ГИДРОГЕНЕРАТОР МОРСКИХ ТЕЧЕНИЙ
HYDROGENERATOR OF SEA CURRENTS

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к гидрогенераторам, использующим энергию морских течений и применяемым для выработки электроэнергии в промышленных масштабах с целью уменьшения влияния на окружающую среду традиционных энергоустановок ТЭЦ, ГЭС, АЭС.
Известно устройство гидрогенератора, включающее механизм преобразования давления воды морского течения во вращательное движение гидропривода, оборудованного лопастями, ступицей, механизмом разворота лопастей, корпусными отсеками, ротором генератора, имеющим диаметр более 50 м, что позволяет достичь нужной скорости прохождения полюсов перед обмотками статора, а статор установлен по всей окружности своего отсека. Фиксация гидрогенератора на месте эксплуатации осуществляется с помощью телескопических шарнирных опор, закрепленных на бетонном блоке, устанавливаемом на морском дне /Пат. 2070987 Российская Федерация, МПК 6 F03B 13/00. Электростанция для использования энергии морского течения./ В.Ф.Шемяков. - №93015110/06; заявл. 23.03.1993; опубл. 27.12.1996/ [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве предполагаются габариты электрогенератора диаметром более 50 м и крепление всей установки на телескопических шарнирных опорах, закрепленных на морском дне, на бетонном основании. Такая конструкция гидрогенератора ненадежна, имеет жесткие ограничения по месту установки и практически неосуществима.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству по совокупности признаков является гидрогенератор морских течений /WO 81/00595 A1, 05.03.1981, F03B 13/10/ [2], принятый за прототип. Данное устройство содержит два подводных корпуса с носовыми обтекателями и лопастными гидротурбинами с горизонтальными осями вращения, совпадающими с направлением морского течения, электрогенераторы, пилоны, якорную систему, а также конфузоры - участки сужения на входе водного потока, и диффузоры - участки расширения на выходе водного потока, при этом в рабочих зонах между конфузорами и диффузорами водный поток обладает наибольшей скоростью и энергоемкостью.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве нет схемы установки турбины в корпусе и схемы передачи ее вращения на генератор; нет внутренней емкости, обеспечивающей плавучесть станции. Такая конструкция гидрогенератора морских течений практически неосуществима и не способна стать альтернативой традиционным энергоустановкам для выработки электроэнергии в промышленных масштабах.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Заявляемое изобретение направленно на решение задачи повышения надежности работы и увеличения агрегатной мощности гидрогенератора. Этим обеспечивается решение задачи по вовлечению для энергоснабжения потребителей экологически чистых установок, работающих от возобновляемых источников энергии. Кроме этого, устройство способного обеспечить выработку промышленного тока с целью сокращения влияния на окружающую среду традиционных энергоустановок ТЭЦ, ГЭС, АЭС.
Технический результат - увеличение агрегатной мощности, КПД и надежности гидрогенератора.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, включающем два подводных корпуса с носовыми обтекателями и лопастными гидротурбинами с горизонтальными осями вращения, совпадающими с направлением морского течения, электрогенераторы, пилоны, якорную систему, а также конфузоры - участки сужения на входе водного потока, и диффузоры - участки расширения на выходе водного потока, при этом в рабочих зонах между конфузорами и диффузорами водный поток обладает наибольшей скоростью и энергоемкостью, особенностью предлагаемого устройства является то, что гидрогенератор снабжен надстройкой управления, причальной площадкой, сменной транспортной емкостью, аварийной установкой, планетарным редуктором, а корпусы выполнены веретенообразными и соединены между собой по типу катамарана связующим отсеком, причем в передней части каждого корпуса смонтировано кольцо гидродинамического разгона водного потока с конфузором, диффузором, рабочей зоной, представляющей собой с наружной стороны цилиндр, с внутренней стороны имеющий выпуклую поверхность, дугой вовнутрь, разгонное кольцо на корпусе установлено на пилонах, передних и задних, горизонтальных и вертикальных, пилоны в сечении имеют гидродинамический профиль, передние действуют как конфузор, задние - как диффузор, на скоростном участке между передними и задними пилонами установлена лопастная гидротурбина, соосно соединенная с электрогенератором через повышающий планетарный редуктор, гидротурбины и электрогенераторы обоих корпусов имеют противоположное вращение, в хвостовой части корпусов установлена аварийная установка двойного назначения, работающая при аварийной обстановке как движитель с приводом от аккумуляторной батареи и как электрогенератор в штатной ситуации, соединенный посредством разъемных муфт с ходовым винтом, выполненным с возможностью работы в режиме гидротурбины, носовые обтекатели корпусов и связующего их отсека включают в себя носовые и кормовые якорные устройства с механизмами регулирования длины и силы натяжения якорной цепи, передача выработанного водорода и компонентов электролиза происходит с помощью сменных транспортных средств.
При исследовании отличительных признаков гидрогенератора морских течений не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся использования известных конструкций гидрогенераторов с подводными веретенообразными корпусами, соединенными между собой параллельно по типу катамарана, с двухступенчатым разгонным блоком в носовой части каждого корпуса. В кормовой части каждого корпуса имеется универсальная аварийная установка двойного назначения, которая в аварийной ситуации работает как аварийный движитель с приводом от аккумуляторной батареи, в штатной ситуации - как постоянный гидрогенератор, где винт работает как гидротурбина, со своим разгонным блоком, аналогичным главному электрогенератору, а электродвигатель работает как генератор, постоянно вырабатывающий потребительский ток.
Положительный эффект от использования изобретения заключается в следующем. В носовой части установка имеет блок гидродинамического разгона потока, что увеличивает эффективность отбора энергии и сокращает габариты рабочей гидротурбины; в кормовой части установка имеет универсальное устройство двойного назначения, в аварийной ситуации работающее как движитель, дающий всей установке возможность для маневра, тем самым увеличивая ее надежность и безопасность, в штатной ситуации работающее как дополнительный гидрогенератор, тем самым оправдывая и окупая затраты на изготовление данного устройства.
Принятая схема параллельного соединения подводных веретенообразных корпусов между собой по типу катамарана, в носовой части связующим отсеком, а в кормовой - горизонтальным стабилизатором, позволяет создать надежный несущий корпус, обладающий хорошей остойчивостью, с большим запасом плавучести. Конструкция способна воспринимать все нагрузки в любых направлениях и плоскостях, сбалансировать и нейтрализовать внутри себя все возникающие напряжения, опрокидывающие, разворачивающие и вращательные моменты. Принятая концепция позволяет создать надежный агрегат большой мощности, способный выдерживать экстремальные нагрузки и стать альтернативным источником энергии.
Гидрогенератор морских течений устроен следующим образом. Основой всей конструкции служат два подводных веретенообразных корпуса, параллельно соединенных между собой по типу катамарана соединительным отсеком. В носовой части каждого корпуса установлено кольцо разгонного устройства, с наружной стороны представляющее собой цилиндр, с внутренней стороны в сечении имеет гидродинамический профиль с дугой вовнутрь. Разгонный блок на корпусе устанавливается на передних и задних, горизонтальных и вертикальных пилонах, связующих в одно целое носовой обтекатель, цилиндр разгонного блока и основной корпус установки. Передняя обтекаемая часть подводного корпуса вместе с дугой разгонного блока создают на входе участок сужения сопла - конфузор, на выходе расширяющийся участок - диффузор. Между ними - кольцевая рабочая зона, в которой водный поток обладает наибольшей скоростью и энергоемкостью. В рабочей зоне между передними и задними пилонами, на разъемных муфтах, устанавливается главная рабочая лопастная гидротурбина. Разгонный блок со скоростным участком позволяет сконцентрировать энергию потока в наименьшем сечении и сократить габариты лопастей гидротурбины. Ступица гидротурбины вписана в гидродинамический профиль корпуса, имеет значительный объем, дающий возможность создать гидротурбину с положительной плавучестью, снять с опорных подшипников воздействие массы гидротурбины, одновременно увеличить плечо приложения сил и позволяющий разместить в ступице механизмы разворота (флюгирования) лопастей, - все это увеличивает надежность и мощность гидротурбины. Пилоны в сечении имеют гидродинамический профиль и действуют: передние - как дополнительный конфузор, задние - как диффузор, что усиливает эффект скоростного участка. Главная гидротурбина с горизонтальной осью вращения соосно соединена с главным электрогенератором через планетарный редуктор, повышающий обороты для нормальной работы генератора. Ось вращения гидротурбины совпадает с направлением морского течения. Главные корпусы в носовой части, в районе разгонных колец, соединены обтекаемым отсеком, который воспринимает и погашает вращающие моменты, возникающие при работе электрогенераторов, вращающихся в противоположных направлениях. В соединительном отсеке размещаются электролизерная установка, якорное устройство, балластная система. На обечайке главных разгонных колец, над передними и задними вертикальными пилонами, устанавливаются колонны, на которые монтируется надстройка управления всей установкой. Высота колонн должна обеспечить глубину погружения главных корпусов ниже уровня воздействия волн и поднять надстройку выше уровня волн при любой погоде. Надстройка оснащается главным пультом управления, силовой, управляющей и контролирующей системами, бытовыми и складскими помещениями, пожарной и спасательной службами, гидро- и метеостанциями, вертолетной и причальной площадками, погрузо-разгрузочными механизмами. В колоннах и пилонах устанавливаются лифты обслуживания и аварийные выходы (на схеме не указаны). Главный корпус имеет удлиненный кормовой отсек, позволяющий разместить в нем все механизмы, а также нейтрализовать опрокидывающий момент, возникающий при воздействии ветровой нагрузки на надстройку управления. В корпусе размещаются опорный и упорный подшипники главной гидротурбины, повышающий планетарный редуктор, главный электрогенератор, шлюзовой и резервные отсеки, балластная и якорная системы, аккумуляторный отсек. В кормовой оконечности корпуса монтируется универсальное аварийное устройство, состоящее из аккумуляторной батареи, обратимого ходового винта, обратимого генератора, опорного и упорного подшипников, разъемных муфт, разгонного блока, аналогичного главному разгонному устройству. Аварийное устройство способно работать как движитель всей установки и дает возможность в аварийной ситуации (в частности, при срыве с якорной стоянки) придать ей маневренность и предотвратить возможные катастрофические последствия, что повышает надежность и безопасность всего гидрогенератора. В штатной ситуации ходовой винт работает как лопастная гидротурбина, а электромотор - как электрогенератор для выработки потребительского тока, что оправдывает и окупает усложнение всей конструкции.
Между кормовыми разгонными блоками обоих корпусов устанавливается горизонтальный стабилизатор со своей балластной системой, применяемый для коррекции остойчивости всей установки в продольно-вертикальной плоскости. Передача выработанного водорода и других компонентов электролиза, входящих в состав морской воды, осуществляется с помощью сменных транспортных средств, ошвартованных к причальным площадкам и сменяемых по мере наполнения.
В случае если поверхностное течение вместе с установкой находятся в относительной близости от береговой линии, то возможна передача электроэнергии на берег подводным силовым кабелем, уложенным на дно. Установка крепится к морскому дну в носовой и кормовой частях системой якорей с механизмами регулирования длины и силы натяжения цепи. Кормовые якоря нейтрализуют разворачивающий момент при боковом штормовом воздействии на надстройку управления.
На чертежах представлено: на фиг.1 изображен общий вид гидрогенератора, где 1 - главный веретенообразный корпус, 2 - лопастная гидротурбина, 3 - кольцо разгонного блока, 4 - конфузор, 5 - диффузор, 6 - гидродинамический профиль корпуса, 7 - передние вертикальные и горизонтальные пилоны, 8 - задние вертикальные и горизонтальные пилоны, 9 - рабочая зона лопастной гидротурбины, 10 - надстройка управления, 11 - причальная площадка, 12 - сменные транспортные емкости, 13 - якорная система, 14 - подводный кабель, 15 - аварийная установка, 16 - обратимая вспомогательная гидротурбина - ходовой винт, 17 - конфузор хвостовой части гидрогенератора, 18 - диффузор хвостовой части гидрогенератора.
На фиг.2 изображен вид гидрогенератора сверху: 19 - механизмы регулирования длины и силы натяжения цепи, 20 - разъемные муфты, 21 - планетарный редуктор, 22 - главный электрогенератор, 23 - шлюзовой отсек, 24 - аккумуляторная батарея, 25 - вал гидротурбины, 26 - разгонный участок аварийной установки, 27 - соединительный отсек, 28 - электролизерная установка, 29 - горизонтальный стабилизатор, 30 - обратимый генератор, 31 - колонна надстройки, 32 - опорный и упорный подшипники.
На фиг.3 изображен вид гидрогенератора спереди, где 2 - лопастная гидротурбина, 7 - передние вертикальный и горизонтальный пилоны, 10 - надстройка управления, 11 - причальная площадка, 12 - сменные транспортные емкости, 13 - якорная система, 27 - соединительный отсек, 28 - электролизерная установка.
Гидрогенератор морских течений работает следующим образом.
Изготовленный гидрогенератор транспортируют на заранее разведанное и подготовленное место постоянной якорной стоянки методом буксировки с зафлюгированными лопастями всех гидротурбин, устанавливают на якоря и фиксируют на расчетной глубине, строго ориентированным по направлению водного потока так, чтобы оси главного веретенообразного корпуса 1 и лопастной гидротурбины 2 совпадали с этим потоком.
Водный поток входит в переднее входное сопло 4 конфузора, образованное внутренней гидродинамической поверхностью разгонного кольца 3 и гидродинамическим профилем корпуса 6, пилонами 7, 8 главного веретенообразного корпуса 1. Сужающаяся конфузорная часть по закону гидродинамики придает потоку ускорение, обратно пропорциональное степени сужения входной и выходной частей сопла - конфузора, или на сколько уменьшается сечение кольцевого сопла относительно входного сечения, на столько увеличивается скорость водного потока. В наименьшем сечении рабочей зоны лопастной гидротурбины 9, в котором установлена лопастная гидротурбина 2, поток разгоняется до наибольшей расчетной скорости, обладая наибольшей энергоемкостью. В рабочей зоне лопастной гидротурбины 9 потенциальная энергия водного потока, воздействуя на лопасти гидротурбины 2, преобразуется в механическую работу вращения гидротурбины, вал которой передает эту работу главному электрогенератору 22, преобразующему механическую работу гидротурбины в электроэнергию.
Пуск в работу установки осуществляется следующим образом.
При плавном изменении угла установки лопастей гидротурбины 2 под воздействием водного потока начинается ее вращение вместе с валом гидротурбины 25, опорными и упорными подшипниками 32, разъемными муфтами 20, планетарным редуктором 21, главным электрогенератором 22. Достигнув расчетной скорости вращения, включается система возбуждения тока главного электрогенератора 22, который начинает вырабатывать потребительский ток. В результате всех этих действий лопастная гидротурбина 2 с главным электрогенератором 22 выходят на режим штатной работы.
В хвостовой части корпусов установлено аварийное устройство 15, выполняющее двойное назначение. В штатной ситуации устройство работает как гидрогенератор, аналогично главному гидрогенератору. В разгонном участке аварийной установки 26, образованной конфузором хвостовой части гидрогенератора 17 и диффузором хвостовой части гидрогенератора 18, ускоренный водный поток воздействует на обратимую вспомогательную гидротурбину 16 через систему разъемных муфт 20, вращает обратимый генератор 30 и вырабатывает потребительский ток.
В аварийной ситуации, в частности при срыве с якорной постановки, аварийная установка 15 переводится в режим движителя. В этом случае обратимая вспомогательная гидротурбина 16 переводится на работу в режиме ходового винта, а обратимый генератор 30 переводится в режим электромотора, получающего энергию от аккумуляторной батареи 24. При этом вся установка получает возможность двигаться и маневрировать, таким образом, избегая вероятных катастрофических последствий. Развороты установки осуществляются переменным включением ходовых винтов или их переходом на режим работы в «раздрай».
В экстремальной ситуации горизонтальный стабилизатор 29 корректирует возможные отклонения установки от направления водного потока в продольно-вертикальной плоскости. При штормовом воздействии на надстройку управления 10, смонтированную на колоннах надстройки 31 большой высоты и имеющую большое плечо разворота, с носовой стороны возникает опрокидывающий момент, под воздействием которого кормовая часть всей установки начинает погружаться, при этом ось корпуса смещается с направления водного потока вниз, в результате такого воздействия ухудшается режим работы всех гидротурбин и перераспределяются нагрузки на якорную систему 13. Для нейтрализации этих последствий продувается балластная система стабилизатора 29, он получает дополнительную плавучесть, всплывает и восстанавливает штатный режим работы.
При штормовом воздействии на надстройку управления 10 с кормовой стороны установки возникает опрокидывающий момент в противоположном направлении, кормовая часть стремится подняться, нарушается режим работы всех гидротурбин и перераспределяются нагрузки на якорную систему 13. Для восстановления нормального режима работы горизонтальный стабилизатор 29 принимает балласт, утрачивает плавучесть, опускается и нейтрализует отрицательные воздействия шторма.
При боковом воздействии шторма на надстройку возникает разворачивающий момент вокруг якорной системы 13, при этом половина подветренных якорных устройств якорной системы 13 выводится из-под нагрузки, которая перераспределяется на наветренные якорные устройства, а ось установки стремится сместиться с направления водного потока. Коррекция нагрузки на якоря и смещения оси производится механизмами регулирования длины и силы натяжения цепи 19. Учитывая сложность и непредсказуемость штормового воздействия, пространственная коррекция, перераспределение нагрузок на якоря и управление плавучестью всей установки должны осуществляться автоматической системой обеспечения живучести в автоматическом режиме (на схеме не указана).
Шлюзовой отсек 23 предназначен для ремонтных работ в подводном положении и замены узлов разъемной муфты 20, планетарного редуктора 21, главного электрогенератора 22, аккумуляторной батареи 24, обратимого генератора 30.
Использование выработанной электроэнергии и передача ее потребителю осуществляется следующими способами. В случае если поверхностное течение вместе с установкой находятся в относительной близости от береговой линии, то возможна передача электроэнергии на берег подводным кабелем 14, уложенным на дно.
Если гидрогенератор находится далеко от береговой линии, то электроэнергия используется непосредственно на борту с помощью электролизерной установки 28 для электролиза воды и получения ее составляющих - водорода, кислорода и других компонентов морской воды. Передача продукции электролиза осуществляется специальными сменными транспортными емкостями 12, ошвартованными к причальным площадкам 11.
Преимущество изобретения состоит в том, что принятая схема параллельного соединения подводных веретенообразных корпусов между собой по типу катамарана, в носовой части - связующим отсеком, в кормовой - горизонтальным стабилизатором, позволяет создать надежный несущий корпус, обладающий хорошей остойчивостью, с большим запасом плавучести. Конструкция способна воспринимать все нагрузки в любых направлениях и плоскостях, сбалансировать и нейтрализовать внутри себя все возникающие напряжения и вращательные моменты. Наличие разгонного блока позволяет освоить энергию водного потока с максимальной эффективностью. Наличие обратимого (движитель-генератор) аварийного устройства повышает надежность агрегата и оправдывает затраты на изготовление данного устройства. Наличие якорной системы с механизмами автоматического регулирования длины и нагрузки на якорную цепь позволяют нейтрализовать опрокидывающие и разворачивающие моменты при штормовом воздействии на надстройку управления. Принятая концепция позволяет создать надежный агрегат большой мощности, способный выдерживать экстремальные нагрузки и стать альтернативным источником энергии.