ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
HYDRO-ELECTRIC POWER-PLANT

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии потоков воды в электроэнергию на реках, предпочтительно полноводных, и/или на морских акваториях (для преобразования кинетической энергии морских течений, в том числе приливно-отливных).
Известна гидроэнергетическая установка, содержащая установленные на раме гидротурбину, выполненную с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, кинематически связанную с электрогенератором, формирователь потока, выполненный в форме конфузора, сообщенного с рабочим каналом, в котором размещена гидротурбина, якорное устройство, балластные емкости в количестве, достаточном для стабилизации пространственного положения установки по тангажу и крену, и руль (см. RU №97774, кл. F03B 7/00, 2010).
Недостаток такого устройства - его недостаточно надежное позиционирование в горизонтальной плоскости, что исключает возможность его использования на морских акваториях при его размещении без «посадки на дно» - в толще акватории.
Известна также гидроэнергетическая установка, содержащая установленные на водоизмещающем основании две гидротурбины, размещенные симметрично относительно продольной оси установки, вдоль которой ориентированы оси их вращения, выполненные с возможностью вращения в противоположные стороны, кинематически связанные с электрогенератором, якорное устройство, балластные емкости (см. RU 2554431 C2, 27.06.2015, F03B 13/26).
Недостаток такого устройства - низкая эффективность преобразования энергии потока в энергию, используемую для вращения генератора, т.к. используется только энергия набегающего потока. Кроме того, наличие формирователя потока при глубине позиционирования установки больше 20-30 м сделает ее малоработоспособной из-за запирания подводимых потоков давлением воды, при этом демонтаж формирователя потока из-за сравнительно малой площади поверхности, ометаемой лопастями турбины, снизит скорость ее вращения и генерируемую мощность.
Задачей изобретения является повышение эффективности преобразования энергии потока в энергию, используемую для вращения генератора.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности преобразования в энергию, используемую для вращения генератора энергии как набегающего, так и уходящего потока, при этом повышается площадь поверхности, ометаемой лопастями турбины.
Поставленная задача решается тем, что в гидроэнергетической установке, содержащей установленные на водоизмещающем основании две гидротурбины, размещенные симметрично относительно продольной оси установки, вдоль которой ориентированы оси их вращения, выполненные с возможностью вращения в противоположные стороны, кинематически связанные с электрогенератором, якорное устройство, балластные емкости, согласно изобретению использовано две гидротурбины, роторы которых снабжены винтами изменяемого шага, лопасти которых выполнены с возможностью принудительного поворота относительно осей, перпендикулярных осям вращения роторов, при этом сечения лопастей по их длине выполнены симметричными относительно осей их поворота, причем водоизмещающее основание выполнено обтекаемым спереди и сзади, при этом вдоль его продольных бортов выполнены колодцы с вертикальными стенками, параллельными продольной оси установки, кроме того, гидротурбины установлены на концах мачт, вторые концы которых снабжены балластом, при этом мачты пропущены через колодцы и установлены на горизонтальных осях с возможностью качания в колодцах в плоскостях, параллельных продольной оси установки, при этом вес балласта с учетом размеров нижней части мачты достаточен для удержания продольной оси мачты вертикально при вращении роторов гидротурбин.
Кроме того, блок управления установкой выполнен в виде отдельного узла, выполненного с возможностью дистанционного изменения плавучести, и сообщен кабель-тросом со средствами управления.
Кроме того, гидротурбины заключены в обтекаемые кожухи, предпочтительно симметричные относительно осей их вращения.
Кроме того, водоизмещающее основание выполнено катамаранного типа в виде обтекаемых спереди и сзади корпусов, диаметральные плоскости которых разнесены на 1,1 диаметра винта и связаны поперечными балками, выполненными обтекаемыми к потокам течений, при этом параллельные протяженные колодцы выполнены в корпусах водоизмещающего основания.
При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки «использовано две гидротурбины» обеспечивают возможность компенсации крутящего момента (реализующегося как кренящий), возникающего при работе гидротурбин.
Признаки, указывающие, что роторы турбин «снабжены винтами», позволяют существенно расширить площадь потока, воздействующего на ротор турбины.
Признаки, указывающие, что использованы винты «изменяемого шага, лопасти которых выполнены с возможностью принудительного поворота относительно осей, перпендикулярных осям вращения роторов, при этом сечения лопастей по их длине выполнены симметричными относительно осей их поворота», обеспечивают возможность оперативного разворота лопастей для сохранения направления вращения ротора при смене направления движения потока с прилива на отлив, при этом качество преобразования движения потока во вращательное движение остается стабильным.
Признаки, указывающие, что «водоизмещающее основание выполнено обтекаемым спереди и сзади», снижают парусность установки и тем самым нагрузку на якорную систему.
Признаки, указывающие, что «вдоль продольных бортов» водоизмещающего основания «выполнены параллельные протяженные колодцы с вертикальными стенками, параллельные продольной оси установки», обеспечивают возможность установки в этих колодцах поворотных мачт с гидрогенераторами.
Признаки, указывающие, что «гидротурбины установлены на концах мачт, вторые концы которых снабжены балластом, при этом мачты пропущены через колодцы и установлены на горизонтальных осях с возможностью качания в колодцах, в плоскостях, параллельных продольной оси установки», обеспечивают возможность компенсации изменений скорости потока за счет соответствующего откренивания мачты с гидрогенератором и изменения площади потока, ометаемой винтом, без колебаний нагрузки на якорную систему.
Признаки, указывающие, что «вес балласта с учетом размеров нижней части мачты, достаточен для удержания продольной оси мачты вертикально, при вращении роторов гидротурбин», задают конструктивные размеры мачты.
Признаки «блок управления установкой выполнен в виде отдельного узла, выполненного с возможностью дистанционного изменения плавучести, и сообщен кабель-тросом со средствами управления» обеспечивают управление рабочими процессами, реализуемыми узлами установки.
Признаки «гидротурбины заключены в обтекаемые кожухи, предпочтительно симметричные относительно осей их вращения, одинаковые спереди и сзади», обеспечивают равенство лобового сопротивления кожухов при перемене направления потока.
Признаки «водоизмещающее основание выполнено катамаранного типа в виде обтекаемых спереди и сзади корпусов, диаметральные плоскости которых разнесены на 1,1 диаметра винта и связаны поперечными балками, выполненными обтекаемыми к потокам течений, при этом параллельные протяженные колодцы выполнены в обтекаемых спереди и сзади корпусах» обеспечивают равенство лобового сопротивления корпусов при перемене направления потока и свободное размещение турбин на одной поперечной линии.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез установки по колодцам; на фиг. 2 показан ее вид сверху, на фиг. 3 показан фрагмент ротора с винтом.
На чертежах показаны гидротурбины 1 с роторами 2 и осями вращения 3, продольная ось 4 установки, электрогенераторы 5, якорное устройство 6, балластные емкости 7, валы 8 и винты 9 изменяемого шага, обтекаемые корпусы 10, поперечные балки 11, колодцы 12, мачты 13, их балласт 14, горизонтальные оси 15, блок управления установкой 16, кабель-трос 17, средства управления 18, кожухи 19, оси 20 поворота лопастей винтов 9, поверхность 21 акватории 22, ее дно 23.
В гидроэнергетической установке использованы две гидротурбины 1, размещенные симметрично относительно продольной оси 4 установки, вдоль которой ориентированы оси вращения 3 их роторов 2, выполненных с возможностью вращения в противоположные стороны. Каждая гидротурбина 1 известным образом кинематически связана с электрогенератором 5, при этом их роторы 2 и их электрогенераторы 5 смонтированы в полости кожухов 19, выполненных герметичными и установленных на концах мачт 13, вторые (т.е. противоположные) концы которых снабжены балластом 14. Электрогенераторы 5 посредством герметизированных кабельных выводов (на чертежах не показаны) связаны с приемником энергии (на чертежах не показан), смонтированным либо на берегу, либо на платформе, известным образом смонтированной на свайном основании, или морской добычной платформе. Целесообразно использовать электрогенераторы постоянного тока с регулятором напряжения, при этом в комплекте с электрогенераторами необходимо использовать инверторы (названные узлы на чертежах не показаны).
Роторы 2 гидротурбин 1 снабжены винтами 9 изменяемого шага известной конструкции, лопасти которых выполнены с возможностью принудительного поворота на 70-120° относительно осей 20, перпендикулярных осям вращения 3 роторов 2, при этом сечения лопастей по их длине выполнены симметричными относительно осей 20 их поворота. Они размещены в обтекаемых кожухах 19.
Водоизмещающее основание выполнено обтекаемым спереди и сзади - катамаранного типа в виде двух обтекаемых спереди и сзади корпусов 10, диаметральные плоскости которых разнесены на 1,1 диаметра винта 9 и связаны поперечными балками 11, выполненными обтекаемыми к потокам течений. Колодцы 12 выполнены в корпусах 10 водоизмещающего основания параллельными и протяженными с вертикальными стенками, при этом они выполнены вдоль его продольных бортов (параллельны продольной оси установки).
При этом мачты пропущены через колодцы 12 и установлены на горизонтальных осях 15, пропущенных через колодцы 12, с возможностью качания в плоскостях параллельных продольной оси 4 установки. При этом вес балласта 14 с учетом размеров нижней части мачты (лежащей ниже оси 15) достаточен для удержания продольной оси мачты вертикально при вращении роторов гидротурбин (при вращении роторов турбин возникает соответствующий импульс движения, ориентированный вдоль продольной оси установки).
Балластные емкости 7 корпусов 10 выполнены по одной конструктивной схеме, имеют дистанционно управляемые клапаны (на чертежах не показаны), обеспечивающие сообщение полости емкостей с внешней средой, и подключены посредством шлангов, рассчитанных на давление 5-10 атмосфер, к аккумулятору сжатого воздуха (рассчитанному на соответствующее давление - на чертежах не показан). Для подпитки аккумулятора может использоваться часть электроэнергии, генерируемой установкой (для привода соответствующих компрессоров), или использовано прямое генерирование давления за счет использования электрогидравлического эффекта. Балластные емкости 7 распределены по объему корпусов 10, так чтобы обеспечить возможность устранения дифферента установки при работе.
Блок управления 16 установкой выполнен в виде отдельного узла, выполненного с возможностью дистанционного изменения плавучести (снабжен балластными цистернами, снабженными средствами принятия в них забортной воды и их осушения, управляемыми по радио- или акустическому каналу), и сообщен кабель-тросом 17 со средствами управления (средствами принятия забортной воды в балластные емкости 7 и их осушения). Датчиком (на чертежах не показан), дающим сигнал для отработки задач стабилизации установки в горизонтальном положении, является гироскопический датчик известной конструкции, адаптированный к условиям работы энергетической установки. Датчиком (на чертежах не показан), дающим сигнал для разворота лопастей гидротурбин при изменении направления потока с прилива на отлив, является датчик известной конструкции, выполненный по схеме флюгера, адаптированный к условиям работы энергетической установки.
Якорное устройство 6 включает лебедки (на чертежах не обозначены), установленные в оконечностях корпусов 10, барабаны которых снабжены гибкими тягами (тросами - на чертежах не обозначены), на концах которых зафиксированы якоря (на чертежах не обозначены).
Заявленное устройство работает следующим образом.
Известным образом выявляют глубину водной акватории на участке позиционирования установки. Далее на это место по поверхности 21 акватории 22 буксируют на плаву (при пустых балластных емкостях 7) установку. Далее, дистанционно открыв (с помощью блока управления 16) клапаны балластных емкостей 7, принимают в них воду в количестве, необходимом для погружения установки в воду. После посадки установки на дно размещают на дне якоря якорного устройства 6 (например, анкерные устройства, заделываемые известным образом в дно акватории 23 так, чтобы они находились перед и за установкой, если смотреть по ходу водного потока (течения)). Якорей должно быть минимум три, но лучше два. После этого тросы отдают с лебедок и закрепляют на соответствующих якорях (при этом длину тросов подбирают так, чтобы их длины хватило для того, чтобы при подвсплытии гидротурбины устройства оказались в зоне наиболее скоростного участка водной акватории, причем длина троса должна превышать глубину акватории на месте размещения установки). Эти работы и работы по демонтажу названных узлов выполняют с привлечением водолазов или дистанционно-управляемых подводных роботов-манипуляторов известной конструкции.
Затем в балластные емкости 7 подают сжатый воздух, обеспечивая плавучесть установки несколько большую нулевой, причем подачу воздуха регулируют таким образом, чтобы устройство всплывало «на ровном киле», т.е. его продольная ось 4 находилась в горизонтальной плоскости. В процессе выполнения этих операций гидротурбины застопорены, например, фрикционным роликом, поджатым к валам турбины (на чертежах не показан).
После вывода устройства в рабочее положение (в зону максимальных скоростей водного потока) турбины запускают в работу, освобождая их валы от контакта с упомянутым фрикционным роликом.
Вращение рабочего колеса гидротурбины 1 приводит во вращение электрогенератор 5, кинематически связанный с ней. Вырабатываемая электроэнергия по кабельным выводам уходит на приемник энергии (на чертежах не показан), смонтированный вне водоема. Использование генераторов постоянного тока с регулятором напряжения обеспечивает независимость от изменения скорости течения потока. Использование инверторов в комплекте с электрогенераторами 5 обеспечивает преобразование постоянного тока в переменный.
Тонкую стабилизацию платформы в горизонтальном положении обеспечивает автоматическая отработка показаний гиродатчика управляющим устройством, генерирующим команды на включение перекачивающих насосов, установленных в балластных цистернах, что позволяет устранять отклонения по крену и тангажу при внешних возмущениях.
Колебания скоростного напора течения вызывают некоторые отклонения мачт 13 от вертикали и не сказываются на нагруженности тросов якорных устройств 6, при этом балласт 14 обеспечивает обратное откренивание этих мачт.
При смене направления движения потока с прилива на отлив исполнительный элемент датчика, выполненного по схеме флюгера, отрабатывает это изменение своим разворотом, что дает команду на включение механизма разворота лопастей на предусмотренный угол разворота, обеспечивающий сохранение вращения роторов 2 гидротурбин 1 в одну и ту же сторону, Таким образом, вращение вала электрогенератора осуществляется в одном направлении независимо от направления движения водяного потока
Для перемещения установки на новое место работы продувают балластные емкости 7, обеспечивая всплытие установки на поверхность 21 акватории 22, подтягивают мачту 13 максимально близко к корпусам 10 (чтобы повысить остойчивость установки), закрепляют на ней буксирный трос и перемещают на плаву на новое место. Перед этим выбирают тросы с якорями и перемещают их на новый участок.
Далее все повторяется.