Гирляндная гидроэлектростанция
CHAIN-TYPE HYDROELECTRIC POWER PLANT

Гирляндная гидроэлектростанция относится к гидроэнергетике, служит, в частности, для преобразования энергии русловых потоков реки в электрическую энергию, и может быть использовано в трудно доступных районах для энергообеспечения лагерей геологов, охотников, рыбаков, автономных туристов.
Известна «Свободнопоточная гидросиловая установка» по АС SU153883 от 20 февраля 1959, опубликовано: 00.00.1963 МПК F03B 13/00 F03B 17/00, с поперечными турбинами, в частности вингроторами, с креплением ряда турбин в виде гирлянды на силовом тросе, выполняющем роль гибкого вала, передающего суммарный крутящий момент на вал рабочей машины (генератора), отличающаяся тем, что, с целью использования энергии водяного потока по всей его ширине и упрощения условий монтажа и переноса установки в полевых условиях, в ней турбинная гирлянда установлена поперек водяного потока на двух береговых опорах, на одной из которых помещена рабочая машина (генератор); в ней поперек водяного потока установлено несколько параллельных турбинных гирлянд, подключенных к общему приводному валу на береговой опоре посредством, например, конических зубчатых передач; в ней поперечные турбины попарно закреплены на тросе с относительным угловым сдвигом в каждой паре на 90°; в ней одна из турбин в каждой паре закреплена на тросе в одной точке у ее торца посредством затяжной скобы и связана в угловом отношении с соседней турбиной с помощью поводка.
Установка такой гидросиловой установки поперек течения воды, перекрывающей всю ширину потока связано с трудностями закрепления одного конца гирлянды на противоположном берегу, и осуществления любого судоходства. В данной конструкции, происходит прогибание средней части гирлянды вглубь толщи воды, где скорость потока ниже.
Известна «Роторная линия гирляндной ГЭС» по АС СССР 1778355 А1 от 03.05.88, опубликовано 30.11.92, МПК F03B 17/00, содержащая гидровингроторы с торцевыми стенками, попарно закрепленные при помощи узла крепления, на гибком валу, выполненном в виде троса, при этом с целью повышения КПД путем снижения потерь на прецессию, узел крепления выполнен карданного типа.
Закрепление роторной линии гирляндной ГЭС на гибком валу, выполненном в виде троса, приводит к провисанию центральных блоков гирлянды в более низкие и менее продуктивные слои воды, с торможением всей гирлянды и потерей заявленного КПД.
Наиболее близким техническим решением является «Линия гирляндной гидроэлектростанции с турбинами поплавкового типа» по патенту RU 155053, заявка: 2015100589/06 от 12.01.2015, опубликовано: 20.09.2015, МПК F03B 13/00, F03B 17/06, содержащая, соединенные узлом карданного типа, цилиндрические поплавки, с закреплёнными по образующим, рабочими лопастями, с возможностью расположения в верхних слоях потока, при этом один конец линии гирляндной гидроэлектростанции закреплен в подшипниковом узле, а второй конец связан через редуктор с ротором генератора.
Задачей предлагаемого технического решения является использование гидроэнергетического потенциала возобновляемого источника энергии - медленно текущей воды, для получения электроэнергии в труднодоступных районах.
Технический результат достигнут за счет гирляндной гидроэлектростанции, содержащей последовательно соединенные узлом карданного типа турбины, выполненные в виде цилиндрических поплавков с закреплёнными рабочими лопастями, один конец линии гирляндной гидроэлектростанции связан с ротором генератора, при этом гидроэлектростанция выполнена наплавной, свободно-поточной и расположена по потоку вдоль берега, поплавки выполнены в виде полых цилиндрических валов с рабочими лопастями и снабжены соосно установленными на валах ступицами со стержнями, к которым прикреплены частично заполненные пустотелые ободья, при этом каждый обод оснащен клапаном; лопасти закреплены на корпусе вала перпендикулярно оси и разнесены вдоль оси вала турбин на равные интервалы и повернуты по отношению друг к другу на равный угол вокруг оси вала; круглый пустотелый корпус обода имеет профиль в форме вытянутого эллипса с острым закруглением концов; стержни закреплены на корпусе вала перпендикулярно оси, а длина стержней не менее длины рабочих лопастей; в гирлянде, состоящей из более чем двух турбин, турбины с частично заполненными пустотелыми ободьями чередованы с турбинами без ободьев.
Выполнение гидроэлектростанции наплавной свободно-поточной, расположенной по потоку вдоль берега, из турбин, выполненных в виде полых цилиндрических валов с рабочими лопастями, снабженными соосно установленными на валах ступицами со стержнями, к которым прикреплены частично заполненные пустотелые ободья с клапаном, позволяет, за счет степени заполнения жидкостью через клапан обода, уменьшая или увеличивая пустоты в ободе, изменять плавучесть всей гирлянды, регулировать положение рабочих лопастей относительно поверхности воды, удерживая всю линию гидроэлектростанции в верхних слоях, с большей скоростью водотока, с полностью погруженными лопастями в поток.
Расположение гидроэлектростанции по потоку вдоль берега, не ограниченное шириной водного потока, расположение гирлянды с разнесенными вдоль оси валов лопастями, работающими в разных плоскостях вращения, уменьшение затенения лопастей в одном потоке, за счет их разнесения по длине валов, позволяет, от одной и той же струи потока, получить увеличение суммарного кпд турбин, соединяя между концевыми секциями, с чередованием в гирлянде промежуточных и основных турбин.
Лопасти валов полностью погружены в жидкую текучую среду в верхних ее слоях равномерно (каждый сегмент вала с лопастями) относительно поверхности воды, в отличии от аналогов, где наблюдается прогибание средней части гирлянды вглубь толщи води, где скорость потока ниже, и разность скоростей потока для разных секций гирлянды, тормозит и снижает скорость вращения всей гирлянды, снижая ее суммарный кпд.
Выполнение профиля круглого, частично пустотелого корпуса обода, в форме вытянутого эллипса с острым закруглением концов, меньше оказывает сопротивление набегающему потоку, и позволяет формировать струю для остальных рабочих лопаток, что повышает долгосрочность работы и кпд всей гироэлектростанции.
Вся гирлянда не подвергается воздействию ветра на реке, поскольку над водой выступают только пустотелая часть частично заполненных ободьев, со стержнями крепления длиной не менее длины рабочих лопастей, в отличии от поплавковых гирлянд с турбинами, часть лопастей которых расположена выше поверхности воды.
Кроме того, существенным преимуществом расположения гирлянды по потоку вдоль берега, является простота установки вдоль одного берега, где не возникает проблемы укрепления второго конца гирлянды на противоположном берегу и нет препятствий прохождению даже маломерных судов по руслу водоема.
Существо заявляемого технического решения поясняется чертежом.
На фиг. 1 приведена линия гирляндной наплавной свободнопоточной продольноструйной гидроэлектростанции с турбинами поплавкового типа, на фиг. 2 - поперечное сечение турбины, на фиг. 3 пустотелый обод, на фиг. 4 - разрез по А-А пустотелого обода.
На фиг. 1, 2, 3, 4 изображены валы 1 трубчатые турбин, ступицы 2 стержней соединительных, стержни 3 соединительные ступиц с частично заполненными пустотелыми ободьями, пустотелые ободья 4, клапан 5 впуска и выпуска жидкости, ступицы 6 лопастей, рабочие лопасти 7 турбин, узлы 8 карданного типа, поплавок 9, электрогенератор 10, понтонная платформа 11, грузы 12, тросы 13, промежуточные турбины 14, основные турбины 15, концевые секции 16,
Гирляндная гидроэлектростанция выполнена следующим образом
Предлагаемая гирляндная гидроэлектростанция состоит из секций трех типов, промежуточные турбины 14, основные турбины 15, концевые секции 16, в которых поплавки выполнены в виде длинных полых, изолированных от внешней среды, твердотельных цилиндрических, трубчатых валов 1.
Промежуточные турбины 14, выполнены в виде валов 1 с жестко закреплёнными ступицами 6 перпендикулярно оси вала рабочими лопастями 7, разнесенными вдоль оси вала 1 турбин на равные интервалы и повернутыми по отношению друг к другу на равный угол вокруг оси вала 1, для уменьшения затенения предыдущими лопастями последующих лопастей по ходу потока и увеличения суммарного кпд турбины,
Основные турбины 15 с рабочими лопастями 7, выполнены идентично валам 14 и дополнительно снабжены, соосно валам прикрепленными ступицами 2 стержнями 3, частично заполненными пустотелыми ободьями 4, оснащенными клапанами 5 впуска и выпуска жидкости в полость ободьев 4, что путем изменения плавучести, удерживает всю гирлянду на заданной глубине максимально близко к поверхности воды в наиболее быстрых струях, при этом, лопасти валов турбин полностью погружены в жидкую текучую среду в верхних ее слоях равномерно (каждый сегмент вала с лопастями) относительно поверхности воды.
Концевые секции 16 выполнены в виде длинных полых, изолированных от внешней среды, твердотельных цилиндрических, трубчатых валов 1, что позволяет им, при вращении вместе со всей гирляндой, не оказывать существенного снижения суммарного кпд.
Для меньшего сопротивления набегающему потоку, и формирования струи для остальных рабочих лопаток, контур профиля корпуса обода 4 образован двумя одинаковыми дугами с наружной и внутренней стороны корпуса, имеющих общие вершины, в форме вытянутого эллипса с острым закруглением концов, таким образом носовая часть (обе одинаковые) профиля функционирует как рассекатель и делит набегающий поток воды на внутренний и наружный.
Для контроля степени погружения рабочих лопастей 7 относительно поверхности воды длина стержней 3, прикрепленных к ободу не менее длины рабочих лопастей 7 турбин, что позволяет пустоте в частично заполненном ободе 4 быть постоянно находится над поверхностью воды.
Ободья 4 снабжены клапаном 5 впуска и выпуска жидкости, что позволяет преодолевать выталкивающую силу поплавков в виде валов 1 турбин количеством закаченной или выпущенной через клапан 5 жидкости, притопляя на нужную глубину всю гирлянду, оставляя над поверхностью воды пустотелую часть обода, для сигнализации о месте расположения рабочих лопастей относительно поверхности воды.
На торцах валов турбин 14,15, и концевых секций 16 закреплены узлы карданного типа 8, предназначенные для соединения турбин между собой в гирлянду.
В гирлянде, состоящей из более чем двух турбин, основные турбины 15 с частично заполненными пустотелыми ободьями 4, чередованы с промежуточными турбинами 14 без ободьев 4, между концевыми секциями 16, что минимально влияет на снижение кпд, поскольку пустая часть обода 4 всегда выступает над поверхностью воды, сигнализируя о степени погружения рабочих лопаток.
С концевой секции 16 начинается гирлянда и ею же она и заканчивается. Одна из концевых секций 16 предназначена для передачи вращения ротору генератора 10 установленному на понтонной платформе 11. Вторая концевая секция закреплена в подшипниковый узел, (на чертеже не показан), расположенный в отверстии поплавка 9 с возможностью вращения вместе со всей гирляндой. Платформа 11 и поплавок 9 закреплены к грузам 12 на дне при помощи тросов 13.
Гирлянды содержат промежуточные турбины 14 без пустотелых ободьев 4. Концевые секции 16 выполнены в виде длинных полых твердотельных цилиндрических, трубчатых валов 1 без лопастей 7 и ободьев 4.
Гирляндная гидроэлектростанция работает следующим образом
При монтаже гидроэлектростанции на реке выбирается удобное для ее установки место, так чтобы не препятствовать водному транспорту. Далее на дне в начале и в конце гирлянды устанавливают бетонные грузы 12 с металлическими петлями для крепления понтона 11 с помощью тросов 13
Электрогенератор 10 с редуктором устанавливают на понтонной платформе 11 и связываются с плавсредством 1 с помощью длинных трубчатых валов и карданов 7.
Гирлянду устанавливают вдоль течения водного потока, а валы 1 ее турбин 14, 15, и концевых секций 16 соединяют последовательно, одна за другой, при помощи узла 8 карданного типа. Для снижения количества элементов, создающих препятствие потоку воды, между основными турбинами 15, оснащенными пустотелыми ободьями 4, размещают промежуточные турбины 14 с рабочими лопастями 7, без ободьев 4.
Все турбины, кроме концевых секций 16, снабжены рабочими лопастями 7, разнесенными вдоль вала на определенное расстояние для уменьшения затенения лопастей в одном потоке предлежащими лопастями 7, чтобы вода успевала восстановить скорость потока, что позволяет, от одной и той же струи потока, получить увеличение суммарного кпд турбины.
Пустотелый корпус обода 4, полость которого изолирована от внешней среды, выполняет функцию поплавка и регулятора глубины погружения каждого сегмента вала 1 гирлянды в текучую среду способом закачки в камеру (полость) или откачки жидкости(воды) через клапан 5, повышая таким образом или понижая уровень расположения гирлянды относительно поверхности воды.
За счет степени заполнения пустотелых ободьев 4 жидкостью через клапан 5, уменьшая или увеличивая пустоты в ободьях 4, регулируют положение рабочих лопастей всех турбин 14, 15, относительно поверхности воды, удерживая всю линию гидроэлектростанции притопленной в верхних слоях, с большей скоростью водотока, путем уравновешивания выталкивающей силы полых валов 1, так что лопасти 7 всегда вращаются в водной среде и не совершают холостых оборотов над поверхностью воды.
Набегающий поток воды приводит турбины 14,15, во вращательное движение с концевыми секциями 16 так, что гирлянда вращается целиком, вместе с пустотелыми ободьями 4.
Воздух в полости обода 4 всегда находится в верхней его части, а при вращении турбин 14, 15, жидкость внутри полости постоянно перетекает сохраняя свой уровень. Благодаря полым ободьям 4 с клапанами 5 достигается оптимальное положение турбины, всегда работающей в верхних, быстрых слоях потока воды, при удерживании рабочих лопастей 7, всегда под поверхностью воды. Тросы 13, фиксирующие положение гирлянды в потоке, обладают достаточным запасом длины, необходимым, на случай значительного подъема уровня водного потока.
Техническим результатом является оптимизация положения рабочих лопастей гирлянды, относительно поверхности воды, всегда работающей в верхних, быстрых слоях потока воды, при удерживании рабочих лопастей, всегда под поверхностью воды путем регулирования плавучести всей гирлянды турбин, за счет частично заполненных пустотелых корпусов ободьев, полость которых изолирована от внешней среды, и оснащена клапаном, что позволяет повысить кпд устройства при использовании гидроэнергетического потенциала возобновляемого источника энергии - медленно текущей воды, для получения электроэнергии в труднодоступных районах
Данное техническое решение имеет оптимальную конфигурацию для использования гирлянд на реках с течением от 1метра в сек., в том числе на равнинных крупных реках, каналах, проливах как на незамерзающих круглогодично, так и на замерзающих в период навигации, т.е. значительно увеличивает ареал использования.
Составной вал гирлянды имеет произвольную длину и может содержать значительное количество последовательно размещенных лопастей, с интервалом достаточным для полного или частичного восстановления мощности напора воды, так что суммарно мощность гирлянды выше, чем в традиционных решениях, один ротор с двумя или тремя лопастями, вращающимися в одной плоскости.