УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И СИСТЕМА, ВКЛЮЧАЮЩАЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
DEVICE FOR GENERATING ELECTRIC POWER AND SYSTEM, INCLUDING SUCH DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к системе и устройству для производства электроэнергии с использованием потока воды. В частности, изобретение относится к узлу гидротурбины, применяемому в устройстве для производства электроэнергии с использованием потока воды.
Уровень техники
[0002] Известно большое количество систем для преобразования энергии потока воды в электроэнергию. В WO 2013/190304 предложено устройство, обеспечивающее производство электроэнергии на основе использования проточной воды, в частности, в ситуациях, где присутствует большой объемный расход потока воды при относительно низких скоростях. В этом документе приведено описание использования стандартной установки турбина-приводное устройство в системе для производства электроэнергии.
[0003] В гидроэнергетике используются гидротурбинные установки и другого типа. Одной из гидротурбин такого типа являются гидротурбины, расположенные внутри генератора, окружающего ее кольцом, именуемые иногда гидротурбинами страфло. В гидротурбинах страфло труба состоит из двух половин - верхней части и нижней части. Гидротурбина содержит короткий цилиндрический обод, прикрепленный к турбинным лопаткам, диаметр которого равен диаметру трубы гидротурбины, и который расположен между двумя неподвижными частями трубы. Лопатки и обод выполнены с возможностью совместного вращения и образуют небольшой зазор между неподвижными верхней и нижней частями трубы и краями обода вращающейся гидротурбины. В неподвижной трубе имеются верхний и нижний пути потока, поскольку труба не соединена с гидротурбиной. Герметизация двух кольцевых зазоров между ободом и частью трубы является затруднительной. Наличие большого зазора может вызвать слишком большое перетекание по обводному каналу с поверхности высокого давления диска гидротурбины, на нижнюю поверхность низкого давления диска гидротурбины, обеспечивающее рассеяние вырабатываемой энергии. В то время как малый зазор может вызвать слишком большое трение от чрезмерно затянутых уплотнений.
[0004] В настоящем изобретении предложен альтернативный узел гидротурбины для использования в низконапорных гидроэлектростанциях. В частности, приведено описание узла гидротурбины, который может быть использован в ситуациях, где есть большой объемный расход воды при относительно низком гидростатическом напоре, например для использования в системах, описание которых дается в WO 2013/190304.
Раскрытие сущности изобретения
[0005] Один аспект изобретения включает в себя устройство для производства электроэнергии с использованием потока воды, которое содержит:
- сужающуюся часть, соединенную с первым концом смесительной трубы, таким образом, что между концом сужающейся части и смесительной трубой образуется труба Вентури;
- диффузор, соединенный со вторым концом смесительной трубы и выполненный таким образом, что в процессе эксплуатации давление на его выходе превышает давление в трубе Вентури;
- трубу гидротурбины, содержащую пакет, имеющий множество лопаток, которая установлена в сужающейся части, таким образом, что между трубой гидротурбины и сужающейся частью образован кольцеобразный зазор, образующий первый водовод, и в которой образован второй водовод, причем труба установлена с возможностью вращения в сужающейся части, а лопатки закреплены на внутренней поверхности трубы гидротурбины таким образом, что поток воды, обтекающий лопатки в процессе эксплуатации, обеспечивает вращение трубы гидротурбины.
[0006] Труба гидротурбины и лопатки выполнены с возможностью вращения относительно сужающейся части. Лопатки жестко соединены с внутренней поверхностью трубы гидротурбины и выступают за внутренний диаметр трубы гидротурбины, обеспечивая, таким образом, совместное концентрическое вращение пакета лопаток и трубы гидротурбины при обтекании лопаток потоком воды. Из этого следует, что передача вращательной энергии трубы гидротурбины внешнему генератору может осуществляться в отсутствие приводного вала, проходящего от пакета лопаток вдоль центральной оси трубы гидротурбины. Лопатки соединены с внутренней поверхностью трубы гидротурбины, обеспечивая, таким образом, совместное концентрическое вращение пакета лопаток и трубы гидротурбины при обтекании лопаток потоком воды. Вращение трубы гидротурбины обеспечивает управление генератором. В одном примере осуществления изобретения пакет лопаток установлен в трубе гидротурбины, таким образом, что часть второго водовода в трубе гидротурбины проходит перед пакетом лопаток и за ним. В другом примере осуществления изобретения длина трубы гидротурбины превышает ее диаметр.
[0007] Труба гидротурбины установлена с возможностью вращения в опорном приливе, закрепленном в сужающейся части с помощью поддерживающих растяжек. Опорный прилив имеет центральное отверстие, которое выполнено для размещения в нем трубы гидротурбины и служит ее опорой. Опорный прилив содержит узел подшипников, обеспечивающий вращение трубы гидротурбины вокруг своей продольной оси. При этом внутри трубы гидротурбины могут отсутствовать какие-либо механические подшипники. Подшипники расположены снаружи второго водовода.
[0008] Опорный прилив может быть выполнен в виде опорной трубы, в которой размещена труба гидротурбины, причем длина опорной трубы меньше длины трубы гидротурбины. Кроме того, опорный прилив может иметь заглушки, которые выполнены с каждого конца опорной трубы и снабжены подшипниками, обеспечивающими вращение трубы гидротурбины.
[0009] Труба гидротурбины может иметь упорный фланец, проходящий по окружности внешней поверхности трубы гидротурбины. Опорный прилив может иметь упорный выступ, проходящий по окружности внутренней поверхности опорного прилива. Упорный фланец трубы гидротурбины может входить во взаимодействие с упорным выступом опорного прилива. Взаимодействие упорного выступа и упорного фланца может быть обеспечено посредством узла подшипников.
[0010] Свободное вращение трубы гидротурбины обеспечивает управление генератором и возможность выработки устройством электроэнергии за счет вращательной энергии трубы гидротурбины. Труба гидротурбины может обеспечивать управление механическим генератором или электрическим генератором для производства электроэнергии.
[0011] В механическом генераторе труба гидротурбины соединена с зубчатой передачей, соединяемой, в свою очередь, с генератором. В одном примере осуществления изобретения внешняя поверхность трубы гидротурбины имеет зубчатый фланец, который входит в зацепление по меньшей мере с одной шестерней, расположенной в промежутке между опорным приливом и трубой гидротурбины. Каждая шестерня соединена с приводным валом, который выполнен с возможностью соединения с генератором.
[0012] В промежутке между опорным приливом и трубой гидротурбины может быть расположено множество узлов «шестерня -приводной вал». В одном примере осуществления изобретения устройство содержит по меньшей мере два узла "шестерня - приводной вал», причем каждая шестерня зацеплена с зубчатым фланцем. Устройство может содержать два, три, четыре или более узлов «шестерня - приводной вал». Зубчатый фланец выполнен по окружности трубы гидротурбины.
[0013] В электрическом генераторе труба гидротурбины и опорный прилив содержат постоянный магнит и статор. В одном примере осуществления изобретения труба гидротурбины содержит постоянные магниты, расположенные в углублении на ее внешней поверхности, а опорный прилив содержит статор, выровненный с постоянными магнитами. Углубление и постоянный магнит могут располагаться по окружности внешней поверхности трубы гидротурбины.
[0014] Кроме того, устройство может включать в себя напорный отводящий трубопровод, проходящий через опорный прилив и одну из поддерживающих растяжек. Приводной вал механического генератора или силовой кабель электрического генератора могут выходить через трубопровод за пределы устройства наружу. Прохождение трубопровода через опорный прилив и поддерживающую растяжку подразумевает отсутствие внутри трубы гидротурбины каких-либо приводных валов и/или силовых кабелей. Таким образом, первый и второй водоводы не содержат каких-либо приводных валов и/или силовых кабелей, что снижает вероятность прерывания водного потока.
[0015] Кроме того, устройство может включать в себя воздушный компрессор, обеспечивающий нагнетание воздуха в промежуток между трубой гидротурбины и опорным приливом через воздуховод, проходящий через одну из поддерживающих растяжек. Воздушный компрессор может быть расположен снаружи трубы гидротурбины и/или сужающейся части.
[0016] Устройство может, кроме того, содержать нагнетательный вентилятор, который радиально расположен вокруг трубы гидротурбины и обеспечивает нагнетание воздуха в промежуток между трубой гидротурбины и опорным приливом через воздуховод, проходящий через одну из поддерживающих растяжек.
[0017] В одном примере осуществления изобретения вытянутый книзу отводной трубопровод проходит от опорного прилива до наружной поверхности сужающейся части через поддерживающую растяжку. Отводной трубопровод обеспечивает проход (сброс) любого объема воды, которая просачивается в промежуток между трубой гидротурбины и опорным приливом.
[0018] Опорный прилив может быть выполнен в виде носового и/или хвостового обтекателя. В другом примере осуществления изобретения внешний профиль носового обтекателя имеет цилиндрическую или пулевидную форму. Внутренний профиль носового обтекателя может иметь вогнутую, коническую или выпуклую форму.
[0019] В еще одном примере осуществления изобретения лопатки выполнены за одно целое с внутренней поверхностью трубы гидротурбины. В другом примере осуществления изобретения внутренняя поверхность трубы имеет множество углублений, в которых закреплены концы лопаток.
[0020] Первая часть трубы гидротурбины выполнена из первого материала, а вторая ее часть выполнена из второго материала, отличного от первого. Прочность первого материала может быть выше прочности второго материала. Первой частью является передняя часть трубы, которая содержит лопатки, а второй частью является задняя часть трубы.
[0021] Внутренний диаметр трубы гидротурбины может иметь переменную величину. В одном примере осуществления изобретения внутренний диаметр трубы гидротурбины уменьшается по всей ее длине в направлении движения водного потока. В другом примере осуществления изобретения труба гидротурбины имеет, по существу, постоянный внутренний диаметр по всей своей длине.
[0022] Положение трубы относительно сужающейся части может меняться. Труба гидротурбины расположена в сужающейся части таким образом, что ее продольная ось по существу выровнена с продольной осью сужающейся части. Труба гидротурбины может быть установлена так, что вход сужающейся части расположен выше по потоку входа трубы гидротурбины. В еще одном примере осуществления изобретения труба гидротурбины может быть установлена так, что ее вход расположен выше по потоку входа сужающейся части.
[0023] Положение выхода трубы гидротурбины также может меняться. В одном примере осуществления изобретения труба гидротурбины расположена таким образом, что ее выход переходит в смесительную трубу. В еще одном примере осуществления изобретения труба гидротурбины установлена таким образом, что ее выход расположен выше по потоку входа смесительной трубы.
[0024] Кроме того, устройство может содержать предварительно закрученный статор, установленный во втором водоводе. Предварительно закрученный статор может быть расположен перед пакетом лопаток гидротурбины на входе носового обтекателя или перед входом трубы гидротурбины.
[0025] Сужающаяся часть, смесительная труба и диффузор могут быть выполнены в виде непрерывной трубы. В другом примере осуществления изобретения сужающаяся часть, смесительная труба и диффузор выполнены в виде отдельных частей, соединенных вместе с образованием непрерывной трубы.
[0026] В предпочтительном примере осуществления изобретения профиль сужающейся части обеспечивает постоянное ускорение основного потока, проходящего через кольцеобразный зазор. Профиль диффузора предпочтительно обеспечивает постоянное замедление проходящего через него водного потока.
[0027] Еще один аспект изобретения состоит в том, что система для производства электроэнергии с использованием потока воды, содержащая барьер, размещенный по всей ширине водоема, и по меньшей мере одно рассмотренное выше устройство, расположенное таким образом, что в процессе эксплуатации она обеспечивает движение потока от напорной стороны барьера к его низовой стороне.
[0028] Другой аспект изобретения включает в себя способ производства электроэнергии с использованием потока воды, согласно которому:
- размещают систему или рассмотренное выше устройство по всей ширине водоема с возможностью образования водохранилища, обеспечивая, таким образом, создание перепада давлений между напорной и низовой сторонами барьера; и
- используют поток воды, проходящий через устройство, для вращения гидротурбины.
[0029] Барьер может содержать по меньшей мере два рассмотренных выше устройства. Предпочтительно барьер содержит группу рассмотренных выше устройств. Устройства встроены в барьер для обеспечения протока с одной стороны барьера к другой.
[0030] Еще один аспект изобретения включает в себя узел гидротурбины для использования во внешней трубе, сужающаяся часть которой соединена с первым концом смесительной трубы с образованием трубы Вентури между сужающейся частью и смесительной трубой, а расширяющаяся часть соединена со вторым концом смесительной трубы, обеспечивая производство электроэнергии с использованием потока воды, и который содержит:
- трубу гидротурбины, содержащую пакет, имеющий множество лопаток; и
- опорный прилив для установки в сужающейся части внешней трубы;
причем труба гидротурбины установлена с возможностью вращения в опорном приливе, а лопатки прикреплены к внутренней поверхности трубы гидротурбины таким образом, что в процессе эксплуатации поток воды, обтекающий лопатки, обеспечивает вращение трубы гидротурбины. Труба турбины выполнена с возможностью вращения относительно опорного прилива.
[0031] Лопатки жестко соединены с внутренней поверхностью трубы турбины, обеспечивая, таким образом, совместное концентрическое вращение пакета лопаток и трубы турбины при обтекании лопаток потоком воды.
[0032] Опорный прилив имеет центральное отверстие, которое выполнено для размещения в нем трубы турбины и служит ее опорой. Опорный прилив содержит узел подшипников, обеспечивающий вращение трубы турбины вокруг своей продольной оси. Узел гидротурбины может иметь рассмотренные выше дополнительные элементы трубы гидротурбины и опорного прилива.
[0033] В приведенном ниже описании, термины "выше по потоку" и "ниже по потоку" используют для определения относительного положения элементов устройства. Направления вверх и вниз по потоку определяют относительно направления протекания потока воды через устройство в процессе эксплуатации. Верхним концом считают область входа, а выходным концом считают область выхода.
Краткое описание чертежей
[0034] Подробное описание настоящего изобретения в качестве примера приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
На фиг. 1 показан вид сбоку в разрезе примера осуществления изобретения;
На фиг. 2 показан вариант конструкции устройства согласно изобретению;
На фиг. 3 показан вид в разрезе варианта конструкции, изображенного на фиг. 2;
На фиг. 4 показан вид сбоку в разрезе примера осуществления изобретения;
На фиг. 5 показан вид сбоку в разрезе сужающейся части и трубы гидротурбины согласно изобретению;
На фиг. 6 показан вид в разрезе сужающейся части, трубы гидротурбины и опорного прилива для использования в устройстве согласно изобретению;
На фиг. 7 показана боковая проекция трубы турбины и опорного прилива согласно изобретению;
На фиг. 8 и 9 показан вид в разрезе варианта конструкции трубы гидротурбины и опорного прилива для использования в устройстве согласно изобретению;
На фиг. 10 показано покомпонентное изображение варианта конструкции трубы турбины и опорного прилива;
На фиг. 11 и 12 схематично показан вид сбоку трубы гидротурбины согласно изобретению;
На фиг. 13А, В и С схематично показан вид сбоку примеров осуществления изобретения;
На фиг. 14 схематично показан вид сбоку трубы гидротурбины и сужающейся части согласно изобретению;
На фиг. 15 показан вид в разрезе механического генератора мощности согласно изобретению; а
на фиг. 16, 17 и 18 показан вид сбоку в разрезе труб гидротурбины согласно изобретению.
Осуществление изобретения
[0035] На фиг. 1 показана система 10 согласно изобретению для преобразования энергии потока воды в электроэнергию. Система содержит барьер 12, расположенный по всей ширине водоема, и устройство 14, в котором предусмотрен водовод через барьер 12 от его напорной стороны к его низовой стороне. Система обеспечивает преобразование гидравлической энергии потока в гидравлическую потенциальную энергию, а затем преобразование гидравлической потенциальной энергии в электроэнергию.
[0036] Сопротивление системы потоку способствует подъему свободной поверхности воды в верхнем течении, создавая, при этом, запас потенциальной гидравлической энергии, управляющей движением потока через устройство, из которого гидротурбина извлекает механическую энергию для преобразования ее в электроэнергию. Запас потенциальной гидравлической энергии в поднятой свободной поверхности в верхнем течении непрерывно пополняется за счет кинетической энергии верхней части потока.
[0037] В устройстве 14 (фиг. 1, 2 и 3) предусмотрен водовод от верхней части барьера 12 к его нижней части. Устройство содержит трубу, имеющую сужающуюся часть 16, смеситель 18 и расходящийся диффузор 22. Сужающаяся часть 16 имеет сужение в направлении смесительной трубы 18, обеспечивая создание трубы Вентури на границе сужающейся части 16 и смесительной трубы 18. Расходящийся диффузор 22 проходит от выхода смесительной трубы 18.
[0038] Труба 24 гидротурбины установлена с возможностью вращения внутри сужающейся части 16 в опорном приливе 26 с образованием кольцеобразного зазора 28 между внешней поверхностью трубы 24 гидротурбины и внутренней поверхностью сужающейся части 16. Опорный прилив имеет центральное отверстие, выполненное для размещения в нем трубы гидротурбины и служащее ее опорой, при этом продольная ось трубы 24 гидротурбины по существу выровнена с продольной осью сужающейся части 16. Труба гидротурбины содержит пакет лопаток 30. При прохождении водного потока через трубу 24 гидротурбины пакет лопаток 30 обеспечивает вращение трубы 24 гидротурбины относительно неподвижного опорного прилива 26 и сужающейся части 16.
[0039] Первый путь для основного потока 32 проходит внутри кольцеобразного зазора, образованного между трубой 24 гидротурбины и сужающейся частью 16. Второй путь для вторичного потока 34 проходит внутри трубы 24 гидротурбины. Кольцеобразный зазор не ограничивается кольцеобразным промежутком с круглым поперечным сечением, между трубой и внутренними стенками сужающейся части. Форма кольцеобразного зазора зависит от формы поперечного сечения сужающейся части, трубы гидротурбины и опорного прилива.
[0040] Размещение барьера 12 по всей ширине водоема обеспечивает создание гидростатического напора непосредственно перед устройством. При этом часть кинетической энергии вышерасположенной части потока преобразуется в потенциальную энергию подпора (поднятого уровня воды), поскольку имеет место замедление течения по мере увеличения толщины слоя воды за барьером. Результирующий перепад давлений (Н) обеспечивает преобразование потенциальной энергии в полезную энергию выше верхнего предела выходной мощности, известного как предел Беца, безнапорного устройства, которое извлекает кинетическую энергию непосредственно из эквивалентного потока. Далее имеет место перетекание воды от напорной стороны барьера через сужающуюся часть в смеситель, а затем ее вытекание из устройства через диффузор. Индуцированный вторичный поток через трубу управляет, с помощью пакета лопаток, вращением трубы гидротурбины, обеспечивающим производство электроэнергии с помощью устройства отбора механической или электрической мощности.
[0041] Сужающаяся часть обеспечивает ускоренное движение основного потока в зону низкого давления в трубе Вентури. Зона низкого давления индуцирует вторичный поток через трубу гидротурбины. Основной и вторичный потоки поступают в смесительную камеру, где происходит их смешивание. Смешанный поток поступает в диффузор, где по мере движения происходит уменьшение его скорости. По мере прохождения через диффузор поток восстанавливает статический напор, а перед выходом из диффузора теряет свой скоростной напор. При этом сохраняется низкий статический напор в трубе Вентури.
[0042] Основная часть потока воды (основной поток 32) пройдет через кольцеобразный зазор 28, образованный между сужающейся частью 16 и трубой 24 гидротурбины. Меньший объем воды (вторичный поток 34) пройдет через трубу 24 гидротурбины, обеспечивая ее вращение по мере обтекания пакета лопаток 30. Конвергенция основного потока 32 к трубе Вентури 20 обеспечивает его ускорение и потерю статического напора. Высокоскоростной основной поток 32 снаружи трубы 24 гидротурбины на ее выходе способствует отведению медленного вторичного потока 34 от конца трубы 24 гидротурбины в основной поток 32.
[0043] Таким образом, устройство обладает способностью преобразовывать высокообъемный низконапорный поток в малообъемный высоконапорный поток, обеспечивающий эффективное производство электроэнергии с помощью вращающейся трубы гидротурбины.
[0044] Труба 24 гидротурбины (фиг. 4 и 5) установлена в статическом опорном приливе 26 с возможностью вращения в сужающейся части 16 и расположена по центру внутри сужающейся части 16. Труба 24 гидротурбины обеспечивает создание потока между верхним течением с высоким статическим напором в верхнем течении и низким статическим напором в трубе Вентури. Через трубу гидротурбины проходит вторичный поток, вызванный увеличенной высотой напора между верхним концом трубы гидротурбины и трубой Вентури.
[0045] Пакет лопаток 30, состоящий множества турбинных лопаток, расположен внутри трубы 24 гидротурбины. Пакет лопаток соединен с внутренней поверхностью трубы 24 гидротурбины с помощью концов лопаток таким образом, что водный поток, обтекающий пакет лопаток 30, обеспечивает вращение трубы гидротурбины 24 вокруг своей центральной оси. Труба гидротурбины и пакет лопаток выполнены с возможностью совместного вращения как единое целое. Обтекание водным потоком пакета лопаток обеспечивает его взаимодействие с лопатками с возможностью вращения трубы гидротурбины на подшипниках в опорном приливе.
[0046] В одном примере осуществления изобретения на внутренней поверхности трубы гидротурбины выполнено множество углублений. Конец каждой лопатки имеет участок, форма которого совпадает с формой углублений, обеспечивающий крепление турбинных лопаток относительно трубы гидротурбины. Углубления выполнены на внутренней поверхности передней части трубы гидротурбины с возможностью вдвижения в них участков концов лопаток со стороны переднего конца трубы. Это обеспечивает возможность монтажа и демонтажа лопаток со стороны переднего конца трубы гидротурбины, при повреждении или необходимости замены, без значительного демонтажа трубы гидротурбины.
[0047] В альтернативном примере осуществления изобретения концы лопаток выполнены как единое целое с внутренней поверхностью трубы гидротурбины.
[0048] Отсутствие разрыва в трубе гидротурбины, вблизи пакета лопаток, обеспечивает отсутствие пути утечки между верхней и нижней сторонами пакета лопаток. Подшипники 36, 40, обеспечивающие вращение трубы 24 гидротурбины, расположены снаружи трубы 24 гидротурбины и отделены от потока, проходящего через пакет лопаток 30. Таким образом, высокий перепад давлений в гидротурбине не создает никакого обходного пути утечки, и весь вторичный поток 34 проходит по всей длине трубы 24 гидротурбины.
[0049] Пакет лопаток может быть расположен на достаточном расстоянии от входа трубы гидротурбины, то есть пакет лопаток удален от входа трубы гидротурбины, обеспечивая, таким образом, создание уравновешенного потока через пакет лопаток. В одном примере осуществления изобретения пакет лопаток размещен вдоль части длины трубы гидротурбины, таким образом, что по меньшей мере часть второго водовода расположена перед пакетом лопаток, а по меньшей мере часть второго водовода расположена за пакетом лопаток.
[0050] При вращении трубы гидротурбины и пакета лопаток как единого целого внутри опорного прилива существует физическая целостность лопаток с трубой, позволяющая исключить потери мощности в концах лопаток, которые могут возникать в гидротурбинах обычного типа. Эта целостность лопаток с трубой гидротурбины позволяет повысить прочность конструкции и устойчивость лопаток, обеспечивая возможность получения более компактной и легкой конструкции лопаток, что способствует уменьшению потерь мощности.
[0051] Как показано на фиг. 12 труба 24 гидротурбины может, по существу, иметь постоянный внутренний диаметр по всей своей длине. Как показано на фиг. 11, в альтернативной конструкции труба 24 гидротурбины может быть сведена на конус в направлении выходного конца. Диаметр трубы гидротурбины уменьшается по всей ее длине так, что диаметр трубы 24 на входе превышает ее диаметр на выходе. Создание трубы гидротурбины конусообразной формы способствует получению устройства с более высоким КПД вследствие уменьшенного поверхностного трения.
[0052] В одном примере осуществления изобретения труба гидротурбины 24 может состоять из двух или более частей. Труба гидротурбины 24 может состоять из носовой несущей части 44 и кормовой части 46. Носовая и кормовая части могут быть изготовлены из различных материалов. Носовая часть предпочтительно изготовлена из более прочного материала, чем кормовая часть. Это способствует снижению затрат на производство системы, за счет использования легкого и/или более дешевого материала в кормовой части. Для части, изготовленной из более прочного материала, подходящими являются, в частности, сталь, титан, алюминий, бронзу и сплавы этих материалов. К более легким и/или более дешевым материалам можно, в частности, отнести пластмассу или недорогие сплавы металлов.
[0053] Части трубы могут быть изготовлены обычными способами. В некоторых примерах осуществления изобретения носовая часть, содержащая гидротурбину, как вариант, может быть изготовлена посредством 3D печати.
[0054] Труба гидротурбины может иметь длину, достаточную для того, чтобы при расположении трубы в сужающейся части, она охватывала область между зоной высокого давления и зоной низкого давления в трубе Вентури. Как показано на фиг. 5 выходной конец трубы 24 гидротурбины может входить вовнутрь смесительной трубы 18 на расстояние X. Расстояние X выбрано из условия оптимизации работы устройства и может быть равным 0, или иметь положительное или отрицательное значение. При положительном значении X труба турбины входит вовнутрь смесительной трубы. При отрицательном значении X выход трубы гидротурбины расположен перед входом в смесительную трубу. При расстоянии X, равном 0, выход трубы гидротурбины, по существу, расположен на одной оси с входом смесительной трубы.
[0055] Опорный прилив 26 состоит из опорной трубы, имеющей центральное отверстие, в котором смонтирована труба 24 гидротурбины. Опорный прилив закреплен в сужающейся части 16 с помощью поддерживающих растяжек 62.
[0056] Труба 24 турбины имеет упорный фланец 38, проходящий по окружности внешней поверхности трубы 24 турбины. Упорный фланец 38 трубы 24 гидротурбины входит во взаимодействие с упорными подшипниками 40, зафиксированными внутри опорного прилива 26 с помощью резьбового упорного выступа 42. Резьбовой упорный выступ 42 выполнен по всей окружности внутренней поверхности опорного прилива 26. Взаимодействие упорного фланца с упорным выступом предотвращает движение трубы гидротурбины вниз в осевом направлении в процессе ее вращения.
[0057] В одном примере осуществления изобретения опорный прилив 26 состоит из носового обтекателя 48 и/или хвостового обтекателя 50, находящихся во взаимодействии с опорной трубой. Форма носового и хвостового обтекателей, установленных на опорном приливе, способствует созданию гладкого гидродинамического профиля основного потока, обеспечивая снижение потерь энергии за счет турбулентности. Как показано на фиг. 5 профиль носового обтекателя может иметь цилиндрическую или пулевидную форму (фиг. 15-18).
[0058] Носовой обтекатель 48 защищает вход трубы 24 гидротурбины и образует вход вторичного потока 34 в трубу гидротурбины. Внутренняя поверхность носового обтекателя контактирует с вторичным потоком и имеет форму, обеспечивающую экономичность устройства. Фиг. 13 иллюстрирует некоторые возможные формы внутренней поверхности носового обтекателя. Как показано на фиг. 13А внутренняя поверхность носового обтекателя может иметь вогнутую форму. На фиг. 13В показано устройство, носовой обтекатель которого имеет коническую форму с постоянной конусностью от своего входа до входа трубы гидротурбины. На фиг. 13С показано устройство, носовой обтекатель которого имеет выпуклую форму. В одном примере осуществления изобретения устройство далее содержит рыбозаградительную решетку (не показана), соединенную с входом трубы гидротурбины. Рыбозаградительная решетка выбрана таким образом, что она обеспечивает возможность прохождения водного потока через трубу гидротурбины и предотвращает попадание рыбы в трубу. Вращение гидротурбины с трубой предохраняет рыбозаградительную решетку от попадания мусора.
[0059] Как показано на фиг. 14 входной конец носового обтекателя 48 опорного прилива 26 находится на расстоянии Y от входа сужающейся части 16. Расстояние Y может быть равным 0 или иметь положительное или отрицательное значение. При положительном значении расстояния Y вход сужающейся части расположен выше входа носового обтекателя опорного прилива. При отрицательном значении расстояния Y вход опорного прилива находится выше входа сужающейся части. При нулевом значении расстояния Y вход сужающейся части, по существу, расположен на одной оси с входом носового обтекателя опорного прилива.
[0060] В одном предпочтительном примере осуществления изобретения, где свободная скорость водного потока составляет менее двух метров в секунду, расстояние Y выбирают в сочетании с размером D1 (диаметром входа в сопло), обеспечивая, таким образом, среднюю скорость водного потока, проходящего через сечение сужающейся части, расположенной на одном уровне с передним краем носового обтекателя, равную приблизительно 2 метра в секунду.
[0061] Как показано на фиг. 5 опорный прилив 26 содержит внутренний выступающий кольцевой участок 52. Упорный фланец 38 трубы 24 гидротурбины входит во взаимодействие с кольцевым участком 52 опорного прилива. Компоненты для производства электроэнергии расположены в промежутке между опорным приливом 26 и трубой 24 гидротурбины. Резьбовые заглушки 54 и 56 закрывают конец промежутка между трубой 24 гидротурбины и опорным приливом 26. Заглушки 54 и 56 могут содержать подшипники 36, обеспечивающие вращение трубы 24 гидротурбины вокруг своей продольной оси. Между трубой 24 гидротурбины и заглушками 54, 56; между заглушками 54, 56, носовым обтекателем 48 и хвостовым обтекателем 50, и/или между опорным приливом 26 и носовым 48 и хвостовым 50 обтекателями предусмотрены уплотнения 58. Уплотнения 58 предотвращают попадание воды в промежуток между опорным приливом и трубой гидротурбины.
[0062] Опорный прилив и труба гидротурбины выполнены таким образом, что перепад давлений практически отсутствует между входами возможных путей утечки, ведущих от вторичного потока в промежуток между трубой гидротурбины и опорным приливом. Это позволяет предотвратить попадание воды в промежуток.
[0063] Опорный прилив 26 крепится в сужающейся части с помощью двух или более поддерживающих растяжек 62, отходящих от наружной поверхности опорного прилива 26 к внутренней поверхности сужающейся части 16. Число поддерживающих растяжек может варьироваться, предпочтительно используют 3 или 4 поддерживающих растяжки, однако, в случае необходимости, можно использовать большее или меньшее их количество. Профиль поддерживающих растяжек выбран из условия снижения потерь энергии в основном потоке. Как показано на фиг. 8, поддерживающие растяжки 62 прикреплены к сужающейся части 16 и опорному приливу 26 болтами 64 и/или штырями 66. Кроме того, могут использоваться и другие средства крепления поддерживающих растяжек к сужающейся части и опорному приливу.
[0064] В одном примере осуществления изобретения опорный прилив 26 содержит отводной трубопровод 60, проходящий через опорный прилив 26 и поддерживающую растяжку 62 за пределы сужающейся части 18. При наличии, отводной трубопровод расположен таким образом, что в процессе эксплуатации трубопровод 60 ориентирован вертикально вниз, обеспечивая стекание воды, поступающей в промежуток между опорным приливом и трубой гидротурбины за пределы устройства 14.
[0065] Вращение трубы гидротурбины обеспечивает поступление части вращательной энергии в основной поток за счет поверхностного трения. Как показано на фиг. 6 и 7, в одном примере осуществления изобретения для предотвращения любого нежелательного поворота в потоке, в носовой обтекатель 48 включают предварительно закрученный статор 68. Предварительно закрученный статор 68 способствует также предотвращению проникновения больших обломков в трубу гидротурбины.
[0066] Компоненты для производства электроэнергии расположены в промежутке между опорным приливом 26 и трубой 24 гидротурбины. Отбор мощности устройства может быть осуществлен двумя предпочтительными способами: механическим и электрическим.
[0067] Фиг. 15-18 иллюстрируют механический способ отбора мощности. Упорный фланец 38 трубы 24 гидротурбины имеет зубья шестерен, нарезанные на его верхней стороне. Вращение трубы гидротурбины обеспечивает управление зубчатой передачей, соединенной с зубчатым упорным фланцем 38. Зубчатая передача содержит ведущее зубчатое колесо 70, расположенное в промежутке между опорным приливом 26 и трубой 24 гидротурбины, которое входит во взаимодействие с зубчатым упорным фланцем 38. Колесо шестерни 70 соединено с концом приводного вала 72. Приводной вал 72 проходит через трубопровод 74 в опорном приливе 26 и поддерживающей растяжке 62. Вращение трубы 24 гидротурбины обеспечивает вращение колеса шестерни 70 и приводного вала 72. Приводной вал соединен с генератором переменного тока (не показан), расположенным снаружи устройства 14, с возможностью производства электроэнергии.
[0068] Устройство может содержать один или множество узлов «приводной вал 72-колесо шестерни 70", которые входят во взаимодействие с зубчатым фланцем 38 трубы 24 гидротурбины. При необходимости ограничения напряжения в элементах отбора мощности, устройства большой мощности могут содержать множество узлов «приводной вал/колесо шестерни», каждый приводной вал 72 которого проходит через трубопровод 74 в опорном приливе 26 и поддерживающей растяжке 62.
[0069] В одном примере осуществления изобретения (фиг. 7 и 16) устройство содержит воздушный компрессор (не показан) для нагнетания воздуха через трубопровод 76, проходящий через поддерживающую растяжку 62 и опорный прилив 26, в промежуток между опорным приливом 26 и трубой 24 гидротурбины. Нагнетание воздуха через трубопровод 76 обеспечивает сброс воды, присутствующей в промежутке между опорным приливом 26 и трубой 24 гидротурбины, через отводной трубопровод 60. При наличии механического устройства отбора мощности, управление воздушным компрессором осуществляет приводной вал 72 зубчатой передачи.
[0070] Удаление воды из промежутка, содержащего подшипники 36 и колесо шестерни 70, способствует уменьшению сопротивления трения в цепи привода. Когда устройство не работает, вода, просачивающаяся в промежуток, вытекает из отводного трубопровода 60 под действием силы тяжести.
[0071] Фиг. 8, 9 и 10 иллюстрируют электрический способ отбора мощности. Постоянные магниты 78 размещены в канавке, выполненной посредством механической обработки во внешней поверхности трубы 24 гидротурбины. Канавка может быть размещена в несущей части 44 трубы 24 гидротурбины. Статор 80 содержит первичные обмотки 82 и соединен с опорным приливом 26. Статор 80 закреплен внутри опорного прилива 26 болтами 84 или другими традиционными средствами крепления.
[0072] Вращение трубы 24 гидротурбины обеспечивает вращение постоянных магнитов 78 внутри статора 80 с сердечником из мягкого железа и первичными обмотками 82, с возможностью производства электроэнергии. Экспорт электроэнергии осуществляется из устройства с помощью силового кабеля 86 через трубопровод 88, проходящий через опорный прилив 26 и поддерживающую растяжку 62.
[0073] В одном примере осуществления изобретения нагнетательный вентилятор 90 установлен по окружности трубы 24 гидротурбины. Размеры вентилятора выбраны таким образом, что вращение трубы гидротурбины обеспечивает подачу нагнетательным вентилятором воздуха по воздуховоду 76. Воздуховод проходит через опорный прилив и поддерживающую растяжку, обеспечивая нагнетание воздуха в промежуток между опорным приливом и трубой гидротурбины непосредственно перед нагнетательным вентилятором. При установке в устройство, содержащее электрическое устройство отбора мощности, вентилятор нагнетает воздух под давлением в пространство вокруг статора.
[0074] Давление воздуха, создаваемое вокруг статора 80, обеспечивает отвод воды из пространства вокруг статора через отводной трубопровод 60. Когда устройство не работает, вода, просачивающаяся в пространство, вытекает через отводной трубопровод 60 под действием силы тяжести.
[0075] Отбор мощности из гидротурбины с помощью механического или электрического устройства осуществляется через трубопровод, проходящий через опорный прилив и поддерживающие растяжки. Это подразумевает отсутствие возмущения основного или вторичного потоков приводными ремнями и валами как в случае гидротурбин, свободно вращающихся в неподвижной трубе.
[0076] Комплексные конструкции, состоящие из компонентов, образующих трубу гидротурбины и опорный прилив, способствуют сокращению времени монтажа и затрат, а также позиционированию устройства.
[0077] Сужающаяся часть 16 выполнена в виде в форме раструба, первое отверстие на одном конце которого является входом для приема воды из-за барьера 12, а более узкое отверстие на противоположном конце является выходом для выпуска воды в смесительную трубу 18. Сужающаяся часть 16 имеет коническое сужение в направлении от стороны впуска к входу смесительной трубы 18. На границе сужающейся части и смесительной трубы образована труба Вентури 20. Для оптимизации работы устройства выбирают такие параметры сужающейся части как угол сходимости, длина, диаметры входного и выходного отверстий сужающейся части.
[0078] Как показано на фиг. 13А, со ссылкой на фиг. 13, сужающаяся часть 16 имеет, по существу, конический профиль в направлении от входа к выходу. Сужающаяся часть может быть изготовлена в виде одной детали, имеющей форму усеченного конуса. На фиг. 13В и фиг. 5 показана альтернативная конструкция, в которой сужающаяся часть 16 состоит из передней 92 и задней 94 сужающихся частей. Передняя и задняя сужающиеся части могут быть изготовлены отдельно, причем передняя сужающаяся часть выполнена просто в виде усеченного конуса, а задняя часть имеет более сложную изогнуто-выпуклую форму. На фиг. 13С показана еще одна альтернативная конструкция, в которой сужение сужающейся части 16 выполнено с переменным углом по всей ее длине для создания выпуклого внешнего профиля, обеспечивающего постоянное ускорение основного потока 32 внутри кольцеобразного зазора.
[0079] Смесительная труба создает в трубопроводе зону, где вторичный 34 и основной 32 потоки объединяются с образованием, по существу, равномерного потока. Перед переходом из смесительной трубы 18 в диффузор 22 поток, по существу, является однородным, а профиль его скоростей обеспечивает восстановление давления потока через диффузор, достаточное для выдерживания перепада между низким давлением в трубе Вентури и высоким давлением на выходе из диффузора.
[0080] Смесительная труба выполнена с возможностью повышения выходной мощности трубы гидротурбины, по которой проходит вторичный поток 34. Это достигается по меньшей мере частично за счет смесителя, выполненного с возможностью оптимизации режимов потока в области, расположенной непосредственно ниже места, где вторичный поток через турбину, индуцированный низким давлением в трубе Вентури начинает смешиваться с основным потоком. Смесительная труба выполнена с возможностью оптимизации переноса энергии из основного потока во вторичный поток в смесительной трубе.
[0081] Смесительная труба имеет впускное отверстие, выходное отверстие и отрезок ненулевой длины, обеспечивающий создание между впускным и выходным отверстиями промежутка достаточной длины, где происходит смешивание потоков. Длину (L) трубопровода, образующего смесительную трубу, выбирают такой, чтобы получить соответствующий стабилизированный поток до его входа в диффузор. Правильный выбор длины для режимов потока и давления обеспечивает оптимальную передачу энергии между быстро перемещающимся основным потоком и медленным вторичным потоком, создавая, таким образом, приемлемый профиль скорости между двумя потоками до попадания комбинированных потоков в диффузор.
[0082] В одном примере осуществления изобретения смесительная труба может иметь сужение в направлении движения потока на половину угла конуса β, бета, так что выходное отверстие смесительной трубы является более узким, чем входное отверстие. Половина угла конуса смесительной трубы может быть положительной или отрицательной. В альтернативном примере осуществления изобретения смесительная труба может иметь сужение в направлении против течения, так что выходное отверстие смесительной трубы является более широким, чем входное отверстие, т.е. смесительная труба становится шире по всей длине в направлении диффузора. Наличие конусообразной смесительной трубы упрощает передачу энергии между высокоскоростным основным потоком, проходящим через кольцеобразный зазор, и более медленным вторичным потоком, выходящим из трубы гидротурбины.
[0083] Выходной конец смесительной трубы 18 соединен с диффузором 22. Диффузор 16 выполнен в форме раструба, имеющего первое входное отверстие для приема воды из смесительной трубы 18, и, выполненное на противоположном конце, более широкое выходное отверстие для выпуска воды обратно в свободный поток на низовой стороне барьера 12. Диффузор 22 имеет расширение наружу относительно выходного отверстия смесительной трубы 18 для замедления потока и восстановления статического давления до выхода потока из диффузора 22 и уменьшения потерь энергии за счет турбулентности. Угол расширения может быть выбран из условия оптимизации работы диффузора.
[0084] Такие параметры диффузора как длина, угол расходимости, 9, и отношение площади поперечного сечения первого и второго отверстий выбраны таким образом, чтобы подавить турбулентность и снизить потери энергии, вызванные отрывом потока по мере его замедления вновь до скорости свободного потока. Чрезмерная турбулентность, водовороты и отрыв потока могут повредить восстановлению давления по мере приближения потока к выходу диффузора. Параметры для максимального восстановления давления выбирают таким образом, чтобы давление на выходе диффузора, установленное с учетом глубины низовой воды, на максимально возможную величину превышало давление в трубе Вентури.
[0085] Диффузор выполнен с возможностью создания основного потока с постоянной степенью замедления в диффузоре по мере восстановления давления. Диффузор 22 (фиг. 13А и 13С) имеет расширение в направлении нижнего конца с переменными углами по его длине. Как показано на фиг. 13А диффузор может иметь вогнутый внешний профиль. Как показано на фиг. 13С диффузор может иметь выпуклый внешний профиль. Фиг. 13В иллюстрирует устройство, имеющее часть 22, расширяющуюся по существу, под постоянным углом, с образованием, по существу, конусообразного профиля.
[0086] Сужающаяся часть, смесительная труба и диффузор могут быть выполнены в виде одной непрерывной трубы. Кроме того, сужающаяся часть, смесительная труба и диффузор могут быть изготовлены в виде двух или более отдельных частей, скрепленных между собой болтами или другими традиционными средствами или методами соединения. Как показано на фиг. 2 и 3 сужающаяся часть, смесительная труба и диффузор могут быть изготовлены в виде двух, скрепленных болтами 96 частей, одна из которых состоит из сужающейся части и смесительной трубы, а вторая состоит из диффузора.
[0087] Между двумя рядом расположенными частями могут быть выполнены кольцевые переходные участки 98, обеспечивающие уменьшение потерь энергии, вызванных турбулентностью, которая может возникнуть при наличии крутых переходных участков между частями. Это способствует повышению эффективности преобразования энергии системы.
[0088] Устройство может быть использовано для вырабатывания выходной мощности от 1 кВт до 1 МВт. Диаметр входного отверстия сужающейся части (D1) (фиг. 4), диаметр входного отверстия носового обтекателя опорного прилива (D2), диаметр выходного отверстия трубы гидротурбины (D3), диаметр выходного отверстия смесителя (D4), диаметр выходного отверстия диффузора (D5), а также длина "М" смесителя и длина "L" диффузора могут быть переменными величинами, способствующими повышению эффективности системы. Отношения D4/D1, D3/D1, M/D4 и L/(D5-D4) выбирают, исходя из условий, в которых осуществляется монтаж системы.
[0089] В одном примере осуществления изобретения устройство выполнено таким образом, что примерно 80% водного потока проходит через кольцеобразный зазор 28, а оставшиеся примерно 20% водного потока проходят через трубу 24 гидротурбины. В одном предпочтительном примере осуществления изобретения устройство выполнено таким образом, что произведение двух безразмерных параметров α (альфа) и β (бета) приблизительно равно 0,25,
где:
α - отношение общей площади основного потока в выходном отверстии трубы гидротурбины
2
2
2
[(п/4)(D4-D3)] к общей площади вторичного потока в выходном отверстии трубы гидротурбины (пD3/4); а
β - отношение средней скорости вторичного потока в трубе гидротурбины к средней скорости основного потока в кольцеобразном зазоре на выходе трубы гидротурбины.
[0090] В отличие от машин, обладающих кинетической энергией в свободном потоке жидкости, максимальная мощность которых подпадает под предел Беца, а наличие группы таких машин требует их размещения на значительном расстоянии друг от друга, настоящее изобретение, сначала обеспечивает создание запаса потенциальной гидравлической энергии на основе кинетической энергии полного потока за счет повышения верхнего уровня воды обусловленного установкой барьера по всей ширине водоема, а затем сосредотачивает значительную часть этого запаса потенциальной энергии в меньшей части потока, проходящего через трубу гидротурбины, где создается соответственно повышенный перепад давлений, обеспечивающий производство электроэнергии на основе экономически эффективной технологии "от воды к ЛЭП".
[0091] Для достижения приемлемой эффективности производства электроэнергии данное изобретение обеспечивает возможность использования пакета лопаток и трубы гидротурбины с меньшим диаметром, по сравнению с диаметром диска свободно-поточной гидротурбины, размещенной в том же водоеме. Во многих местах, включая большинство рек и многие приливные устья, оптимальный диаметр свободно-поточной гидротурбины может значительно превышать толщину слоя воды. Для достижения эквивалентной эффективности при меньших капитальных затратах турбина меньшей мощности может быть использована в системе согласно изобретению, обеспечивая возможность работы такой системы в большем количестве мест.
[0092] Свободная поверхность верхнего течения позади системы согласно изобретению возвышается над всей толщей потока воды, как правило, на расстояние от 1 до 3,5 м. Использование свободно-поточной гидротурбины способствует появлению небольшой "выпуклости" на поверхности воды над турбиной, обусловленной сопротивлением турбины потоку воды, которая является мерой энергетической мощности этой свободно-поточной гидротурбины. Эту выпуклость обычно нельзя обнаружить невооруженным взглядом. Подъем чуть выше свободной поверхности гидротурбины практически незаметен из-за предела Беца. Кроме того, этот небольшой, надводный объем является локальным в плане для каждой свободно-поточной гидротурбины, а предел Беца значительно ограничивает количество открытой воды между каждой свободно-поточной гидротурбиной в группе, так что объем воды над и чуть выше свободно-поточной гидротурбины или группы гидротурбин гораздо меньше объема восходящего потока согласно изобретению, включенного в тот же объем воды, как правило, на порядок или более. Это сравнение объемов поднятой воды является прямым показателем сравнительной энергии, доступной для преобразования в электроэнергию машиной каждого типа. Таким образом, энергия, вырабатываемая системой согласно изобретению, как правило, на порядок или более превышает энергию, вырабатываемую свободно-поточной гидротурбиной или группой свободно-поточных гидротурбин, из того же самого объема воды.
[0093] Кроме того, изобретение позволяет создать гораздо больший напор восходящего потока, чем при использовании свободно-поточной гидротурбины, а затем обеспечивает дальнейшее повышение перепада давлений с коэффициентом от 3 до 5 в индуцированном вторичном потоке, который, как правило, составляет 20% от вышерасположенной части потока. Таким образом, движущий напор (давление) гидротурбины по изобретению превышает напор свободно-поточной турбины, как правило, на порядок или более. Таким образом, в устройстве согласно изобретению может быть использована труба гидротурбины и пакет лопаток с меньшим, на порядок или более, диаметром, вращающаяся со скоростью, которая, на порядок или более, превышает скорость вращения типовой свободно-поточной турбины.
[0094] Для эффективной работы генератора обычная гидроэлектрическая плотина, в которой барьер, установленный поперек источника воды, направляет весь поток воды через турбины, требует, как правило, наличия перепада давлений 3,5 м или выше. Однако за счет повышения давления индуцированного вторичного потока, настоящее изобретение обеспечивает рентабельную работу такой гидротурбины при перепадах давления порядка 1,0 м.