PL218669B1 - Zatapialny zespół turbiny, układ do sterowania zatapialnym zespołem turbiny oraz mała elektrownia wodna z takim zatapialnym zespołem turbiny - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest zatapialny zespół turbiny, układ do sterowania zatapialnym zespołem turbiny oraz mała elektrownia wodna z takim zatapialnym zespołem turbiny.

Najbardziej rozpowszechnioną turbiną stosowaną do zabudowy piętrzeń małych rzek jest turbina Kapłana. Poszczególne jej odmiany różnią się między sobą kątem nachylenia osi wirnika do powierzchni wody, rodzajem kształtu kanału dolotowego, usytuowaniem generatora względem osi turbiny, ilością łopat oraz sposobem sterowania. W głowicy stanowiącej jej zawieszenie, może znajdować się przekładnia lub cały generator. Istnieją również modele turbin w układzie pionowym i poziomym jak również turbozespoły zatapialne. Tego typu turbozespoły montowane są bezpośrednio na jaz, co zmniejsza koszty budowli hydrotechnicznej.

Z opisu zgłoszeniowego P-329337 znana jest mała elektrownia wodna, która zainstalowana jest w jazie. Turbiny śmigłowe i zamknięcia wlotów do turbin zamontowane są w ruchomym zamknięciu jazu w postaci zasuwy. Prądnice asynchroniczne połączone są z siecią energetyczną przewodami elastycznymi, czujnik poziomu spiętrzonej wody zamontowany jest na zasuwie. Sterownik mikroprocesorowy, współpracujący z czujnikiem poziomu spiętrzonej wody, steruje zamknięciem wlotów do turbin, załączając odpowiednią ilość turbin. Sposób sterowania polega na tym, że przy załączaniu elektrowni spiętrza się wodę do zadanego poziomu początkowego, otwiera się przepływ przez turbiny i mierzy się czas opadania lub podnoszenia się wody do poziomu pomiaru końcowego. Według tego czasu oblicza się w sterowniku natężenie przepływu wody przez jaz i ustala się optymalną liczbę turbin.

Z opisu patentowego P-207540 znana jest elektrownia wodna do wytwarzania energii elektrycznej w drodze przemiany energii przepływu wody za pomocą maszyny przepływowej z wirnikiem, generatorem i pływakiem. Maszyna przepływowa jest zakotwiona, zaś wirnik ustawiony w kierunku przepływu. Maszyna przepływowa jest utrzymywana pod powierzchnią wody w stanie unoszenia, zaś jej pływak jest opcjonalnie zasilany czynnikiem gazowym lub zatapiany.

W znanych układach sterowania pracą turbiny, podstawowym parametrem regulowanym jest prędkość obrotowa wału turbiny, która musi być wielkością stałą.

Celem wynalazku jest opracowanie nowego rozwiązania turbozespołu o podwyższonej sprawności produkcji energii elektrycznej przy zmiennych warunkach przepływu.

Zatapialny zespół turbiny według wynalazku, zawiera generator na magnesach stałych, usytuowany w szczelnym korpusie oraz połączoną z nim turbinę wodną z wałem transmisyjnym drążonym, wyposażoną w układ sterowania łopatek, przy czym generator i turbina usytuowane są na wspólnym, pionowym wale transmisyjnym drążonym, a cały zatapialny zespół turbiny połączony jest z układem sterowania i charakteryzuje się tym, że korpus generatora z jednej strony połączony jest z turbiną poprzez wał stały, zamocowany trwale w pokrywie korpusu generatora i ułożyskowany w tulei górnej wału transmisyjnego drążonego turbiny, zaś z drugiej strony korpus generatora połączony jest z turbiną poprzez tuleję dolną osadzoną na wale transmisyjnym drążonym turbiny, przy czym wewnątrz korpusu generatora panuje nadciśnienie stanowiące uszczelnienie wnętrza korpusu generatora, w miejscu połączenia wału transmisyjnego drążonego z tuleją dolną zaś wielkość tego nadciśnienia utrzymywana jest poprzez układ sterujący, połączony z czujnikami poziomu wody, usytuowanymi na tulei dolnej wału transmisyjnego drążonego, zaś cały zatapialny zespół turbiny połączony jest z trójstopniowym układem sterowania przepływu.

Zatapialny zespół turbiny charakteryzuje się tym, że wnętrze korpusu generatora wypełnione jest sprężonym gazem, korzystnie azotem.

Zatapialny zespół turbiny charakteryzuje się tym, że w korpusie generatora usytuowana jest rura osłonowa na przewody elektryczne, hydrauliczne oraz na przewód doprowadzający sprężony gaz.

Zatapialny zespół turbiny charakteryzuje sie tym, że ułożyskowanie wału stałego korzystnie zawiera co najmniej jedno łożysko skośne.

Zatapialny zespół turbiny charakteryzuje sie tym, że trójstopniowy układ sterowania przepływu stanowi generator o zmiennej prędkości obrotowej, regulowany aparat kierowniczy turbiny ze sterowalnymi łopatkami i układ sterowania łopatek wirnika.

Zatapialny zespół turbiny charakteryzuje się tym, że układ sterowania łopatek wirnika korzystnie składa się z tłoka hydraulicznego i cięgna, które jest obrotowo połączone z tłokiem siłownika, zaś cylinder hydrauliczny jest częścią wału stałego.

Układ sterowania zatapialnym zespołem turbiny zawierający mikroprocesorowy sterownik i czujnik poziomu wody górnej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że czynnikiem sterującym

PL 218 669 B1 jest poziom wody górnej rejestrowany przez czujnik poziomu wody górnej, z którego sygnał podawany jest do bloku regulowanego aparatu kierowniczego oraz do bloku porównawczego, zaś do sterownika mikroprocesorowego o zadanych parametrach optymalnej pracy, wprowadzany jest sygnał z bloku regulowanego aparatu kierowniczego, z bloku porównawczego, z generatora , z wału transmisyjnego drążonego oraz z wirnika, a następnie ze sterownika podawany jest sygnał do regulatora zastawki i regulatora wirnika.

Układ sterowania charakteryzuje się tym, że blok regulowanego aparatu kierowniczego składa się ze sterownika kierownicy, który podaje sygnał na regulator kierownicy, zaś ten steruje łopatkami kierownicy.

Układ charakteryzuje się tym ,że na blok porównawczy podawany jest sygnał z czujnika poziomu wody górnej i czujnika poziomu wody dolnej.

Mała elektrownia wodna zawierająca zatapialny zespół turbiny oraz układ sterujący i budowle hydrotechniczne do zainstalowania turbozespołu, charakteryzuje się tym, że zawiera zatapialny zespół turbiny według wynalazku, sterowany układem według wynalazku, przy czym zatapialny zespół turbiny posadowiony jest na fundamencie poniżej poziomu wody górnej, zaś rura ssąca zanurzona jest poniżej poziomu wody dolnej, przy czym w części naziemnej usytuowana jest wyłącznie aparatura sterownicza, połączona z zatapialnym zespołem turbiny jedną rurą osłonową.

Rozwiązanie według wynalazku eliminuje konieczność budowy budynku elektrowni. Konstrukcja turbiny zapewniająca trójstopniową regulację przepływu, daje znacznie większe możliwości dostosowania się turbiny do zmiennych warunków hydrologicznych, dzięki czemu możliwe jest podniesienie sprawności całkowitej produkcji energii elektrycznej. Mała elektrownia oparta na takim urządzeniu jest stosunkowo tania, a jednocześnie wydajna, co w rezultacie umożliwia jej szerokie rozpowszechnienie. Zastosowany układ sterowania zatapialnym zespołem turbiny zwiększa zakres sterowania w stosunku do standardowej turbiny Kapłana, ponieważ w pełni zachowuje możliwości sterowania wynikające z ruchomych łopatek kierownicy i wirnika a dodatkowo rozszerza zakres sterowania o możliwość zmiany prędkości obrotowej generatora. Ponadto w rozwiązaniu według wynalazku sterowanie poziomem wody górnej jest bezpośrednio w linii sterowania turbiną.

Wynalazek w przykładzie wykonania pokazany jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zatapialny zespół turbiny w przekroju pionowym, fig. 2 przedstawia układ sterowania zatapialnym zespołem turbiny, zaś fig. 3 przedstawia małą elektrownię wodną z zatapialnym zespołem turbiny według wynalazku. W przykładzie wykonania zatapialny zespół turbiny składa się z generatora 1 na magnesach stałych, który ma zmienną prędkość obrotową oraz z turbiny z regulowanym aparatem kierowniczym 2 wyposażonym w sterowane łopatki 3 i z zespołem wirnika 4 wyposażonego w sterowane łopatki 5. Regulowany aparat kierowniczy 2 steruje napływem. Wirnik 4 zawieszony jest na wale transmisyjnym drążonym 6, który zakończony jest tuleją 7. Do tulei 7 wału transmisyjnego drążonego 6 przykręcony jest wirnik 8 generatora 1. W tulei 7 wału transmisyjnego drążonego 6 znajduje się główne łożyskowanie. Tuleja 7 i wał transmisyjny 6 połączone są w sposób stały. Wał transmisyjny drążony 6 wraz z wirnikiem 4 turbiny jest zawieszony w sposób obrotowy przy pomocy dwóch łożysk 9 i 10 na wale stałym 11. Wał stały 11 jest w sposób trwały połączony z korpusem 12 generatora 1. Łożysko 9 jest łożyskiem skośnym umożliwiającym przeniesienie sił poprzecznych i poosiowych - ciężaru własnego wału transmisyjnego drążonego 6 i turbiny oraz sił osiowych powstających podczas pracy turbiny. Łożysko 10 przenosi wyłącznie siły poprzeczne i umożliwiającego usztywnienie wału stałego 11 i przenoszenie sił prostopadłych do osi wału stałego 11. Kąt nachylenia łopatek 5 wirnika 4 turbiny sterowany jest poprzez cięgno sterujące 13. Cięgno sterujące 13 przechodzi przez całość wału transmisyjnego drążonego 6 i zakończane jest tłokiem hydraulicznym 14. Tłok hydrauliczny 14 pracuje w cylindrze 15 wykonanym bezpośrednio w wale stałym 11. Cięgno sterujące 13 wiruje łącznie z turbiną i wałem transmisyjnym drążonym 6 i jest obrotowo połączone z tłokiem hydraulicznym 14, który nie wykonuje ruchu obrotowego. Połączenie obrotowe jest uzyskane przy użyciu dwóch łożysk 9 i 10. Łożyska 9 i 10 umożliwiają przenoszenie sił poosiowych z tłoka hydraulicznego 14 na cięgno sterujące 13 i odwrotnie. Ruch osiowy cięgna sterującego 13 zapewnia możliwość sterowania kątem natarcia łopatek 5 wirnika 4. Sterowanie położeniem tłoka hydraulicznego 14 realizowane jest poprzez układ hydrauliczny. Ciecz hydrauliczna dostarczana jest poprzez kanały wiercone w wale stałym 11 oraz sztywne przewody zasilające 16. Całość korpusu 12 generatora 1 jest zanurzona pod powierzchnią wody i uszczelniona w sposób nadciśnieniowy. Korpus 12 jest szczelny z wyjątkiem miejsca gdzie wychodzi z niego wał transmisyjny drążony 6. Zastosowana jest tam tuleja dolna 17 z czujnikami poziomu wody 18. Nadciśnienie w komorze generatora 1 wywoływane jest poprzez podawanie sprężonego gazu

PL 218 669 B1 do wnętrza komory generatora 1 poprzez rurę osłonową 19. Niewielka szczelina pomiędzy wałem transmisyjnym drążonym 6 i tuleją dolną 17 pozwala na uzyskanie odpowiedniego nadciśnienia, a czujniki poziomu wody 18 w tulei dolnej 17 umożliwiają dostosowanie ciśnienia panującego wewnątrz komory generatora 1 do aktualnego ciśnienia hydrostatycznego panującego na zewnątrz. Ciśnienie hydrostatyczne może być różne w zależności od zmian poziomu wody górnej. Wzrost ciśnienia hydrostatycznego spowoduje podniesienie się poziomu wody w tulei dolnej 17. Sygnał z czujników poziomu wody 18 stwierdzający wzrost poziomu wody spowoduje zwiększenie ciśnienia wewnątrz komory generatora 1. Z korpusu 12 generatora 1 wychodzi tylko jeden przewód sztywny w postaci rury osłonowej 19, w której znajdują się wszystkie przewody sterujące, przewody hydrauliczne, przewody elektryczne transmitujące wytwarzaną przez generator 1 energię elektryczną oraz podawany jest gaz dla uzyskania nadciśnienia wewnątrz komory generatora 1.

Zatapialny zespół turbiny jest sterowany trójstopniowym układem sterowania przepływu, w którym podstawowym parametrem wejściowym, sterowanym jest poziom wody górnej. Zmiany tego poziomu rejestruje czujnik poziomu wody górnej 18. Po odnotowaniu zmiany poziomu wody górnej czujnik 18 wysyła sygnał informujący o aktualnym poziomie wody górnej do sterownika kierownicy 20. Sterownik kierownicy 20 posiada parametr zadany w postaci ustawień optymalnych dla określonego poziomu. Sterownik kierownicy 20 wysyła sygnał sterujący do regulatora kierownicy 21, który steruje ustawieniem łopatek 3 regulowanego aparatu kierowniczego 2 w sposób odpowiedni do aktualnego poziomu wody. Regulowany aparat kierowniczy 2 wysyła sygnał informacyjny o aktualnym położeniu łopatek 3 do mikroprocesorowego sterownika 22. Ponadto do mikroprocesorowego sterownika 22 zostają wprowadzone sygnały z generatora 1 informujące o aktualnej sprawności generatora 1, sygnały z wirnika 4 informujące o aktualnym położeniu jego łopatek 5, sygnały o aktualnej prędkości obrotowej wału transmisyjnego drążonego 6 oraz sygnał o aktualnym poziomie piętrzenia. Sygnał o aktualnym poziomie piętrzenia pochodzi z bloku porównawczego 23, który porównuje sygnały informacyjne z czujników poziomu wody górnej 18 i czujników poziomu wody dolnej 24. Mikroprocesorowy sterownik 22 porównuje wszystkie sygnały wejściowe z parametrem zadanym jakim jest zestawienie ustawień optymalnych pracy układu. Mikroprocesorowy sterownik 22 wysyła dwa sygnały sterujące. Pierwszy do regulatora wirnika 25, który steruje kątem natarcia łopatek 5 wirnika 4 ustawiając go w sposób optymalny w stosunku do innych czynników (ustawienie łopatek 3 regulowanego aparatu kierowniczego 2, możliwej do uzyskania max sprawności i prędkości obrotowej generatora 1, poziomu piętrzenia). Drugi z sygnałów sterujących wysyłany jest do regulatora zastawki 26, który steruje zastawką jazu 27 umożliwiając zachowanie poziomu piętrzenia. Taki sposób sterowania zwiększa jego zakres w stosunku do standardowej turbiny Kapłana, ponieważ w pełni zachowuję możliwości sterowania wynikające z ruchomych łopatek kierownicy i wirnika a dodatkowo rozszerza zakres sterowania o możliwość zmiany prędkości obrotowej generatora. Ponadto w tym rozwiązaniu sterowanie poziomem wody górnej jest bezpośrednio w linii serowania turbiną ponieważ po pierwsze z uwagi na szerszy zakres sterowania, sterowanie poziomem z wykorzystaniem turbiny jest większe, a po drugie regulator zastawki 26 jest sterowany mikroprocesorowym sterownikiem 22. Odbywa się to w taki sposób, że kiedy mikroprocesorowy sterownik 22 stwierdzi stan krańcowy (maksymalnego lub minimalnego przepływu przy którym jest w stanie pracować generator 1) steruje w odpowiedni sposób regulatorem zastawki 26, a zarazem zastawką jazu 27.

Mała elektrownia wodna zawiera zatapialny zespół turbiny według wynalazku usytuowany pionowo oraz układ sterujący tym zespołem, przy czym zatapialny zespół turbiny posadowiony jest na fundamencie 28 poniżej poziomu wody górnej, zaś rura ssąca 29 zanurzona jest poniżej poziomu wody dolnej, przy czym w części naziemnej 30 usytuowana jest wyłącznie aparatura sterownicza połączona z zatapialnym zespołem turbiny jedną rurą osłonową 19.

Claims (10)

1. Zatapialny zespół turbiny zawiera generator na magnesach stałych, usytuowany w szczelnym korpusie oraz połączoną z nim turbinę wodną z wałem transmisyjnym drążonym, wyposażoną w układ sterowania łopatek, przy czym generator i turbina usytuowane są na wspólnym, pionowym wale transmisyjnym drążonym, a cały zatapialny zespół turbiny połączony jest z układem sterowania, znamienny tym, że korpus (12) generatora (1) z jednej strony połączony jest z turbiną poprzez wał stały (11), zamocowany trwale w pokrywie korpusu (12) generatora (1) i ułożyskowany w tulei górnej (7)

PL 218 669 B1 wału transmisyjnego drążonego turbiny (6), zaś z drugiej strony korpus (12) generatora (1) połączony jest z turbiną poprzez tuleję dolną (17), osadzoną na wale transmisyjnym drążonym turbiny (6), przy czym wewnątrz korpusu (12) generatora (1) panuje nadciśnienie stanowiące uszczelnienie wnętrza korpusu (12) generatora (1), w miejscu połączenia wału transmisyjnego drążonego (6) z tuleją dolną (17), zaś wielkość tego nadciśnienia utrzymywana jest poprzez układ sterujący, połączony z czujnikami poziomu wody (18), usytuowanymi na tulei dolnej (17) wału transmisyjnego drążonego (6), zaś cały zatapialny zespół turbiny połączony jest z trójstopniowym układem sterowania przepływu.

2. Zatapialny zespół turbiny według zastrz. 1, znamienny tym, że wnętrze korpusu (12) generatora (1) wypełnione jest sprężonym gazem, korzystnie azotem.

3. Zatapialny zespół turbiny według zastrz. 1, znamienny tym, że w pokrywie korpusu (12) generatora (1) usytuowana jest rura osłonowa (19) na przewody elektryczne, hydrauliczne oraz na przewód doprowadzający sprężony gaz.

4. Zatapialny zespół turbiny według zastrz. 1, znamienny tym, że ułożyskowanie wału stałego (11) korzystnie zawiera co najmniej jedno łożysko skośne (9).

5. Zatapialny zespół turbiny według zastrz. 1, znamienny tym, że trójstopniowy układ sterowania przepływu stanowi generator (1) o zmiennej prędkości obrotowej, regulowany aparat kierowniczy (2) turbiny ze sterowalnymi łopatkami (3) i układ sterowania łopatek (5) wirnika (4).

6. Zatapialny zespół turbiny, według zastrz. 1, znamienny tym, że układ sterowania łopatek (5) wirnika (4) korzystnie składa się z tłoka hydraulicznego (14) i cięgna (13), które jest obrotowo połączone z tłokiem hydraulicznym (14), zaś cylinder hydrauliczny (15) jest częścią wału stałego (11).

7. Układ sterowania zatapialnym zespołem turbiny zawierający mikroprocesorowy sterownik i czujnik poziomu wody górnej, znamienny tym, że czynnikiem sterującym jest poziom wody górnej rejestrowany przez czujnik poziomu wody (18), z którego sygnał podawany jest do bloku regulowanego aparatu kierowniczego (2) oraz do bloku porównawczego (23), zaś do sterownika mikroprocesorowego (22) o zadanych parametrach optymalnej pracy, wprowadzany jest sygnał z bloku regulowanego aparatu kierowniczego (2), z bloku porównawczego (23), z generatora (1), z wału transmisyjnego drążonego (6) oraz z wirnika (4), a następnie z mikroprocesorowego sterownika (22) podawany jest sygnał do regulatora zastawki (26) i regulatora wirnika (25).

8. Układ sterowania według zastrz. 7, znamienny tym, że blok regulowanego aparatu kierowniczego (2) składa się ze sterownika kierownicy(20), który podaje sygnał na regulator kierownicy(21), zaś ten steruje łopatkami (3) regulowanego aparatu kierowniczego (2).

9. Układ sterowania według zastrz. 7, znamienny tym, że na blok porównawczy (23) podawany jest sygnał z czujnika poziomu wody (18) górnej i czujnika poziomu wody (24) dolnej.

10. Mała elektrownia wodna zawierająca zatapialny zespół turbiny oraz układ sterujący i budowle hydrotechniczne do zainstalowania turbozespołu, znamienna tym, że zawiera zatapialny zespół turbiny według zastrz. od 1 do 6, sterowany układem według zastrz. od 7 do 9, przy czym zatapialny zespół turbiny posadowiony jest na fundamencie (28) poniżej poziomu wody górnej, zaś rura ssąca (29) zanurzona jest poniżej poziomu wody dolnej, przy czym w części naziemnej (3) usytuowana jest wyłącznie aparatura sterownicza połączona z zatapialnym zespołem turbiny jedną rurą osłonową (19).