Гидроэлектростанция
HYDROELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при производстве электроэнергии на реках.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является гидроэлектростанция (ГЭС), представляющая собой плавсредство, закрепленное тросами с опорами на берегу, содержащее один ряд и более турбин, параллельно установленных на полых платформах, переходящих в острые грани по вертикали в носовой части, валы которых установлены в подшипниковых опорах с возможностью вертикального перемещения и кинематически связаны с электрогенератором и пускорегулирующим оборудованием, при этом на валах турбин смонтированы звездочки, соединенные между собой цепями, а перед плавсредством установлен фильтр в виде клина для отвода предметов (бревен, досок), отличающаяся тем, что лопасти турбин имеют серповидный профиль и закреплены к корпусам валов так, что их кромки образуют с зеркалом воды острый угол, а полые платформы имеют в поперечном сечении трапецеидальную форму, переходящую в острые грани по вертикали в тыльной части, вертикальные стойки фильтра, установленного неподвижно на расстоянии от плавсредства, снабжены роликами с возможностью проворота, а электрогенератор и пускорегулирующее оборудование устанавливаются на берегу (RU 2451824, F03B 7, F03B 13/10 «Гидроэлектростанция», автор Засеев Л.З.).
Данная гидроэлектростанция имеет следующие недостатки:
- полые платформы, на которых установлены турбины, увеличивают материалоемкость, усложняют и снижают надежность конструкции ГЭС;
- неподвижно закрепленные на валу турбин серповидные лопасти не позволяют поочередно останавливать турбины при проведении работ по ремонту и обслуживанию лопастей, чтобы обеспечить безопасность работ при демонтаже и перемещении плавсредства ГЭС на берег осенью перед ледоставом, а также при его обратном перемещении на поверхность воды весной после ледохода;
- необходимость проведения бетонных работ на берегах с целью сужения русла реки и устройства опор для закрепления ГЭС тросами требует значительных капитальных вложений, при этом теряется мобильность ГЭС, необходимая для обеспечения электроэнергией, например, рыболовецких бригад, постоянно меняющих место лова вдоль реки.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеназванных недостатков, а именно снижение материалоемкости и повышение надежности гидротурбин путем применения попарно закрепленных на легких рамах плавучих гидротурбин со складными лопастями, кинематически связанных между собой в виде цепочки, что позволяет исключить из конструкции ГЭС полые платформы и повысить безопасность работ при обслуживании гидроэлектростанции, связанных с сезонностью работы ГЭС, и обеспечить мобильность ГЭС путем применения якорного крепления цепочек плавучих гидротурбин ко дну, что позволяет исключить необходимость в проведении бетонных работ.
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в том, что гидроэлектростанция, представляющая собой цепочки кинематически связанных между собой плавучих гидротурбинных модулей, закрепленных ко дну реки якорями на канатах, содержащая один ряд и более цепочек плавучих гидротурбинных модулей, установленных параллельно друг другу, вдоль течения реки, кинематически связанных с электрогенератором и пускорегулирующим оборудованием, а каждый ряд цепочек гидротурбинных модулей имеет отбойник в виде клина для отвода предметов (бревен, досок и т.п.), отличающаяся тем, что с целью исключения отдельных плавучих платформ сами парные гидротурбины модулей выполнены плавучими путем наполнения цилиндрических корпусов гидротурбин материалом легче воды, не впитывающим воду, например пенопластом, а на самой поверхности цилиндрического корпуса гидротурбин установлены лопасти на шарнирных петлях, при этом лопасти при вращении гидротурбины раскрываются в рабочее положение при вхождении лопасти в воду, а при выходе лопастей из воды они закрываются, укладываясь на цилиндрическую поверхность корпуса, с возможностью фиксации в закрытом положении, при этом поверхность сложенных лопастей также представляет собой цилиндрическую поверхность, вертикальные стойки отбойника, установленного на раме первого по течению гидротурбинного модуля, имеют возможность подъема и опускания в воду, а электрогенератор и пускорегулирующее оборудование устанавливаются либо на раме одного из гидротурбинных модулей, либо на берегу.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где
на Фиг. 1 изображен гидротурбинный модуль, вид сверху;
на Фиг. 2 изображен гидротурбинный модуль, вид сбоку;
на Фиг. 3 изображена гидроэлектростанция, вид сверху;
на Фиг. 4 изображена гидроэлектростанция, вид сбоку;
на Фиг. 5 изображено сечение А-А гидроэлектростанции;
на Фиг. 6 изображено сечение Б-Б гидротурбины, механизм фиксации лопасти в закрытом положении;
на Фиг. 7 изображено сечение Б-Б гидротурбины, механизм фиксации лопасти в открытом положении.
На Фиг. 8 изображены лопасти гидротурбин, установленные на шарнирных петлях.
Гидроэлектростанция содержит гидротурбинные модули 26 (фиг. 3), рамы которых соединены между собой при помощи шарнирных сочленений 27 (фиг. 3) в последовательную цепочку, где гидротурбинные модули 26 (фиг. 3) представляют собой звенья цепочки, при этом гидротурбины соседних модулей соединены между собой кинематически, например при помощи карданной передачи 16 (см. фиг. 4).
Гидротурбинный модуль (далее ГТМ) 26 (фиг. 3) представляет собой пару плавучих гидротурбин 1 и 2 (см. фиг. 1 и 2), установленных на подшипниках 4 (фиг. 1) на раме 3 (фиг. 1), по периметру рамы 3 (фиг. 1) и между гидротурбинами 1 и 2 (фиг. 1) оборудованы подмостки 5 и 6 (фиг. 1) для прохода людей при обслуживании ГТМ. Внутренний объем корпуса гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) заполнен легким, не впитывающим воду материалом, обеспечивающим плавучесть гидротурбины, например пенопластом 21 (см. фиг. 5, 6).
На цилиндрической поверхности корпуса гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) на шарнирных петлях 36 (фиг. 8) установлены лопасти 11 (фиг. 2), а на торцевой поверхности корпуса гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) под каждой лопастью 11 (фиг. 2) установлены фиксаторы 28 (фиг. 6) специального механизма фиксации лопастей 11 (фиг. 2) в закрытом положении (см. фиг. 1, 2, 6, 7). Фиксация лопастей 11 (фиг. 2) в закрытом положении или их освобождение осуществляется при помощи механизма с переставляемым упором 30 (фиг. 6), имеющего возможность занимать два положения на направляющей стойке 34 (фиг. 6), верхнее и нижнее (см. фиг. 2, 6, 7).
Выходные валы обеих гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) ГТМ связаны между собой кинематически любой механической передачей, например при помощи угловых редукторов 14 (фиг. 2) и промежуточных валов 12 (фиг. 1), соединяющихся между собой муфтами 13 (фиг. 2). Промежуточные валы 12 (фиг. 1) имеют на выходных концах подшипниковые опоры 10 (фиг. 2), на одном из выходных концов имеется управляемая разъединительная муфта 15 (фиг. 2). Передача вращения гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) на промежуточный вал соседнего ГТМ при стыковании ГТМ производится посредством карданной передачи 16 (фиг. 4).
Каждый ГТМ имеет с обеих сторон якоря 7 (фиг. 1), спускаемые в воду и поднимаемые из воды на канатах 8 (фиг. 1) посредством лебедок 9 (фиг. 1).
Первый по течению ГТМ в цепочке имеет опускаемый и поднимаемый из воды отбойник 19 (фиг. 4), представляющий собой решетчатую, клиновидную конструкцию, который предотвращает повреждение гидротурбин от плывущих по течению предметов, отводя их в сторону от ГТМ.
С целью получения необходимой мощности путем суммирования энергии вращения гидротурбин можно располагать несколько цепочек ГТМ параллельно друг другу, передавая энергию вращения гидротурбин от цепочки к цепочке при помощи карданного вала 20 (фиг. 3) и отключаемой муфты 15 (фиг. 5).
Пару гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) на любом ГТМ можно отключать путем перестановки упоров 30 (фиг. 6) у каждой гидротурбины 1 и 2 (фиг. 1) на верхнее положение, при котором закрепленные на гидротурбинах 1 и 2 (фиг. 1) напротив каждой лопасти 11 (фиг. 2) подпружиненные рычаги 29 (фиг. 6) в процессе вращения гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) наезжают верхним концом на упор 30 (фиг. 6), подпружиненные рычаги 29 (фиг. 6) при этом перекидываются в другую сторону, задвигая стопоры 28 (фиг. 6) в отверстие на сложенной лопасти 11 (фиг. 2) и фиксируя лопасть 11(фиг. 2) в этом положении, при дальнейшем вращении гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) последовательно оказываются фиксированными в сложенном положении все лопасти гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1), таким образом выключая пару гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) этого ГТМ от всей кинематической цепочки гидротурбин на всех ГТМ. После отключения пары гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) на ГТМ от воздействия потока можно остановить вращение гидротурбин ГТМ путем отключения муфты 15 (фиг. 3) на этом ГТМ.
Для включения ГТМ в общую цепочку ГТМ следует включить муфту 15 (фиг. 3) на ГТМ, чтобы пара гидротурбин 1 и 2 (фиг. 2) начали вращение, и переставить упоры 30 (фиг. 6) в нижнее положение, при котором подпружиненные рычаги 29 (фиг. 6) нижним своим концом последовательно наезжали на упор 30 (фиг. 6) и перекидывались на другую сторону, выдвигая стопор 28 (фиг. 6) из отверстия на складных лопастях 11 (фиг. 2) и расфиксируя лопасти 11 (фиг. 2), чтобы они под воздействием собственного веса раскрывались и подвергались воздействию потока воды, включаясь в работу остальных ГТМ.
На одном из ГТМ устанавливается электрогенератор 24 (фиг. 3), подсоединенный через мультипликатор 22 (фиг. 3), управляемую муфту 15 (фиг. 3) и угловой редуктор 14 (фиг. 3) к общему промежуточному валу 12 (фиг. 2), таким образом вся вращательная энергия цепочек ГТМ оказывается замкнутой на нем.
Электрогенератор 24 (фиг. 3) через пускорегулирующее оборудование 23 (фиг. 3) и кабель 35 (фиг. 3) соединяется с потребителем 25 (фиг. 3), находящимся на берегу.
Гидроэлектростанция работает следующим образом. При монтаже гидроэлектростанции на реке выбирается удобное для ее установки место. Если ГТМ 26 (фиг. 3) находятся на берегу, их надо на своей паре гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) со сложенными лопастями 11 (фиг. 2), как на колесах, прикатить к воде по одному. Спустить на воду необходимое количество ГТМ, собрать цепочку ГТМ при помощи шарнирных сочленений 27 (фиг. 3) и отбуксировать моторной лодкой на место установки, дать развернуться и встать по течению цепочку ГТМ, спустить все якоря 7 (фиг. 1) ГТМ, путем стравливания и выбирания канатов 8 (фиг. 1) при помощи лебедок 9 (фиг. 1), выставить оптимальное положение гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) ГТМ 26 (фиг. 3) относительно потока. Закрепить на первом по течению ГТМ отбойник 19 (фиг. 3) и опустить его в воду.
Таким же образом спустить на воду и поставить на якорь остальные цепочки ГТМ 26 (фиг. 3) на необходимом расстоянии друг от друга. Соединить цепочки ГТМ 26 (фиг. 3) между собой при помощи карданных валов 20 (фиг. 3). Промежуточные валы 12 (фиг. 1) соседних ГТМ каждой цепочки соединить при помощи карданных передач 16 (фиг. 4).
Переставляемые упоры 30 (фиг. 6) на направляющей стойке 34 (фиг. 6) всех ГТМ переставляются на нижнее положение, гидротурбины 1 и 2 (фиг. 1) на первом ГТМ проворачиваются вручную на один оборот для освобождения всех стопоров 28 (фиг. 6) из лопастей 11 (фиг. 2) этих гидротурбин, чтобы они начали вращаться от воздействия потока на раскрытые лопасти, последовательно включаются управляемые муфты 15 (фиг. 3) на каждом ГТМ, при этом при вращении гидротурбин 1 и 2 (фиг. 1) происходит освобождение от стопоров 28 (фиг. 6) всех лопастей 11(фиг. 2) на всех гидротурбинах 1 и 2 (фиг. 1) остальных ГТМ, эти лопасти включаются в работу и промежуточные валы 12 (фиг. 2) всех ГТМ начинают вращаться. В последнюю очередь, после проверки включения лопастей всех ГТМ, включается управляемая муфта 15 (фиг. 2) мультипликатора 22 (фиг. 3) привода электрогенератора 24 (фиг. 3), электрогенератор 24 (фиг. 3) начинает вырабатывать ток, который передается через пускорегулирующее оборудование 23 (фиг. 3) и кабель 35 (фиг. 3) потребителю 25 (фиг. 3).
Перед ледоставом остановка и демонтаж цепочек ГТМ производится в обратном порядке, разъединенные ГТМ буксируются к берегу и выкатываются на гидротурбинах 1 и 2 (фиг. 1) со сложенными лопастями 11 (фиг. 2) на место, где не достает вода при весеннем разливе, и ставятся на хранение до следующей весны.
Таким же образом, при необходимости ремонта, можно отключить и отсоединить от общей цепочки любой ГТМ, выкатить его на берег и произвести ремонт.
Предлагаемое изобретение позволяет решить следующие задачи:
- Исключение из конструкции ГЭС полых платформ, на которых располагаются гидротурбины, путем применения гидротурбин, роторы которых сами обладают плавучестью, что позволяет снизить материалоемкость, упрощает конструкцию и повышает надежность работы ГЭС.
- Применение модульного принципа конструкции ГЭС путем применения гидротурбинных модулей (ГТМ), представляющих собой пару плавучих гидротурбин, установленных на общей раме, оснащенных складными лопастями с механизмом фиксации их в сложенном положении, и валы которых кинематически связаны между собой, а также имеют возможность подсоединиться к соседнему ГТМ при помощи регулируемой муфты и карданной передачи, позволяют выборочно отключать турбины при проведении работ по ремонту и обслуживании лопастей, чтобы обеспечить безопасность работ при демонтаже и перемещении ГТМ на берег осенью перед ледоставом, а также при его обратном перемещении на поверхность реки весной после ледохода;
- Применение якорного крепления каждого ГТМ ко дну позволяет отказаться от необходимости проведения бетонных работ на берегах с целью сужения русла реки и устройства опор для закрепления ГЭС тросами, которые требуют значительных капитальных вложений, при этом у гидроэлектростанции появляется мобильность ГЭС, необходимая для обеспечения электроэнергией, например, рыболовецких бригад, постоянно меняющих место лова вдоль реки;