КАСКАДНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
CASCADE HYDROELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть применено как самостоятельно для выработки электроэнергии, так и в составе плотинных ГЭС, деривационных ГЭС, свободнопоточных ГЭС в системах водоснабжения, водоотведения, и водотоках каналов.
Известна речная гидроэлектростанция, содержащая обводной канал и турбины, соединенные с генераторами, отличающаяся тем, что, с целью расширения области применения, она снабжена щитками и прямолинейными трубами, соединяющими русло реки с обводным каналом и расположенными горизонтально или наклонно, причем обводной канал выполнен подземным и расположен на берегу параллельно руслу реки, а турбины размещены в концевых участках труб или за выходными сечениями труб, при этом щитки установлены в русле реки поперек потока за входными сечениями труб ниже по течению реки /RU Патент 2023806, 1994 г./.
Известная гидроэлектростанция имеет не достаточно высокий КПД, излишне конструктивно сложна и дорога в изготовлении и монтаже, ограниченно применима при небольших перепадах высот, не достаточно технологична в эксплуатации.
Известна микроГЭС, включающая гидротурбину с генератором электрического тока, выведенным наружу через колено отсасывающей трубы и соединенным с валом турбины, отличающаяся тем, что станина статора генератора выполнена в виде рубашки, которая плотно одета на пакет статора, к торцам которого приварены фланцы подшипниковых крышек, причем вокруг рубашки создан кожух для образования камеры охлаждения, которая снабжена трубами, подводящими и отводящими охлаждающую воду, при этом генератор выполнен с меньшим диаметром, и удлиненным пакетом статора, и сердечником ротора, на наружной поверхности рубашки выполнено рифление глубиной канавок 0,5-1,5 мм и шириной 3-5 мм, а поверхность пакета статора смазывается диэлектрическим заливочным композитом /RU Патент 81773, 2009 г./. Известная микроГЭС имеет не достаточно высокий КПД, не достаточно надежна в работе, не технологична при ремонтных работах, и при эксплуатации ограниченно применима на низкоскоростных потоках.
Известна малая гидроэлектростанция с активной турбиной, включающая в себя плотину водозабора, конус водозабора, напорный водовод, активную турбину, генератор тока с приводом, отличающаяся тем, что конус водозабора выполнен конусом только в горизонтальной плоскости, вход в донный водосброс и вход в конус водовода располагаются в одной плоскости и над ними на гребне плотины водозабора установлено теплое помещение, стенка которого, обращенная в сторону водохранилища, располагается перед плотиной и ее нижняя кромка заглублена на величину промерзания водохранилища, а активная турбина выполнена в виде диска, жестко закрепленного на валу турбины, по обеим сторонам которого по его периферии закреплены ковши, выполненные в виде улиток, закручивающих падающую на них струю воды из сопел напорного водовода таким образом, чтобы отработанная струя воды падала мимо основной струи, каждое сопло напорного водовода выполнено в виде конуса, связанного с задвижкой напорного водовода через промежуточное звено водовода, а в качестве тормозной системы для стабилизации числа оборотов колеса турбины и, следовательно, частоты тока при изменяющихся в процессе работы станции параметрах напора и нагрузок на генератор от потребителей тока применен дополнительный генератор постоянного тока, вал которого жестко связан с валом основного генератора, и на обмотку возбуждения, которого через диодный мост подается ток из основной, трехфазной сети основного генератора, кроме того, в схеме управления обмоткой возбуждения основного генератора применен реостат, предназначенный для изменения силы тока в его обмотке возбуждения, управляемый центробежным толкателем, например, системы Уатта, вал которого также связан с валом основного генератора /RU Патент 2305793, 2007 г./.
Известная гидроэлектростанция имеет не достаточно высокий КПД, излишне конструктивно сложна, не позволяет автоматически удерживать равномерное распределение нагрузок между турбинами, мало технологична в изготовлении, монтаже и эксплуатации, относительно дорога и ограниченно применима при работе на низкоскоростных потоках.
Наиболее близкой является речная деривационная гидроэлектростанция, содержащая обводной канал, турбины и генераторы, установленные в нем, отличающаяся тем, что гидроэлектростанция дополнительно снабжена турбинами и генераторами, установленными на стыке реки и обводного канала и в обводном канале вниз по течению с образованием каскада, при этом гидроэлектростанция выполнена бесплотинной /RU Патент 2023201, 2007 г./.
Известная гидроэлектростанция имеет не достаточно высокий КПД, излишне конструктивно сложна, не позволяет автоматически удерживать равномерное распределение нагрузок между турбинами, мало технологична в изготовлении, монтаже и эксплуатации, относительно дорога и ограниченно применима при работе на низкоскоростных потоках.
Задачей изобретения является повышение КПД гидроэлектростанции, снижение конструктивной сложности, металлоемкости и стоимости изготовления, повышение технологичности изготовления, монтажа и эксплуатации, достижение равномерного распределения нагрузок между турбинами.
Задача решается тем, что в каскадной ГЭС, включающей канал, связанный с инициирующим динамичный поток водоемом, ортогональные турбины, расположенные внутри канала, согласно решению канал представляет собранную из соединительных звеньев трубу с разнесенными по длине трубы турбинами, выполненными в виде трубных модулей с выходом ведущего вала и возможностью установки модулей между соединительными звеньями трубы, при этом на входе в каждый трубный модуль дополнительно закреплены кольцевые элементы аэродинамического профиля, а на выходе из модуля - турбина, вместе с тем, расстояние между поперечными осями кольцевых элементов и ортогональных турбин соответствует 0,6÷1,2 диаметра трубы, а соединительные звенья трубы и трубные модули снабжены соединительными фланцами и подъемными зацепами.
Отличительными признаками являются:
- канал представляет собранную из соединительных звеньев трубу с разнесенными по длине трубы турбинами (что обеспечивает повышение КПД гидроэлектростанции, повышение технологичности изготовления, монтажа и эксплуатации, достижение равномерного распределения нагрузок между турбинами);
- турбины выполнены в виде трубных модулей с выходом ведущего вала и возможностью установки модулей между соединительными звеньями трубы, (что обеспечивает снижение конструктивной сложности, повышение технологичности изготовления, монтажа и эксплуатации);
- в модулях дополнительно закреплены кольцевые элементы аэродинамического профиля (что способствует повышению КПД);
- кольцевые элементы закреплены на входе в каждый трубный модуль, а турбина - на выходе из модуля (что обеспечивает оптимальное значение динамики потока при воздействии на турбину, технологичность изготовления, а при необходимости - замены изношенных узлов);
- расстояние между поперечными осями кольцевых элементов и ортогональных турбин соответствует 0,6÷1,2 диаметра трубы (что обеспечивает оптимальное значение динамики потока при воздействии на турбину со снижением негативных турбулентных эффектов).
Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с аналогами и другими известными решениями не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид с разрезом, фиг.2 - блок соединительного звена с трубными модулями, фиг.3 - трубный модуль в разрезе по АА, фиг.4 - трубный модуль, сечение Б-Б.
Каскадная гидроэлектростанция содержит канал 1, ортогональные турбины 2, соединительные звенья 3, трубные модули 4, ведущий вал 5, кольцевые элементы 6, фланцы 7, зацепы 8, генераторы 9. Каскадная гидроэлектростанция работает следующим образом.
По соединительным звеньям 3 канала 1 поток воды движется внутри трубных модулей 4, воздействуя на ортогональные турбины 2. В процессе движения поток обтекает кольцевые элементы 6, при этом происходит перераспределение скоростей потока в поперечном сечении канала (снижение скорости потока в зоне стен канала и возрастание скорости в зоне оси канала). Такое перераспределение скоростей приводит к снижению суммарной скорости потока, набегающего на лопасть турбины 2 при углах атаки, близких к нулевым, что ведет к возрастанию КПД турбины (стр.159, Моделирование нестационарных турбулентных течений при обтекании подвижных тел сложной геометрии на основе уравнений Навье-Стокса. Вестник Харьковского национального университета №847, 2009).
Мощность гидроэлектростанции равна сумме мощностей работающих агрегатов, при этом оптимальным будет такое распределение нагрузки, при котором суммарный расход всех турбин минимален или средний КПД имеет наибольшее значение. Для турбин с одинаковыми характеристиками оптимальным условиям соответствует равное распределение нагрузки между работающими турбинами (стр.156, Гидравлические машины: Турбины и насосы. Учебник для ВУЗов. М.: Энергия, 1978-320 стр.) Равномерное распределение нагрузки между турбинами повышает КПД ГЭС и надежность функционирования ортогональных турбин.
Турбины через ведущий вал 5 инициируют работу генераторов электроэнергии 9. Таким образом, низконапорный поток в канале 1 обеспечивает максимальную отдачу динамической составляющей потока воды на турбины 2. Последовательное распределение турбин в канале 1 обеспечивает полное использование энергии движущего потока воды, что позволяет с высокой степенью трансформировать динамику движения потока в электрическую энергию на генераторах 9, вместе с тем, снижение конструктивной сложности и металлоемкости позволяет значительно снизить затраты на изготовление и монтаж гидроэлектростанции.
Каскадная гидроэлектростанция обеспечивает повышение КПД гидроэлектростанции, снижение конструктивной сложности, металлоемкости и стоимости изготовления, повышение технологичности изготовления, монтажа и эксплуатации, достижения равномерного распределения нагрузок между турбинами, что способствует повышению технических параметров вырабатываемой электроэнергии, а также позволяет вырабатывать электроэнергию с каждой установленной турбины до завершения сооружения всей каскадной ГЭС.