НАПЛАВНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к гидроэнергетике и может быть использована при сооружении плавучих гидроэлектростанций для преобразования энергии воды в механическую энергию вращения, а затем в электрическую с целью энергоснабжения потребителя.
Известно наплавное устройство для использования энергии речного потока, которое содержит несущее основание, на котором размещена как минимум одна активная турбина, кинематически связанная с электрогенератором и выполненная в виде транспортера, установленного под углом к потоку, на котором закреплены лопасти. Лопасти выполнены в виде плоских пластин, расположенных поперек речного потока, и установлены на транспортере шарнирно с помощью горизонтальных кронштейнов, на боковых кромках лопастей со стороны транспортера выполнены ограничители поворота, а транспортер снабжен упорами, контактирующими с ограничителями поворота при вертикальном положении лопастей. Несущее основание и транспортер с горизонтальными кронштейнами, с помощью которых шарнирно закреплены лопасти, расположены над водой речного потока. (Патент на ПМ №71385, МПК F03В 17/0, опубл. 10.03.2008 г.)
Недостатком известной гидроэлектростанции является ее малая мощность вследствие не полного использования кинетической энергии водного потока из-за того, что значительная часть воды обтекает колеса и, таким образом, уклоняется от передачи ему своей энергии.
Известна гидроэлектростанция, которая включает плавучий элемент в виде катамарана с двумя корпусами, соединенными палубой, к которой снизу прикреплена проточная часть с гидротурбиной, расположенной между входным раструбом и выпускным трубопроводом. Катамаран закреплен в потоке воды посредством тросо-якорной системы, а концевой участок выпускного трубопровода выполнен с увеличивающейся по направлению потока площадью поперечного сечения, которая имеет многолепестковую форму или концевой участок разветвлен на две или более трубы. (Патент на изобретение №2088724, МПК Е02В 9/00, опубл. 27.08.1997 г.)
Известна приливная электростанция, которая содержит цилиндрический корпус машинного отделения с редуктором и электрогенератором, хвостовую гидротурбину с лопастями, установленными на ее оси, и ось поворота. В верхнюю часть корпуса вмонтирован плоский пилон на конце с системой шарниров и осью поворота. Корпус подвешен на грузовой балке в пролете катамарана для подъема электростанции на уровень площадки обслуживания по пазам стоек-быков, соединенных аркой с механизмами подъема. Лопасти гидротурбины выполнены короткими и широкими с обратной стреловидностью по передней кромке и с вогнутой поверхностью в виде параболической кривой, а выпуклая поверхность хвостовой части перфорирована косыми щелями. (Патент на изобретение №2359083, МПК Е02В 9/08, F03В 13/12, опубл. 20.06.2009 г.)
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является наплавное устройство. Наплавная гидроэлектростанция включает плавающую платформу, выполненную в виде катамарана с двумя корпусами, между которыми размещена турбина. Турбина имеет три или четыре лопасти, в рабочем положении ориентирована вертикально, в нерабочем положении есть возможность, благодаря наличию поворотного механизма, расположить ее горизонтально для упрощения транспортировки. (Международная заявка № WO 201000643, МПК F03В 13/00; F03В 13/08; F03В 13/12; опубл. 21.01.2010 г. - прототип)
Известные устройства имеют недостаточно высокие технико-экономические показатели, в основном, такие как: надежность, ремонтопригодность и большая трудоемкость изготовления, обусловленные сложностью конструкций.
Кроме того, в прототипе существенным недостатком турбины является то, что при работе турбины возникают биения. Количество биений за один оборот соответствуют количеству лопастей турбины известной конструкции.
Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении надежности конструкции при эксплуатации, в том числе, и за счет максимального уменьшения амплитуды биений при работе турбины, в обеспечении высокой ремонтопригодности устройства.
Поставленная техническая задача решается тем, что в наплавной гидроэлектростанции, включающей несущее основание, на котором закреплена вертикально осевая турбина с лопастями, кинематически связанная с электрогенератором, согласно предложенной полезной модели, турбина выполнена из, по меньшей мере, двух секций, смещенных относительно друг друга, каждая из которых содержит, по меньшей мере, две лопасти, при этом длина лопастей выбирается в зависимости от заданной мощности гидроэлектростанции из условия соответствия значения суммарной длины лопастей турбины по вертикали значению площади ометаемой ею поверхности водного потока.
Кроме того, секции турбины смещены друг относительно друга на угол не менее 30°.
Кроме того, длина лопасти турбины равна от 300 мм до 1300 мм и выбирается из условия:
3
P=0,5·k·ρ·A·υ
где
Р - мощность, кВт;
k - общий КПД установки;
ρ - плотность воды;
А - ометаемая турбиной площадь водного потока;
υ - скорость потока воды.
Кроме того, турбина закреплена на каркасе, установленном на несущем основании, посредством системы крепления.
Кроме того, система крепления включает корпус с валом и ступицами, при этом вал выполнен в средней части с большим диаметром.
Кроме того, несущее основание выполнено в виде катамарана, включающего, по меньшей мере, две камеры одинакового размера.
Кроме того, несущее основание выполнено в виде плавучей платформы, состоящей из модулей, жестко соединенных между собой.
Кроме того, наплавная гидроэлектростанция снабжена тормозным устройством, предназначенным для остановки вращения турбины.
Кроме того, турбина кинематически связана с электрогенератором посредством редуктора, в качестве которого использована ременная передача.
Использование в конструкции наплавного гидроэлектростанции турбины, состоящей из нескольких секций, смещенных одна относительно другой на определенный угол, позволяет значительно уменьшить амплитуда биений, увеличив при этом их количество. Использование такой конструкции турбины позволяет повысить надежность подшипникового узла и всего устройства в целом.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где:
на фиг.1 представлена конструкция наплавной гидроэлектростанции с несущим основанием, на котором размещена турбина с двумя секциями, каждая из которых включает три лопасти.
на фиг.2 приведен пример выполнения несущего основания в виде платформы, состоящей из соединенных между собой секций.
Наплавная гидроэлектростанция (НГЭС) (фиг.1) включает несущее основание 1, каркас 2, турбину 3, электрогенератор (на рисунке не показан).
Несущее основание 1 может быть выполнено в виде катамарана, включающего, по меньшей мере, две камеры одинакового размера. Например, может быть использован серийно выпускаемый катамаран К-4Н, который имеет грузоподъемность 550 кг, длину - 4,6 м.
Несущее основание 1 может быть выполнено в виде плавучей платформы (фиг.2), состоящей из модулей, соединенных между собой уголками, что создает единую жесткую конструкцию.
Размер модулей выбирается в зависимости от заданной грузоподъемности платформы. Например, она может быть выполнена из модулей размерами 500*500*400 мм, изготовленными из прочного полиэтилена. Грузоподъемность каждого такого модуля достигает порядка 400 кг. Таким образом, повреждение одного или даже нескольких модулей не влияет на плавучесть несущего основания.
Каркас 2 размещается на несущем основании 1.
Каркас 2 может быть выполнен в виде платформы, выполненной сборно-разборной из профильных алюминиевых труб и уголков. За счет алюминиевых труб камеры катамарана или модули несущей платформы разнесены на такое расстояние, чтобы в транспортном положении (горизонтальном) турбина могла разместиться между ними.
Описанный пример выполнения каркаса не ограничивает возможностей его конструктивного выполнения.
Размеры каркаса выбирают исходя из габаритных размеров турбины, глубины ее погружения по верхней точке, а так же исходя из длины камер катамарана или размера несущего основания в виде модульной платформы.
Использование в качестве материала каркаса алюминия позволяет добиться значительного снижения массы конструкции. Минимизация массы конструкции является немаловажным показателем, поскольку грузоподъемность предлагаемых на рынке промышленно выпускаемых несущих понтонов, ограничена.
На каркасе 2 размещается средство, с помощью которого можно опустить турбину в поток или привести в транспортное состояние, например лебедка.
На каркасе устанавливаются все основные элементы конструкции устройства, в том числе, турбина, редуктор, электрогенератор.
Турбина 3 (фиг.2) выполнена из, по меньшей мере, двух секций 4, смещенных относительно друг друга, каждая из которых содержит, по меньшей мере, две лопасти 5. секции турбины смещены друг относительно друга на угол не менее 30°.
На фиг.1 приведен пример выполнения турбины из двух секций, каждая из которых содержит по три лопасти.
Секция 4 турбины представляет собой конструкцию, состоящую из вала 6 в виде стальной трубы, к которому крепятся лопасти 5. Средство крепления лопастей (на рисунке не показано) к валу состоит из двух металлических дисков, которые крепятся на вал с помощью специальных фланцев. К стальным дискам за счет пластин 7 определенного размера крепятся лопасти 5. Пластины 7 являются связующим звеном между валом с размещенными на нем стальными дисками и лопастями. В качестве материала пластин используется дюралюминий в целях облегчения конструкции, и, следовательно, уменьшении нагрузки на подшипники ступицы. Кроме того, в пластинах 7 выполняется ребро жесткости, которое делает средство крепления лопастей более прочной и надежной. Таким образом, вал с размещенными на нем стальными дисками для крепления лопастей представляет собой сборную конструкцию, что очень удобно при транспортировке. На стальном диске предусматриваются отверстия для двух различных вариантов исполнения турбины.
Описанный пример выполнения секции турбины со средством крепления лопастей не ограничивает возможностей ее конструктивного выполнения.
Длина лопастей 5 выбирается в зависимости от заданной мощности наплавной гидроэлектростанции из условия соответствия значения общей длины турбины значению площади ометаемой ею поверхности водного потока.
Длина лопасти выбирается от 300 мм до 1300 мм с учетом соотношения:
3
Р=0,5·k·ρ·A·υ
где
Р - мощность, кВт;
k - общий КПД установки;
ρ - плотность воды;
А - ометаемая турбиной площадь водного потока;
υ - скорость потока воды.
Например, из потока воды со скоростью течения 3 м/с необходимо получить мощность 5 кВт. Для установок возобновляемых источников энергии КПД в среднем составляет 25-30%. Примем КПД наплавной гидроэлектростанции 25%. Плотность воды составляет 1000 кг/м
Произведем расчет: 5000=0,5*0,25*1000*А*27.
Из расчет следует, что ометаемая турбиной площадь водного потока А равна 1,48 кв.м, следовательно общая общей длины лопастей турбины составляет не менее 1480 мм. Учитывая количество секций турбины, например две, длина каждой лопасти составляет 740 мм.
Турбина 3 закреплена на каркасе 2, установленном на несущем основании 1, посредством системы крепления 8.
Система крепления включает корпус 9, например в виде стального короба, с валом (на рисунке не показан) и ступицами 10, при этом вал выполнен в средней части с большим диаметром. Разность диаметров на валу позволяет жестко зафиксировать его между двумя ступицами.
К боковым сторонам стального короба за счет фланцев крепятся трубы 11. Трубы устанавливаются на каркас в специальный «карман». В «кармане» трубы жестко не фиксируются, что позволяет трубам при соответствующих нагрузках вращаться вокруг собственной оси, что позволяет при помощи лебедки приводить турбину НГЭС из транспортного состояния в рабочее состояние и наоборот. На концах труб устанавливаются специальные пластины, которые пускаются в поток воды вместе с турбиной и таким образом обеспечивают установку НГЭС в потоке. Помещенные в поток воды пластины не позволят НГЭС разворачиваться даже при самом быстром течении.
Турбина 3 кинематически связана с электрогенератором 13 посредством редуктора. В качестве редуктора на НГЭС используется ременная передача 12.
В качестве электрогенератора 13 может быть использован синхронный генератор на постоянных магнитах.
Наплавная гидроэлектростанция снабжена тормозным устройством (на рисунке не показано), предназначенным для остановки вращения турбины при переводе станции из рабочего состояния в транспортное, в целях безопасности обслуживающего персонала.
Наплавная гидроэлектростанция работает следующим образом. НГЭС помещается в свободный поток русла реки, канала или другого водного потока и удерживается на плаву несущим основанием, например катамараном или модульной платформой. Для предотвращения смещения НГЭС применяется якорь. Турбина, погруженная в поток, совершает вращение: усилие передается по валу, к которому, через соединительную муфту в верхней части прикреплен редуктор, который увеличивающий число оборотов турбины и передающий крутящий момент на электрогенератор. Генератор вырабатывает электрическую энергию.
Преимуществами предложенной конструкции наплавной гидроэлектростанции является простота конструкции, вертикальное расположение оси вращения турбины, что обеспечивает возможность расположения генератора над водой, повышая тем самым надежность устройства в эксплуатации.
Предложенная наплавная гидроэлектростанция является надежным, компактным, экологически чистым, быстроокупаемым источником дешевой электроэнергии для потребителя при отсутствии линий передач и возможности их строительства.