RU2173745C2

RU2173745C2 - Damless hydroelectric power station

Info

Publication number: RU2173745C2
Application number: RU98123023/13A
Authority: RU
Inventors: Г.Г. Ушаков; Н.Я. Болтухин
Original assignee: Ушаков Григорий Германович; Болтухин Николай Яковлевич
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2001-09-20

Abstract

FIELD: hydraulic engineering; construction of hydroelectric power stations. SUBSTANCE: hydroelectric power station has diversion canal with bottom slope smaller than that of river bottom at station installation site; impulse turbine; bucket-shaped blades fixed over rim of impulse turbine runner; generator; mechanism for reducing runner speed generator speed. Hydroelectric power station has scroll case that functions to convey water current to turbine runner from diversion canal. Man-induced brake mechanism for generator shaft made in the form of controlled fluid coupling is installed in mentioned reducing mechanism. One blade of fluid coupling is fixed on generator shaft, other one is loosely mounted on same shaft and is free to move in axial direction for varying gap between cups of coupling blades to change braking torque on generator shaft from zero to full-speed value. EFFECT: provision for maintaining constant speed and constant torque on runner shaft irrespective of load on generator rotor. 5 dwg

Description

Изобретение относится к гидростроительству и может быть применено при строительстве ГЭС в любой местности. The invention relates to hydraulic engineering and can be applied in the construction of hydroelectric power plants in any area.

До конца 19 века гидростроители отдавали предпочтение активным турбинам /мельничному колесу/, способным брать от речного потока максимум его энергетического потенциала, однако с изобретением и совершенствованием реактивных турбин /винт/, увеличением напоров во вновь строящихся гидроэлектростанциях активные турбины отошли на второй план. Бесплотинная гидроэнергетика - энергетика малых напоров, которая может использовать в качестве источника энергии или энергию свободного потока реки, или напор столба воды между концом деривационного канала и рекой. Малые напоры требуют применения в качестве движителей активных турбин и их совершенствование. Until the end of the 19th century, hydraulic builders preferred active turbines (the mill wheel), capable of taking the maximum of its energy potential from the river flow, however, with the invention and improvement of jet turbines (screw), increased pressure in newly built hydroelectric power plants, active turbines faded into the background. Damless hydropower is the energy of small heads, which can use either the energy of the free flow of the river or the pressure of a column of water between the end of the derivation channel and the river as a source of energy. Small heads require the use of active turbines as engines and their improvement.

Деривационные каналы могут выполняться открытыми и закрытыми /напорный водовод/. Напорный водовод позволяет создать ГЭС большей мощности, однако требует установку непосредственно перед турбинами уравнительного резервуара, в задачу которого входит сглаживание пиков в расходах турбины. Уравнительные резервуары известных конструкций не обеспечивают гашение гидравлических ударов от работы турбины в напорном водоводе, которые по своей силе могут в десятки раз превышать давление на стенки водоводов при статическом режиме. Кроме того, реактивные турбины - это турбины, в которых их вал вращается не от прямого воздействия потока воды на лопатки турбины, а от реактивной составляющей давления этого потока. Такое техническое решение позволяет выполнить процесс работы турбины управляемым, хотя в турбинах этого типа на один киловатт выработанной ими электроэнергии расходуется в два раза больше воды, чем в турбинах активных, например ковшовых. Ковшовые турбины имеют вместо лопаток на своих рабочих колесах ковши, позволяющие получать на валу колеса значительный крутящий момент при минимальных расходах. Это турбины с самым высоким КПД. Сложность заключается в том, что реактивные турбины управляемы в процессе их работы, а для активных турбин еще не найдено техническое решение, позволяющее при малых напорах управлять ими в процессе их эксплуатации. Derivative channels can be open and closed / pressure pipe /. A pressurized water conduit allows you to create a hydroelectric power station of greater power, but it requires the installation of an equalization tank directly in front of the turbines, whose task is to smooth the peaks in the turbine flow rates. Equalization tanks of known designs do not provide damping of hydraulic shocks from the operation of the turbine in a pressure head conduit, which in their strength can exceed tens of times the pressure on the walls of the conduits under static conditions. In addition, jet turbines are turbines in which their shaft rotates not from the direct influence of the water stream on the turbine blades, but from the reactive pressure component of this stream. Such a technical solution allows the turbine operation process to be controlled, although in turbines of this type one kilowatt of the electricity generated by them consumes twice as much water as in active turbines, for example bucket ones. Instead of vanes, bucket turbines have buckets on their impellers, which make it possible to obtain significant torque on the shaft of the wheel at minimum costs. These are turbines with the highest efficiency. The difficulty lies in the fact that jet turbines are controllable during their operation, and for active turbines a technical solution has not yet been found that allows them to be controlled at low pressures during their operation.

Необходимость в этом существует. Максимум мощности активная турбина, например ковшовая, отдает тогда, когда скорость колеса, которое вращает поток, достигает половины скорости этого потока. Достаточно изменить нагрузку на валу колеса и сразу начинает изменяться скорость его вращения. А генераторы общего назначения, выпускаемые отечественной промышленностью, требуют постоянной скорости вращения вала генератора, т.е. движитель бесплотинной гидроэлектростанции должен содержать в себе такой элемент редуцирования чисел оборотов колеса турбины к оборотам вала генератора, который позволял бы вращаться рабочему колесу турбины как с постоянным крутящим моментом на своей оси, так и с постоянной скоростью, при неизменных параметрах потока реки и вне зависимости от нагрузок на генератор. There is a need for this. An active turbine, for example a bucket, gives maximum power when the speed of the wheel that rotates the stream reaches half the speed of this stream. It is enough to change the load on the wheel shaft and its rotation speed immediately begins to change. And general-purpose generators manufactured by domestic industry require a constant rotation speed of the generator shaft, i.e. the mover of the damless hydroelectric power station must contain such an element for reducing the speed of the turbine wheel to the generator shaft speed, which would allow the turbine to rotate both with constant torque on its axis and at a constant speed, with constant parameters of the river flow and regardless of generator loads.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является деривационная гидроэлектростанция с ковшовыми турбинами /см. "Гидроэнергетические установки". Под редакцией Щавелева Д.С. Л.: Энергия, 1972, с. 241/. Все недостатки активных турбин и гидроэлектростанции с деривационными каналами, о которых шла выше речь, присущи прототипу. Closest to the technical nature of the present invention is a derivational hydroelectric power station with bucket turbines / cm. "Hydropower installations." Edited by D. Shchavelev L .: Energy, 1972, p. 241 /. All the disadvantages of active turbines and hydroelectric power stations with derivative channels, which were discussed above, are inherent in the prototype.

Цель изобретения - обеспечить вращение рабочего колеса турбины с постоянной скоростью и обеспечить постоянный крутящий момент на его оси вне зависимости от нагрузок на роторе генератора и тем самым обеспечить постоянство вращения вала генератора независимо от электрических нагрузок в его сети. The purpose of the invention is to ensure the rotation of the impeller of the turbine at a constant speed and to provide a constant torque on its axis, regardless of the loads on the rotor of the generator, and thereby ensure a constant rotation of the shaft of the generator regardless of the electrical loads in its network.

Поставленная цель достигается тем, что бесплотинная гидроэлектростанция включает деривационный канал, выполненный с уклоном дна, меньшим уклона дна реки в месте установки гидроэлектростанции, активную турбину, по ободу рабочего колеса которой жестко закреплены лопатки, выполненные в виде ковшей, генератор и механизм редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора, для подвода водотока из деривационного канала к рабочему колесу турбины гидроэлектростанция имеет спиральную камеру, а в механизме редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора установлен механизм искусственного торможения вала генератора, выполненный, например, в виде управляемой гидродинамической муфты, одна крыльчатка которой жестко закреплена на валу генератора, а вторая крыльчатка закреплена на этом валу подвижно в осевом направлении с возможностью изменения зазора между чашками крыльчаток муфты для регулирования величины тормозного момента на валу генератора от нуля до значения максимального крутящего момента. This goal is achieved in that the damless hydroelectric power station includes a diversion channel made with a slope of the bottom less than the slope of the river bottom at the place of installation of the hydroelectric power station, an active turbine with blades made in the form of buckets rigidly fixed along the rim of the impeller, a generator and a mechanism for reducing the impeller speed turbines to the generator’s revolutions, for supplying a water stream from the derivation channel to the turbine impeller, the hydroelectric power station has a spiral chamber, and in the reduction mechanism from the turbine impeller to the generator speed there is installed a mechanism for artificial braking of the generator shaft, made, for example, in the form of a controlled hydrodynamic coupling, one impeller of which is rigidly fixed to the generator shaft, and the second impeller is axially movably mounted on this shaft with the possibility of changing the clearance between the cups clutch impellers to regulate the amount of braking torque on the generator shaft from zero to the maximum torque value.

На чертежах (фиг. 1-5) показаны русло реки 1 с уклоном дна реки i_дна, водозабор 2 деривационного канала 3 с затвором 4, смонтированного на эстакаде 5. Уклон деривационного канала 3 i_эст. меньше уклона дна реки i_реки. В том месте, где уровень потока воды в деривационном канале превысит уровень воды в реке на величину расчетного напора H_полн., вертикально установлена спиральная камера 6 активной ковшовой турбины 8. В месте перехода канала 3 в спиральную камеру 6 в боковых стенках канала выполнены водосливы 7 с общей длиной полок водослива не менее 3-х глубин канала в месте водослива.The drawings (Fig. 1-5) show the riverbed 1 with a slope of the bottom of the river i _bottom , water intake 2 of the derivation channel 3 with a shutter 4 mounted on the flyover 5. The slope of the derivation channel 3 i _est. less slope of the bottom of the river i _river . In the place where the level of water flow in the derivation channel exceeds the water level in the river by the value of the design head H _full. , a spiral chamber 6 of the active bucket turbine 8 is vertically installed. At the place where the channel 3 passes into the spiral chamber 6, weirs 7 are made in the side walls of the channel with a total length of spillway shelves of at least 3 channel depths in the place of the spillway.

Рабочее колесо турбины 8 может состоять из нескольких отдельных колес 10, как это показано на фиг.2, или представлять собой единое колесо шириной B_к, как это показано на фиг.5.The impeller of the turbine 8 may consist of several separate wheels 10, as shown in figure 2, or to represent a single wheel of width B _to , as shown in figure 5.

По ободу рабочего колеса жестко закреплены ковши 11. Ось 9 рабочего колеса 10 турбины вращается в подшипниках 12. На консоли оси закреплены звездочки 13 закрытой цепной передачи механизма редуцирования оборотов колеса к оборотам генератора. Закрытая передача через конусную муфту 14, редуктор 15, мягкую муфту 16 соединена с валом генератора 17. На этом же валу редуктора 15 с его противоположной стороны через муфту 25 закреплена гидродинамическая муфта 18, представляющая собой разновидность управляемой реактивной турбины. Одна крыльчатка муфты закреплена на валу жестко и вращается вместе с валом генератора, вторая крыльчатка 24 муфты 18 закреплена на этом же валу подвижно только в осевом направлении. Изменяя зазор между чашками крыльчаток муфты 18, можно менять величину тормозного момента на оси генератора от нуля до максимального крутящего момента при полной электрической нагрузке на него. Buckets 11 are rigidly fixed along the rim of the impeller. The axis 9 of the turbine impeller 10 rotates in the bearings 12. Asterisks 13 of the closed chain transmission of the mechanism for reducing the wheel speed to the generator speed are fixed on the axis console. A closed transmission through a cone clutch 14, a gearbox 15, a soft clutch 16 is connected to the shaft of the generator 17. On the same shaft of the gearbox 15 from its opposite side, a hydrodynamic clutch 18 is fixed through the clutch 25, which is a type of controlled jet turbine. One clutch impeller is fixed on the shaft rigidly and rotates together with the generator shaft, the second impeller 24 of the clutch 18 is movably mounted on the same shaft only in the axial direction. By changing the gap between the cups of the impellers of the coupling 18, it is possible to change the amount of braking torque on the axis of the generator from zero to maximum torque at full electric load on it.

Рабочее колесо 10 закрыто кожухом 19. Все оборудование размешено в помещении машинного зала 20. The impeller 10 is closed by a casing 19. All equipment is placed in the room of the machine room 20.

Спиральная камера 6 на своем конце имеет ряд сопел цилиндрической формы. Количество сопел равно количеству колес на оси 9. The spiral chamber 6 at its end has a series of cylindrical nozzles. The number of nozzles is equal to the number of wheels on the axis 9.

Каждое сопло закрывается специальным конусом. Привод всех конусов объединен в один. Движение конусов кинематически связано с генератором станции и зависит от электрической нагрузки на него или на них, если станция имеет несколько генераторов, работающих от одного рабочего колеса турбины. Прикрывая или открывая конусный затвор сопел, можно регулировать мощность на валу рабочего колеса активной турбины 8 или полностью останавливать его. Each nozzle is closed with a special cone. The drive of all cones is combined into one. The movement of the cones is kinematically connected with the generator of the station and depends on the electrical load on it or on them, if the station has several generators operating from one impeller of the turbine. By covering or opening the conical shutter of the nozzles, you can adjust the power on the impeller shaft of the active turbine 8 or completely stop it.

Водослив 7 водоводом 22 связан с рекой 1 или с деривационным каналом последующей очереди станции. Водосливы 7, турбина 8, спиральная камера 6 механизма редуцирования 15, включающего в себя весь набор механизмов для изменения числа оборотов генерирования тока, - все размещено в одном здании 23 гидростанции. Spillway 7 by a water conduit 22 is connected with the river 1 or with the derivation channel of the next stage of the station. Spillways 7, turbine 8, spiral chamber 6 of the reduction mechanism 15, which includes the entire set of mechanisms for changing the number of revolutions of the current generation, are all located in one building 23 of the hydroelectric power station.

Гидродинамическая муфта 18, работающая в совокупности с генератором, призвана обеспечить постоянство крутящего момента на валу турбины вне зависимости от нагрузок на генератор. The hydrodynamic coupling 18, working in conjunction with the generator, is designed to provide a constant torque on the turbine shaft, regardless of the load on the generator.

Применение в приводе генератора гидродинамической муфты 18 решает поставленную задачу, однако не является единственным техническим решением. Вместо муфты 18 с управляемым тормозным моментом можно использовать реактивную турбину, укрепленную на одном валу с активной, центробежный или масляный насосы, с дросселированием их потока жидкости в зависимости от изменения электрической нагрузки на генератор. The use of a hydrodynamic clutch 18 in the generator drive solves the problem, but it is not the only technical solution. Instead of a clutch 18 with controlled braking torque, a jet turbine mounted on one shaft with an active, centrifugal or oil pump can be used, with a throttling of their fluid flow depending on changes in the electric load on the generator.

Работает станция следующим образом. The station operates as follows.

После того как будет открыт затвор 4 водозабора и вода заполнит деривационный канал 3, она через водослив 7 поступает сначала в канал 22, а через него обратно в реку 1. В это время затвор 21 спиральной камеры 6 закрыт, поэтому и колесо, и генератор остаются без движения. При включении привода затвора 21 вода из спиральной камеры начинает поступать в ковши рабочего колеса 10. После того как затвор 21 отойдет на заданный угол и колесо наберет обороты, включается гидродинамическая муфта 18, если в качестве тормозного механизма с управляемым тормозным моментом выбрана именно гидродинамическая муфта, а не насос, электродвигатель постоянного тока с реостатом и прочее, которая создает тормозной момент, равный тормозному моменту генератора 17 при полной его электрической загрузке. Обороты колеса при этом уменьшаются и после того, как окружная скорость колеса будет равна половине скорости струи водотока сопла, число оборотов колеса стабилизируется и стабилизируются все параметры водотока во всем деривационном канале. Только после этого включается генератор 17. Ротор генератора на холостых режимах набирает необходимые обороты, и генератор ставится в режим автоматического управления, при котором тормозной момент гидродинамической муфты 18 пропорционально зависит от электрических нагрузок на генератор. С включением потребителей тока автоматически уменьшается тормозной момент гидродинамической муфты 18. Однако крутящий момент на оси рабочего колеса, скорость его вращения, скорость потока в деривационном канале, секундный расход воды в нем - все остается неизменным, как бы резко не изменялись нагрузки на генератор, какой бы бурной или наоборот тихой и мелководной в этот момент не была река. After the gate 4 of the intake is opened and the water fills the derivation channel 3, it first enters the channel 22 through the spillway 7 and then back into the river 1. At this time, the gate 21 of the spiral chamber 6 is closed, therefore both the wheel and the generator remain motionless. When the shutter drive 21 is turned on, water from the spiral chamber begins to flow into the buckets of the impeller 10. After the shutter 21 moves to a predetermined angle and the wheel picks up speed, the hydrodynamic clutch 18 is turned on if the hydrodynamic clutch is chosen as the braking mechanism with controlled braking torque, and not a pump, a direct current electric motor with a rheostat, etc., which creates a braking torque equal to the braking torque of the generator 17 when it is fully charged. The wheel speed is reduced, and after the peripheral speed of the wheel is equal to half the speed of the jet stream of the nozzle, the wheel speed is stabilized and all the parameters of the water stream in the entire derivation channel are stabilized. Only after that the generator 17 is turned on. The rotor of the generator at idle is gaining the necessary speed, and the generator is put into automatic control, in which the braking torque of the hydrodynamic clutch 18 is proportionally dependent on the electrical loads on the generator. With the inclusion of current consumers, the braking torque of the hydrodynamic coupling 18 automatically decreases. However, the torque on the axis of the impeller, its rotation speed, flow rate in the derivation channel, and the second water flow rate in it all remain unchanged, no matter how drastically the generator loads change, which the river would not be turbulent or, on the contrary, quiet and shallow at this moment.

Claims

A damless hydroelectric power station, including a derivation channel with a slope of the bottom less than the slope of the river bottom at the place of installation of the hydroelectric power station, an active turbine with blades made in the form of buckets rigidly fixed along the rim of the impeller, a generator and a mechanism for reducing the speed of the turbine impeller to the generator speed, characterized in that for supplying a water stream from the derivation channel to the impeller of the turbine, the hydroelectric power station has a spiral chamber, and in the mechanism for reducing the revolutions of the worker the turbine’s wheels, the generator shaft is equipped with a mechanism for artificial braking of the generator shaft, made, for example, in the form of a controlled hydrodynamic coupling, one impeller of which is rigidly fixed to the generator shaft, and the second impeller is axially mounted on this shaft with the possibility of changing the clearance between the impeller cups couplings for regulating the amount of braking torque on the generator shaft from zero to the maximum torque value.