БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ДЛЯ МЕСТНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
DAMLESS HYDRAULIC POWER STATION FOR LOCAL ELECTRIC POWER SUPPLY

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии без нарушения гидрологических и экологических характеристик реки и электроснабжения потребителей, расположенных в прилегающей местности.
Известно устройство В.Г.Вохмянина для подачи воды на гидротурбину (см. патент RU №2039153, опубл. 09.07.1995 г.). В устройстве предусмотрено поступление воды по закрытому водоводу в вертикально установленное Г-образное колено и вращение размещенной в выходной части колена гидротурбины. В месте соединения закрытого водовода с коленом расположен водовыпускной патрубок с затвором, позволяющим регулировать мощность гидротурбины и производить очистку закрытого водовода.
Недостатком устройства является наличие турбулентных и вихревых потоков на входе в гидротурбину, оказывающие негативное воздействие на ее работу.
Известна бесплотинная гидроэлектростанция с промежуточным резервуаром (см. патент RU №2162914, опубл. 10.02.2001 г.), принятая за прототип. Гидроэлектростанция включает напорный водовод с водозабором в реке и затвором. Напорный водовод имеет уклон, меньший уклона дна реки, и соединяет водозабор с промежуточным резервуаром, из которого берет начало напорный водовод активной ковшовой турбины, связанной с валом генератора. В промежуточном резервуаре между вводом напорного водовода и входом в водовод турбины установлен успокоитель потока, выполненный в виде стенки с отверстиями. Каждый ковш рабочего колеса турбины выполнен в виде двух расходящихся под углом гнутых желобов и закреплен на рабочем колесе с возможностью поворота вокруг оси своего крепления.
Недостатками прототипа являются большие габаритные размеры промежуточного резервуара, высокие потери динамического напора набегающего гидропотока при прохождении через успокоитель, сопровождающиеся многочисленными вихреобразованиями в перегородке с отверстиями и, как следствие, низкий кпд гидроэлектростанции.
Предлагаемым изобретением решается задача по уменьшению габаритных размеров промежуточного резервуара, повышение кпд гидроэлектростанции.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании эффективной бесплотинной гидроэлектростанции для местного электроснабжения за счет динамического воздействия на поток жидкости и повышения эффективности активной ковшовой гидротурбины.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой бесплотинной гидроэлектростанции для местного электроснабжения, содержащей напорный водовод с водозабором в реке и затвором, промежуточный резервуар, успокоитель потока, активную ковшовую гидротурбину с водоводом и возможностью регулировки мощности, новым является то, что между вводом напорного водовода и входом в водовод турбины установлен успокоитель потока гидродинамического типа, выполняющий роль промежуточного резервуара и имеющий плавно переходящие друг в друга входной водозаборный конфузор с криволинейной поверхностью, центральный цилиндрический участок и диффузор с криволинейной поверхностью, на выходе которого установлен стабилизирующий трубопровод с сечением, равным выходному диаметру диффузора, диффузор имеет ступенчатую поверхность.
Установка между вводом напорного водовода и входом в водовод турбины успокоителя потока гидродинамического типа, выполняющего роль промежуточного резервуара, позволяет:
- во-первых, значительно сократить габаритные размеры промежуточного резервуара и на порядок упростить его конструктивную сложность, что значительно удешевляет изготовление и монтаж узлов всей гидроэлектростанции в целом;
- во-вторых, получать на входе в водовод гидротурбины более «спокойный» гидропоток без значительных очагов турбулентности и завихрений;
- в-третьих, повысить экологическую безопасность всего сооружения;
- в-четвертых, избежать затопления прилегающих территорий, что позволяет производить монтаж гидроэлектростанции вблизи густозаселенных территорий и промышленных зон;
- в-пятых, сохранить естественную среду обитания флоры и фауны реки;
- в-шестых, обеспечить беспрепятственное функционирование судоходства без возведения дополнительных шлюзовых сооружений;
- в-седьмых, предотвратить сход разрушительных водных потоков при землетрясениях из-за разрушения плотин, облегчить сход льда в весенний период.
Выполнение успокоителя потока гидродинамического типа в виде плавно переходящих друг в друга входного водозаборного конфузора с криволинейной поверхностью, центрального цилиндрического участка и диффузора с криволинейной поверхностью, на выходе которого установлен стабилизирующий трубопровод с сечением, равным выходному диаметру диффузора, позволяет:
- во-первых, увеличить с минимальными потерями энергии при падении давления скорость потока, поступающего из напорного водовода и обладающего значительной степенью турбулентности и завихрений;
- во-вторых, снизить процесс вихреобразования в потоке за счет перепада давления на входе и выходе конфузора, то есть осуществить первоначальную стабилизацию потока;
- в-третьих, ликвидировать незначительное вихреобразование в месте соединения конической трубы конфузора с цилиндрической за счет их плавного сопряжения при применении криволинейной поверхности;
- в-четвертых, допустить значительную степень сужения конфузора при небольшой длине вдоль оси и небольших потерях;
- в-пятых, достичь максимальной скорости потока на центральном цилиндрическом участке с рекомендуемой длиной, в два раза превышающей его диаметр, при дальнейшем увеличении однородности структуры потока;
- в-шестых, обеспечить снижение скорости и увеличение давления в диффузоре;
- в-седьмых, уменьшить потери энергии в диффузоре от вихреобразования и трения за счет применения криволинейного профиля и плавного сопряжения с цилиндрической поверхностью;
- в-восьмых, обеспечить постоянный градиент давления вдоль оси диффузора (dp/dx=const);
- в-девятых, получить на выходе диффузора качественный гидропоток со структурой, близкой к однородной;
- в-десятых, осуществить окончательное «успокоение» потока в стабилизирующем трубопроводе с сечением, равным выходному диаметру диффузора.
Выполнение диффузора со ступенчатой поверхностью позволяет:
- во-первых, получить в диффузоре данного типа, состоящего из обычного диффузора с оптимальным углом и следующего за ним расширения, гидропоток с минимальными потерями энергии;
- во-вторых, снизить общее сопротивление диффузора по сравнению с обычным диффузором той же длины и степени расширения.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема бесплотинной гидроэлектростанции для местного электроснабжения; на фиг.2 - схема успокоителя потока гидродинамического типа; на фиг.3 - схема ступенчатого диффузора успокоителя.
B
П
Бесплотинная гидроэлектростанция для местного электроснабжения состоит из водозабора 1, транспортного (напорного) водовода 2, проложенного с уклоном по дну реки или ее берегу. На расстоянии L, обеспечивающем заданный напор Н, установлен успокоитель потока гидродинамического типа 3, одновременно выполняющий роль промежуточного резервуара и который соединен с напорным водоводом 4, оканчивающимся соплом 5, ковшовой турбины 6. Транспортный водовод 2 заканчивается патрубком 7 с регулирующим затвором 8. Водослив турбины 9 соединен с рекой.
Успокоитель потока гидродинамического типа 3 имеет плавно переходящие друг в друга входной водозаборный конфузор 10 с криволинейной поверхностью 11, центральный цилиндрический участок 12 и диффузор 13 с криволинейной поверхностью 14, на выходе которого установлен стабилизирующий трубопровод 15 с сечением, равным выходному диаметру диффузора.
В варианте исполнения диффузор 13 имеет ступенчатую поверхность 16.
Генератор (на чертежах не показан) турбины 6 размещен в здании 17 с осмотровой площадкой 18.
П
Бесплотинная гидроэлектростанция для местного электроснабжения работает следующим образом. После прохождения воды через водозабор 1, транспортный (напорный) водовод 2 на входе в успокоитель потока гидродинамического типа 3, одновременно выполняющий роль промежуточного резервуара, создается полный напор Н, определяемый разностью высот водозабора 1 и водослива 9 турбины 6, достаточный для раскручивания турбинного колеса. При помощи затвора 8, установленного в патрубке 7, регулируется мощность гидротурбины 6 и производится очистка транспортного водовода 2. Далее поток поступает во входной водозаборный конфузор 10. Ее течение сопровождается увеличением скорости и падением давления. Для ликвидации незначительных вихреобразований и связанных с ними потерь на выходе из конфузора 10 он плавно сопряжен с центральным цилиндрическим участком 12, а его поверхность 11 выполнена криволинейной. В конфузоре происходит первый этап повышения однородности потока. В центральном цилиндрическом участке 12 поток достигает максимальной скорости при дальнейшем увеличении однородности структуры потока. Далее жидкость поступает в диффузор 13. Ее течение сопровождается уменьшением скорости и увеличением давления. При этом кинетическая энергия уменьшается как вдоль оси диффузора, так и в направлении от оси к стенке, что приводит к вихреобразованию и отрыву потока от стенки. Для исключения этих негативных моментов стенка диффузора 13 выполнена в виде криволинейной поверхности 14, что обеспечивает постоянный градиент давления вдоль оси (dp/dx=const). Поэтому поток жидкости приобретает большую устойчивость с высокой степенью однородности. Получение окончательно однородного потока с минимальными вихревыми включениями происходит в стабилизирующем трубопроводе 15 с сечением, равным выходному диаметру диффузора 13.
В варианте исполнения диффузор 13 имеет ступенчатую поверхность 16, образованную поверхностью обычного диффузора и следующим за ним внезапным расширением. Расширение не вызывает больших потерь энергии, так как скорость потока в этом месте мала. Общее сопротивление данного диффузора значительно меньше, чем у обычного диффузора с той же длиной и степенью расширения. Далее поток через напорный водовод 4 поступает в сопло 5, где ускоряется, и приводит во вращение колесо ковшовой турбины 6. Преобразование энергии вращения турбины 6 происходит при помощи генератора (на чертежах не показан), размещенного в здании 17 с осмотровой площадкой 18. Осмотровая площадка предназначена для проведения профилактических работ с успокоителем потока гидродинамического типа 3.
Таким образом, в бесплотинной гидроэлектростанции для местного электроснабжения осуществляется эффективное преобразование энергии набегающего гидропотока за счет динамического воздействия на него и повышения, вследствие этого, эффективности активной ковшовой гидротурбины.