые балки 7 и промежуточная балка 8 размещены внутри полости эластичной оболочки 9 и своими концевыми частями жестко связаны со стенками водоприемно-водовыпускной камеры 1, эластичная оболочка 9 связана посредством жесткого крепления 13 с внешними удобообтекаемыми сторонами концевых балок 7 разделителя потока 4, а фиксирующие тяги 10 размещены внутри эластичной оболочки 9 и связывают противоположные поверхности эластичной оболочки 9 с возможностью ограничения максимального расстояния между ними.
Устройство работает следующим образом. Водный поток, при работе водоприемника-водовыпуска в турбинном режиме, поступая из напорного водовода 3, проходит мимо управляющего элемента 5, выполненного в виде трубки 11, создавая давление, под действием которого вода вовлекается в замкнутую полость 12 разделителя потока 4 посредством водопровода 6. Нагнетаемая подобным образом вода в полость разделителя раздувает эластичную оболочку 9 до момента, когда дальнейшему нагнетанию начинают препятствовать фиксирующие тяги 10, прикрепленные к эластичной оболочке 9 с внутренних сторон разделителя потока 4 (фиг.3), ограничивая максимальное расстояние между ними, тем самым создавая оптимальную раструбность диффузорного участка камеры водоприемника-водовыпуска для турбинного режима работы ГЭУ и наименьшие потери напора.
При прохождении водного потока мимо управляющего элемента 5 в обратном направлении, при использовании водоприемника в насосном режиме, за последним создастся разряженная область, в которую устремляется вода из полости разделителя потока, тем самым спуская эластичную оболочку 9 (фиг.4) и обеспечивая оптимальный угол для текущего режима работы ГЭУ.
Таким образом, в предлагаемом устройстве за счет применения автоматически изменяющего толщину разделителя потока обеспечивается оптимальная раструбность водоприемно-водовыпускной камеры водоприемника-водовыпуска как для турбинного, так и для насосного режимов без использования какого-либо механического оборудования, а следовательно, обеспечивается его работа с наименьшими потерями энергии. Использование устройства обеспечит упрощение эксплуатации из-за того, что не требуется применение подъемного или иного механического оборудования для изменения положения и формы разделителя потока, поскольку раструбность водоприемно-водовыпускной камеры изменяется автоматически. В свою очередь, работа устройства без механического оборудования повысит надежность водоприемника-водовыпуска, поскольку не будет зависеть от надежности и работоспособности этого механического оборудования. Кроме того, уменьшится материалоемкость и стоимость водоприемника-водовыпуска за счет выполнения разделителя потока из отдельных балок и применения более дешевого материала - эластичной оболочки. Дополнительное снижение материалоемкости и стоимости обеспечивается за счет отказа от дорогостоящего механического оборудования.
В результате применения предлагаемого устройства достигается комплексный экономический эффект. За счет упрощения эксплуатации снизится численность обслуживающего персонала. В связи с этим уменьшатся расходы на выплату заработной платы. Кроме того, за счет снижения материалоемкости только на 2 т металла эффект, с учетом экономии транспортных расходов, может составить около 100 тыс.руб. на одну конструкцию.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1155665, МКИ Е02В 9/04. Водоприемник гидротехнического сооружения / Ленинградский политехнический институт. - Опубл. 15.05.85, бюл. №18.
2. Авторское свидетельство СССР 1705484, МКИ Е02В 9/00. Водовыпуск / Самарский инженерно-строительный институт и Ленинградский политехнический институт. - Опубл. 15.01.92, бюл. №2.