ПОПЛАВКОВАЯ БЛОЧНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА ОСНОВЕ ПОДЛИВНЫХ ВОДЯНЫХ КОЛЕС С АКТИВНЫМИ ЛОПАСТЯМИ
FLOAT BLOCK HYDROELECTRIC POWER PLANT BASED ON THE UNDERSHOOT WATER WHEELS WITH ACTIVE BLADES

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии за счет кинетической энергии водных потоков рек без строительства плотин и других значительных капитальных сооружений.
Известно древнее подливное водяное колесо, содержащее обод с установленными радиально прямыми лопатками. Нижние лопатки за счет большого диаметра обода погружаются в водный поток практически перпендикулярно течению, что уменьшает гидравлическое сопротивление вращению колеса (Энциклопедия Кольера ("Collier's Encyclopedia") Режим доступа: http://enc-dic.com/colier/Vodjanoe-koleso-1860.html).
Недостатками известной конструкции являются большие габаритные размеры, использование мощного мультипликатора для достижения необходимой частоты вращения вала электрогенератора и значительные затраты на изготовление водяного колеса.
Известны водяное колесо и гидравлический двигатель, в которых рабочие лопасти под действием силы тяжести имеют возможность перемещения по направляющим, расположенным на радиальных осях вращения рабочего вала. В гидравлическом двигателе продольное перемещение происходит с одновременным поворотом рабочих лопастей (SU 1312237, МПК F03B 7/00, опубл. 23.05.1987; SU 1696744, МПК F03B 7/00, опубл. 07.12.1991).
Недостатками известных конструкций являются: высокая трудоемкость при изготовлении, сложность в эксплуатации и наличие значительных ограничительных пределов снижения гидравлического сопротивления.
Известна гидроэлектрическая установка, которая содержит судно, выполненное в виде катамарана, между корпусами которого образован рабочий канал. В месте эксплуатации установка закрепляется якорными устройствами. Для изменения и регулирования осадки судна его корпуса снабжены кингстонами (SU 1474317, МПК F03B 7/00, опубл. 23.04.1989).
Недостатками известной гидроэлектрической установки являются: ограниченное использование корпусов с кингстонами, то есть не рассматривается эксплуатация установки в подтопленном и затопленном на определенную глубину (ниже уровня промерзания) положениях и отсутствие устройств по регулированию скорости водного потока, поступающего в рабочий канал.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является гидроэнергоустановка, содержащая n идентичных установок, каждая из которых состоит из двух поплавков, жестко связанных друг с другом. Установка размещена в реке. Водонаправляющие стенки образуют входной канал. Турбина (водяное колесо) с лопастями размещена между поплавками на горизонтальном валу. Вал установлен на корпусах (каркасе) и кинематически связан с генератором (электрогенератором). Установка снабжена перемычкой. Корпуса снабжены подшипниками для установки вала. Тяги шарнирно установлены на корпусах. Гибкая нить (трос) шарнирно связана с тягами. Опоры размещены на противоположных берегах (SU 1788309, МПК F03B 13/00, F03B 7/00, опубл. 15.01.1993).
Недостатками известной гидроэнергоустановки являются: отсутствие механизма регулирования входного параметра, а именно скорости водного потока в рабочем канале, трансформирующейся посредством водяного колеса в угловую частоту ротора электрогенератора, и емкостей с кингстонами, позволяющих изменять положение гидроэнергоустановки в вертикальном направлении (плавающее, подтопленное и затопленное). Изменение скорости водного потока по траектории течения и месту расположения в поперечном разрезе реки обусловлено разностью площадей сечений и донных рельефов на различных участках, наличием ускорений водных потоков при слиянии с притоками и т.д., что делает невозможным без регулирования скорости водного потока в рабочем канале и изменения коэффициента мультипликации угловой частоты водяного колеса в каждом унифицированном блоке использовать их в группе. Кроме того, обеспечение выработки промышленной частоты 50 Гц может быть достигнуто без использования дорогостоящих тиристорных ключей, электродвигателей постоянного тока, дополнительных электрогенераторов и т.д.
Технический результат заключается в создании технологичной в изготовлении гидроэлектростанции за счет простоты конструкции и малых габаритных размеров дисков подливных водяных колес, возможности использования для увеличения мощности одновременно нескольких подливных водяных колес, располагающихся на валах, закрепленных параллельно на каркасе гидроэлектростанции, возможности использования технологий литья и штамповки, упрощенной транспортировки и т.д., применения подливных водяных колес, в которых при вращении вокруг своей оси рабочие лопасти под действием силы тяжести перемещаются по взаимно перпендикулярным направляющим, оси которых смещены относительно радиальных на определенную величину, что позволяет фактически без наличия обода в водяном колесе обеспечить вертикальный вход лопастей в водяной поток с одновременным их полным выходом из зоны противопотока, тем самым повышая КПД путем снижения гидравлического сопротивления; в стабилизации частоты вращения ротора электрогенератора, которая пропорциональна величине скорости водяного потока в рабочем канале блока, при изменении в допустимых пределах скорости течения водяного потока реки для выработки электротока промышленной частоты 50 Гц за счет использования на входе в короб рабочего канала раскрывающихся в регулируемом режиме створок, серводвигателя, пандуса, мультипликатора, коробки переключения передач и догружателей (электрогенератор малой мощности, водяной насос и т.д.), предохраняющих от перегрева основной электрогенератор, что позволяет осуществлять двухуровневое регулирование, а именно, ступенчатое и бесступенчатое; в обеспечении использования гидроэлектростанции в плавающем (воздух-вода), подтопленном и затопленном на определенную глубину (ниже уровня промерзания) положениях за счет использования поплавков, состоящих из секционных емкостей с кингстонами, корыта кессона с крышкой, шахтного короба и встроенного или дистанционного компрессора.
Сущность изобретения достигается тем, что поплавковая блочная гидроэлектростанция на основе подливных водяных колес с активными лопастями содержит n-е количество идентичных блоков, каждый из которых состоит из встроенного или дистанционного электрощитка с типовой схемой управления и коммутации, поплавков, между которыми закреплен каркас с сужающимся коробом рабочего канала и установленными посредством подшипниковых опор водяными колесами с лопастями на параллельных горизонтальных шлицевых валах, кинематически ступенчато через цепные и зубчатые передачи связанными с электрогенератором, и средства для механической защиты и фиксации установки в потоке. Подливные водяные колеса выполнены в виде набора катушек с взаимно перпендикулярными направляющими для активных лопастей, оси которых смещены относительно радиальных на определенную величину Δ, такую, чтобы зазор между осевой втулкой катушки и плоскостью активной лопасти был минимальным и составлял порядка 5 мм, демпферов, ограничителей и балансировочных грузов. Кроме ступенчатой кинематической связи, состоящей из спаренных звездочек на шлицевых валах, внешней звездочки мультипликатора, цепных передач, установленных в корыте вентилируемого кессона, закрепленного на каркасе, мультипликатора, разъединительной муфты, коробки переключения передач, ременной передачи и догружателей, для стабилизации частоты вращения ротора электрогенератора на величине 3000 об/мин, что обеспечивает частоту электродвижущей силы двухполюсного синхронного электрогенератора 50 Гц дополнительно введена система бесступенчатого регулирования, содержащая закрепленные на каркасе промежуточные и первичные отбойники, пандус, оси с раскрывающимися створками, кронштейны с пружинами, обеспечивающими натяжку тросов в блочках механизма регулирования угла раскрытия створок, как в ручном, так и в автоматическом режиме посредством серводвигателя, установленного в корыте кессона, к которому герметично закреплены крышка кессона или шахтный короб. Поплавки выполнены в виде секционных емкостей с кингстонами. Встроенный или дистанционный компрессор соединен с корытом кессона и поплавками.
На фиг. 1 представлена горизонтальная проекция конструкции поплавковой блочной гидроэлектростанции на основе подливных водяных колес с активными лопастями; на фиг. 2 - вид А поплавковой гидроэлектростанции; на фиг. 3 - конструкция подливного водяного колеса с активными лопастями: а - двухлопастного; б - трехлопастного; в - четырехлопастного.
Поплавковая блочная гидроэлектростанция содержит n-е количество идентичных блоков (для глубоководных рек могут быть применены по вертикали, жестко скрепленные группы блоков с единой системой управления и механически связанными посредством цепных передач валами водяных колес), которые установлены по течению с определенными интервалами 5÷20 м в зависимости от ширины, глубины и географического расположения реки.
Каждый блок (фиг. 1, 2) состоит из каркаса 1, размещенного между двумя поплавками 2, выполненными в виде секционных емкостей с кингстонами, на котором установлены: короб 3 рабочего канала; посредством подшипниковых опор 4 на горизонтальных шлицевых валах 5 со спаренными звездочками 6 цепной передачи наборы 7 подливных водяных колес с активными лопастями (фиг. 3а), состоящие из катушек 8, повернутых для плавности хода друг относительно друга на 45°, с взаимно перпендикулярными направляющими для активных лопастей 9, оси которых смещены относительно радиальных на определенную величину Δ (фиг. 3а), выбираемую таким образом, чтобы зазор между осевой втулкой катушки и плоскостью активной лопасти 9 (при максимально возможном ее прогибе под действием напора воды) был минимальным и составлял порядка 5 мм, а для колес трехлопастного и четырехлопастного (фиг. 3б, в) при слабоскоростных потоках исходя из возможности большего охвата водяного потока за оборот водяного колеса, демпферов 10, ограничителей 11 и балансировочных грузов 12; промежуточные 13 и первичный 14 отбойники; корыто 15 вентилируемого кессона, в котором размещены мультипликатор 16 с внешней звездочкой 17 цепной передачи, соединенной цепной передачей 18 с рабочими органами, разъединительная муфта 19, коробка переключения передач 20, к выходному валу которой посредством ременной передачи 21 подключены основной электрогенератор 22 и догружатели 23, серводвигатель 24 механизма раскрытия створок 25; оси 26 створок 25; пандус 27, кронштейны 28 с пружинами 29, обеспечивающими натяжку тросов 30 в блочках 31 механизма раскрытия створок 25; защитная решетка 32; тросы 33, дублирующие работу серводвигателя 24 в ручном режиме, и тросы 34, закрепленные к внешним опорам 35; съемная крышка кессона 36 и шахтный короб 37. Электрощиток 38 блока поплавковой гидроэлектростанции на основе подливных водяных колес с активными лопастями сформирован на основе общеизвестных схем управления и коммутации (не показаны) и выполнен встроенным или дистанционным. Компрессор 39, применяющийся при вентиляции корыта 15 вентилируемого кессона и в системе регулирования вертикального положения поплавков 2, может быть встроенным либо дистанционным.
T min
T max
в
max
в
г
K
K
T min
Известно, что работа платинных и русловых гидроэлектростанции отличается по стабильности и величине скорости используемых водных потоков. Изменения скорости течения рек обусловлены их географическим положением, параметрами русловых сечений, сезонностью и другими факторами. Поэтому возникает необходимость в предварительной селективной технологической настройке поплавковой блочной гидроэлектростанции на основе подливных водяных колес с активными лопастями применительно к месту планируемой эксплуатации. Для выполнения данных работ требуется знание статистических данных о минимальной V и максимальной V скоростях течения реки в выбранном временном календарном интервале ее использования на размещаемом объекте и соответствующих частот n вращения горизонтальных шлицевых валов 5 при раскрытии створок 25 на угол ϕ=30° (при ϕ=45°). Это позволяет определить коэффициенты к мультипликации из соотношения k=3000/n и принять решение по мощности N основного электрогенератора 22, которая должна быть меньше на 10÷30% мощности N на выходном валу коробки переключения передач 20. Регулирование мощности N производится при минимальной скорости V течения реки и при максимальной загрузке во всех положениях погружения за счет изменения количества одновременно используемых подливных водяных колес 7 с активными лопастями 9 и количества в них катушек 8.
Особенностью работы подливных водяных колес с активными лопастями 9 является динамический характер перемещения активных лопастей 9 по направляющим катушек 8. При этом должна выдерживаться зависимость
x
t≤0,5T,
x
где t - время перемещения активных лопастей 9 за один ход между крайними положениями;
T - период вращения катушки 8 (время полного оборота).
x
На падающее тело в сопротивляющейся среде (в воде) действуют сила тяжести, архимедова сила, сила сопротивления воды и сила трения в направляющих. Теоретический расчет величины t сложен, но дает обоснование возрастания скорости падения тела при увеличении его веса и сохранении других параметров системы на постоянном уровне. Поэтому целесообразнее пользоваться эмпирическими таблицами зависимости:
x
л
t=ƒ(P),
л
где P - суммарный вес активных лопастей 9, ограничителей 11 и балансировочных грузов 12.
T max
Причем во избежание чрезмерных по величине динамических ударов подбор сменных балансировочных грузов 12 осуществляется под максимальную скорость V течения реки в выбранном временном календарном интервале.
M
кпi
Д
Поплавковая гидроэлектростанция на основе подливных водяных колес с активными лопастями работает следующим образом. Водный поток течения реки проникает через защитную решетку 32 и направляемый пандусом 27 и механизмом раскрытия створок 25, находящимися в закрытом положении, то есть ϕ=0°, где, воздействуя на активные лопасти 9, приводит во вращение горизонтальные шлицевые валы 5, которое передается через спаренные звездочки 6, соединительные цепные передачи 18 и внешнюю звездочку 17 на мультипликатор 16. Исходя из величины частоты n производится выбор i-й передачи коробки переключения передач 20 с передаточным отношением k и мощности N догружателя 23 из следующих соотношений:
кпi
M
k≤3000/n,
Д
Ki
Kmin
N=N-N,
Ki
где N - мощность на выходном валу коробки переключения передач 20 на i-й передаче;
Kmin
T min
_
N мощность на выходном валу коробки переключения передач 20 на повышенной передаче при минимальной скорости V течения реки.
РГ
М
M
кпi
Для выработки электротока промышленной частоты 50 Гц частоту nвращения ротора электрогенератора 22 необходимо стабилизировать на 3000 об/мин. Для этого при i-й передаче коробки переключения передач 20 частота n на выходном валу мультипликатора 16 должна соответствовать значению n=3000/k;. Это достигается изменением угла ϕ раскрытия створок 25, производимого посредством серводвигателя 24 через тросы 30 с блочками 31, а в ручном режиме - натяжкой тросов 33.
Наладка осуществляется: в плавающем (воздух-вода) положении при полном погружении в воду активных лопастей 9; в подтопленном и затопленном положениях - при полностью погруженном в воду коробе 3 рабочего канала.
Включение поплавковой гидроэлектростанции в работу производится разъединительной муфтой 19.
T
РГ
Ki
При изменениях скорости V течения реки удержание частоты nвращения ротора электрогенератора 22 равной 3000 об/мин на i-й передаче реализуется: в затопленном положении (ниже уровня промерзания) - изменением угла ϕ раскрытия створок 25, в подтопленном положении - изменением угла ϕ раскрытия створок 25 и положения каркаса 1 с пандусом 27 в вертикальном направлении с помощью компрессора 39, в плавающем положении (воздух-вода) - изменением угла ϕ раскрытия створок 25, при этом вертикальное перемещение каркаса 1 с помощью компрессора 39 служит для стабилизации мощности N на выходном валу коробки переключения передач 20 на i-й передаче за счет уменьшения (увеличения) площади контакта водяного потока с активными лопастями 9, что, в свою очередь, позволяет не применять в конструкции догружатели 23.
T
При значительном изменении скорости V течения реки, что нехарактерно для равнинных рек, срабатывает разъединительная муфта 19 и производится переналадка системы по вышеуказанному способу.
Предложенная поплавковая блочная гидроэлектростанция на основе подливных водяных колес с активными лопастями экологически чистая и имеет простую технологичную конструкцию, что в ближайшей перспективе позволит увеличить объемы выработки самовозобновляющейся энергии в промышленных масштабах.