ГОРНАЯ БЕРЕГОВАЯ МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ГБМГЭС)
MOUNTAIN SHORE MICROHYDROELECTRIC POWER PLANT (MSMHEPP)

Изобретение относится к области «Производство, преобразование и распределение электрической энергии», а именно, к нетрадиционным гидроэлектростанциям, и найдет применение для преобразования энергии течения воды в электрическую энергию с помощью гидроэлектросилового оборудования.
Известна гидравлическая турбина [Патент RU 2030627], которая является разновидностью традиционной турбины. Ротор гидравлической турбины погружен в поток воды до оси горизонтально расположенного вала, на котором вокруг него установлены лопасти с возможностью поворота их на своих осях. Лопасти разделены осями на две неравные по длине и по массе части.
Недостатками такой гидравлической турбины являются: сложность конструкции поворотных лопастей, связанных при работе с ударной нагрузкой опоры гидротурбины; множество поворотных узлов, работающих в водной среде обладают низкой надежностью; данная конструкция не сможет надежно работать в зимних условиях, когда река покрыта льдом и необходимо будет устанавливать дополнительные устройства для удаления твердых тел из воды.
Также известен гидроэнергоагрегат [Патент RU 2016220], конструкция которого содержит генератор, установлено рабочее колесо с лопастями и с механизмом их поворота. Механизм поворота лопастей представляет собой систему подвижных относительно своих осей шестерен, установленных на осях лопастей и неподвижных шестерен, установленных на оси колеса. Зубчатое отношение подвижных и неподвижных шестерен составляет два к одному. Кроме того, подвижные шестерни соединяются между собой посредством цепных передач по периметру, а неподвижные шестерни соединяются по радиусу.
Недостатками такой конструкции являются: сложность механизма поворота лопастей колеса, конструкция которого состоит из цепных передач подвижных и неподвижных зубчатых шестерен, такой механизм поворота имеет низкий коэффициент полезного действия и низкую эксплуатационную надежность; не все лопасти водяного колеса участвуют в образовании вращающего момента, который передается на генератор в силу того, что подвижные и неподвижные шестерни имеют зубчатое отношение два к одному, а это значит, что происходит рывкообразное вращение водяного колеса гидроэнергоагрегата; при такой конструкции напряжение на выходе электрогенератора будет непрерывно колебаться, что приведет его к выходу из строя.
Известна конструкция гидравлического колеса опорной гидроэлектростанции с лопатками [Патент RU 2010992], содержащая гидравлическое колесо, размещенное под водой, с его основными и малыми лопатками, спрямляющего щита, а над водной поверхностью находится генератор тока и редуктор, необходимый для выработки генератором тока. Гидравлическое колесо снабжено малыми лопатками, закрепленными на основных лопатках под углом к ним. Длина лопатки не превышает радиуса колеса, один край лопатки колеса лежит на его внутренней образующей, а другой - на внешней. Колесо установлено у сваи или опоры моста и перед ним закреплен спрямляющий щит, крылья которого направляют поток воды прямо на лопатки гидравлического колеса.
Недостатками такой конструкции являются: разность отметок до спрямляющего щита и после него приблизительно равно нулю, а, следовательно, ЭДС генератора будет низкой; спрямляющий щит не увеличивает скорость течения воды, так как скорость течения жидкости под водой значительно меньше, чем на ее поверхности; работа потока определяется произведением массы воды на величину ее падения, что является очень маленькой величиной.
В известном устройстве речная береговая гидроэлектростанция [Патент RU 2020260] предлагается в корпусе, выполненном в виде бетонированного берега, наполовину разместить лопастную турбину на вертикально расположенной оси, установленной в бетонном основании корпуса. Муфта и генератор, размещены над уровнем реки. Корпус имеет направляющие, расположенные за колесом ниже по течению реки. Перегородка с поплавками перемещается по направляющим. Ширина лопастей турбины больше разности максимального и минимального уровней реки.
Недостатком предложенной конструкции является: малая скорость вращения лопастей гидротурбины, так как турбина установлена под водой, где скорость течения воды значительно меньше, чем в ее поверхностных слоях, а значит, скорость вращения ротора генератора будет недостаточной для возникновения ЭДС.
Наиболее близким к заявленному патенту является устройство гидроэлектростанции [Патент RU 2171910], содержащее: сооружение, установленное в русле реки, с направляющим устройством потока воды; редуктор и электрогенератор расположены над водой; электрогенератор выполнен в виде многополосной динамо-машины, работающей при малых оборотах ротора; под водой размещено полое гидроколесо с вертикально расположенным валом вращения; на валу жестко установлены два параллельных горизонтальных диска, а между ними и по периферии равномерно установлены лопасти при помощи разъемных соединений; гидроколес может быть несколько; сооружение занимает часть центрального сечения реки и включает фундаментную плиту, боковые стены, перекрытие, помещение для редуктора и электрогенератора; гидроэлектростанция снабжена со стороны входа и выхода водотока затворами и насосной установкой.
Недостатком данного устройства является: недостаточная скорость входа водяного потока в конфузорный канал перед рабочим колесом генератора, что дает малую мощность потока для преобразования гидроэнергии в электрическую, тем самым, эффективность работы устройства гидроэлектростанции будет низкой.
Предложена «Горная береговая микрогидроэлектростанция (ГБМГЭС)» с целью решения технической проблемы повышения эффективности и надежности работы гидроэлектростанции.
Это достигается тем, что «Горная береговая микрогидроэлектростанция (ГБМГЭС)» содержит каркасное крытое сооружение, размещенное на фундаментной плите, на которой установлены гидротурбина с рабочим колесом и синхронный генератор. Согласно изобретению: микрогидроэлектростанция снабжена мультипликатором, установленным между гидротурбиной и синхронным генератором, и напорной трубой для подачи падающей воды на гидротурбину, включающую направляющий аппарат с лопатками, выполненными с возможностью регулирования скорости подачи воды на лопатки рабочего колеса, выполненного центробежного типа, причем фундаментная плита выполнена решетчатой, металлической, залита бетоном и снабжена роликами для перемещения по берегу вдоль русла реки.
Предложенное техническое решение позволяет: увеличить скорость вращения ротора синхронного генератора за счет установления мультипликатора между валом гидротурбины и валом синхронного генератора; повышать надежность работы микрогидроэлектростанции за счет организации подвода воды через напорную трубу для подачи падающей воды на гидротурбину; повышать эффективность работы за счет направляющего аппарата с лопатками, выполненными с возможностью регулирования скорости подачи воды на лопатки рабочего колеса центробежного типа и за счет перемещения микрогидроэлектростанции размещенной на фундаментной плите, выполненной решетчатой, металлической, залитой бетоном и снабженной роликами для перемещения по берегу вдоль русла реки.
Существенными отличиями предложенного решения являются признаки: между валом гидротурбины и валом ротора синхронного генератора установлен мультипликатор, увеличивающий скорость вращения ротора синхронного генератора; подача падающей воды на гидротурбину проводится через напорную трубу; гидротурбина включает направляющий аппарат с лопатками, выполненными с возможностью регулирования скорости подачи воды на лопатки рабочего колеса; рабочее колесо гидротурбины выполнено центробежного типа; каркасное крытое сооружение и оборудование микрогидроэлектростанции установлено на фундаментной плите выполненной решетчатой, металлической, залитой бетоном и снабженной роликами для перемещения по берегу вдоль русла реки.
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
Сущность изобретения поясняется графически. На фиг. 1 показана схема передачи гидравлической энергии от гидротурбины к синхронному генератору: 1 - гидротурбина; 2 - упругая муфта; 3 - мультипликатор; 4 - синхронный генератор; 5 - плита с роликами. На фиг. 2 схематично показан направляющий аппарат гидротурбины: 6 - направляющий аппарат; 7 - наружные полукольца; 8 - внутренние полукольца; 9 - лопатки направляющего аппарата; 10 - отверстия для болтов. На фиг. 3 схематично показано рабочее колесо гидротурбины: 11 - рабочее колесо; 12 - вал рабочего колеса; 13 - лопатки рабочего колеса. На фиг. 4 дана схема расположения элементов гидротурбины: 6 - направляющий аппарат; 11 - рабочее колесо; 12 - вал рабочего колеса; 14 - втулка рабочего колеса; 15 - шпонка; 16 - зазор между направляющим аппаратом и рабочим колесом. На фиг. 5 схематично показан механизм регулирования лопаток направляющего аппарата: 17 - оси лопаток направляющего аппарата; 18 - поворотные рычаги; 19 - регулировочный трос. На фиг. 6 показана схема развертки сил, действующих на лопатки направляющего аппарата и рабочего колеса гидротурбины. Вода входит в направляющий аппарат. Лопатки направляющего аппарата образуют суживающие каналы, в результате чего абсолютная скорость течения воды возрастает до С. Вектор этой скорости направлен под острым углом α к фронту решетки. Абсолютная скорость течения воды С в направляющем аппарате разлагается на две составляющие - окружную скорость течения воды U и относительную скорость течения воды W относительно входных кромок лопаток рабочего колеса. Построив треугольник скоростей на входе в рабочую решетку, находим величину и направление вектора относительной скорости течения воды W, с которой вода движется относительно входных кромок лопаток рабочего колеса. Эти лопатки во избежание ударных потерь мощности устанавливают под углом, близким к углу β наклона вектора относительной скорости течения воды W к фронту решетки. На выходе из рабочей решетки вода имеет относительную скорость течения воды W, составляющую с фронтом решетки угол β. Для определения абсолютной скорости С, с которой вода покидает гидротурбину, строится треугольник скоростей на выходе. Угол наклона α вектора абсолютной скорости течения воды на выходе из рабочей решетки С должен быть близким или равным 90°, что обеспечит минимальную потерю энергии с выходной скоростью. При течении воды между лопатками направляющего аппарата и лопаток рабочего колеса в гидротурбине, вода меняет свое направление течения. Вследствие поворота потока воды возникает сила, приложенная к лопаткам, тангенциальная составляющая, которая и создает крутящий момент на валу гидротурбины. Возникновение указанной силы связано с наличием разностей давлений на вогнутых и выпуклых сторонах профиля лопаток. Давление потока воды на вогнутой стороне лопатки больше давления на выпуклой стороне. Изменяя положение лопаток направляющего аппарата, регулируется скорость вращения рабочего колеса гидротурбины, а, следовательно, скорость вращения ротора синхронного генератора.
Предложенная горная береговая микрогидроэлектростанция содержит гидроэлектросиловое оборудование, предназначенное для передачи гидравлической энергии в электрическую энергию посредством гидротурбины 1, упругой муфты 2, мультипликатора 3, синхронного генератора 4. Все гидроэлектросиловое оборудование установлено на решетчатой металлической плите 5, залитой бетоном с роликами для перемещения вдоль русла реки. На плите устанавливается сооружение, предназначенное для укрытия гидроэлектросилового оборудования от атмосферных воздействий. В корпус статора вмонтирован направляющий аппарат 6, выполненный разъемным из двух половин, каждая из которых состоит из двух полуколец - наружные полукольца 7 и внутренние полукольца 8, в которые вставлены лопатки направляющего аппарата 9. От провертывания каждая половина направляющего аппарата удерживается двумя Диаметрально расположенными болтами (10 - отверстия для болтов). Рабочее колесо 11, содержит вал рабочего колеса 12, лопатки рабочего колеса 13, размещенные на втулке рабочего колеса 14, которая соединяется с натягом с валом рабочего колеса гидротурбины и удерживается от провертывания призматической шпонкой 15, между направляющим аппаратом и рабочим колесом имеется зазор 16. Регулировка лопаток направляющего аппарата, имеющих оси 17, осуществляется поворотными рычагами 18, с помощью регулировочного троса 19.
Горная береговая микрогидроэлектростанция работает следующим образом: водяной поток посредством напорной трубы для подачи падающей воды поступает в гидротурбину на регулируемые лопатки направляющего аппарата, где происходит преобразование параметров падающей воды, затем водяной поток попадает на лопатки рабочего колеса центробежного типа приводя его во вращение. Лопатки направляющего аппарата регулируются регулировочным тросом. Регулируя параметры воды в направляющем аппарате, изменяется скорость вращения рабочего колеса гидротурбины. Посредством вала рабочего колеса с упругой муфтой вращающий момент гидроколеса передается на мультипликатор и далее - на синхронный генератор, преобразующий механическую энергию вращения в электрическую энергию. Выработанная электроэнергия, через повышающий трехфазный трансформатор непосредственно поступает в ЛЭП, расположенную на берегу реки.
Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство ГБМГЭС отличается от прототипа: мультипликатором для увеличения скорости вращения ротора синхронного генератора; подачей падающей воды на гидротурбину через напорную трубу; устройством поворота лопаток направляющего аппарата гидротурбины, регулируется скорость подачи воды на лопатки рабочего колеса; рабочее колесо гидротурбины выполнено центробежного типа; фундаментная плита выполнена решетчатой, металлической, залита бетоном и снабжена роликами для перемещения по берегу вдоль русла реки.
Технико-экономическим преимуществом горной береговой микрогидроэлектростанции является повышение эффективности и надежности работы, уменьшение себестоимости вырабатываемой электроэнергии за счет: применения мультипликатора для увеличения скорости вращения ротора синхронного генератора; применения напорной трубы для подачи падающей воды на гидротурбину; регулировки лопаток направляющего аппарата для увеличения скорости подачи воды на лопатки рабочего колеса; рабочее колесо гидротурбины выполнено центробежного типа; фундаментная плита выполнена решетчатой, металлической, залита бетоном и снабжена роликами для перемещения по берегу вдоль русла реки.