ПЕРЕДВИЖНАЯ ПРОТОЧНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
MOBILE FLOW-THROUGH HYDRAULIC POWER STATION

Настоящее изобретение относится к области гидроэнергетике и может найти применение в качестве гидроэлектростанции.
Известна подводная гидроэлектростанция, содержащая корпус, входной конфузор, выполненный спиралеобразным, его входное сечение имеет форму прямоугольника, а выходной диффузор снабжен криволинейными лопастями, которые изогнуты в сторону, противоположную направлению закрутки конфузора. Между конфузором и диффузором размещена турбина, механически соединенная с генератором электрического тока (Авт. свид. №1737149, опубл. 30.05.92, кл. F03B 13/00).
Известна подводная гидроэлектростанция, содержащая установленный в потоке воды, разделенный на отсеки корпус с входным конфузором, на выходе из которого внутри корпуса расположены последовательно гидропривод, выполненный в виде лопастной турбины с горизонтальным валом на подшипниках, и электрогенератор, ротор которого через две полумуфты соединен с валом гидропривода, при этом электрогенератор помещен в герметичный отсек корпуса, имеющего продольный кольцевой канал для прохождения воды между внешней стенкой корпуса и его герметичным отсеком, который с помощью нескольких ребер соединен с внешней стенкой корпуса (Авт. свид. №436382, кл. F03B 13/00, опубл. 15.07.74).
Недостатками аналогов являются: сложность конструкции, низкий КПД, недостаточная герметичность, сложность установки гидроэлектростанции.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией гидроэлектростанций.
Известна также подводная гидроэлектростанция, содержащая установленный в потоке воды, разделенный на отсеки корпус с входным конфузором. Внутри корпуса последовательно расположены гидропривод, выполненный в виде лопастной турбины с горизонтальным валом на подшипниках, и электрогенератор, ротор которого через две полумуфты соединен с валом гидропривода. Электрогенератор помещен в герметичный отсек корпуса. На входном конфузоре установлена оградительная сетка. Отсек корпуса с гидроприводом имеет продольные выходные окна и отражатель внутреннего потока воды, выполненный в виде усеченного конуса и герметично соединенный с цилиндрической обечайкой, внутри которой установлен горизонтальный вал турбины на подшипниках. Вал имеет торцевое уплотнение, герметично соединенное с цилиндрической обечайкой. Хвостовой отсек корпуса выполнен герметичным в виде усеченного конуса и имеет, установленный на меньшем основании герметичный водостойкий электроразъем с электрокабелем. Перечислены различные способы удержания корпуса на определенной глубине и определенном месте (Патент РФ №2139972, кл. F03B 13/00, E02B 9/00).
Известная гидроэлектростанция по патенту №2139972, как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому полезному результату, принята за прототип.
Недостатками известной гидроэлектростанции по патенту №2139972, принятой за прототип, являются: низкий КПД, сложность установки и управления процессами в ней, небольшое количество вырабатываемого электричества.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией гидроэлектростанции, наличием конусного отражателя водного потока, который отражает поток воды навстречу рабочему потоку, уменьшает его динамические характеристики и тем самым снижает частоту вращения турбины, создает вихревые потоки, на преодоление которых расходуется часть энергии.
Задачей настоящего изобретения являете повышение технических характеристик гидроэлектростанции.
Технический результат обеспечивается тем, что в передвижной проточной гидроэлектростанции, содержащей понтон, закрепленный якорями на дне реки, корпус водовода с передней защитной решеткой, установленный в водном потоке, гидропривод, генератор электрического тока, механизмы управления гидроэлектростанцией, согласно изобретению корпус водовода выполнен в форме двух цилиндрических пустотелых трубопроводов прямоугольного или круглого сечения, установленных соосно один за другим, первый из которых, большего сечения, повернут своим свободным передним концом, закрытым защитной сеткой, навстречу водному потоку, задний конец которого посредством конусной пустотелой вставки соединен с передним концом трубопровода меньшего сечения, второй конец которого открыт, кроме того, корпус водовода соединен механически с энергетическим блоком, выполненным в форме прямоугольного ящика, герметично закрытого крышкой и разделенного на две секции, в одной из которых установлен гидропривод в форме турбины, содержащей корпус, имеющий на внутренней поверхности сферическую камеру, соединенную с впускным патрубком и выпускную камеру, соединенную с выпускным патрубком, причем в корпус вставлено с небольшим зазором турбинное колесо, представляющее собой ступицу, которая посредством спиц соединена с втулкой, к которой под углом α=70° приварены лопасти, а к обеим торцевым сторонам втулки и ступицы болтами привернуты боковые диски с центральными отверстиями для прохода вала, во второй секции размещен трехфазный генератор электрического тока, вал которого посредством шарового уплотнительного передаточного механизма, установленного на перегородке, разделяющей обе секции, соединен с валом гидропривода, причем выход генератора электрического тока связан через повышающий трехфазный трансформатор с потребителями электрического тока, причем энергетический блок и корпус водовода посредством стоек соединены c нижней частью понтона, кроме того, внутри водовода большего сечения установлена напорная труба, выполненная в форме трубки Пито, свободный загнутый конец которой повернут в сторону движущегося потока и через запорный кран соединенной с впускным патрубком турбины гидропривода, а ее выпускной патрубок посредством трубопровода соединен с корпусом водовода меньшего сечения, причем продольная ось загнутого конца напорной трубы совпадает с продольной осью корпуса водовода, а площадь большего сечения корпуса водовода относится к площади меньшего сечения корпуса водовода как 10:1, кроме того, тепловой щит управления, повышающий трехфазный трансформатор, аккумуляторные батареи для питания обмоток возбуждения ротора генератора электрического тока расположены внутри помещения, установленного на верхней части понтона.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1. изображен общий вид передвижной проточной гидроэлектростанции;
на фиг.2 - вид на передвижную проточную гидроэлектростанцию спереди;
на фиг.3 - расположение механизмов энергетического блока;
на фиг.4 - устройство гидропривода;
на фиг.5 - вид сбоку на турбину гидропривода;
на фиг.6 - схема трехфазного генератора электрического тока;
на фиг.7 - блок-схема гидроэлектростанции;
на фиг.8 - принцип действия гидроэлектростанции.
Передвижная проточная гидроэлектростанция содержит понтон 1, закрепленный якорями 2 на дне реки, корпус водовода 3 с передней защитной сеткой 4, установленный в водном потоке. Корпус водовода выполнен в форме двух цилиндрических пустотелых трубопроводов 5 и 6 прямоугольного сечения или круглого, установленных соосно один за другим, первый из которых, большего сечения, повернут своим передним свободным концом навстречу водному потоку, задний конец которого посредством пустотелой конусной вставки 7 соединен с передним концом трубопровода меньшего сечения, второй конец которого открыт. Корпус водовода соединен механически с энергетическим блоком 8, выполненным в форме прямоугольного ящика 9, герметично закрытого крышкой 10 и разделенного на две секции 11, 12, в первой из которых установлен гидропривод 13 в форме турбины, содержащей корпус 14, имеющий на внутренней поверхности сферическую камеру 15, соединенную с впускным патрубком 16 и выпускную камеру 17, соединенную с выпускным патрубком 18. Внутрь корпуса вставлено с небольшим зазором турбинное колесо, представляющее собой ступицу 19, которая посредством спиц 20 соединена с втулкой 21, к которой под углом α, равным 70°, к линии диаметра приварены лопасти 22. К обеим торцевым сторонам втулки и ступицы болтами привернуты боковые диски 23 с центральными отверстиями для прохода вала 24. Во второй секции размещен трехфазный генератор электрического тока, содержащий корпус 25, закрытый крышкой 26, внутрь которого вставлен ротор 27, установленный на подшипниках 28. Ha ротор напрессованы два стальных наконечника 29, имеющих по шесть зубьев. Наконечник одной половины ротора имеет северный магнитный полюс N, а наконечник другой половины - южный S. Между наконечниками установлена стальная втулка 30, а на ней обмотка возбуждения 31, концы которой электрически соединены с контактными кольцами 32. Оба кольца изолированы от вала. Две графитовые щетки 33 установлены в щеткодержателе 34 и прижаты к кольцам пружинами 35. Внутри корпуса установлен статор 36, набранный из пластин и имеющий обмотки 37, состоящие из катушек, распределенных по трем фазам. Выход обмоток статора соединен с входом трехфазного повышающего трансформатора 38, выход которого соединен с потребителями электрического тока 39. На валах гидротурбины и генератора электрического тока закреплены диски 40, соединенные между собой стержнем 41, вставленным внутрь шара 42, установленного в шаровой опоре перегородки 43. На оба конца стержня надеты манжеты 44, закрепленные на шаровой опоре. Шаровой уплотнительный передаточный механизм обеспечивает герметичность и передачу вращения от гидропривода к генератору электрического тока. Энергетический блок и корпус водовода посредством стоек 45 прикреплены к нижней части понтона. Внутри корпуса водовода большего сечения установлена напорная труба 46, выполненная в форме трубки Пито, свободный загнутый конец которой повернут в сторону движущегося водного потока, которая через запорный кран 47 соединена с впускным патрубком турбины гидропривода, выпускной патрубок которой посредством трубопровода 48 соединен с внутренней полостью корпуса водовода меньшего сечения. Площадь большего сечения корпуса водовода относится к площади меньшего сечения корпуса водовода как 10:1. Тепловой щит управления, повышающий трехфазный трансформатор, аккумуляторные батареи 49 питания обмоток возбуждения ротора трехфазного генератора электрического тока расположены внутри помещения 50, установленного на верхней части понтона.
Работает передвижная проточная гидроэлектростанция следующим образом.
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
После выбора места установки, где имеется быстрое течение и большое движение масс воды при достаточной глубине гидроэлектростанция посредством буксира доставляется к месту установки, опускаются якоря 2 и водолазы закрепляют их на дне реки. После проверки всех систем открывается запорный кран 47. Большая масса воды входит внутрь корпуса водовода большего сечения 5 со скоростью V и далее через корпус водовода меньшего сечения 6 уже с большей скоростью выходит из него. При этом вода под динамическим и статическим давлением поднимается по напорной трубе 46 вверх на высоту
, где V - скорость движения водного потока, а g - ускорение силы тяжести (Роман Куркевич. Пять стихий Аристотеля. Наша ксенгарня. Варшава, 1977, с.52). Далее вода поступает во впускной патрубок 16 турбины гидропривода 13, в сферическую камеру 15, а из нее в ковши турбины, образованные втулкой 21, лопастями 22 и боковыми дисками 23. Сферическая камера 15 позволяет водному потоку воздействовать одновременно на несколько лопастей 22, что увеличивает мощность на валу турбины (на фигуре 8 показано стрелками). Пройдя через турбину, вода попадает в выпускную камеру 17, из которой по трубопроводу 48 удаляется внутрь корпуса водовода меньшего сечения 6, при этом в выпускной камере создается разрежение, как в пульверизаторе или эжекторном насосе, что также повышает мощность турбины. При этом скорость движения воды в корпусе водовода меньшего сечения 6 в 10 раз больше, чем в корпусе водовода большего сечения. При вращении вала 24 турбины гидропривода вместе с ним вращается и диск 40, установленный на нем, который через стержень 41 и шар 42 вращает диск 40, установленный на роторе 27 трехфазного генератора электрического тока. Северные и южные полюсы электромагнитов, ротора 27 последовательно пересекают витки катушек статора и своими полями создают в них переменное трехфазное напряжение, которое поступает на трехфазный повышающий трансформатор 38 и далее следует потребителям 39. Часть электроэнергии поступает на зарядку аккумуляторных батарей 49. В процессе работы количество воды, подаваемое напорной трубой 46 можно регулировать запорным краном 47, уменьшая или увеличивая его проходное сечение и тем самым изменяя частоту вращения вала 24 турбины или его останавливая.
Технический результат изобретения заключается в более высоком КПД, улучшении герметичности и вследствие этого повышении срока службы, увеличении количества вырабатываемого электрического тока, при этом не нарушается экология реки.