ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ОТКРЫТЫМ МАШИННЫМ ЗАЛОМ
THERMAL POWER PLANT WITH OPEN TURBINE HALL

Техническое решение относится к нетрадиционной электроэнергетике, более конкретно к конструкциям электростанций с открытыми машинными залами с синхронными явнополюсными тихоходными электрическими машинами с вертикальной осью вращения ротора.
Известны гидроэлектростанции с машинным залом открытого типа, например, Иваньковская ГЭС канала им. Москвы (см. книгу Судоходные гидротехнические сооружения СССР, автор Г.Л.Садовский, изд-во Транспорт, 1970 г., стр.67), в которых гидротурбина установлена в потоке рабочего тела (воды), соединена вертикальным валопроводом с электрогенератором, установленным в открытом машинном зале.
Известны также гидрогенераторы гидроэлектростанций, см., например, Гидроагрегат, А.С. СССР №314921, Мки F03B 3/00, содержащий электрогенератор с подпятником, гидротурбину, систему регулирования, спиральную камеру в фундаменте плотины для усиления кинетической энергии рабочего тела (воды) и разъемный вертикальный валопровод.
Недостатком устройства является сложность конструкции, и, главное, необходимость иметь на месте сооружения возобновляемые гидроресурсы.
Известны также линейные двигатели, предназначенные для транспортных средств, см., например, книгу Электрические машины, автор М.М.Кацман, издательство Академия, 2008 год, Москва, стр.251-254.
Недостаток линейных двигателей - высокие требования к качеству протяженных трасс.
Более близкого прототипа в отечественном и зарубежном патентном фондах, а также в специальной литературе не обнаружено.
Цель изобретения - упростить конструкцию гидроэлектростанции, исключить необходимость в возобновляемых гидроресурсах.
Поставленная цель достигается тем, что электростанция оснащена тяговым линейным электрическим двигателем (ТЛЭД), автономным источником электроснабжения тягового линейного электрического двигателя и системой сбора атмосферных осадков, при этом тяговый линейный электрический двигатель состоит из подвижного (вращающегося) ротора и неподвижного статора, размещенных в открытом машинном зале в кольцевой галерее радиуса R, с центром по оси ротора электрической машины, под монтажным лонжероном рабочего колеса, причем ротор его, радиуса R, выполнен в виде составного цилиндра с вертикальной осью, верхняя часть которого крепежная, а нижняя реактивная, крепежная часть скреплена с монтажным лонжероном рабочего колеса, а реактивная часть размещена в воздушном зазоре двусторонней электромагнитной системы статора, индукционные катушки которого установлены на жестких рамах и скреплены с фундаментом галереи, автономный источник электроснабжения тягового линейного электрического двигателя соединен с тяговым линейным электрическим двигателем, системы функционирования соединены с электрической машиной, а система сбора атмосферных осадков состоит из коллектора, выполненного ниже пола открытого машинного зала с уклоном к резервуару, снабженному насосом.
Конструкция электростанции с открытым машинным залом представлена на следующих чертежах:
на фиг.1 показана часть открытого машинного зала с размещенными на нем электрической машиной и тяговым линейным электрическим двигателем (вид сверху),
на фиг.2 показана часть открытого машинного зала с размещенными на нем электрической машиной и тяговым линейным электрическим двигателем (разрез по вертикальной диаметральной плоскости,
на фиг.3 показана конструкция тягового линейного электрического двигателя (разрез по вертикальной радиальной плоскости «А-А» кольцевой галереи),
на фиг.4 показана развертка конструкции ротора тягового линейного электрического двигателя,
на фиг.5 показана схема тягового линейного электрического двигателя (вид сверху),
на фиг.6 показана схема электростанции с открытым машинным залом,
на фиг.7 показана схема системы сбора атмосферных осадков с открытого машинного зала (разрез по вертикальной продольной плоскости открытого машинного зала),
на фиг.8 показана общая функциональная электрическая схема электростанции с открытым машинным залом.
В описании применены следующие условные обозначения:
1 - пол открытого машинного зала,
2 - кессон,
3 - электрическая машина,
4 - втулка,
5 - рабочее колесо,
6 - монтажный лонжерон,
7 - естественный грунт,
8 - галерея,
9 - тяговый линейный электрический двигатель (ТЛЭД),
10 - ротор ТЛЭД,
11 - статор ТЛЭД,
12 - крепежные полки монтажного лонжерона,
13 - тяговый венец,
14 - крепежные полки тягового венца,
15 - шпильки,
16 - винты,
17 - линия соединения крепежной и реактивной частей ротора ТЛЭД,
18 - крепежная часть ротора ТЛЭД,
19 - реактивная часть ротора ТЛЭД,
20 - прорези,
21 - ребра жесткости,
22 - внутренний анкерный швеллер,
23 - внешний анкерный швеллер,
24 - болты,
25 - внутренняя установочная рама,
26 - внешняя установочная рама,
27 - болты,
28 - внутренняя катушка индуктивности,
29 - внешняя катушка индуктивности,
30 - обмотка,
31 - активная поверхность катушки индуктивности,
32 - открытый машинный зал,
33 - проекция рабочего колеса,
34 - источник тока ТЛЭД,
35 - источник электроэнергии возбуждения электрической машины,
36 - выходной силовой трансформатор,
37 - служебное здание,
38 - подземный переход,
39 - аварийный выход,
40 - зонт,
41 - бордюр,
42 - коллектор,
43 - емкость,
44 - насос.
Устройство "Электростанция с открытым машинным залом" состоит из открытого машинного зала, электромеханического блока и электротехнического оборудования.
Электромеханический блок состоит (см. фиг.1, 2) из генераторной части - электрической машины 3 и приводной части - тягового линейного электрического двигателя (ТЛЭД). Электромеханический блок выполнен: на открытой горизонтальной площадке от некоторого уровня - будущего пола 1 открытого машинного зала 32 в естественном грунте 7 в бетонированном кессоне 2 установлена электрическая машина 3, вал ротора которой посредством втулки 4 жестко связан с рабочим колесом 5. Под монтажным лонжероном 6 рабочего колеса 5 от уровня пола 1 также в естественном грунте 7 сооружена кольцевая галерея 8.
В галерее 8 сооружен тяговый линейный электродвигатель (ТЛЭД) 9, который состоит из кольцевого ротора 10, который установлен на вращающемся рабочем колесе 5 и, таким образом, является подвижным, и неподвижного статора 11 кольцевой двусторонней замкнутой электромагнитной системы. Радиус рабочего колеса 5 и, соответственно, ротора 10 ТЛЭД может достигать 20-25 и более метров.
Назначение тягового линейного электрического двигателя - создать непрерывный вращающий момент Мвр. определенной величины с определенной угловой скоростью периферийной части рабочего колеса 5.
Рабочее колесо 5 выполнено с радиусом R, большим радиуса r ротора электрической машины 3. Ротор электрической машины и ротор 10 ТЛЭД являются соосными на жесткой связи. Эти конструктивные особенности позволяют:
- обеспечить равенство угловых скоростей ротора ТЛЭД и ротора электрической машины, здесь рабочее колесо 5 выполняет функции пассивного элемента при передаче угловой скорости от ротора 10 ТЛЭД ротору электрической машины,
- обеспечить увеличение вращающего момента Мвр. от ротора 10 ТЛЭД при передаче его ротору электрической машины за счет рычажного момента неравенств величин R и r, здесь рабочее колесо выполняет функции активного конструктивного элемента.
В результате, непосредственно сразу, удалось передать электрическую энергию одной электрической машины, усилив и преобразовав ее в механическую, другой электрической машине посредством пассивного конструктивного элемента.
Ротор 10 ТЛЭД устроен (см. фиг.3, 4, 5): рабочее колесо 5 на периферии своей окружности имеет монтажный лонжерон 6, внешняя торцевая часть которого снабжена горизонтальными крепежными полками 12 с вертикальными отверстиями. К монтажному лонжерону 6 крепится тяговый венец 13 своими горизонтальными крепежными полками 14 с вертикальными отверстиями. Крепежные полки 12 монтажного лонжерона 6 и крепежные полки 14 тягового венца 13 соединяют между собой шпильками 15. Назначение тягового венца 13 - нести ротор 10 ТЛЭД, который крепят к торцевой поверхности рабочего колеса 5, к монтажному лонжерону 6 винтами 16. Ротор 10 ТЛЭД представляет из себя цилиндр радиуса R с вертикальной осью вращения, совпадающей с осью рабочего колеса 5, функционально и конструктивно он состоит по высоте из двух частей, соединенных между собой по линии 17: верхней крепежной части 18 и нижней реактивной части 19. Крепежная часть 18 выполнена из прочного диамагнитного материала и предназначена для крепления ротора 10 ТЛЭД на тяговом венце 13 винтами 16.
Реактивная часть 19 является собственно ротором ТЛЭД выполнена из пакета листовой ферромагнитной стали с вертикальными прорезями 20. Основные конструктивные требования изготовления ротора 10 и особенно его реактивной части 19 - это механическая прочность и точность обеспечения цилиндрической конфигурации, отклонения от которой не должны превышать нескольких миллиметров. Повышенная жесткость реактивной части 19 ротора 10 ТЛЭД обеспечена ребрами жесткости 17, 21, выполненными по всей его окружности. При применении большеразмерных рабочих колес ротор 10 изготавливают составным из многих окружных секций, что значительно упрощает производственный процесс изготовления, транспортировку и последующие монтажно-наладочные работы на месте сооружения электростанции.
В данной конструкции ТЛЭД, исходя из условия достижения максимальной простоты, применен короткозамкнутый ротор наипростейшей конструкции, ротор с фазной обмоткой не рассматривался.
Статор ТЛЭД устроен (см. фиг.1, 2, 3, 5): неподвижный статор 11 ТЛЭД размещен в галерее 8. На уровне пола фундамента галереи установлены кольцевые анкерные швеллеры внутренний 22 и внешний 23 с отверстиями, к которым болтами 24 крепят внутреннюю установочную раму 25 и внешнюю установочную раму 26, к ним болтами 27 крепят корпуса внутренней катушки индуктивности 28 и внешней катушки индуктивности 29. Катушки индуктивности 28, 29 представляют из себя пакет пластин электротехнической стали, стянутый шпильками с обмоткой 30. Активную поверхность катушек индуктивности выполняют с выпуклым мениском, радиуса R для внутренней 28 катушки и с вогнутым мениском, радиуса R для внешней 29 катушки. Установочные рамы 25, 26 по дуге окружности ТЛЭД выполняют длиной порядка одного метра, что обеспечивает удобство монтажа и точную их установку по всей окружности статора. Крепежные узлы на болтах 24, 27 позволяют осуществить регулировку установки катушек индуктивности 28, 29 по трем координатам, а также по углам.
Таким образом, вся длина окружности статора является активной и находится в постоянной индуктивной связи с вторичным элементом - ротором.
К монтажно-крепежному оборудованию, установленному в галерее 8: установочным рамам 25, 26, катушкам индуктивности 28, 29, крепежным узлам с болтами 24, 27, а также к анкерным швеллерам 22, 23 предъявляются следующие технологические требования:
- обеспечить абсолютную прочность и жесткость конструкции,
- контактные поверхности под болтовые соединения, а также подкладочные шайбы выполнять шлифованными,
- установочные рамы и корпуса катушек индуктивности 28, 29 должны точно соответствовать расчетному углу окружности ТЛЭД.
Кроме того, к указанному оборудованию предъявляются электротехнические требования, а именно выполнять его необходимо из антимагнитного материала, что значительно уменьшит гистерезисные потери в конструкционных элементах оборудования и позволит сконцентрировать электромагнитное поле в активной зоне. Это требование желательно выполнять при применении материала арматуры при бетонировании сооружения ТЛЭД.
Активную поверхность 31 сердечников катушек индуктивности внутренних 28 и внешних 29 выполняют шлифованной, кроме того, к ней предъявляются следующие монтажно-наладочные требования:
- строгое соответствие по высоте реактивной части 19 ротора ТЛЭД с высотой активной части 31 сердечников катушек индуктивности 28, 29,
- воздушный зазор с каждой стороны между подвижной реактивной частью 19 ротора 10 ТЛЭД и активной поверхностью 31 сердечников катушек индуктивности 28, 29 не должен превышать нескольких миллиметров.
Ширина воздушного зазора с внешней стороны ротора 10 ТЛЭД должна учитывать возможное приращение длины радиуса ротора 10 на тепловое удлинение и на возможное удлинение на величину упругой деформации под действием сил центробежного ускорения не только на рабочих, но и на угонных скоростях. При этом необходимо исключить, а при невозможности, учитывать радиальную несимметрию конкретной механической системы.
Устройство открытого машинного зала (см. фиг.6, а также фиг.2 и 3). На поверхности Земли выбирают некоторый участок с устойчивым естественным грунтом 7 (без плывунов, пустот и др. дефектов), снимают с него слой почвы, выравнивают и назначают некоторый уровень - будущий пол 1 открытого машинного зала 32. На участке сооружают армированный кессон 2 с массивным фундаментом для установки электрической машины 3. На этом же участке в естественном грунте 7 строят кольцевую галерею 8 по проекции 33 рабочего колеса с центром по оси вала ротора электрической машины 3. В фундаменте галереи 8 устанавливают заподлицо внутренний 22 и внешний 23 анкерные швеллеры для установки оборудования статора ТЛЭД. Ширина галереи 8 позволяет не только установить оборудование статора 11, но при монтажно-сборочных и наладочных работах пользоваться с внутренней и внешней стороны статора малой механизацией: стремянками, подставками, тележками, подъемниками, домкратами, различным измерительным инструментом и т.п. Кроме того, в галерее проходят различные коммуникации: электрические кабели, трубы охлаждения, воздуховоды, провода автоматики, трубы отопления для поддержания положительной температуры в галерее в холодное время для предотвращения коррозии оборудования в период плановой остановки электростанции.
Участок бетонируют до назначенного уровня, который является полом 1, на определенной площадке 32, которая является открытым машинным залом электростанции. Вертикальное расстояние между полом 1 и нижней поверхностью рабочего колеса порядка 0,1-0,2 метра. В открытом машинном зале 32 размещено также другое оборудование (см. фиг.6): автономный источник 34 электроснабжения тягового линейного электрического двигателя, источник электроэнергии возбуждения 35 электрической машины 3, выходной силовой трансформатор 36, служебное здание 37, в котором размещено вспомогательное оборудование, блоки автоматики, контрольно-измерительные приборы и пульт управления.
Служебное здание 37 соединено с галереей 8 и кессоном 2 подземным переходом 38 для прохода обслуживающего персонала. По нему также проложены различные коммуникации. Подземный переход 38 выполнен диаметрально и заканчивается аварийным выходом на поверхность открытого машинного зала 32 за рабочим колесом 5.
Рабочее колесо 5 имеет большую поверхность, и при выпадении атмосферных осадков дождя, снега предусмотрено следующее: рабочее колесо 5 с верхней стороны над монтажным лонжероном 6 (см. фиг.3) снабжено круговым зонтом 40, пол 1 открытого машинного зала 32 под зонтом снабжен бордюром 41 и имеет уклон во внешнюю сторону до коллектора 42 (см. фиг.7), который представляет из себя замкнутую кольцевую или другой формы бетонированную траншею с уклоном в одну сторону. Нижняя часть его соединена с емкостью 43, из которой вода удаляется насосом 44.
При выпадении осадков рабочее колесо 5 под действием центробежных сил выносит их на зонт 43, откуда они срываются на пол 1 и попадают в коллектор 42 и самотеком в емкость 44 (дождь). Зимой коллектор 42 закрыт заподлицо щитами, Около зонта 40 рабочего колеса 5 снег убирают аккуратно мягкими щетками на 1 метр по радиусу, затем применяют механизированную уборку.
Работа электростанции (см. фиг.2, 3, 5, 8). В данной конструкции электростанции тяговый линейный электрический двигатель выполнен в виде горизонтального правильного кольца большого диаметра с непрерывной замкнутой электромагнитной системой, поэтому по электротехнической схеме ТЛЭД можно рассматривать как электрическую машину с аксиальным бегущим электромагнитным полем, однако по конструкции при большеразмерном рабочем колесе длина кольцевой электромагнитной системы может достигать 150-200 метров (и это не предел), которая состоит из большого количества локальных двусторонних магнитных систем, ТЛЭД является электрической машиной с поперечным электромагнитным полем.
С пульта управления из служебного здания 37 включают автономный источник электроснабжения 34 на тяговый линейный электрический двигатель 9. В воздушном зазоре между поперечными катушками индуктивности 28, 29 статора 11 возникает магнитодвижущая сила вращающегося электромагнитного поля, которая «связана» магнитными силами с подвижным цилиндрическим ротором 10 и увлекает, вращает его. Ротор 10 ТЛЭД, скрепленный с рабочим колесом 5 посредством монтажного лонжерона 6, вращает вал и ротор электрической машины 3. С пульта управления в служебном здании 37 включают источник электроэнергии возбуждения 35 электрической машины 3. После прокрутки на холостом ходу выходной силовой трансформатор 36 включают на внешнюю нагрузку, т.е. электростанция с открытым машинным залом работает на внешнюю сеть.
Одно из технических преимуществ данной электростанции с открытым машинным залом в том, что ее сооружение не нужно «привязывать» к первичным источникам потенциальной, кинетической, химической, тепловой, ветровой энергии.