МОБИЛЬНАЯ ПЛОТИНА ПАРАШЮТНОГО ТИПА
MOBILE DAM OF PARACHUTE TYPE

Изобретение относится к малой гидроэнергетике, предназначено для выработки электрической или механической энергии и может быть применено при строительстве микрогидроэлектростанций, в том числе для приливно-отливных микроГЭС.
В микрогидроэнергетике мобильность энергетических устройств и простота их установки имеет большое значение, поэтому получили распространение мобильные поточные конструкции, хотя они имеют низкие возможности по выработке электроэнергии. Возможности по выработке электроэнергии у плотинных ГЭС значительно больше, т.к. используют и кинетическую, и потенциальную энергии потока, но стоимость возведения плотин очень высока и по времени растянута, поэтому плотинная конструкция микроГЭС абсолютно немобильна. Попыткой найти решение быстровозводимой плотины стало применение мягкой конструкции, но при этом не ставилась задача использования их в малой гидроэнергетике.
Известны конструкции плотин из мягких оболочек или гибких мембран, арочных конструкций, например выполненная в виде мягкой оболочки, прикрепленная к шпунту или сваям-оболочкам (см. книгу В.И.Сергеев и др. «Мягкие конструкции - новый вид гидротехнических сооружений», с.18, рис.1ж, М., 1971 г.). Гибкое полотнище в виде брезентовой мембраны было предложено проф. С.Г.Гутманом в Великую Отечественную войну для затопления территорий, занятых противником (см. там же, с.46) с целью парализовать его моторизованные части. Эта мембрана прикреплялась к забитым сваям, что требовало серьезной подготовительной работы и лишало плотину мобильности.
Известна также конструкция плотины, выполненной из сплошного гибкого полотнища, верхний край которого поддерживался вантами, а нижний край анкерами прикреплен к жесткому основанию (см. а.с. №89311, Е02В 7/02), но для ее строительства необходимо полностью осушать место строительства.
Известна заанкерная плотина (патент RU 2090693, 1997.09.20), предназначенная для защиты (укрепления) плотины от увеличивающегося динамического напора воды, смягчения гидравлического удара в приливных, селевых и других плотинах, которая включает установленную поперек русла жесткую перемычку и размещенное со стороны верхнего бьефа разгружающее устройство, причем разгружающее устройство выполнено в виде гибкого полотнища с поплавками на верхней кромке. Анкерные тяги, прикрепляющие разгружающее устройство к дну реки, прикреплены к нижней кромке полотнища, а прикрепляющие разгружающее устройство к плотине анкерные тяги прикреплены к верхней кромке полотнища и перекинуты через блоки. Эта плотина имеет совсем другую цель и не предназначена для решения проблем малой энергетики.
Известна «Плотина» по патенту RU 2297494 С2 (Е02В 7/02, 2006.01), принятая за прототип, которая выполнена из сплошного гибкого полотнища, верхний край которого поддерживается вантами, а нижний край прикреплен к жесткому основанию анкерами, которые выполнены из двух плит различной длины, шарнирно соединенных друг с другом по одной из образующих с возможностью поворота относительно оси шарнира на 60-70°, одна из которых является собственно анкером и вдавливается в грунт под действием сдвижных сил в плотине. Данная конструкция имеет мобильность и многоразовое использование, но она может устанавливаться только на слабых потоках, где отсутствует резкое повышение уровня, т.к. она практически неуправляема, для ее возведения и снятия требуется иметь специальные технические средства, что существенно снижает ее мобильность. Кроме того, такое сооружение обладает низкой устойчивостью против сдвигающих усилий на мягких и скальных грунтах. Даже при низкой скорости течения возможен вымыв грунта из-под анкеров, т.к. между нижним краем полотнища и дном имеется просвет, через который устремится поток с большой скоростью и вымоет грунт, это приведет к тому, что полотнище плотины не выполнит своего назначения. Сложность изготовления анкеров, их вес, невозможность использования на скальных и мягких грунтах, отсутствие управляемости поведением плотины серьезно ограничивают применимость данного изобретения. Эта плотина предназначена для затопления пойменных лугов и не предназначена для решения проблем микрогидроэнергетики.
Сущность изобретения состоит в том, что мягкое полотнище мобильной плотины парашютного типа, удерживаемое в рабочем состоянии посредством гибкой связи, выполнено в виде, по крайней мере, одного купола, который оборудован, по крайней мере, одним напорным и/или сливным отверстием, причем напорное отверстие оборудовано рукавом водовода, предназначенным для соединения с входным отверстием корпуса устройства для выработки электрической или механической энергии; поперечное сечение купола полотнища выполнено в любой геометрической форме - круга, квадрата, прямоугольника, ромба, овала, треугольника, трапеции, сложной фигуры; гибкая связь выполнена в виде, по крайней мере, одного стропа и/или троса, и/или их пучка и имеет продольное, поперечное, вертикальное, горизонтальное, диагональное направление или выполнено в комбинации направлений; конструкция плотины выполнена свободноплавающей или каркасной; пучок стропов закрыт защитной сеткой; напорное и/или сливное отверстие выполнено в любом месте полотнища плотины - в центре, вверху, снизу, сбоку, по диагонали; рукав водовода оборудован жесткими наружными и/или внутренними кольцами или спиралью; рукав водовода и/или полотнище купола выполнены секционными и состоят каждый, по крайней мере, из одной секции длиной 0,5-25 м; рукав водовода выполнен конусообразным; соединения секций полотнища купола плотины и/или рукава водовода, защитных сеток, клапанов выполняются посредством застежек типа «молния», шнурами и/или механическими соединителями; отверстия в полотнище купола плотины оборудованы клапанами; полотнище купола плотины оборудовано, по крайней мере, одной вертикальной, горизонтальной, диагональной надувной и/или водонаполняемой полостью; полотнище купола плотины оборудовано, по крайней мере, одним стропом для схлопывания полотнища купола; стропы оборудованы устройством для изменения их длины; полотнище плотины и/или секция рукава прошиты, по крайней мере, одним шнуром и/или лентой; верхний край полотнища плотины оборудован, по крайней мере, одним буем; нижний край полотнища плотины оборудован, по крайней мере, одним якорем и/или грузом; гибкая связь полотнища купола плотины удерживаются, по крайней мере, одним анкером и/или якорем; анкер выполнен в виде забиваемого кола, винтового анкера, якоря, сваи, распорки, ригеля, забетонированного или укрепленного анкера, натянутого поперечного и/или диагонального каната, или в комбинации, для этой же цели могут использоваться прибрежные скалы и камни; напорное и/или сливное отверстие купола закрыто защитной сеткой; секции купола и водовода выполнены из различных материалов; гибкая связь выполнена в виде, по крайней мере, одного пучка стропов или канатов, или в комбинации различных видов; стропы оборудованы устройством для их аварийного разрыва; купол имеет возможность разворота на 180°; купола плотины установлены вершинами один к другому и соединены рукавом водовода.
Цель изобретения состоит в повышении мобильности, универсальности и энергетических характеристик микроГЭС.
Технический результат от реализации данного изобретения состоит в том, что позволит:
- более шире внедрить микрогидроэнергетику;
- увеличить мощность микроГЭС;
- кардинально упростить конструкцию;
- уменьшить вес оборудования;
- минимизировать время развертывания и свертывания микроГЭС;
- кардинально удешевить конструкцию;
- сделать мобильную парашютную плотину универсальной для рек, ручьев, протоков;
- устанавливать энергетическое оборудование на сухом месте.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:
На фиг.1 показан продольный разрез принципиального устройства плотины для микроГЭС, установленной в горной реке: 1 - дно реки, 2 - секционный рукав водовода, 3 - полотнище, выполненное в форме купола, 4 - воздушная полость или буи, 5 - водный поток, 6 - анкер, 7 - стропы, 8 - напорное отверстие, закрытое защитной сеткой, 9 - генератор, 10 - турбина.
На фиг.2 показан продольный разрез принципиального устройства плотины для микроГЭС, установленной в полноводной реке: 1 - дно реки, 3 - полотнище, выполненное в форме купола, 4 - воздушная полость или буи, 5 - водный поток, 7 - стропы, 9 - генератор, 10 - турбина, 11 - удерживающий трос, 12 - груз, 13 - якорь.
Принципиально мобильная плотина парашютного типа состоит из мягкого полотнища купола 3 (фиг.1) плотины, рукава водовода 2, стропов 7, анкера 6. Купол может иметь поперечное сечение в виде любой геометрической формы - круга, квадрата, прямоугольника, ромба, овала, треугольника, трапеции, сложной фигуры.
Принцип работы мобильной плотины парашютного типа заключается в том, что для работы в условиях горной реки, где у рек небольшая глубина, плотина устанавливается на дно и своим куполом 3 перекрывает русло, движение водного потока осуществляется через рукав водовода 2. Купол плотины 3, удерживаемый заанкеренными стропами 7, под воздействием напора воды 5 наполняется, его вес увеличивается, и он плотно прижимается ко дну 1 и к крутым берегам горный реки, тем самым перегораживает реку и поднимает уровень воды и создает ее запас для работы энергоагрегата. Вода имеет возможность выходить только через рукав водовода 2, который опускается на определенное расстояние вниз по течению, создавая необходимый столб воды, при этом увеличивается потенциальная и кинетическая составляющая потока, которые в данном случае извлечь нетрудно.
Установка мобильной плотины парашютного типа для горных рек начинается с выбора подходящего участка реки 1 (фиг.1), на котором намечается прямая линия для перекрытия потока, от средины которой прокладывается перпендикулярная линия в сторону истока, на которой в зависимости от длины строп 7 устанавливается анкер 6. Затем ниже по течению устанавливается корпус устройства для выработки электрической или механической энергии 10 и рассчитывается длина водовода 2 и путь его укладки на местности. Рукав водовода 2 прикрепляется одним концом к напорному отверстию 8 купола полотнища 3, другим концом к входному отверстию корпуса турбины 10 (в данном частном случае), которая крутит генератор 9. После этого полотнище купола 3 вносится в поток 5 и под действием потока воды расправляется. Коррекция положения полотнища купола плотины 3 в русле осуществляется регулированием натяжения или отпускания стропов 7, возможна регулировка объема запасаемой воды посредством стягивания верхнего и нижнего краев купола. Если форма полотнища купола выбрана ближе к прямоугольной, то для предотвращения схлопывания купол можно распереть вертикальными распорками или зафиксировать его форму путем применения гибкой связи. После наполнения купола водой плотина готова к работе.
В условиях полноводной реки (фиг.2) купол 3 устанавливается в свободноплавающем положении (самая простая конструкция) в водном потоке и выполняет функцию концентратора потока, в этом случае (как вариант) турбина 10 устанавливается в рукаве водовода 2, а генератор 9 устанавливается на понтоне и удерживается стропами или кронштейнами. Купола плотин могут устанавливаться в ряд или каскадом в зависимости от решаемых задач и местных условий. В каркасной конструкции плотины плавающий понтон соединен с жестким, расположенным в толще воды, пространственным каркасом, преимущественно в виде прямоугольной рамки, рамка стабилизируется посредством гибких (растяжек) и/или жестких связей, к краям рамки прикрепляется полотнище, к напорному отверстию которого с поднапорной стороны полотнища купола прикрепляется турбина, при этом непосредственно генератор может устанавливаться на плавающем понтоне вне воды. Управление положением плотины в русле, например, для пропуска судов можно осуществить посредством крыла, имеющего угол атаки таким, чтобы постоянно стремиться к противоположному от установленного анкера берегу, крыло прикреплено к участку соединения стропов купола с удерживающим тросом, в этом случае отпускание троса (например, лебедкой) приведет к перемещению всей конструкции к противоположному берегу, а натяжение - к перемещению к берегу, на котором закреплен трос.
С целью сброса излишнего количества воды из плотинного водохранилища, для пропуска рыбы или подсоединения дополнительных рукавов водовода, полотнище купола плотины может быть оборудовано несколькими дополнительными отверстиями, разичающимися по своему назначению: сливными, переливными, напорными, перепускными и т.д., закрываемыми клапанами, при этом отверстия устанавливаются в любом месте полотнища плотины - в центре, вверху, снизу, сбоку, по диагонали, например в верхней части - для перелива излишней воды из плотинного водохранилища при его переполнении, в нижней - для слива воды из плотинного водохранилища при свертывании плотины, напорное отверстие преимущественно устанавливается либо по центру, либо в нижней боковой или центральной части плотины (в зависимости от рельефа местности и удобства обслуживания), при этом отверстия могут устанавливаться в ряд или по диагонали. Плотина может быть оборудована любым разумным количеством отверстий для решения любых задач. Фланцы отверстий фиксируются к полотнищу застежками типа «молния», шнурами и/или механическими креплениями типа крючков, байонетов и т.п.
Для уменьшения веса и придания жесткости конструкции плотины в целях предотвращения схлопывания полотнища плотина может оборудоваться герметичными горизонтальными, вертикальными и/или диагональными цилиндрическими полостями, в которых находится газообразная или жидкая среда под небольшим давлением, например, при ее эксплуатации в воде верхний край плотины может быть оборудован горизонтальной надувной цилиндрической полостью, что не позволит верхнему краю погрузиться под воду, а цилиндрические вертикальные (в т.ч. боковые) полости, цилиндрические диагональные и горизонтальные (в т.ч. нижний край плотины) - водонаполняемые, дабы предотвратить всплывание плотины. При минимальной комплектации купол может содержать, по крайней мере, по одной вертикальной, горизонтальной, диагональной надувной и/или водонаполняемой полости. Для коррекции глубины или увеличения выталкивающей силы верхний край полотнища плотины может быть оборудован привязными буями. Для формирования геометрии купола и придания ему жесткости верхний и нижний края полотнища могут быть расперты и/или стянуты (стабилизированы) жесткими и/или гибкими распорками, т.е. купол может содержать, по крайней мере, по одной вертикальной, горизонтальной, диагональной распорке и/или стяжке. Нижний край полотнища купола может оборудоваться грузами 12 (фиг.2). Для усиления сцепления плотины с грунтом (там, где это целесообразно) нижний край может быть оборудован якорями, к которым прикрепляются стропы (на случай, если «поползут» якоря и для удобства демонтажа плотины). Нижний край также можно пригружать грузами или подручным материалом (камнями, например).
Гибкие связи, удерживающие купол, могут быть выполнены из стропов, канатов, объединенных в пучки, причем возможно иметь несколько пучков стропов для распределения усилий на несколько анкеров. Стропы или пучки стропов, а также канаты могут иметь механизм изменения их длины для коррекции плотины на местности (лебедки, тали, фиксаторы).
Для защиты турбины от возможного попадания в нее бревен и другого мусора пучки стропов вплоть до купола могут быть обернуты сеткой, также сеткой могут быть закрыты клапаны, водосливные и напорные отверстия, сеткой по диагонали может быть перегорожено русло, чтобы выбрасывать мусор на берег.
Для подледной установки плотины грузы 12 (фиг.2) на нижней кромке плотины должны иметь вес такой, чтобы удержать плотину у дна, в ином случае можно производить ее регулировку по высоте посредством натяжения или отпускания троса 11.
Свертывание плотины, установленной в горной реке, происходит путем отпускания стропов с одной стороны или стягиванием этих стропов до схлопывания купола, затем без труда плотина выносится на берег. Возможно оборудование плотины кольцевым стропом в виде удавки для сжимания сечения купола либо линейным стропом для отклонения края полотнища с целью его схлопывания. Этот процесс можно автоматизировать. На полноводной реке сначала конструкцию надо подтянуть к берегу, затем повторить действия, описанные выше.
С целью повышения универсальности применения плотины для различных условий, быстрого изменения параметров плотины в зависимости от реальных условий, рукав водовода и/или купол плотины изготавливаются секционными, при этом оптимальная длина секций может быть от 0,5 до 25 метров. Секции соединяются между собой посредством шнуров, застежек типа «молния», или механическими соединителями (например, крючками, байонетами), или в их сочетании. Секции купола и рукава могут иметь вставки из других материалов, например стальные или пластиковые водопропускные угловые, треугольные, цилиндрические вставки для рукава, жесткие секции или вставки для купола. Плотина может быть соединена с имеющимися гидротехническими сооружениями.
Прочность полотнища купола плотины и рукава водовода усиливается прошивом шнурами и/или лентами в различных направлениях через определенные расстояния, а рукав может быть усилен установкой снаружи и/или изнутри жестких колец или спиралью. Рукав водовода может изготавливаться конусообразным, направленным сужающейся частью к корпусу энергоагрегата. Купол (преимущественно овального или прямоугольного сечения) может быть установлен на поперечно натянутых канатах, проходящих по верхнему и нижнему краю полотнища купола. Анкеры для крепления пучков строп и/или канатов могут быть выполнены в виде обычного забиваемого кола, винтового анкера, якоря, сваи, распорки, горизонтального ригеля, забетонированного или укрепленного анкера, натянутого поперечного или диагонального каната, или в комбинации, для этой же цели могут использоваться скалы и камни. Для успешной эксплуатации в условиях горной реки для защиты от сильных стоков после дождей плотина может оборудоваться разрывным предохранительным устройством некоторых строп и/или канатов с целью изменения формы купола и нарушения тем самым водоудерживающих способностей плотины с целью выноса купола течением на берег. С этой же целью можно использовать диагонально натянутый канат, по которому усиленный дождями поток будет сдвигать полотнище плотины в сторону, открывая потоку фарватер реки.
Примерная конструкция мобильной плотины парашютного типа для использования в качестве приливно-отливной микроГЭС может быть в свободноплавающем положении или каркасной. Например, с целью предотвратить сминание плотины при обратном движении потока, плотина может быть оборудована плавучей продольной штангой (на понтонах, например) с двумя консолями на концах, опущенными вниз, задний конец штанги (относительно направления потока) оборудован управляемым или неуправляемым поворотным крылом, чтобы при изменения вектора направления потока дать возможность плотине совершить поворот на 180° вокруг переднего конца, закрепленного анкером, и принять поток с другой стороны. Возможна конструкция приливной плотины из двух куполов, установленных вершинами один к другому и соединенных рукавом водовода, внутри которого установлена реверсивная турбина (например, ортогональная), для которой вектор направления потока не важен, либо рукав водовода оборудовать Т-образным ответвлением, направленным вверх, в котором установлена однонаправленная турбина, а напорные отверстия куполов оборудованы обратными клапанами, открывающими путь напору из купола только в сторону рукава водовода, тогда поток с любого направления будет проходить через турбину в одном направлении. В этом случае поворот конструкции не нужен. Направление потока вверх создаст реактивную силу вниз, но верхняя воздушная полость купола и буй или понтон турбины не даст куполу и водоводу опуститься вниз и потерять форму. Данная конструкция также может быть каркасной.
Технический результат от реализации изобретения состоит в том, что мобильная плотина парашютного типа позволит обеспечить:
- мобильность,
- универсальность применения,
- повышение мощности микроГЭС,
- удешевление выработанной электроэнергии,
- упрощение установочных и эксплуатационных работ.
Изложенная выше конструкция мобильной плотины парашютного типа не исчерпывает всех вариантов, а является лишь ее иллюстрацией. На практике могут быть использованы и другие варианты без нарушения основной идеи технического решения.