ПРОТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР И ПОДВОДНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА СТАЦИОНАРНОЙ ПЛАТФОРМЕ
FLOW-THROUGH POWER GENERATOR AND SUBMERGED POWER PLANT ON STATIONARY PLATFORM

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно, к конструкциям установок для преобразования энергии течения воды в электрическую энергию.
Рост потребности в электроэнергии для удовлетворения бытовых нужд и технологических потребностей общеизвестен. С конца XX века предпочтительны безопасные и экологически чистые способы ее получения. Этим объясняются все новые попытки предложить приемлемые способы получения электроэнергии для различных сфер ее применения.
Известна автономная свободнопоточная микрогидроэлектростанция, содержащая наземный блок, включающий электрораспределительное устройство, систему управления и управляемую балластную нагрузку, неподвижно закрепленный водопогруженный модуль, включающий электрогенератор, расположенный ниже уровня воды в герметичном корпусе и соединенный с наземным блоком водостойким электрокабелем, размещенную в диффузоре гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенной через расположенную в гондоле и выполненную в виде мультипликатора зубчатую передачу с валом электрогенератора, коническую решетку, расположенную на входе диффузора перед гидротурбиной, при этом электрогенератор расположен по ходу течения за мультипликатором в общей с ним гондоле, которая снабжена устройством для откачки воды из ее нижней части, коническая решетка выполнена из плоских элементов, по крайней мере, часть из которых выполнена с возможностью их поворота относительно продольных осей и снабжена для этого приводом (патент РФ №2324068, МПК F03B 17/06, публикация 2008 г.).
Предложенное решение конструктивно сложное, предназначено для удаленных небольших фермерских хозяйств, которым не выгодно подключаться к общей сети.
Известен генератор, работающий на морском течении, содержащий цилиндрический кожух с входным и выходным патрубками, установленные параллельно друг другу два электрогенератора с цилиндрическим корпусом и внешним ротором, установленным снаружи корпуса, и гидродинамический привод, выполненный в виде лопаток, радиально установленных на внешней поверхности внешних роторов обоих электрогенераторов, при этом электрогенераторы выполнены биротативными и снабжены внутренним ротором, расположенным внутри корпуса, при этом внутренний и внешний роторы соединены между собой посредством редуктора, полость которого заполнена смазывающей жидкостью, обеспечивающего противоположное вращение роторов, а лопатки выполнены плоскими (патент РФ №2368799, МПК F03B 13/12, F03B 7/00, публикация 2009 г.).
Известен также гидрогенератор, работающий на морском течении, содержащий гидродинамический привод и электрогенератор, выполненный биротативным и включающий корпус, внешний и внутренний роторы, последний из которых расположен внутри корпуса, а гидродинамический привод выполнен в виде радиально установленных на внешней поверхности внешнего ротора лопаток и размещен в кожухе, имеющем входной и выходной патрубки, при этом корпус и кожух выполнены цилиндрическими, внешний ротор расположен снаружи корпуса, а роторы соединены между собой посредством редуктора, включающего ведомую шестерню, соединенную с внешним ротором, промежуточные шестерни и ведущую шестерню, соединенную с внутренним ротором, и обеспечивающего противоположное вращение роторов (патент РФ №2382231, МПК F03B 3/04, F03B 13/10, F03B 17/06, публикация 2010 г.).
Известные конструкции гидрогенераторов работоспособны, позволяют получать повышенную частоту, что облегчает транспортировку электроэнергии. Однако применение редуктора привело к усложнению конструкции, и, как следствие, к усложнению обслуживания и снижению ее надежности. Попытка увеличения единичной мощности машины влечет существенный рост линейных размеров, что требует дополнительных затрат на удержание ее на одном месте при расположении перпендикулярно течению, а наличие большого количества воздушных пустот внутри кожуха может создать проблемы с охлаждением роторов и обмотки возбуждения. Все это позволяет говорить о малой пригодности известных конструкций для получения электроэнергии в промышленных масштабах.
Известна также машина для выработки электроэнергии за счет движения воды, содержащая множество электрогенерирующих блоков, электрически связанных между собой и скомпонованных в модульной конструкции, причем электрогенерирующие блоки выполнены взаимозаменяемыми с возможностью замены без прерывания процесса выработки машинной электроэнергии и приема ими кинетической энергии от движущейся воды и ее преобразования за счет движения турбины, имеющейся в каждом электрогенерирующем блоке (патент РФ №2368798, МПК F03B 13/10, публикация 2008 г.).
Известна также система для выработки электроэнергии за счет движения воды, содержащая множество турбин, рабочие колеса которых содержат размещенные в них магнитный полимер или магниты из редкоземельных металлов, окружены электропроводящими обмотками, размещенными в корпусе вокруг рабочих колес, и приводятся во вращение движением воды, вырабатывая электроэнергию, причем турбины скомпонованы в модульной конструкции и электрически связаны между собой (там же).
Предложенная конструкция машины работоспособна, использует в энергетике высокопроизводительные технологические процессы отливки деталей из термопластов, а применение магнитополимеров или редкоземельных металлов снижает вес машины, ее подверженность коррозии и общую стоимость. Однако применение системы таких машин для получения электроэнергии в больших масштабах в акваториях мощных течений океанов нецелесообразно из-за малой единичной мощности одного блока.
Известна гидроэлектростанция, содержащая открытое распределительное устройство, генераторы синхронные горизонтальные капсульные гидротурбинные, помещенные в интенсивный поток воды, при этом в гидроэлектростанцию введены платформа-основание, вертикальные стойки-направляющие, спускоподъемный механизм и технологическая платформа, а указанные синхронные генераторы объединены, по крайней мере, в две вертикальные площадные сотово-капсульные системы и подвешены попарно и подвижно над и/или под водной поверхностью с помощью спускоподъемного механизма к стойкам-направляющим, нижние концы этих стоек-направляющих укреплены на платформе-основании, установленной на дне интенсивного водного потока, площадные сотово-капсульные системы синхронных генераторов установлены подвижно в направляющих, связанных с дном анкерно-тросовыми креплениями, а над водной поверхностью на направляющих установлено открытое распределительное устройство (патент РФ №2342486, МПК Е02В 9/00, F03B 13/10, публикация 2008 г.)
К недостаткам известной конструкции можно отнести расположение генераторов перпендикулярно потоку, так как известно, что скорость потока переменна по глубине и чем ближе к поверхности, тем она больше. Применение капсульных генераторов сложной конструкции затрудняет их монтаж, эксплуатацию и ремонт, требует водяного охлаждения обмоток статора и ротора, перегревающихся во время работы из-за наличия большого количества воздушных пустот.
Задача изобретения заключается в создании простого и надежного в работе электрогенератора горизонтального типа, предназначенного для работы в условиях подводной электростанции.
Еще одной задачей изобретения является создание простой в обслуживании подводной электростанции на стационарной платформе, оснащенной предложенными электрогенераторами горизонтального типа, и обеспечение условий надежной работы такой электростанции за счет повышения устойчивости стационарной платформы.
Поставленная задача в части проточного электрогенератора решается тем, что проточный электрогенератор горизонтального типа включает статор и ротор, размещенный на одной оси с турбиной, приводимой в движение силами водного потока. Ротор выполнен полым, при этом внутренняя полость ротора образована в форме сопла Лаваля, а внутри полости закреплены лопатки турбины, направленные к оси вращения и расположенные на внутренней поверхности ротора по винтовым линиям.
С целью снижения рабочих температур обмотки статора и ротора изолированы, например, фторопластом, уплотненным трубкой из термоусадочного материала, токопроводы залиты стеклокерамикой, а оставшиеся пустоты заполнены материалом, являющимся магнитопроводом по своим физическим свойствам, например, магнитополимером, так, что статор и ротор представляют собой монолиты, а зазор между ротором и статором увеличен без уменьшения сцепления их магнитных полей.
С целью устранения осевого смещения ротора относительно статора между ними размещен упорный подшипник.
С целью увеличения генерируемой мощности его можно наращивать секциями, соединяемыми с помощью фланцев, выполняющих технологическую функцию при монтаже электрогенератора под водой.
С целью сохранения окружающей среды он снабжен защитной сеткой под напряжением для предотвращения попадания живых организмов в проточную часть генератора.
Поставленная задача в части подводной электростанции решается тем, что подводная электростанция на стационарной платформе включает группу предложенных проточных электрогенераторов, установленных навстречу водному потоку на стационарных опорах, при этом опоры для установки электрогенераторов имеют оснащенные приемными конусами ложементы и расположены на расстоянии, кратном длине секции электрогенератора, а сами электрогенераторы установлены на разной глубине от водной поверхности.
С целью повышения устойчивости платформы каждая ее опора состоит из трубы, своей винтовой частью ввинчиваемой в дно, и донной опоры-якоря, выполненной в виде жесткой емкости с откаченным из нее воздухом, соединенных друг с другом с помощью увеличивающих сцепление опоры с грунтом центрирующих конусов на сопрягаемых элементах, а донная опора-якорь соединена натянутыми металлическими вантами с технологической платформой.
Подводная электростанция также включает технологическую платформу с причалом и размещенными на ней технологическим и коммутационным оборудованием, соединенным кабелями с генераторами и с оборудованием на берегу для передачи сгенерированных мощностей и получения энергии стандартных параметров для технологических и бытовых нужд, а также жилым помещением для персонала и вертолетной площадкой.
Предложенное техническое решение представлено на чертежах, где на фиг.1 изображен подводная электростанция, вид сверху; на фиг.2 - сечение АА на фиг.1; на фиг.3 показана схема установки придонных и винтовых опор; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - сечение В-В на фиг.4; на фиг.6 - узел I на фиг.5.
Предложенный электрогенератор состоит из трех секций (см. фиг.4) - приемной 1, срединной 2 и выпускной 3. Срединных секций может быть несколько. Каждая из секций содержит статор 4 с обмоткой и ротор 5 со своей обмоткой. Соединяются секции посредством болтовых соединений упорных фланцев 6 с использованием торцевого уплотнения.
Ротор 5 конструктивно объединен с турбиной, для чего выполнен полым. В полости ротора установлены турбинные лопатки 7, преобразующие прямолинейное движение потока воды во вращательное движение ротора. Для увеличения воздействия потока на возможно большее число лопаток, они расположены по нескольким винтовым линиям, а основания 8, которыми лопатки крепятся к корпусу турбины-ротора, имеют переменную высоту и образуют профиль внутреннего проточного канала типа сопла Лаваля с конфузором в приемной секции 1 и диффузором в секции 3.
Свободное вращение ротора 5 в неподвижном статоре 4 обеспечивается с помощью двухрядных радиальных подшипников качения 9, размещенных в крайних секциях 1 и 3. Для разгрузки подшипников 9 и предотвращения осевого смещения ротора относительно статора под напором потока воды в секции 1 размещен упорный подшипник 10. Для загрузки шаров подшипников в статорах секций 1, 3 предусмотрены технологические окна (не показаны), которые завариваются после «набивки» подшипников.
Наличие воздушных объемов в статоре и роторе приводит к повышению температуры их обмоток, для снижения которой в машинах, работающих в атмосферных условиях, применяется воздушное или водяное охлаждение. С целью исключения подобных воздушных объемов обмотки статора предложенного электрогенератора выполняются катушечного типа 11 (фиг.5) или волновыми стержневыми с термореактивной или стеклокерамической изоляцией, а витки обмоток 12 ротора - из плоской шинной меди, наматываемой на ребро, изолированной, например, фторопластом и, дополнительно, уплотняющей термоусадочной трубкой. Оставшиеся пустоты заливаются материалом, являющимся магнитопроводом по своим физическим свойствам, например, магнитополимером 13 (фиг.5), при этом гарантируется сплошность магнитопроводов статора и ротора. В этом случае статор и ротор представляют собой монолиты, способные функционировать в условиях динамичного водного потока.
Токосъемники 14 (фиг.4) размещены на статорах секций 1-3 и изолированы, например, стеклокерамикой. В секции 2 от токосъемника 14 отходит герметичный бронированный кабель 15, также герметизированный стеклокерамикой.
Для предотвращения нанесения ущерба окружающей среде и попадания посторонних предметов в проточный канал с лопатками турбины, на торце секции 1 установлена защитная сетка 16 (фиг.4), изолированная от статора изолятором 17. На сетку может быть подано небольшое напряжение для отпугивания обитателей акватории, в которой установлен электрогенератор. Рым-болты 18 (фиг.4) предназначены для перемещения электрогенератора. Для этих же целей допускается использование металлических полотенец 19.
Для создания вращательного момента относительно небольшой силой течения при малой его скорости длина турбинной лопатки (плечо приложения силы) должна быть значительной, что приводит к увеличению общих габаритов электрической машины. Материалы, из которых изготавливаются корпуса статора 4, ротора 5 и лопаток 7, выбираются нержавеющими, а ротора и лопаток и максимально легкими, например, как титановые сплавы. Вынужденное небольшое увеличение зазора «δ» между статором и ротором (фиг.6) компенсируется магнитной проводимостью соленой воды, большей, нежели у воздушного зазора.
Электрогенератор размещают в водном потоке неподвижно. Для этого электрогенератор укладывают, по меньшей мере, на две стационарные опоры 20 (фиг.4, 5), установленные на расстоянии кратном длине срединной секции и снабженные специальными ложементами 21, представляющими собой жесткие фермовые конструкции. Фланцы 6 не позволяют электрогенератору смещаться в направлении своей оси. Ложементы каждой пары опор изготавливаются на уровне заглубления электрогенератора, например, на 3-х разных уровнях, как показано на фиг.2.
Верхняя часть каждой опоры 20, закрепленной у дна, выполнена в виде направляющих, расширяющихся кверху и жестко закрепленных в технологической платформе 22 (фиг.2).
Технологическая платформа для электростанции, например, на 18 электрогенераторов, изображена в плане на фиг.1. Она представляет собой стационарную рамную конструкцию из ферм с предусмотренными окнами для спуска/подъема электрогенераторов с помощью, например, кран-балки 23 (фиг.2, 3). При спуске электрогенератора с кабелем 15 съема электроэнергии (фиг.4) направляющие опор сцентрируют его положение на ложементах. Кроме подъемного оборудования (кран-балки 23) технологическая платформа снабжена причалом 24 (фиг.1), а на ней размещены шкаф коммутационного оборудования 25 для приема электроэнергии от электрогенераторов и передачи ее по кабелям, проложенным в трубе по дну (не показано), к оборудованию, установленному на берегу, а также жилое помещение 26 для персонала и вертолетная площадка 27. Для снижения боковых ветровых нагрузок на технологическую платформу по ее периметру укреплены аэродинамические козырьки 28.
При значительных линейных размерах технологической платформы очень важна ее устойчивость. В предлагаемом техническом решении устойчивость платформы обеспечивается двумя путями: усилением закрепления каждой опоры в дне акватории и Байтовыми растяжками между донными опорами-якорями и технологической платформой. Натяжные ванты-растяжки 29 (фиг.2, 3) жестко закреплены на раме технологической платформы с таким расчетом, чтобы при боковых давлениях на нее с любого направления достаточное количество вант работало на растяжение, противодействуя смещению платформы. Для лучшего закрепления каждой опоры в дне опора-труба имеет не только винтовую часть 30 (фиг.2), которой ввинчивается в грунт, но и коническую часть 31 (фиг.2, 3), с помощью которой прижимается ко дну донная опора-якорь32 (фиг.2, 3). Опора-якорь представляет собой жесткую замкнутую емкость, из которой откачан воздух. При погружении опора-якорь сама окажется под огромным внешним давлением и будет прижата ко дну. В зависимости от соотношения силы давления на опору-якорь и силы поджатия опоры-якоря 32 ко дну конусом 31 при ввинчивании опоры-трубы в дно коническое сопряжение опоры-якоря и опоры трубы может иметь противоположное направление конусности. Вариант, изображенный на фиг.2, относится к случаю, когда грунт плотный и силы поджатия при ввинчивании опоры-трубы больше сил давления на опору-якорь. На опоре-якоре жестко закреплены концы растяжек-вант 29. Натяжение вант и фиксация их в натянутом положении выполняется после установки опоры и монтажа платформы. Таким образом, формируется напряженная конструкция повышенной устойчивости системы платформа-опоры, как опор самой платформы, так и опор, несущих электрогенераторы.
Предложенное техническое решение позволяет использовать минимальное количество электрогенераторов, максимально просто устанавливать их в рабочее положение и удалять с целью ремонта или замены, не требует обслуживания в рабочем положении, своей работой не наносит ущерба окружающей среде, то есть обеспечивает так называемую «зеленую» технологию выработки электроэнергии.
Предложенное техническое решение может быть использовано при креплении на морском шельфе платформ для добычи газа и нефти.
Предлагаемое решение может быть осуществлено, например, в рамках международного российско-японского проекта в акватории Куросио, ширина которого составляет 170 км, глубина - 700 метров, а потребная скорость течения - от 4 миль в час. Проект может предусматривать сооружение подводной электростанции суммарной мощностью 4,5 ГВт. Для этого потребуется, например, всего 18 электрогенераторов, а выработанной энергии хватит для покрытия всех потребностей мегаполиса с населением 16 млн. человек. Ожидаемый срок окупаемости такого проекта - 5 лет со сроком эксплуатации не менее 100 лет при периодическом ремонте или замене отдельных электрогенераторов.