ГЭС НА КОЛЬЦЕВОМ ПОТОКЕ ВОДЫ
HYDROELECTRIC POWER PLANT (HPP) ON CIRCULAR WATER FLOW

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к получению электроэнергии от массы потока воды, движущегося по замкнутому лотку, с искусственным или естественным разгоном, в виде кинетического гидроузла.
Известные, подобного типа, малые гидроэлектростанции, в которых напор создается, в основном, естественным уклоном потока реки или быстротоком, а силовые установки помещаются непосредственно в поток. Аналоги заявки: 2003122970, патент 2183899.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является так называемая «Гравитационно-водоворотная станция» Франца Цотлетерера из Швецарии, включающая подводящую систему водовода (напорная деривация), кольцевой, в виде цилиндра, бассейн со спиральным водоворотным выпуском в центре, куда помещается гидротурбина с вертикальной осью вращения и генератором тока.
Недостатком прототипа является то, что данный тип ГЭС, используя прямой поток реки, после завихрения, попадает в центральную воронку, куда помещается стандартная турбина с генератором тока. Эта схема имитирует «улитку» крупных плотинных ГЭС, только бассейн с водоворотом является открытым и форма его - цилиндрическая, а не в виде улитки. Подобная ГЭС требует большой расход воды, при малом напоре (0,7-1,0 м) на единицу вырабатываемой мощности. Нерационально увеличивать диаметр бассейна (более 5 м), т.к. резко возрастает расход материалов и стоимость единицы мощности, усложняется обслуживание, а сама мощность ГЭС вырастает не значительно (КПД падает). Размещение агрегатов в центре водоворота также затрудняет его монтаж, обслуживание, а особенно ремонт, необходимо спускать бассейн полностью и извлекать агрегат или создавать крановые надстройки, кроме того, слив через воронку требует дополнительной глубины под корпусом.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что разгонный поток, который вливается из входного патрубка, пристроенного по касательной к корпусу открытого кольцевого лотка, приобретает форму кольцевого лотка типа кинетического гидрокольца. У входа потока в кольцевой лоток, на дне, установлен порог, дно которого находится ниже уровня входного патрубка на высоту порога. На внешнем борте кольцевого лотка, где установлены монорельсы, перед входным патрубком размещен сегментный поверхностный слив, снабженный горизонтальной регулирующей задвижкой по дуге внешнего борта. Под сливом помещена емкость для сбора сливной воды, переходящая в отводной патрубок по касательной корпуса, а в центре корпуса лоткового кольца установлен пилон для крепления оси ротора гидротурбины или всего генератора электрического тока.
Устройство ГЭС на кольцевом потоке воды объясняется схемами, где:
Фиг.1. Схема (поперечный разрез по диаметру) кольцевого лотка с входом потока и выходом и с естественным напором воды от реки.
Фиг.2. Примерная схема в плане, возможного R-каскада кольцевых микро-ГЭС, размещаемых по естественному уклону ландшафта на одном быстротоке.
Фиг.3. Поперечный разрез кольцевого корпуса с электрическим генератором в центре.
Фиг.4. Кольцевая ГЭС, вид сверху.
Разгонный канал устраивается по замкнутому кольцу с бортовым водовыпуском, сбросная прорезь в верхней части борта направляет поток в лоток, как бы продолжает свой путь дальше по тому же первоначальному направлению. При такой схеме кольцевого бассейна при тех же параметрах напора сила потока может использоваться эффективней за счет энергии кинетического гидрокольца, если турбину лопастную разместить на направляющих, закрепленных по верхнему краю окружности обоих бортов бассейна, т.е. появляется дополнительный момент сил. Турбина может крепиться своей осью в центре бассейна (при диаметре наружного борта не более шести метров) или с возможностью опоры роликами на внутренний монорельс. Если диаметр кольца больше 6 м, то турбина становится планетарным механизмом, а генераторы могут устанавливаться или внутри свободной полости кольца или за внешним бортом кольцевого канала.
Рабочие лопатки турбины опущены в поток воды кольцевого лотка. Глубина воды в лотке, ширина кольцевого лотка и напор рассчитываются отдельно для каждого диаметра бассейна напора потока, вида гидротурбины, типа генератора и ожидаемой его мощности. Подобные кольцевые спиралевидные бассейны могут составляться, по уклону ландшафта, в каскад с минимальными затратами материалов (фиг.2).
У этой схемы ГЭС (с верхним расположением турбины и генераторов) большой диапазон использования как по месту расположения относительно источника напора (реки) или потребителя энергии, так и по форме сечения кольцевых бассейнов, их размеров и комплектации в каскады, а главное расширяются возможности применения по объему расходов речек и совсем иные новые способы извлечения электрической энергии из кинетической энергии кольцевого потока (гидрокольца).
ГЭС работает следующим образом: поток воды, взятый с помощью деривации из реки, по быстротоку или трубе 5 направляется к, например, железобетонному или пластиковому кольцевому лотку 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.4.) расчетного диаметра. Вода, по подводящему лотку 5, входит в спираль лотка 1, закручиваясь, приобретает дополнительное ускорение и уходит через бортовой сброс в лоток 6 или в деривацию на следующую станцию (фиг.2). Перед входом в лотке установлен порог 7, регулирующий уровень потока в спиральном лотке 1. Если кольцевой канал ГЭС, небольшого диаметра (до 6 м), то гидротурбина 9 может быть размещена своей осью 3 вращения на пилоне 2 в центре круга внутри полости, а лопатки 4, размещенные по краю окружности турбины, контактируют с водным быстротоком в кольцевом лотке, а с помощью роликов 11 с монорельсом 8 (фиг.1).
Турбина, вращаясь от потока воды, через любую известную редукцию передает вращение на генератор, и чем меньше потери на редукторах, тем больше получаемая мощность. Мощность может быть больше при увеличении диаметра кольцевого лотка до 8 м (больше нерационально), но при этом случае турбина 9 при вращении опирается роликами 11 на кольцевые монорельсы 8, установленные по верхним краям лотков и представляет уже сегментное кольцо турбины с лопатками 4. Отбор мощности вращения у такой планетарной турбины также требует особых технических решений и представляет ноу-хау. «Отработанная» вода после первой мини-ГЭС по водоводу 6 направляется или обратно в реку, или по лотку на следующую станцию в каскаде, если позволяет уклон местности.
Технический результат, получаемый от изобретения, состоит в том, что ГЭС с отбором потока от реки, кольцевой лоток и сегментная турбина просты и не дороги в изготовлении, из литого бетона, в пластмассе (диаметром до 6 м, методом «мокрого торкрета»). Схема ГЭС технологична (по сравнению с аналогами) в эксплуатации и ремонте, т.к. турбины и генераторы находятся на открытых площадках и доступны со всех сторон. Мини-ГЭС могут быть выполнены непосредственно на месте (не традиционного заводского исполнения), в мастерских потребителя энергии.