ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
HYDRO-ELECTRIC POWER PLANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ. Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, гидро- и ветроэнергетики и может быть применено в низконапорных и свободнопоточных гидроэлектростанциях (ГЭС) на речных и хозяйственных водотоках, на ветроэлектростанциях (ВЭС) с концентраторами ветровой энергии, для привода машин без выработки электроэнергии: водяных насосов для питьевого, хозяйственного и противопожарного водоснабжения, тепловых насосов для выработки тепла, или холода для хранения мясомолочной, овощеводческой продукции и рыбы, акустических сирен для навигационных знаков водного транспорта.
АКТУАЛЬНОСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ. Проблемы автономного энергоснабжения и энергоэффективности экономики возможно решать использованием местного гидропотенциала путем применения малых гидроэнергетических установок на местных водотоках. Площадь децентрализованного энергоснабжения за счет завозимого топлива или вырубаемого леса в нашей стране превышает 70% ее территории. В местах изолированных поселений имеются естественные и искусственные водные потоки, так, в Алтайском крае стекает в Обь более 20 тыс. неиспользуемых в энергетике водотоков суммарной протяженностью около 60 тыс. км и общим объемом около 43 куб. км воды за год. На местных водотоках можно установить гидроэнергетическую установку микроГЭС мощностью до 100 кВт практически повсеместно или малую ГЭС мощностью до 30 МВт. Во многих развитых странах (Австрия, Канада, США, Швеция, Япония) освоен гидропотенциал крупных рек и тысячами строятся малые ГЭС. В КНР ежегодно вводятся малые ГЭС суммарной мощностью до 300 МВт с увеличением до 600 МВт в перспективе [1. Малая гидроэнергетика / Л.П.Михайлов, Б.Н.Фельдман, Т.К.Марканова и др.; Под ред. Л.П.Михайлова. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 184 с., с.153], [2. Сибикин Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. М.: КНОРУС, 2012. - 240 с., с.22, 211]. В нашей стране вклад малой энергетики не превышает 1%. Достоинства микрогидроэнергетических установок: использование местных возобновляемых ресурсов, близость к потребителям и обеспечение энергоснабжения поселений, предприятий малого и среднего бизнеса, исключение затрат на закуп и завоз топлива, на строительство питающей линии и ее подключение к сети централизованного электроснабжения, на оплату за потребленную энергию по тарифам энергетических сетей; исключение экологического ущерба от сжигания замещаемого топлива и от водохранилищ крупных ГЭС; независимость от погодных условий, равномерность выработки энергии, значительная плотность энергии гидропотока по сравнению с естественными потоками ветровой и солнечной энергии на поверхности Земли, обеспечение быстрого возврата вложенных средств в течение до 3-5 лет. При планировании применения микрогидроэнергетических установок учитывают: условия эксплуатации, факторы местной внешней среды, неравномерность водотока и его значительное снижение в зимний и летний меженный периоды, возможности присоединения к выходному валу турбины серийных рабочих машин и установок, удовлетворяющих потребности в нескольких видах энергии и энергоносителей (электроэнергия, вода, тепло, холод, механическая энергия, акустические навигационные сигналы); обеспечение требований к оборудованию, перепады температур, повышенную влажность и коррозионно-активную среду; максимальное удовлетворение требований потребителя - технических, эксплуатационных, безопасности и экологичности; приемлемую стоимость, материалоемкость, трудоемкость монтажа-демонтажа, обслуживания, ремонта, ликвидации аварийных режимов; ресурс работы (10-30 лет) и наработку на отказ (1 год), возможность несанкционированного воздействия, льдообразования и др. Требуется разработка надежного, эффективного технологического оборудования и средств автоматизации, особенно новых типов гидроагрегатов в диапазоне напоров до 10 м [1, с.8] и для свободнопоточных ГЭС.
Известны гидроэнергетические установки с преобразованием энергии движущегося потока газа или жидкости - текучей среды, в механическую энергию вращения рабочего колеса газовой или гидравлической турбины различных классов, систем, типов и серий [3. Волков Э.П. и др. Энергетические установки электростанций: Учебник для вузов / Э.П.Волков, В.А.Ведяев, В.И.Обрезков; Под ред. Э.П.Волкова. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 280 с., с.226-257], [4. Ветроэнергетические станции // Сборник научных трудов Гидропроекта. Под редакцией Н.А.Малышева, В.М.Лятхера. Выпуск 129. - М., 1988. - 224 с.]. Гидравлические радиально-осевые турбины предназначены для напоров выше 30 м, поворотно-лопастные - от 4 до 40 м, изготавливаются на турбостроительных заводах, комплектуются специальными тихоходными генераторами, имеют высокую стоимость.
Известны доказанные теоретическими и экспериментальными исследованиями преимущества ортогональной поперечно-струйной турбины с прямолинейными лопастями крыловидного профиля, работающей внутри напорной камеры, по сравнению с осевой турбиной: снижение массы и стоимости агрегата до 50% при одинаковой мощности; возможность массового серийного изготовления лопастей турбины по непрерывной технологии и сборки турбин на местных машиностроительных заводах; высокая быстроходность и кпд до 60-70% при оптимальных профилированных геометрических очертаниях турбинной камеры и параметрах лопастной системы турбины; доказанная НИИЭС «РусГидро» экономическая целесообразность ее применения на микроГЭС и малых ГЭС с напорами от 1 до 6 м, на приливных ПЭС с максимальными приливами до 13 м при возможности реверсирования направления гидропотока [5. Историк Б.Л., Шполянский Ю.Б. Перспективы использования ортогональной турбины на низконапорных гидроузлах // Гидротехническое строительство. 1993. №11. - С.28-34], [6. Иванов И.И., Иванова Г.А., Перфилов О.Л. Модельные исследования роторных рабочих колес ветроэнергетических станций // Сборник научных трудов Гидропроекта. Выпуск 129. - М., 1988. - С.106-112], [7. Красильщиков П.П. Влияние числа Рейнольдса и турбулентности потока на максимальную подъемную силу крыла // Труды ЦАГИ. Выпуск 268. - М., 1936. - С.1-45], [8. Y.Takamatsu, A.Furukawa, K.Okuma, and Y.Shimogama. Study on Hydrodynamic Performance of Darrieus-type Cross-flow Water Turbine // Bulletin of JSME. Vol.28. No.240. June 1985. - P.1119-1127], а также в свободнопоточных гидроэнергетических установках, доказанная в НГАВТ с участием авторов [патенты: 9. RU 2147285, В63В 22/16, опубликовано 10.04.2000; 10. RU 26252, F03D 3/02, опубл. 20.11.2002; 11. RU 2614, 6 F03B 3/00, опубл. 1996.08.16; 12. RU 2419, F03D 3/02, опубл. 16.07.1996]; [13. Лятхер В.М., Милитеев А.Н., Милитеев Д.Н. Аэродинамические нагрузки на элементы ветроагрегатов с вертикальной осью вращения // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1986. №4. - С.138-146]. Основным недостатком известных технических решений с ортогональными турбинами является неполное достижение совместного обеспечения саморазгона, высокой быстроходности турбины, эффективности использования энергии текучей среды (кпд) при низкой стоимости энергоустановки.
Известна гидроэнергетическая установка с двухъярусной ортогональной турбиной, которая содержит два ротора, установленных на одном вертикальном валу со смещением на угол 90° относительно друг друга, при этом каждый ротор оснащен двумя вертикальными прямолинейными лопастями симметричного крыловидного профиля [6. Иванов И.И., Иванова Г.А., Перфилов О.Л. Модельные исследования роторных рабочих колес ветроэнергетических станций // Сборник научных трудов Гидропроекта. Выпуск 129. - М., 1988. - С.106-112]. Такое выполнение обеспечивает тенденцию к саморазгону без предварительной закрутки турбины. Недостатками данного технического решения является неполное использование энергии потока, доказанная экспериментально высокая эффективность однокрыльчатой турбины не подтверждена схемными и конструктивными решениями с достижением саморазгона, не установлен профиль турбинной камеры, обеспечивающий высокий кпд.
Наиболее близким аналогом, прототипом является гидроэнергетическая установка - техническое решение [14. Патент RU 2391554, F03B 3/00, F03D 3/00, опубл. 10.06.2010 г.], содержащая низконапорную ортогональную турбину, ротор турбины с лопастями крыловидного профиля, установленный поперек проточной камеры, в камере выполнен, по меньшей мере, один поперечный выступ, примыкающий с зазором к ометаемой лопастями поверхности, боковая грань выступа, обращенная к подводящему отверстию проточной камеры, выполнена вогнутой и с образованием острого угла, проточная камера в перпендикулярном оси ротора сечении выполнена с соблюдением центральной симметрии относительно оси ротора, в проточной камере перед поперечным выступом установлен, по меньшей мере, один струенаправляющий элемент, на роторе смонтирован самоустанавливающийся в потоке среды обтекатель, лопасти выполнены прямолинейными с постоянным по длине лопасти крыловидным профилем и закреплены на роторе параллельно его оси, лопасти закреплены на роторе с помощью дисков или кронштейнов обтекаемой формы, торцы лопастей фиксированы дисками или кольцами, на фиг.1-6 прототипа приведены роторы одноярусных турбин с тремя и более лопастями. В прототипе осуществлен способ выполнения низконапорной турбины, увеличивающий ее кпд за счет снижения мощности холостых струй в проточной камере ортогональной турбины и предпосылки к саморазгону. Недостаток прототипа состоит в следующем: выполнение турбины одноярусной с тремя и более прямолинейными лопастями крыловидного профиля увеличивает степень затенения, снижает энергетические характеристики - быстроходность и кпд турбины по сравнению с двух- или однолопастной турбиной, что вызывает необходимость применения более тихоходного электрогенератора или иной рабочей машины и увеличивает капитальные затраты на энергоустановку [1], выполнение вогнутого выступа с острой гранью вызывает поперечные струи, завихрения набегающего потока и снижение кпд [15. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. - М.Л.: 1949. - 624 с., с.110, 462-464, 92].
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ. Техническая задача изобретения - снижение капитальных и эксплуатационных затрат на выработку энергии, увеличение быстроходности турбины за счет снижения степени затенения лопастей в роторе и завихрений в камере ортогональной турбины, обеспечение предпосылок к саморазгону, повышение кпд, возможность привода рабочих машин без выработки электроэнергии.
Задача решена в предлагаемой гидроэнергетической установке, содержащей ортогональную турбину с прямолинейными лопастями крыловидного профиля, турбинную камеру с профилированными стенками и рабочую машину, при этом турбину выполняют трехъярусной, в которой лопасти в каждом последующем ярусе сдвигают в одном направлении по углу на 120° относительно лопастей предыдущего яруса, по условиям максимального кпд и быстроходности турбины уменьшают число лопастей в ярусе, по меньшей мере, до одной лопасти, боковые стенки проточной части турбинной камеры выполняют с поперечными профилированными выступами, со смещением выступов по оси потока на величину от 0,1 до 0,2 габаритного диаметра ротора турбины, на входе потока выполняют отбойную сороудерживающую решетку и к выходному валу турбины присоединяют через сцепную муфту, через мультипликатор с валами отбора мощности, рабочие машины типов электрогенераторной, водонасосной, теплонасосной установки, акустической сирены, мощность турбины и приводимых рабочих машин регулируют грубо положением предтурбинного и послетурбинного затвора и тонко параметры качества электроэнергии регулируют при помощи инвертора с применением фазовой автоподстройки частоты по колебаниям образцового кварцевого генератора с делителем частоты при автономной работе и напряжения сети при параллельной работе, электрогенераторную установку выполняют по схеме генератор переменного тока - выпрямитель - накопитель электрической энергии - инвертор, в гидроэнергетическую установку вводят устройства управления пуском-остановом турбины и рабочих машин, защиты от аномальных режимов, измерений параметров и учета электроэнергии, автоматики параллельной работы с сетью.
На фиг.1 представлена гидроэнергетическая установка, вид сверху, разрез перпендикулярно оси вращения верхнего яруса ротора турбины; на фиг.2 показан разрез по оси потока в вертикальной плоскости симметрии фиг.1.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ. Гидроэнергетическая установка содержит турбину с ротором 1 с прямолинейными лопастями 2 крыловидного профиля, проточную часть 3 камеры, входное 4 и выходное 5 отверстия, боковые стенки 6 и 7 проточной части турбинной камеры. Турбину 1 выполняют трехъярусной. Лопасти 2 в каждом последующем ярусе сдвигают в одном направлении по углу на 120° относительно лопастей предыдущего яруса. Количество лопастей в каждом ярусе принимают минимальным, по крайней мере, одну лопасть. Такое выполнение лопастной системы обеспечивает увеличение быстроходности и кпд турбины за счет снижения затенения лопастей в роторе с одновременным обеспечением предпосылок к саморазгону. На боковых стенках камеры 3 выполнено по одному профилированному поперечному выступу 8 и 9, которые своими концевыми гранями примыкают с зазором δ к поверхности, ометаемой лопастями 2 при вращении ротора 1 габаритного диаметра D. При уменьшении зазора δ снижаются потоки холостых струй и потери мощности турбины. При малых конструктивно допустимых зазорах в ортогональной турбине при прохождении лопастями боковых стенок происходит смена направления циркуляции потока вокруг лопасти, возникают локальные области повышенного давления, приводящие к гидроударам, возникает гидродинамический шум, резко увеличиваются нагрузки на лопасти, снижается кпд турбины. С целью предотвращения гидроударов, исключения разрушительных нагрузок на лопасти принимают δ≤(0,02-0,04)D, что в 10-20 раз больше, чем у осевых турбин. Боковые стенки 6 и 7 вместе с профилированными выступами 8 и 9, крышкой и дном образуют местное сужение потока в турбинной камере. Профилированные выступы 8 и 9 смещены по оси потока симметрично относительно поперечной оси турбины на величину m=(0,1-0,2)D, отклоняют пристеночный поток от прямого попадания в зазор δ, уменьшают площадь поперечного сечения потока в турбине, обеспечивают увеличение потока рабочих струй на участках максимальной подъемной силы для принятого профиля лопастей, что снижает мощность холостых струй, увеличивает мощность рабочих струй, способствует более полному использованию кинетической энергии потока за счет уменьшения пристеночного вихреобразования и создает предпосылки к саморазгону, повышает скорость вращения и кпд турбины.
К выходному валу турбины 1 присоединяют через муфту сцепную 10, например автоматическую центробежную, возможно, электромагнитную, обеспечивающую саморазгон турбины без нагрузки на валу и соединение по валу при достижении установленной скорости вращения, через мультипликатор 11, повышающий скорость вращения до номинальной для применения серийных рабочих машин, с валами отбора мощности, рабочие машины типа электрогенераторной 12, водонасосной 13, теплонасосной установки 14, акустической сирены 15 в их сочетании или, возможно, раздельно.
Ось турбины выполняют вертикально, с общим валом и подшипниками на концах вала, фиг.1; возможно, горизонтально, с консольным креплением с подшипником на выходном конце вала, без общего вала с опорой на подшипники на границе яруса, не показано. На входе потока в турбину выполняют отбойную сороудерживающую решетку, не показана. Выполняют пусковое устройство для турбины с ручным или электродвигательным приводом, при необходимости обеспечения гарантированного принудительного разгона и для ремонтных работ, не показано. Гидроэнергетическую установку выполняют для автономной, возможно, параллельной работы с сетью централизованного электроснабжения; на сливных трубах, возможно, наплавной, погружной, стационарной модульной или мобильной, с плавсредствами, якорями, средствами обеспечения защиты рабочих машин от проникновения воды, не показаны. Электрогенераторную установку выполняют по схеме генератор переменного тока - выпрямитель - накопитель электрической энергии - инвертор, при этом накопитель электрической энергии выполняют в виде аккумуляторной батареи, возможно, батареи суперконденсаторов, в гидроэнергетическую установку вводят устройства управления пуско-остановочными режимами турбины и рабочих машин, защиты от аномальных режимов, измерений параметров и учета электроэнергии, автоматики параллельной работы с сетью, не показаны. Мощность турбины и приводимых рабочих машин регулируют грубо положением предтурбинного 16 и послетурбинного 17 затворов и тонко параметры качества электроэнергии регулируют при помощи инвертора с применением фазовой автоподстройки частоты по колебанию образцового кварцевого генератора с делителем частоты при автономной работе и напряжения сети при параллельной работе с сетью, не показано.
РАБОТА ПРЕДЛАГАЕМОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ. При наличии установленного минимального напора, водотока открываются затворы 16, 17 и водный поток, ускоряясь за счет выступов 8, 9 в месте сужающейся проточной части турбинной камеры 3, течет поперек оси ротора 1, обтекая лопасти 2 крыловидного профиля. При воздействии потока на лопасти возникает подъемная сила и сила сопротивления. Сумма проекций этих сил на направление линейной скорости лопасти создает тянущую силу. Для многолопастной турбины на одних лопастях, расположенных на большей части участков трассы их кругового движения, возникает тянущая сила, на других тормозящая. Суммарный момент тянущих сил всех лопастей 2, направленный в сторону тупого носка профиля лопасти, вызывает вращающий момент на валу турбины. При снятии рабочего тормоза с ротора 1, при условии превышения рабочего вращающего момента над моментом сопротивления, ротор начинает вращение и саморазгон без нагрузки по валу. По мере разгона увеличивается вращающий момент и ускорение ротора 1. При достижении установленной частоты вращения ротора 1 включается по валу полезная нагрузка путем включения сцепной муфты, и через мультипликатор с валами отбора мощности пускают в работу рабочие машины типа электрогенераторной, водонасосной, теплонасосной установки, акустической сирены. Ротор переходит в рабочий режим вращения. После запуска рабочие машины производят полезную работу: электрогенераторная установка вырабатывает электроэнергию, водонасосная установка перекачивает воду, теплонасосная установка с приводом компрессора от гидротурбины производит нагрев или охлаждение воды, воздуха или продуктов в камере, акустическая сирена вырабатывает звуковые навигационные сигналы.
Применение трехъярусной турбины с относительным смещением лопастей под углом 120° и с минимальным количеством лопастей в ярусе совместно с выполнением профилированного сужения проточной части в турбинной камере позволяет увеличить быстроходность и кпд турбины за счет уменьшения затенения лопастей в потоке, площади поперечного сечения потока, увеличения потока и мощности рабочих струй на участках максимальной подъемной силы лопастей, снижения мощности холостых струй, при обеспечении предпосылок к саморазгону турбины.
Применение присоединения серийных рабочих машин к гидротурбине по валу через муфту и через мультипликатор позволяет обеспечить их надежный пуск и использование для подачи воды, выработки тепла или холода без потребления электроэнергии, а также производство удовлетворяющей требованиям качества электроэнергии в автономных условиях, при параллельной работе гидроэнергетической установки с сетью без сжигания топлива, снижение капитальных затрат за счет применения серийных установок и снижение эксплуатационных затрат за счет использования с высоким кпд местного водного потока как возобновляемого источника энергии.
Предлагаемое изобретение при его практической реализации позволяет расширить спектр устройств эффективного использования имеющегося повсеместно свободнопоточного и низконапорного гидропотенциала и может внести свой вклад в отечественную программу развития малой энергетики с использованием возобновляемых энергоресурсов как дополнение к большой энергетике и повышения энергоэффективности экономики.