RU2187691C2 - Channel hydropower unit - Google Patents
Channel hydropower unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2187691C2 RU2187691C2 RU2000106224/06A RU2000106224A RU2187691C2 RU 2187691 C2 RU2187691 C2 RU 2187691C2 RU 2000106224/06 A RU2000106224/06 A RU 2000106224/06A RU 2000106224 A RU2000106224 A RU 2000106224A RU 2187691 C2 RU2187691 C2 RU 2187691C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- turbine
- hydraulic
- hydraulic unit
- flow
- hydraulic turbine
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
Abstract
Description
Изобретение относится к гидроагрегатам и может быль использовано в русловых гидроустановках для отбора части естественной кинетической энергии течения рек и ручьев и превращения ее в механическую энергию вращения с последующим преобразованием в электрическую. The invention relates to hydraulic units and could be used in channel hydraulic installations to select part of the natural kinetic energy of the flow of rivers and streams and turn it into mechanical energy of rotation, followed by conversion into electrical energy.
Известна наплавная водяная турбина (МКИ F 03 В 3/04, патент США 4849647, 1989 г.), представляющая собой протяженный цилиндрический объект из материала легче воды с винтовыми лопастями на его поверхности. Турбина, поддерживаемая на поверхности воды силами Архимеда, взаимодействует винтовыми лопастями с потоком воды и преобразует часть кинетической энергии потока воды, сметающего турбину, в механическую энергию вращения турбины. К торцам турбины закреплены тяги - гибкие валы, которые обеспечивают крепление турбины к берегам реки или ручья и передачу вращательной механической энергии к генератору. Known floating water turbine (MKI F 03 B 3/04, US patent 4849647, 1989), which is an extended cylindrical object made of a material lighter than water with helical blades on its surface. The turbine supported on the water surface by Archimedes forces interacts with the helical blades with the water stream and converts part of the kinetic energy of the water stream sweeping the turbine into mechanical energy of rotation of the turbine. Thrusts are attached to the ends of the turbine — flexible shafts that secure the turbine to the banks of a river or stream and transmit rotational mechanical energy to the generator.
Недостатками данной турбины являются: низкий коэффициент использования энергии потока воды, сметающего турбину (менее 15%), крепление с двух берегов, невозможность защиты турбины от попадания плавучих предметов, которые могут повредить ее или нарушить режим ее работы, оказавшись захваченными ею, а также невозможность работы в зимних условиях, когда турбина подвергается оледенению и вмерзанию в лед. The disadvantages of this turbine are: low energy efficiency of the water flow sweeping the turbine (less than 15%), fastening from two sides, inability to protect the turbine from ingress of floating objects that could damage it or disrupt its operation, being trapped by it, as well as the impossibility work in winter conditions when the turbine is subjected to glaciation and freezing in ice.
Известна свободнопоточная гидросиловая установка (МКИ F 03 B, а.с. СССР 153883, 1963; МКИ F 03 C, а.с. СССР 175906, 1965; Щапов Н. М. Турбинное оборудование гидростанций, М.-Л., КЭИ, 1955, с. 287), содержащая закрепленный на силовом тросе, работающем как гибкий вал, ряд поперечных турбин-вингроторов, образующих турбинную гирлянду, которая устанавливается поперек водного потока. Концы троса закреплены с возможностью вращения на двух береговых опорах, а на одной из них помещен генератор, ротор которого кинематически связан с тросом турбинной гирлянды. Турбины, взаимодействуя с потоком воды, превращают часть кинетической энергии потока в механическую энергию вращения. Жесткая связь турбин с тросом обеспечивает передачу механической энергии вращения на генератор для преобразования в электрическую. Known free-flow hydraulic power unit (MKI F 03 B, USSR AS 153883, 1963; MKI F 03 C, USSR AS 175906, 1965; N. M. Shchapov Turbine equipment of hydroelectric power stations, M.-L., KEI, 1955, p. 287), comprising a series of transverse vingrotor turbines mounted on a power cable operating as a flexible shaft, forming a turbine garland that is mounted across the water stream. The ends of the cable are rotatably fixed on two coastal supports, and on one of them a generator is placed, the rotor of which is kinematically connected with the cable of a turbine garland. Turbines interacting with the flow of water turn part of the kinetic energy of the flow into mechanical energy of rotation. A rigid connection between the turbines and the cable provides the transfer of mechanical rotation energy to the generator for conversion into electrical energy.
Для установки характерны следующие недостатки:
1. Трудность стабилизации положения гирлянды в потоке воды. Гирлянда раскачивается в потоке в вертикальной плоскости под действием силы Магнуса, возникающей от взаимодействия вращающейся турбины с движущимся потоком воды, и изменяющейся вследствие колебаний профиля скоростей в потоке. В результате наблюдаются выбросы гирлянды на поверхность воды и удары ее о дно реки. Это нарушает режим работы турбин, не позволяет обеспечить установку турбин в ядро потока и может привести к повреждениям турбины. (Ю.М. Новиков. Возможности бесплотинных ГЭС. Н/т сб. Энергетика и экология, c. 81-86. Отв. ред. Накоряков В.Е. Новосибирск, 1988 г., изд. Института Теплофизики СО РАН).The installation is characterized by the following disadvantages:
1. The difficulty of stabilizing the position of the garland in the water stream. The garland sways in a stream in a vertical plane under the action of the Magnus force arising from the interaction of a rotating turbine with a moving stream of water, and changing due to fluctuations in the velocity profile in the stream. As a result, garland emissions to the surface of the water and its impacts on the bottom of the river are observed. This violates the turbine operating mode, does not allow for the installation of turbines in the flow core, and can lead to turbine damage. (Yu.M. Novikov. Opportunities for damless hydroelectric power stations. N / t collection. Energy and Ecology, pp. 81-86. Edited by V. Nakoryakov, Novosibirsk, 1988, published by the Institute of Thermophysics SB RAS).
2. Воздействие больших нагрузок от гирлянды турбин на узлы вращения, установленные на береговых опорах. Расчет показывает, что при вполне реальной скорости потока воды 3 м/с, для компенсации лобового сопротивления гирлянды даже небольшой площадью 1 м2, натяжение троса должно быть не менее 2500 кг, что вызывает технические трудности по компенсации осевых усилий в узлах вращения, установленных на береговых опорах.2. The impact of large loads from a garland of turbines on the nodes of rotation mounted on shore supports. The calculation shows that at a very real water flow rate of 3 m / s, to compensate for the drag of a garland even with a small area of 1 m 2 , the cable tension should be at least 2500 kg, which causes technical difficulties in compensating axial forces in the rotation units installed on coastal supports.
3. Невозможность защиты от плавучих предметов, которые могут повредить турбины или быть захвачены турбинами, что нарушает режим их работы. 3. The inability to protect against floating objects that could damage the turbines or be captured by the turbines, which violates their mode of operation.
4. Неудобство монтажа и обслуживания установки, узлы которой размещены на разных берегах, трудности подбора подходящего русла реки для установки, разрушение весенним половодьем конструкций на берегах - затрудняют создание мобильной, легко устанавливаемой и снимаемой гирляндной установки. 4. The inconvenience of installation and maintenance of the installation, the nodes of which are located on different banks, the difficulties of choosing a suitable river channel for installation, the destruction of structures on the banks by spring floods make it difficult to create a mobile, easily installed and removable daisy chain installation.
Известно устройство для использования энергии текущего потока (F1S, Заявка Великобритании 1515561, опубл. 1978 г.), включающее установленные поперек реки опоры, закрепленный к ним трос, к которому с определенным интервалом прицеплены баржи. Между ними, в потоке воды, установлены поперечные роторные гидротурбины, выполненные в виде профилированных крыльев, установленных равномерно по окружности вокруг валов турбин под определенным углом атаки. При взаимодействии с потоком воды этих крыльев, часть кинетической энергии потока превращается в энергию вращательного движения турбин, валы которых снабжены зубчатыми венцами, кинематически связанными с генераторами. A device is known for using the energy of the current flow (F1S, British Application 1515561, publ. 1978), including supports installed across the river, a cable fixed to them, to which barges are attached at a certain interval. Between them, in a stream of water, transverse rotor hydraulic turbines are installed, made in the form of profiled wings installed uniformly around the circumference around the turbine shafts at a certain angle of attack. When interacting with the water flow of these wings, part of the kinetic energy of the flow is converted into the energy of the rotational motion of the turbines, the shafts of which are equipped with gear rims kinematically connected with generators.
Недостатками данной установки являются трудоемкость установки опор, их стационарное исполнение, отсутствие мобильности, что ограничивает ее применение в условиях горных рек, которые могут менять русла и разрушать установленные там конструкции. The disadvantages of this installation are the complexity of the installation of supports, their stationary performance, lack of mobility, which limits its use in mountain rivers, which can change channels and destroy the structures installed there.
Кроме того, использование таких установок возможно только в определенных местах и требует глубоководного русла. Отсутствие устройств, защищающих турбину от попадания плавучих предметов, может привести к повреждению гидротурбины или заклиниванию ее. Ненадежна работа зубчатого зацепления, шестерни которого размещены в потоке воды. Эксплуатация в зимних условиях также невозможна из-за обледенения зубчатого венца, выступающего из воды и обеспечивающего кинематическую связь генератора с гидротурбиной, что нарушает режим работы турбины и может привести к ее заклиниванию. In addition, the use of such installations is possible only in certain places and requires a deep water channel. The absence of devices protecting the turbine from the ingress of floating objects can lead to damage to the turbine or its jamming. Unreliable gear operation, the gears of which are placed in a stream of water. Operation in winter conditions is also impossible due to icing of the gear rim protruding from the water and providing a kinematic connection between the generator and the hydraulic turbine, which violates the turbine operation mode and can lead to its jamming.
Для вывода гидротурбины в рабочий режим нужна ее предварительная раскрутка извне, так как в статическом положении гидротурбины, расположенной в потоке воды, сумма крутящих моментов близка к нулю, вследствие аксиальной симметрии размещения крыльев по поверхности вращения турбины. To bring the turbine into operation, its preliminary promotion from the outside is necessary, since in the static position of the turbine located in the water stream, the sum of the torques is close to zero, due to the axial symmetry of the wings on the turbine rotation surface.
В авторских свидетельствах СССР 1634812, 1988 г.; 1700276, 1989; кл. F 03 B 7/10, представлены усовершенствованные варианты устройства по заявке Великобритании 1515561, опубликованной в 1978 г., кл. F 03 B 7/00. In the copyright certificates of the USSR 1634812, 1988; 1700276, 1989; class F 03
В варианте гидроагрегата по а. с. СССР 1634812 роторная гидротурбина снабжена поперечной гидротурбиной, размещенной на валу роторной гидротурбины и соединенной с ним обгонной муфтой. Роторная гидротурбина раскручивается при помощи поперечной гидротурбины до частоты вращения, при которой гидротурбина может самостоятельно взаимодействовать с потоком воды, вырабатывая энергию. In a variant of the hydraulic unit according to a. from. USSR 1634812 rotary hydraulic turbine is equipped with a transverse hydraulic turbine located on the shaft of a rotary hydraulic turbine and connected with an overrunning clutch. The rotary turbine is spun with the help of a transverse turbine to a speed at which the turbine can independently interact with the flow of water, generating energy.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции гидротурбины и ненадежность обгонной муфты, работающей в потоке воды, при этом дополнительная поперечная гидротурбина нарушает режим обтекания крыльев потоком воды, в результате чего понижается коэффициент использования энергии потока воды. The disadvantage of this device is the complexity of the design of the turbine and the unreliability of the freewheel in the water flow, while the additional transverse hydroturbine violates the flow around the wings of the water flow, which reduces the energy efficiency of the water flow.
В варианте гидроагрегата по а.с. СССР 1700276 роторная гидротурбина, установлена в лотке с боковыми стенками и донной пластиной, снабженной пандусом (наклонной плоскостью), затеняющим не более 0,1 диаметра турбины. Пандус обеспечивает уменьшение скорости потока воды, попадающей на нижнюю часть гидротурбины, в результате чего ее лопасти испытывают меньшее сопротивления встречного потока и растет коэффициент использования энергии потока воды. In the embodiment of the hydraulic unit according to A.S. USSR 1700276 rotary turbine installed in a tray with side walls and a bottom plate equipped with a ramp (inclined plane), shading no more than 0.1 diameter of the turbine. The ramp provides a decrease in the flow rate of water falling on the lower part of the turbine, as a result of which its blades experience less resistance to the oncoming flow and the energy efficiency of the water flow increases.
Недостатком гидроагрегата является отсутствие защиты от попадания посторонних предметов. Согласно работе: Лятхер В.М., Иванов И.И., Скосарев И.И. Экспериментальные исследования ортогональных агрегатов для использования энергии течений. Журнал Гидротехническое строительство, 1986 г., 11, стр. 33-37 - максимальный коэффициент отбора мощности потока воды 0,44 достигается при использовании гидротурбины с двумя или тремя лопастями симметричного профиля и коэффициентом прозрачности турбины более 70%. Поэтому, при ударе плавучего предмета о гидротурбину такой конструкции, могут погнуться лопасти или вал, что нарушает режим работы или создает аварийную ситуацию. Если посторонний предмет попадает между лопастями, то происходит заклинивание ротора. При использовании гидротурбин с коэффициентом прозрачности менее 40%, которые имеют большую жесткость и прочность, выдерживают удары плавучих предметов и не могут быть заклинены, рекомендуемая в изобретении высота пандуса H = Δ+0,1D, где Δ - величина зазора между рабочим колесом и донной стенкой, D - диаметр рабочего колеса, не обеспечивает максимального коэффициента использования энергии потока воды. The disadvantage of the hydraulic unit is the lack of protection against foreign objects. According to the work: Lyather V.M., Ivanov I.I., Skosarev I.I. Experimental studies of orthogonal aggregates for the use of current energy. Journal of Hydrotechnical Construction, 1986, 11, pp. 33-37 - the maximum water flow power take-off coefficient of 0.44 is achieved using a hydraulic turbine with two or three blades with a symmetrical profile and a turbine transparency coefficient of more than 70%. Therefore, when a floating object hits a hydraulic turbine of this design, the blades or shaft may bend, which violates the operating mode or creates an emergency. If a foreign object gets between the blades, the rotor is jammed. When using hydraulic turbines with a transparency coefficient of less than 40%, which have greater rigidity and strength, withstand shock of floating objects and cannot be jammed, the ramp height recommended in the invention is H = Δ + 0.1D, where Δ is the gap between the impeller and the bottom wall, D is the diameter of the impeller, does not provide the maximum utilization of the energy of the water flow.
Другой недостаток состоит в том, что в изобретении не предусматриваются ни система запуска устройства в поток воды, ни герметизация генератора, поэтому данное устройство может работать только в лотках, выполненных на отводных каналах от основного русла реки или поставленных в ручей. Создание таких лотков требует проведения строительных работ, что сложно обеспечить в условиях горных рек и во многих случаях бывает дорого и невыгодно. Такое устройство не может быть быстро переставлено в другое место, что неудобно для горных рек, где часто меняется русло, а весенние паводки разрушают конструкции, установленные на реке. Another disadvantage is that the invention does not provide either a system for launching the device into the water stream or sealing the generator, therefore this device can only work in trays made on the drainage channels from the main river channel or placed in a stream. The creation of such trays requires construction work, which is difficult to provide in the conditions of mountain rivers and in many cases is expensive and disadvantageous. Such a device cannot be quickly relocated to another place, which is inconvenient for mountain rivers, where the channel often changes, and spring floods destroy structures installed on the river.
Известен русловой гидроагрегат (Щапов Н.М. Турбинное оборудование гидростанций М.-Л., ГЭИ, 1955, стр. 235-236), содержащий поперечную гидротурбину Савониуса с подшипниками скольжения на ее валу, размещенную на раме с донными опорами в виде полозьев, установленных параллельно оси ротора и соединенную тросами с береговыми опорами. Кинематическая связь гидротурбины с электрогенератором осуществляется через промежуточную трансмиссию, обеспечивающую согласование угловой скорости турбины с номинальной угловой скоростью генератора, посредством цепных передач, причем мультипликатор и генератор вынесены на раме выше уровня воды. Known channel hydraulic unit (Shchapov N.M. Turbine equipment of hydraulic stations M.-L., SEI, 1955, pp. 235-236), containing a transverse Savonius turbine with sliding bearings on its shaft, mounted on a frame with bottom supports in the form of runners, mounted parallel to the axis of the rotor and connected by ropes to shore supports. The kinematic connection of the hydraulic turbine with the electric generator is carried out through an intermediate transmission, which ensures matching of the angular velocity of the turbine with the nominal angular velocity of the generator, using chain gears, with the multiplier and generator placed on a frame above the water level.
Недостатки данного устройства:
1. Низкий коэффициент (не более 0,18) использования энергии потока воды, сметающего турбину.The disadvantages of this device:
1. Low coefficient (not more than 0.18) of the energy use of the flow of water sweeping the turbine.
2. Неустойчивость гидроагрегата в потоке воды под действием опрокидывающей силы потока и силы, возникающей от эффекта Магнуса, вызванного взаимодействием вращающегося ротора с потоком воды. 2. Instability of the hydraulic unit in the water stream under the action of the overturning force of the stream and the force arising from the Magnus effect caused by the interaction of the rotating rotor with the water stream.
3. Рама и турбина при установке на неровную поверхность дна деформируются. При этом на турбину действует распределенная нагрузка от напора потока воды, также деформирующая турбину. В результате происходит перекос валов турбины в подшипниках скольжения, что приводит к увеличению нагрузки на подшипники и увеличению их износа. Кроме того, при работе подшипников скольжения в режиме граничной смазки водой, коэффициент трения достаточно высок (0,05-0,1), что также снижает к.п.д. подшипниковых узлов. Разбухание подшипников и попадание посторонних примесей приводят к увеличению сил трения и абразивного износа. 3. The frame and turbine are deformed when installed on an uneven bottom surface. At the same time, a distributed load from the pressure of the water flow acts on the turbine, which also deforms the turbine. As a result, the turbine shafts are skewed in the sliding bearings, which leads to an increase in the load on the bearings and an increase in their wear. In addition, when sliding bearings operate in the mode of boundary lubrication with water, the friction coefficient is quite high (0.05-0.1), which also reduces the efficiency bearing units. Swelling of bearings and ingress of impurities lead to an increase in friction and abrasion.
4. Отсутствие системы запуска гидроагрегата в поток воды и регулировки положения рамы с турбиной относительно донных опор по высоте не позволяет установить турбину в ядро потока воды или быстро переставить ее в другое, более удобное место. 4. The lack of a system for starting the hydraulic unit into the water flow and adjusting the position of the frame with the turbine relative to the bottom supports in height does not allow installing the turbine in the core of the water flow or quickly moving it to another, more convenient place.
5. Расположение мультипликатора с генератором выше уровня воды не позволяет использовать его в зимнее время из-за обледенения системы передачи и вмерзания всей установки. 5. The location of the multiplier with the generator above the water level does not allow its use in winter due to icing of the transmission system and freezing of the entire installation.
Известны русловые гидроагрегаты (F 03 B 13/10, а.с. СССР 1129403, 1984; F 03 B 13/10, а.с. СССР 1250693, 1986), в описании которых изложены отличительные признаки, повышающие эффективность работы гидроагрегата, описанного в вышеуказанной работе Щапова Н.М. Known channel hydraulic units (F 03
Эффективность работы повышается за счет введения прямоугольного сопла, формирующего поток воды на турбину, затенения нижней части турбины и установки нижней пластины сопла под острым углом к набегающему потоку. Гидроагрегат содержит поперечную гидротурбину, размещенную в рабочей камере, нижняя часть которой выполнена в виде полуцилиндра, охватывающего турбину, и соединена с формирующим поток соплом, на нижней стенке которого размещены донные опоры, выполненные в виде шипов. Гидротурбина взаимодействует с набегающим потоком воды и преобразует часть его кинетической энергии в механическую энергию своего вращения, которая в генераторе преобразуется в электрическую. Поток воды, набегающий на нижнюю стенку сопла, прижимает гидроагрегат шипами ко дну реки. The operational efficiency is improved by introducing a rectangular nozzle forming a water flow onto the turbine, shading the lower part of the turbine and installing the lower nozzle plate at an acute angle to the incident flow. The hydraulic unit contains a transverse hydraulic turbine located in the working chamber, the lower part of which is made in the form of a half-cylinder covering the turbine, and is connected to the flow-forming nozzle, on the lower wall of which there are bottom supports made in the form of spikes. A hydraulic turbine interacts with an oncoming flow of water and converts part of its kinetic energy into the mechanical energy of its rotation, which in the generator is converted into electrical energy. A stream of water running onto the lower wall of the nozzle presses the hydraulic unit with spikes to the bottom of the river.
Для гидроагрегата характерны следующие недостатки:
1. Изготовление затеняющего полуцилиндра в виде цельной обечайки технически сложно, а его разбиение на куски уменьшает жесткость конструкции, что приводит к несоосности подшипниковых узлов при сборке и в процессе эксплуатации вследствие неконтролируемой деформации, узлы компенсации которой не предусмотрены.The following disadvantages are characteristic of a hydraulic unit:
1. The manufacture of a shading half cylinder in the form of a single shell is technically difficult, and its breaking into pieces reduces the rigidity of the structure, which leads to misalignment of the bearing assemblies during assembly and during operation due to uncontrolled deformation, compensation units of which are not provided.
2. Затенение половины диаметра турбины эффективно только для ротора Савониуса, который имеет низкие к.п.д. (не более 0,18) и коэффициент прозрачности гидротурбины (около 0,1). При использовании других типов гидротурбин, например Дарье (Ветроэнергетика, под. редакцией Д. де Рензо, М.: Энергоатомиздат, 1982, стр. 26, рис.1.3, в7.), и Новикова, Бирюкова, (кл. 88в,4, а.с. СССР 151253) с более высокими к.п.д., величина эффективного затенения гидротурбины будет меняться в зависимости от коэффициента прозрачности турбины, который для варианта Дарье составляет около 0,7, а для вариантов Новикова, Бирюкова - 0,3-0,4. В этом случае полуцилиндр неэффективен. 2. Shading half the diameter of the turbine is effective only for the Savonius rotor, which has low efficiency (not more than 0.18) and the transparency coefficient of the turbine (about 0.1). When using other types of hydroturbines, for example, Daria (Wind Power, edited by D. de Renzo, M .: Energoatomizdat, 1982, p. 26, Fig. 1.3, c7.), And Novikova, Biryukova, (Cl. 88c, 4, USSR AS 151253) with higher efficiency, the effective shading of the turbine will vary depending on the turbine transparency coefficient, which is about 0.7 for the Darier option, and 0.3 for the Novikov and Biryukov options -0.4. In this case, the half cylinder is inefficient.
3. Использование донных опор в виде шипов, тормозящих движение, значительно затрудняет запуск гидроагрегата с берега в поток воды. 3. The use of bottom supports in the form of spikes that inhibit movement significantly complicates the launch of the hydraulic unit from the shore into the water stream.
4. Не предусмотрена защита гидротурбины от плавучих предметов. Использование цельного жесткого корпуса, состоящего из приемной и рабочей камер, снабженного донными шипами, не позволяет регулировать положение агрегата по высоте. Сама конструкция металлоемка и немобильна, генератор и мультипликатор негерметизированы. 4. Protection of a hydraulic turbine against floating objects is not provided. The use of a one-piece rigid case, consisting of a receiving and working chambers, equipped with bottom spikes, does not allow you to adjust the position of the unit in height. The design itself is metal-intensive and immobile, the generator and the multiplier are unsealed.
Была поставлена задача создания эффективного, надежного и мобильного, легко устанавливаемого в ядро потока воды руслового гидроагрегата, защищенного от повреждений плавучими предметами и способного работать в зимних условиях и под водой. The task was to create an effective, reliable and mobile, easily installed in the core of the water flow channel hydraulic unit, protected from damage by floating objects and able to work in winter conditions and under water.
Поставленная задача решалась следующим образом. The task was solved as follows.
Создан русловой гидроагрегат, содержащий поперечную гидротурбину с подшипниками на ее валах, установленную на раму с донными опорами, выполненными в виде полозьев, связанный с рамой формирователь потока с боковыми стенками и донной пластиной, установленной под острым углом к набегающему потоку воды и затеняющей от него нижнюю часть гидротурбины, генератор, кинематически связанный с гидротурбиной, и линию электропередачи от генератора к береговому оборудованию. Гидроагрегат снабжен береговой системой запуска установки в поток воды и регулировки положения гидротурбины относительно ядра потока, содержащей жесткий дистанционирующий элемент, шарнирно соединяющий с береговой опорой раму, закрепленную к другой береговой опоре посредством троса и установленную на полозья с возможностью перемещения по высоте, причем длина донной пластины более чем в 2 раза превышает диаметр гидротурбины, а подшипники ее валов размещены в закрепленных на раме сферических компенсаторах деформаций рамы и гидротурбины. A channel hydraulic unit has been created containing a transverse hydraulic turbine with bearings on its shafts, mounted on a frame with bottom supports made in the form of runners, a flow shaper connected to the frame with side walls and a bottom plate mounted at an acute angle to the incoming water flow and shading the lower one from it part of the turbine, a generator kinematically connected to the turbine, and a power line from the generator to the shore equipment. The hydraulic unit is equipped with a coastal system for starting the installation in the water stream and adjusting the position of the turbine relative to the core of the stream, containing a rigid spacer element that pivotally connects the frame to the shore support, fixed to the other shore support by a cable and mounted on skids with the ability to move along the height, the length of the bottom plate more than 2 times the diameter of the hydraulic turbine, and the bearings of its shafts are placed in the spherical expansion joints of the frame and hydraulic turbines mounted on the frame s.
Надежная раскрутка гидротурбины при ее установке в поток воды обеспечивается тем, что она собрана из последовательно установленных вдоль ее продольной оси секций, лопасти которых повернуты относительно друг друга на угол α = 360°/nz, где n - количество секций, z - количество лопастей в секции.Reliable spin-up of a hydraulic turbine when installed in a water stream is ensured by the fact that it is assembled from sections sequentially installed along its longitudinal axis, the blades of which are rotated relative to each other by an angle α = 360 ° / nz, where n is the number of sections, z is the number of blades in sections.
Высокий уровень использования энергии потока воды достигается с помощью донной пластины, установленной таким образом, что линия пересечения ее плоскости с вертикальной плоскостью, проходящей через продольную ось гидротурбины, расположена в зоне, ограниченной размерами от 0,1 D до 0,4 D вниз от продольной оси гидротурбины, а зазор между гидротурбиной и пластинами формирователя потока находится в пределах от 0,02 D до 0,15 D, где D - диаметр турбины. При этом относительно малые зазоры этого диапазона характерны для гидротурбин типа Дарье, а относительно большие - для турбин типа Новикова и Бирюкова. A high level of utilization of the energy of the water flow is achieved by means of a bottom plate installed in such a way that the line of intersection of its plane with a vertical plane passing through the longitudinal axis of the turbine is located in a zone limited by sizes from 0.1 D to 0.4 D down from the longitudinal the axis of the turbine, and the gap between the turbine and the plates of the flow former is in the range from 0.02 D to 0.15 D, where D is the diameter of the turbine. At the same time, relatively small gaps in this range are characteristic for turbines of the Darier type, and relatively large gaps for turbines of the Novikov and Biryukov type.
Повышение надежности работы генератора и удобства его обслуживания достигается размещением генератора на береговой части жесткого дистанционирующего элемента, а кинематическая связь с валом гидротурбины осуществлена с помощью карданной передачи -гибкого вала, размещенного в полости жесткого дистанционирующего элемента. Improving the reliability of the generator and the convenience of its maintenance is achieved by placing the generator on the coastal part of the hard spacing element, and the kinematic connection with the hydraulic turbine shaft is carried out using a cardan transmission - a flexible shaft located in the cavity of the hard spacing element.
Гидротурбина защищена устройством отражения плавучих предметов, выполненным в виде пакета ребер-пластин, ориентированных вдоль донной пластины и образующих направляющие каналы для потока воды, сметающего гидротурбину. The hydroturbine is protected by a device for the reflection of floating objects, made in the form of a package of rib plates oriented along the bottom plate and forming guide channels for the flow of water sweeping the turbine.
Повышена надежность подшипниковых узлов и снижены коэффициенты трения за счет размещения на валу гидротурбины стандартных подшипников качения в герметичном корпусе и уплотнения вращающегося вала контактом уплотнительного элемента со сферической поверхностью вала (сферой), геометрический центр которой совпадает с геометрическим центром сферы компенсатора деформации. The reliability of the bearing assemblies is improved and the friction coefficients are reduced due to the placement of standard rolling bearings in a sealed housing on the hydraulic turbine shaft and sealing of the rotating shaft by the contact of the sealing element with the spherical shaft surface (sphere), the geometric center of which coincides with the geometric center of the deformation compensator sphere.
В другом варианте упрощение конструкции подшипникового узла достигается контактом уплотнительного элемента, снабженного компенсатором торцевого биения вала, с плоской торцевой поверхностью вала. In another embodiment, the simplification of the design of the bearing assembly is achieved by the contact of the sealing element equipped with a shaft end runout compensator with a flat end surface of the shaft.
В затопляемом (подводном варианте гидроагрегата) генератор размещен в капсуле, герметично соединенной с корпусом подшипника, кинематическая связь между валом гидротурбины и генератором осуществляется посредством карданной муфты, а линия электропередачи от генератора к береговому оборудованию проложена через трубу, герметично подсоединенную к капсуле и выведенную выше уровня воды. In the flooded (underwater version of the hydraulic unit) the generator is placed in a capsule hermetically connected to the bearing housing, the kinematic connection between the hydraulic turbine shaft and the generator is carried out by means of a cardan coupling, and the power line from the generator to the shore equipment is laid through a pipe hermetically connected to the capsule and brought up above the level water.
Вариант линии электропередачи на берег выполнен в полости жесткого дистанционирующего элемента. A variant of the power line to the shore is made in the cavity of a rigid spacer element.
Надежность работы карданной передачи, соединяющей вал гидротурбины с генератором, достигается тем, что полость жесткого дистанционирующего элемента герметично соединена с полостью герметичного корпуса подшипника вала посредством гибкого трубопровода. The reliability of the driveshaft connecting the hydraulic turbine shaft to the generator is achieved by the fact that the cavity of the rigid spacer element is hermetically connected to the cavity of the sealed housing of the shaft bearing by means of a flexible pipe.
Удобство регулирования положения гидроагрегата по ширине реки достигается тем, что жесткий дистанционирующий элемент выполнен в виде труб, соединенных телескопически. The convenience of regulating the position of the hydraulic unit along the width of the river is achieved by the fact that the rigid spacer element is made in the form of pipes connected telescopically.
Для устранения заклинивания полозьев между неровностями или камнями на дне русла реки поперечное сечение полоза профилируется в виде трапеции, овала или круга. To eliminate jamming of runners between bumps or stones at the bottom of the river channel, the cross section of the run is profiled in the form of a trapezoid, oval or circle.
Увеличение мощности гидроагрегата может достигаться размещением гидротурбин на раме последовательно вдоль их продольной оси, что обеспечивается установкой дополнительных опор и соединением гидротурбин между собою карданными муфтами. An increase in the power of the hydraulic unit can be achieved by placing the hydraulic turbines on the frame sequentially along their longitudinal axis, which is ensured by installing additional supports and connecting the hydraulic turbines to each other with cardan couplings.
Наличие береговой системы запуска и регулировки положения гидротурбины позволяет решить задачу установки гидроагрегата с одного берега в ту часть русла реки, где скорость потока воды максимальна. Это актуально для горных рек, русло которых часто изменяется, а весенние паводки разрушают сооружения, находящиеся в русле реки. The presence of a coastal system for starting and adjusting the position of a hydraulic turbine allows us to solve the problem of installing a hydraulic unit from one bank to that part of the river channel where the water flow rate is maximum. This is true for mountain rivers, the channel of which often changes, and spring floods destroy structures located in the river channel.
Даже небольшое приращение скорости потока воды дает существенное увеличение механической энергии вращения гидротурбины, пропорциональное кубу скорости потока воды, поэтому наиболее эффективна работа гидротурбин в ядре потока, где скорость набегающей воды максимальна. В летнее время ядро потока расположено вблизи поверхности воды, а в зимнее время вектор максимальной скорости потока подо льдом смещается на середину глубины (Ю.М. Новиков. Возможности бесплотинных ГЭС. н/т. сб. Энергетика и Экология. Отв. редактор Накоряков В.Е. - Новосибирск, 1988 г., изд. института Теплофизики СО РАН). Even a small increment in the flow rate of water gives a significant increase in the mechanical energy of rotation of the turbine, proportional to the cube of the flow rate of water, therefore, the most effective operation of the turbines in the core of the stream, where the speed of incoming water is maximum. In summer, the flow core is located near the surface of the water, and in winter, the maximum flow velocity vector under ice is shifted to the middle of the depth (Yu.M. Novikov. Possibilities of damless hydroelectric power stations. N / t collection. Energy and Ecology. Responsible editor Nakoryakov V .E. - Novosibirsk, 1988, published by the Institute of Thermophysics SB RAS).
Использование жесткого дистанционирующего элемента позволяет обеспечить установку гидроагрегата в наиболее скоростной части русла реки, а регулирование гидротурбины по высоте позволяет установить ее в ядро потока. Таким образом, береговая система запуска и регулировка положения гидротурбины по высоте обеспечивает ее установку в ядро потока воды, что повышает эффективность использования гидроагрегата. The use of a rigid spacing element allows the installation of a hydraulic unit in the fastest part of the river channel, and the regulation of the height of the turbine allows it to be installed in the flow core. Thus, the coastal launch system and the adjustment of the position of the turbine in height ensures its installation in the core of the water flow, which increases the efficiency of using the hydraulic unit.
Устойчивое положение гидроагрегата при запуске в поток воды и в его рабочем положении обеспечивается донной пластиной формирователя потока, которая установлена под острым углом к набегающему потоку и под его воздействием прижимает агрегат ко дну реки, компенсируя тем самым опрокидывающий момент, возникающий от воздействия потока на гидротурбину. При этом длина донной пластины должна более чем в два раза превышать диаметр гидротурбины. Это соотношение является результатом специального расчета гидроагрегата на устойчивость и подвижность в потоке воды и подтверждено экспериментально. The stable position of the hydraulic unit when it is launched into the water stream and in its working position is provided by the bottom plate of the flow shaper, which is installed at an acute angle to the incoming flow and under its influence presses the unit to the bottom of the river, thereby compensating for the overturning moment arising from the effect of the stream on the turbine. In this case, the length of the bottom plate should more than double the diameter of the turbine. This ratio is the result of a special calculation of the hydraulic unit for stability and mobility in the water flow and is confirmed experimentally.
Формирователь потока обеспечивает уменьшение сил трения в выделенной части потока по сравнению с силами трения о дно реки и его подачу на верхнюю часть гидротурбины. Затенение ее нижней части формирователем уменьшает потери энергии на преодоление лопастями гидротурбины встречного потока и улучшает условия обтекания гидротурбины потоком воды. The flow shaper provides a decrease in the friction forces in the selected part of the stream compared with the friction forces on the river bottom and its supply to the upper part of the hydraulic turbine. The shading of its lower part by the shaper reduces energy losses due to overcoming of the oncoming stream by the blades of the hydroturbine and improves the conditions for the flow of water around the hydroturbine.
Величина эффективного затенения нижней части гидротурбины зависит от ее конструкции и коэффициента прозрачности, а также от условий установки гидротурбины в поток воды. Так, для роторной гидротурбины (типа Дарье) эффективное затенение ее нижней части отвечает определенному положению линии пересечения плоскости донной пластины с вертикальной плоскостью, проходящей через продольную ось гидротурбины. Эта линия должна лежать в зоне. верхняя граница которой находится ниже этой оси, на расстоянии 0,25 D, где D - диаметр гидротурбины. Для вариантов Савониуса, Бирюкова и Новикова часть такой зоны расположена выше, чем для варианта Дарье, так как ее верхняя граница лежит ниже оси гидротурбины на расстоянии 0,1 D, а нижняя - на расстоянии 0,4 D. Такое положение донной пластины относительно оси обеспечивает наиболее эффективное взаимодействие лопастей гидротурбины со сформированным потоком воды. The magnitude of the effective shading of the lower part of the turbine depends on its design and transparency coefficient, as well as on the installation conditions of the turbine in the water stream. So, for a rotary hydroturbine (Darier type), the effective shading of its lower part corresponds to a certain position of the line of intersection of the plane of the bottom plate with a vertical plane passing through the longitudinal axis of the turbine. This line should lie in the zone. the upper boundary of which is below this axis, at a distance of 0.25 D, where D is the diameter of the turbine. For the Savonius, Biryukov, and Novikov variants, a part of such a zone is located higher than for the Daria version, since its upper boundary lies below the axis of the turbine at a distance of 0.1 D, and the lower boundary at a distance of 0.4 D. This position of the bottom plate relative to the axis provides the most effective interaction of the turbine blades with the formed water flow.
Экспериментальные данные показывают, что применение формирователя потока воды существенно увеличивает коэффициент использования его энергии гидроагрегатом. Например, для гидротурбин Новикова и Бирюкова применение формирователя потока в различных по своим характеристикам водных потоках приводит к росту мощности гидроагрегата на 20% и более по сравнению с вариантом без формирователя. Experimental data show that the use of a water flow shaper significantly increases the utilization of its energy by a hydraulic unit. For example, for Novikov and Biryukov hydroturbines, the use of a flow former in water flows of various characteristics leads to an increase in the power of the hydraulic unit by 20% or more compared to the version without a former.
Надежная раскрутка гидротурбины обеспечивается взаимодействием направленного донной пластиной потока воды с лопастями гидротурбины, установленными последовательно вдоль ее оси с поворотом на угол α = 360°/nz, где n - количество секций, z - количество лопастей в секции. В результате этого взаимодействия возникают усиленные импульсы крутящего момента, действующие на отдельные секции гидротурбины в любом ее положении. Такая конструкция позволяет, также, уменьшить неравномерность вращения гидротурбины.Reliable spin-up of the hydraulic turbine is ensured by the interaction of the water flow directed by the bottom plate with the hydraulic turbine blades installed sequentially along its axis with rotation through an angle α = 360 ° / nz, where n is the number of sections, z is the number of blades in the section. As a result of this interaction, amplified torque pulses occur, acting on individual sections of the turbine in any of its positions. This design also allows you to reduce the uneven rotation of the turbine.
Размещение подшипников валов гидротурбины в сферических компенсаторах деформаций позволяет обеспечить соосность подшипников и валов за счет устранения последствий перекосов рамы и прогиба гидротурбины, возникающих из-за неровностей дна, а также от лобового давления потока воды. Placing the bearings of the hydraulic turbine shafts in the spherical deformation compensators allows ensuring the alignment of the bearings and shafts by eliminating the effects of the skew of the frame and the deflection of the hydraulic turbine arising from uneven bottoms, as well as from the frontal pressure of the water flow.
Совокупность узлов гидроагрегата и их связей - жесткий дистанционирующий элемент, шарнирно соединяющий раму с береговой опорой, гибкий силовой элемент (трос, канат, цепь), соединяющий гидроагрегат с другой береговой опорой, и профилированные полозья, установленные перпендикулярно турбине, обеспечивают возможность быстрой установки гидроагрегата в поток воды на дно реки и его съемки, как с помощью техники (трактора, машины, лебедки), так и в ручную, силами двух человек. The set of units of the hydraulic unit and their connections - a rigid spacer element that pivotally connects the frame to the shore support, a flexible power element (cable, rope, chain) connecting the hydraulic unit to another shore support, and profiled runners installed perpendicular to the turbine provide the ability to quickly install the hydraulic unit in water flow to the bottom of the river and its shooting, both with the help of equipment (tractor, machine, winch), and manually, by two people.
Например, при ручной установке гидроагрегат вначале прикрепляют к жесткому дистанционирующему элементу и размещают на береговой линии обратной стороной к потоку так, что гидротурбина параллельна потоку воды. Затем сталкивают в поток, после чего гидроагрегат, увлекаемый потоком воды и дистанционируемый жестким элементом, поворачивается вокруг береговой опоры, описывает траекторию в четверть окружности и устанавливается в рабочее положение, фиксируемое тросами, закрепленными на второй береговой опоре. При этом гидротурбина оказывается расположенной перпендикулярно потоку воды. Скольжение по неровностям дна и камням обеспечивают полозья, профиль поперечного сечения которых выполнен в виде трапеции овала или круга. Устойчивое положение гидроагрегата в потоке воды обеспечивается донной пластиной, прижимающей гидроагрегат ко дну реки. For example, with manual installation, the hydraulic unit is first attached to a rigid spacer element and placed on the coastline with the back side to the flow so that the turbine is parallel to the flow of water. Then they are pushed into the stream, after which the hydraulic unit, carried away by the flow of water and spaced by a rigid element, rotates around the coastal support, describes a quarter-circle trajectory and is set to the working position, fixed by cables fixed on the second coastal support. In this case, the turbine is located perpendicular to the flow of water. Sliding along bottom irregularities and stones is provided by runners, the cross-sectional profile of which is made in the form of a trapezoid of an oval or a circle. A stable position of the hydraulic unit in the water flow is provided by the bottom plate, which presses the hydraulic unit to the bottom of the river.
Для удобства обслуживания генератора и мультипликатора, используемого в случаях применения генераторов с большими угловыми скоростями, их размещают на береговой части дистанционирующей трубы, а кинематическую связь с валом турбины осуществляют посредством карданной передачи, размещенной в полости этой трубы. Таким образом, гидроагрегат разделяют на два модуля - береговой и подводный, связанных с помощью дистанционирующей трубы. Береговой включает в себя мультипликатор с генератором, а подводный - остальные узлы. Это позволяет оперативно обслуживать генератор и мультипликатор (щетки, контакты, уровень и доливка масла в мультипликатор) без вывода гидроагрегата на берег. Особенно это важно при эксплуатации гидроагрегата в зимних условиях, когда выведенный агрегат быстро покрывается льдом, что затрудняет его ремонт и обслуживание. Уменьшение веса подводной части гидроагрегата за счет переноса на береговую часть генератора с мультипликатором упрощает запуск гидроагрегата в поток воды. For the convenience of servicing the generator and the multiplier used in cases of using generators with high angular velocities, they are placed on the coastal part of the spacer pipe, and the kinematic connection with the turbine shaft is carried out by means of a cardan gear located in the cavity of this pipe. Thus, the hydraulic unit is divided into two modules - coastal and underwater, connected by means of a spacer pipe. Beregovoy includes a multiplier with a generator, and underwater - the rest of the nodes. This allows you to quickly service the generator and the multiplier (brushes, contacts, oil level and topping up the multiplier) without bringing the hydraulic unit ashore. This is especially important when operating a hydraulic unit in winter conditions, when the output unit is quickly covered with ice, which makes it difficult to repair and maintain it. Reducing the weight of the underwater part of the hydraulic unit by transferring the generator with a multiplier to the coastal part simplifies the launch of the hydraulic unit into the water stream.
Защита гидротурбины от плавучих предметов (бревна, палки, доски, ветки) необходима в связи с возможностью их попадания между лопастями и заклинивания гидротурбины, причем от сильного удара могут погнуться гидротурбина и ее лопасти. В предлагаемом устройстве могут применяться различные гидротурбины. Protection of a hydraulic turbine against floating objects (logs, sticks, boards, branches) is necessary due to the possibility of their falling between the blades and jamming of the hydraulic turbine, and from a strong blow the hydraulic turbine and its blades may bend. In the proposed device can be used various turbines.
Расчеты и практические эксперименты показывают, что для жестких и прочных гидротурбин типа Савониуса, Бирюкова и Новикова нет серьезной необходимости ставить защитное устройство от редких топляков, глубоко погруженных в поток воды, так как они после удара о вращающуюся гидротурбину увлекаются ею и потоком воды и уходят вниз по течению, не нанося турбине заметных повреждений. Мелкие предметы, плывущие по поверхности реки и составляющие основную массу загрязнений, для таких турбин не опасны, так как отбрасываются мощным потоком воды, обтекающим турбину сверху. Calculations and practical experiments show that for hard and durable hydraulic turbines such as Savonius, Biryukov, and Novikov, there is no serious need to put a protective device against rare fuel bogs deeply immersed in the water flow, because after hitting a rotating hydraulic turbine they are carried away by it and the water flow and go down downstream without causing noticeable damage to the turbine. Small objects floating on the surface of the river and making up the bulk of the pollution are not dangerous for such turbines, as they are discarded by a powerful stream of water flowing around the turbine from above.
Роторная гидротурбина (типа Дарье) содержит одну и более лопастей, выполненных в виде профилированных крыльев, установленных равномерно по окружности вокруг вала турбины, под определенным углом атаки и имеет коэффициент прозрачности более 70% (Лятхер В.М., Иванов И.И., Скосарева С.И. // Экспериментальные исследования ортогональных агрегатов для использования энергии течений // Гидротехническое строительство 11, стр. 33-37). Поэтому плавучие предметы, ударяясь о лопасти, могут погнуть их и изменить угол атаки, что может резко снизить коэффициент использования энергии потока. При попадании плавучего предмета между лопастями такую гидротурбину может заклинить. A rotary hydraulic turbine (Darier type) contains one or more blades made in the form of profiled wings mounted uniformly around the circumference around the turbine shaft, at a certain angle of attack and has a transparency coefficient of more than 70% (Lyatkher V.M., Ivanov I.I., Skosareva S.I. // Experimental studies of orthogonal aggregates for using the energy of currents //
Защита гидротурбины устройством отражения плавучих предметов повышает надежность работы гидроагрегата. В предложенном устройстве пакет ребер-пластин ориентирован вдоль донной пластины и образует направляющие каналы для потока воды, сметающего гидротурбину. Protection of a hydraulic turbine with a device for the reflection of floating objects increases the reliability of the hydraulic unit. In the proposed device, the package of rib plates is oriented along the bottom plate and forms guide channels for the flow of water sweeping the turbine.
Крупные плавучие предметы, ударяясь о ребра, отражаются и, скользя по ребрам, уносятся потоком воды. Образованные ребрами каналы обеспечивают выравнивание скоростного поля потока воды, защитная пластина увеличивает поперечную жесткость ребер. Large floating objects, hitting the ribs, are reflected and, sliding along the ribs, are carried away by the stream of water. The channels formed by the ribs provide equalization of the velocity field of the water flow; the protective plate increases the lateral stiffness of the ribs.
Размещение подшипников валов гидротурбины в герметичные корпуса со встроенными узлами компенсации деформаций и уплотнение вращающихся валов, позволяют применить подшипники качения, создать стандартные условия для их работы и устранить влияние перекоса рамы и прогиба турбины, возникающих от установки рамы на неровную поверхность дна, а также от лобового давления на турбину потока воды. Это повышает надежность работы подшипниковых узлов и их к.п.д. за счет снижения коэффициента трения подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения, которые работают в режиме граничной смази водой и испытывают перегрузки из-за перекоса валов. Placing bearings of hydraulic turbine shafts in sealed housings with built-in deformation compensation units and sealing rotary shafts allow the use of rolling bearings, creating standard conditions for their operation and eliminating the effect of skewing of the frame and deflection of the turbine arising from installing the frame on an uneven bottom surface, as well as from the frontal pressure on the water flow turbine. This increases the reliability of the bearing units and their efficiency due to a decrease in the coefficient of friction of rolling bearings compared to plain bearings, which operate in the boundary lubrication mode with water and experience overloads due to skewing of the shafts.
Размещение генератора с мультипликатором в герметичной капсуле, соединенной с корпусом подшипника, обеспечивает его надежную работу и охлаждение потоком воды. Соединение вала турбины с мультипликатором через карданную муфту позволяет компенсировать перекосы вала от деформации гидротурбины. Вывод линии электропередачи через трубу, герметично подсоединенную к капсуле и выведенную выше уровня воды, обеспечивает подачу электроэнергии на оба берега реки. Placing the generator with the multiplier in a sealed capsule connected to the bearing housing ensures its reliable operation and cooling with a stream of water. The connection of the turbine shaft with the multiplier through the cardan coupling allows you to compensate for the distortions of the shaft from deformation of the turbine. The output of the power line through a pipe hermetically connected to the capsule and brought out above the water level ensures the supply of electricity to both banks of the river.
Совокупность узлов и их связей: размещение генератора в герметичной капсуле, соединенной с корпусом подшипника, соединение вала турбины с генератором через карданную муфту, вывод линии электропередачи через трубу, герметично подсоединенную к капсуле и выведенную выше уровня воды, размещение валов гидротурбины в герметичных корпусах со встроенными узлами компенсации деформаций и уплотнение вращающихся валов обеспечивают надежную работу гидроагрегата под водой в летнее и зимнее время. The set of nodes and their connections: placing the generator in a sealed capsule connected to the bearing housing, connecting the turbine shaft to the generator through a cardan coupling, outputting the power line through a pipe hermetically connected to the capsule and withdrawn above the water level, placing the turbine shafts in sealed housings with built-in deformation compensation nodes and sealing of rotating shafts ensure reliable operation of the hydraulic unit under water in summer and winter.
Выполнение линии электропередачи в полости дистанционирующей трубы, герметично подсоединенной к капсуле посредством гибкого полого элемента, обеспечивает защиту линии электропередачи от повреждений, в результате чего повышается надежность работы гидроагрегата. The implementation of the power line in the cavity of the spacer pipe, hermetically connected to the capsule by means of a flexible hollow element, protects the power line from damage, which increases the reliability of the hydraulic unit.
Герметичное соединение полости жесткого дистанционирующего элемента с полостью герметичного корпуса подшипника посредством гибкого трубопровода исключает попадание воды в карданную передачу (гибкий вал), за счет чего уменьшаются потери на трение и повышается надежность работы карданных соединений. The tight connection of the cavity of the hard spacer element with the cavity of the sealed bearing housing by means of a flexible pipe eliminates the ingress of water into the cardan drive (flexible shaft), thereby reducing friction losses and increasing the reliability of the cardan joints.
Выполнение жесткого дистанционирующего элемента в виде труб, соединенных телескопически, расширяет возможности оперативной регулировки положения гидроагрегата по ширине реки и обеспечивает возможность установки гидроагрегата в наиболее скоростную часть русла реки. The implementation of a rigid spacer element in the form of pipes connected telescopically expands the possibilities of operational adjustment of the position of the hydraulic unit along the width of the river and provides the ability to install the hydraulic unit in the most high-speed part of the river channel.
Использование унифицированных гидротурбин, размещенных на раме последовательно вдоль их продольной оси, соединенных между собою карданными муфтами и снабженных дополнительными опорами, позволяет расширить диапазон мощности гидроагрегатов. The use of standardized hydraulic turbines placed on the frame sequentially along their longitudinal axis, interconnected by cardan couplings and provided with additional supports, allows you to expand the power range of hydraulic units.
В устройстве решен комплекс проблем, возникающих при эксплуатации гидроагрегата, решена задача создания мобильного, легко устанавливаемого в ядро водного потока руслового гидроагрегата, защищенного от повреждений плавучими предметами, способного работать в зимних условиях, повышены коэффициент использования энергии потока воды и надежность работы гидроагрегата. The device has solved a set of problems that arise during operation of a hydraulic unit, solved the problem of creating a mobile channel hydraulic unit that is easily installed in the core of the water stream and protected from damage by floating objects, capable of working in winter conditions, the energy efficiency of the water stream and the reliability of the hydraulic unit are increased.
Решение этой задачи обеспечивается за счет введения в устройство следующих новых систем, узлов и деталей и их связей с остальными элементами. The solution to this problem is provided by introducing into the device the following new systems, components and parts, and their relationships with other elements.
1. Система запуска гидроагрегата в поток воды с одного берега и регулировка положения турбины относительно ядра потока воды. 1. A system for launching a hydraulic unit into a water stream from one bank and adjusting the position of the turbine relative to the core of the water stream.
2. Соотношение длины донной пластины и диаметра гидротурбины. 2. The ratio of the length of the bottom plate and the diameter of the turbine.
3. Подшипники в герметичных корпусах со встроенными узлами компенсации деформаций рамы и гидротурбины. 3. Bearings in sealed housings with integrated units for compensating deformations of the frame and hydraulic turbine.
4. Опорные полозья с поперечным сечением в форме овала, круга или трапеции. 4. Support runners with a cross-section in the form of an oval, circle or trapezoid.
5. Жесткий дистанционирующий и гибкий элементы, узлы перемещения по высоте рамы относительно полозьев. 5. Rigid spacing and flexible elements, nodes of movement along the height of the frame relative to the runners.
6. Герметичная капсула для генератора с мультипликатором, карданная муфта, труба для линии электропередачи. 6. Sealed capsule for generator with multiplier, cardan coupling, pipe for power line.
7. Дистанционирующая труба, гибкий полый элемент для линии электропередачи. 7. Distance pipe, flexible hollow element for power line.
8. Телескопическое соединение труб дистанционирующего элемента. 8. Telescopic pipe connection of the spacer element.
9. Генератор с мультипликатором, размещенные на береговой части дистанционирующей трубы, вал гидротурбины, соединенный с мультипликатором посредством карданной передачи, размещенной в дистанционирующей трубе. 9. A generator with a multiplier located on the coastal part of the spacer pipe, a turbine shaft connected to the multiplier through a cardan gear located in the spacer pipe.
10. Устройство для защиты от плавучих предметов. 10. Device for protection against floating objects.
11. Соотношение размеров, определяющих положение гидротурбины относительно донной пластины. 11. The ratio of sizes that determine the position of the turbine relative to the bottom plate.
12. Углы установки секций гидротурбины друг относительно друга. 12. The installation angles of the sections of the turbine relative to each other.
13. Применение унифицированных гидротурбин. 13. The use of unified hydroturbines.
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями (авторское свидетельство СССР 1700276, 1989, F 03 B 13/10) показывает, что затенение нижней части гидротурбины формирователем потока пандусом известно. Но известная величина затенения размером около 0,1 диаметра гидротурбины дает оптимальное повышение коэффициента использования энергии потока только для гидротурбин с коэффициентом прозрачности около 70%, а именно для роторных гидротурбин с одной или более лопастями симметричного профиля. На участке, затеняемом пандусом, уменьшается сопротивление обратного хода лопасти, поперечный размер которой меньше высоты пандуса. Но, если без изменения высоты пандуса уменьшать длину донной пластины и увеличивать угол ее установки, то, начиная с некоторых величин углов, снижается эффективность использования энергии потока воды гидротурбиной, а также утрачивается устойчивость гидроагрегата в потоке. Таким образом, известная величина затенения - 0,1 диаметра гидротурбины, не является параметром, в полной мере характеризующим оптимальные условия использования энергии потока воды гидротурбиной. В случае применения в гидроагрегате другого типа гидротурбин (Новикова, Бирюкова, Савониуса) пандус размером 0,1 диаметра гидротурбины не обеспечивает наиболее эффективного затенения лопастей, так как они могут занимать 0,3-0,5 диаметра гидротурбины. Comparison of the proposed solution with other technical solutions (USSR author's certificate 1700276, 1989, F 03
Модельные и натурные испытания на реках показали, что для гидротурбины Новикова оптимальное затенение лежит в пределах от 0,1 до 0,4 ее диаметра. Это в разнообразных условиях работы обеспечивает повышение коэффициента использования энергии потока гидроустановкой на 20% и более. На эффективность работы влияет, также, длина донной пластины формирователя потока. Существенное снижение отбора мощности потока наблюдается при уменьшении величины отношения длины донной пластины к диаметру гидротурбины. Так, при уменьшении этого отношения от двух до единицы, коэффициент использования мощности потока в различных условиях работы падает на 10% и более. Model and field tests on rivers have shown that for Novikov’s hydroturbine, optimal shading is in the range of 0.1 to 0.4 times its diameter. This in a variety of working conditions provides an increase in the utilization of energy flow by a hydraulic installation by 20% or more. The efficiency of the work is also affected by the length of the bottom plate of the flow former. A significant decrease in the flow rate is observed with a decrease in the ratio of the length of the bottom plate to the diameter of the turbine. So, with a decrease in this ratio from two to one, the utilization of the flow power under various operating conditions drops by 10% or more.
Таким образом, затенение нижней части гидротурбины в пределах от 0,1 до 0,4 ее диаметра и применение донной пластины, длина которой более чем в два раза превышает диаметр гидротурбины, позволяет эффективно применять, кроме роторной гидротурбины типа Дарье, более жесткие гидротурбины Новикова, Бирюкова и др., с коэффициентом использования энергии потока до 45%, и обеспечить надежную устойчивость гидроагрегата в потоке воды. При этом для таких гидротурбин не требуется устройство для отражения плавучих предметов. Thus, the shading of the lower part of the hydraulic turbine in the range from 0.1 to 0.4 of its diameter and the use of a bottom plate, the length of which is more than two times the diameter of the hydraulic turbine, makes it possible to efficiently use, in addition to the Darier rotary hydraulic turbine, more rigid Novikov hydraulic turbines, Biryukova and others, with a coefficient of utilization of flow energy up to 45%, and to ensure reliable stability of the hydraulic unit in the water stream. However, for such hydraulic turbines, a device for reflecting floating objects is not required.
Из других литературных источников (Уплотнение и уплотнительная техника, под ред. А. И. Голубева и Л.А. Кондакова// М.: Машиностроение, 1986, стр. 286-350, рис. 9.15б и 9.20б), известны конструкции торцевых уплотнений, и уплотнений вращающихся валов со сферическими поверхностями. Надежность этих уплотнений определяется точностью изготовления уплотняемых поверхностей и жесткостью конструкции. From other literary sources (Sealing and sealing equipment, under the editorship of A.I. Golubev and L.A. Kondakov // M .: Mashinostroenie, 1986, pp. 286-350, Fig. 9.15b and 9.20b), the constructions are known mechanical seals, and rotary shaft seals with spherical surfaces. The reliability of these seals is determined by the accuracy of the manufacture of the sealed surfaces and the rigidity of the structure.
Неточность изготовления (несоосность уплотняемых поверхностей) может привести к неполному контакту уплотняемых поверхностей и их разуплотнению. В случае нежесткой конструкции, устанавливаемой на неровную поверхность, происходит нарушение соосности уплотняемых поверхностей, что приводит к нарушению герметичности уплотняемого вращающегося вала. Размещение подшипника в сферический компенсатор деформаций позволяет компенсировать неточность сборки при монтаже, а также деформации рамы, возникающие при ее установке на неровное дно, и деформации гидротурбины, возникающие от давления на нее потока воды. Коаксиальное расположение сферических поверхностей уплотнения относительно сферических поверхностей компенсатора деформации обеспечивает надежное уплотнение вращающегося вала гидротурбины за счет устранения перекосов рамы и гидротурбины компенсатором деформации и возможности качания сферических поверхностей уплотнения и сферических поверхностей компенсатора деформаций относительно одного общего геометрического центра. Inaccurate manufacturing (misalignment of the sealed surfaces) can lead to incomplete contact of the sealed surfaces and their softening. In the case of a non-rigid structure mounted on an uneven surface, a misalignment of the sealing surfaces occurs, which leads to a violation of the tightness of the rotating shaft being sealed. Placing the bearing in a spherical deformation compensator allows you to compensate for inaccurate assembly during installation, as well as frame deformations that occur when it is installed on an uneven bottom, and hydraulic turbine deformations that arise from the pressure of a water stream on it. The coaxial arrangement of the spherical sealing surfaces relative to the spherical surfaces of the deformation compensator provides reliable sealing of the rotating shaft of the hydraulic turbine by eliminating distortions of the frame and the hydraulic turbine by the deformation compensator and the possibility of the spherical surfaces of the seal and the spherical surfaces of the deformation compensator swing relative to one common geometric center.
Если геометрические центры сферических поверхностей компенсаторов деформации и уплотнительных колец не совпадают, то при деформации рамы и гидротурбины происходит поворот этих сферических поверхностей относительно разных центров. Вследствие этого между уплотняемыми поверхностями может появиться зазор или часть уплотнителя будет недостаточно прижата к уплотняемому кольцу, что может привести к разгерметизации подшипникового узла. If the geometric centers of the spherical surfaces of the strain relief and the sealing rings do not coincide, then when the frame and the hydraulic turbine are deformed, these spherical surfaces rotate relative to different centers. As a result of this, a gap may appear between the sealing surfaces or a part of the seal will not be sufficiently pressed against the sealing ring, which may lead to depressurization of the bearing assembly.
Таким образом, применение конструкции уплотнения вращающегося вала по сферической поверхности, геометрический центр которой совпадает с геометрическим центром сферической поверхности компенсатора деформации, повышает надежность работы уплотнения. Thus, the use of the design of the seal of a rotating shaft on a spherical surface, the geometric center of which coincides with the geometric center of the spherical surface of the strain relief, increases the reliability of the seal.
На фиг. 1 показан вид в плане руслового гидроагрегата, оснащенного гидротурбиной Новикова или Бирюкова и генератором, расположенным на берегу реки. На фиг.2 показано поперечное сечение А-А гидроагрегата. На фиг.3, 4, 5 показаны поперечные сечения Б-Б, В-В, Г-Г, секций гидротурбины, определяющие положение лопастей друг относительно друга. На фиг.6 показан вид спереди Д на гидроагрегат. На фиг.7, 8 в сечении Е-Е показаны варианты компенсаторов деформаций с подшипниковыми узлами в негерметичном и герметичном исполнениях. На фиг.9 показан вид в плане варианта руслового гидроагрегата, оснащенного гидротурбиной, лопасти которой имеют профиль в форме крыла, а также устройством отражения плавучих предметов и герметичной капсулой для электрогенератора. На фиг. 10, 11, 12 показаны поперечные сечения И-И, К-К, Л-Л, определяющие положение лопастей гидротурбины друг относительно друга. Фиг.13 представляет профиль лопасти гидротурбины типа Дарье. На фиг.14 показан вид спереди М для варианта руслового гидроагрегата. На фиг.15 и 16 в сечении Н-Н показаны варианты герметичных компенсаторов деформаций с использованием сферических подшипников и герметичной капсулой для электрогенератора. Фиг.17 дает поперечное сечение полоза в виде круга. На фиг.18 в сечении П-П показана система регулировки гидротурбины по высоте. In FIG. Figure 1 shows a plan view of a channel hydraulic unit equipped with a Novikov or Biryukov hydro turbine and a generator located on the river bank. Figure 2 shows a cross section aa of the hydraulic unit. Figures 3, 4, 5 show cross-sections BB, B-B, G-G, sections of a hydraulic turbine defining the position of the blades relative to each other. 6 shows a front view of D on the hydraulic unit. In Figs. 7, 8, in cross section EE, deformation compensator variants with bearing assemblies in unpressurized and sealed versions are shown. Figure 9 shows a plan view of a variant of a channel hydraulic unit equipped with a hydraulic turbine, the blades of which have a wing-shaped profile, as well as a reflection device for floating objects and a sealed capsule for an electric generator. In FIG. 10, 11, 12 show cross-sections II, K-K, L-L, which determine the position of the blades of the turbine relative to each other. Fig. 13 is a profile of a Darier type turbine blade. On Fig shows a front view M for a variant of the channel hydraulic unit. On Fig and 16 in cross section HH shows options for sealed expansion joints using spherical bearings and a sealed capsule for an electric generator. Fig.17 gives a cross section of a runner in the form of a circle. On Fig in section PP shows a system for adjusting the turbine in height.
Гидроагрегат, изображенный на фигурах 1-8, содержит поперечную гидротурбину 1 Новикова (Бирюкова) с подшипниками 2 на ее валах 3, 4, снабженными сферическими компенсаторами деформаций, выполненными в герметичном 5 и негерметичном исполнении 6 и закрепленными к раме с формирователем потока 7. Рама 7 соединена со стойками 8 посредством хомутов 9, обеспечивающими возможность регулировки положения рамы 7 с гидротурбиной 1 по высоте относительно стоек 8, закрепленных к полозьям 10, которые установлены параллельно продольной оси гидротурбины. Крепление рамы 7 к береговым опорам 11, 12 осуществлено посредством дистанционирующего элемента 13 и троса 14. На полозьях 10 предусмотрены грузовые петли 15 для крепления троса (на чертеже не указан), с помощью которого осуществляется транспортировка гидроагрегата в исходную позицию, выбранную в реке, и обратно на берег вручную или подручными средствами (трактором, лебедкой и др.). The hydraulic unit shown in figures 1-8 contains a
Гидротурбина 1 собрана из секций 16, лопасти 17, которых представляют две S -образно согнутые пластины, закрепленные к торцам параллельных дисков 18. Лопасти 17 смежных секций 16 повернуты друг относительно друга на угол α = 360°/nz, где n - количество секций, а z - количество лопастей. Такая конструкция гидротурбины 1 обеспечивает ее надежный запуск (раскручивание) потоком воды и уменьшает неравномерность вращения.The
Рама собрана из боковых пластин 19, донной пластины 20 и пластин 21, 22, закрепленных к распорным трубам 23. Донная пластина 20 установлена под острым углом γ к набегающему потоку, причем продолжение ее плоскости пересекается с зоной в вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось гидротурбины, а границы этой зоны удалены от оси гидротурбины вниз на расстояния 0,1D и 0,4D, соответственно, где D - диаметр гидротурбины. Длина пластины 20 более чем в два раза превышает диаметр гидротурбины 1, что обеспечивает устойчивое положение гидроагрегата в потоке воды. The frame is assembled from
Компенсатор деформаций 6 в негерметичном варианте содержит сферическую втулку 24, установленную между двумя фланцами 25 с возможностью качания по сфере, выполненной в этих фланцах. Дистанционирующий элемент 13 соединен с рамой 7 с помощью шарниров 26, а с береговой опорой 11 - с помощью шарнира 27 и состоит из двух телескопически соединенных труб 28, 29, уплотненных кольцом 30. Регулировка длины дистанционирующего элемента осуществляется посредством шпилек 31 и гаек 32. К береговой части трубы 28 закреплен кронштейн 33, на который установлены генератор с мультипликатором 34. В полости труб 28, 29 в подшипниках 35 установлены телескопические валы 36, 37, соединенные с генератором 34 через муфту 38, а с валом 3 гидротурбины 1 через карданную муфту 39. Полость трубы 29 защищена от попадания воды сальником 40, уплотняющим вращающийся вал 37. The
В герметичном варианте компенсатора деформаций 5 фланцы 41, 42 соединены герметично, а со сферой фланца 42 контактирует прокладка 43, установленная на вал 3 также герметично, с возможностью перемещения вдоль оси под воздействием пружины 44, что обеспечивает уплотнение вращающегося вала 3. Для обеспечения герметичности передачи крутящего момента от вала 3 гидротурбины 1 к генератору-мультипликатору 34 фланец 41 герметично соединен с трубой 29 посредством сильфона 45. In a sealed version of the
В другом варианте (фиг. 9-18) гидроагрегат содержит поперечную гидротурбину 46 с профилем лопастей в форме крыла 47, жестко закрепленных к валу 48 посредством траверс 49 со сферическими подшипниками 50 на вале 48, которые установлены в герметичные корпуса 51, 52, закрепленные к раме с формирователем потока 53. Рама 53 посредством параллельных рычагов 54 присоединена через шарниры 55, 56 к полозьям 57, установленным перпендикулярно продольной оси турбины 46. Поперечное сечение полоза выполняется в виде трапеции 58, овала или круга 59, что уменьшает вероятность его погружения в мягкий грунт или заклинивания между камнями на дне реки. Полозья 57 шарнирно присоединены к раме 53 механизмом перемещения 60, обеспечивая регулировку положения гидротурбины 46 по высоте. Крепление рамы к береговым опорам 61, 62 осуществляется посредством дистанционирующего элемента 63 и троса 64. На полозьях 57 предусмотрены грузовые петли 65 для крепления троса 64 и троса для вытаскивания гидроагрегата из воды подручными средствами (лебедкой, трактором и др.). In another embodiment (Fig. 9-18), the hydraulic unit contains a transverse
Гидротурбина 46 собрана из секций 66, закрепленных жестко на вале 48. Каждая секция 66 состоит из двух лопастей с профилем в виде крыла 47, установленных под углом β к касательной окружности вращения лопастей 47. Лопасти 47 одной секции 66 повернуты вокруг продольной оси гидротурбины 46 относительно лопастей 47 другой секции 66 на угол α = 360°/nz, где n - количество секций 66, а z - количество лопастей 47. Это обеспечивает надежный запуск (раскрутку) гидротурбины 46, уменьшает неравномерность вращения и позволяет обеспечить высокую прочность и жесткость лопастей 47 гидротурбины 46 за счет уменьшения их длины.The
Рама с формирователем потока 53 собрана из боковых пластин 67, донной пластины 68 и дополнительных пластин 69, 70, закрепленных к распорным трубам 71. Донная пластина 68 установлена под острым углом γ к набегающему потоку, причем продолжение ее плоскости пересекается с зоной вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось гидротурбины 46. Границы этой зоны удалены от оси гидротурбины вниз на расстояния 0,1D и 0,4D, соответственно, где D - диаметр гидротурбины. Длина донной пластины 68 более чем вдвое превышает диаметр гидротурбины 46, что обеспечивает устойчивое положение гидроагрегата в потоке воды. The frame with the flow former 53 is assembled from
Для защиты гидротурбины 46 от попадания плавучих предметов на донную пластину 68 установлен пакет ребер-пластин 72, которые сориентированы взаимно параллельно и вдоль донной пластины 68, и для повышения жесткости связаны с верхней пластиной 73. To protect the
Дистанционирующий элемент 63 соединен с рамой 53 с помощью шарниров 74 и состоит из трубных секций 75, 76, 77. Длина дистанционирующего элемента 63 может быть изменена за счет установки или снятия дополнительных трубных секций. The
Сферические подшипники 50, выполняющие функцию сферических компенсаторов деформаций, установлены в герметичные корпуса 51, 52 и закреплены к боковым пластинам 67. Уплотнение вала 48 гидротурбин 46 осуществляется контактом уплотнителей 78 со сферической поверхностью втулок 79, закрепленных герметично на вал 48 и образующих сферическую поверхность вала. Сферическая поверхность втулок 79 выполнена коаксиально сфере качания подшипника 50, т.е. геометрический центр сферы втулки 79, выполненной радиусом R1 совпадает с геометрическим центром сферы качания подшипника 50, выполненной радиусом R. Уплотнитель 78 поджимается к втулке 79 пружинами 80 через прижимную втулку 81. К корпусу подшипника 51 присоединена герметично капсула 82, в которой помещен электрогенератор 83, вал которого соединен с валом 48 гидротурбины 46 посредством карданной муфты 84. Электрический кабель 85 от генератора 83 выводится герметично через втулку 86 в полость дистанционирующей трубы 63 и далее на берег.
В другом варианте уплотнение осуществляется контактом уплотнителей 87 с плоской поверхностью втулок 88, закрепленных герметично на валу 48 и создающих плоскую торцевую поверхность вала. Поджатие уплотнителей 87 производится пружинами 89 через втулку 90, подсоединенную герметично к корпусу подшипников 51 посредством сильфона 91, при этом элементы 89, 90 и 91 совместно составляют компенсатор торцевого биения вала. Такая конструкция обеспечивает компенсацию торцевых биений втулки 88, возникающих при вращении вала вследствие деформаций рамы и гидротурбины в потоке воды. In another embodiment, the seal is carried out by contacting the
Для установки гидроагрегата (в варианте, показанном на фиг.1-8) в ядро потока воды, которое определяется измерением профиля скоростей в русле реки, производится регулировка длины дистанционирующего элемента 13 с помощью шпильки 31 и положения рамы 7 с гидротурбиной 1 относительно стоек 8. Затем гидроагрегат транспортируют в реку тросом (на фиг. 1-8 не показан), закрепленным к грузовым петлям 15 на полозьях 10 (вручную, трактором, лебедкой и др. ), причем от сноса потоком воды гидроагрегат удерживается тросом 14, соединяющим береговую опору 12 с рамой 7. После установки гидроагрегата в ядро потока воды дистанционирующий элемент 13 закрепляется к береговой опоре 11, а трос 14 удерживает гидроагрегат от сноса потоком воды. To install the hydraulic unit (in the embodiment shown in Figs. 1-8) into the core of the water flow, which is determined by measuring the velocity profile in the riverbed, the length of the
Устройство работает следующим образом. Поток воды натекает на формирователь потока 7, где, взаимодействуя с донной пластиной 20, установленной под острым углом γ к набегающему потоку, прижимает гидроагрегат ко дну реки и, следуя дальше, своей основной массой раскручивает гидротурбину 1 в подшипниках 2. Крутящий момент с вала 3 гидротурбины 1 передается на генератор-мультипликатор 34 через карданную муфту 39, телескопические валы 37, 36 и муфту 38. The device operates as follows. A stream of water flows onto the flow former 7, where, interacting with the
При установке гидроагрегата на неровное дно рама 7 деформируется, а от усилий, возникающих при воздействии потока воды, деформируется гидротурбина 1, вызывая смещения и перекосы валов 3, 4 с подшипниками скольжения 2 друг относительно друга, которые компенсируются поворотом сферических втулок 24 в сферах фланцев 25. В случае использования стандартных подшипников качения для вращения гидротурбины применяются герметичные варианты компенсаторов деформаций 5 и системы передачи крутящего момента от гидротурбины 1 генератору с мультипликатором. When the hydraulic unit is installed on an uneven bottom, the
В другом варианте (фиг.9-18), в исходном положении гидроагрегата, регулировка длины дистанционирующего элемента 63 производится подбором длины секций 75, 76, 77, а изменение положения гидротурбины 1 с рамой 7 по высоте - механизмом перемещения 60. Гидроагрегат сталкивается в реку, увлекается потоком воды, поворачивается вокруг береговой опоры 61 на жестком дистанционирующем элементе 63 и, двигаясь по дуге окружности, устанавливается в рабочее положение, фиксируемое тросами 64, закрепленными на береговой опоре 62. Скольжение по неровностям почвы и мелким камням на дне русла реки обеспечивают полозья 57 с профилем поперечного сечения в виде трапеции 58, овала или круга 59. In another embodiment (Figs. 9-18), in the initial position of the hydraulic unit, the length of the
Устойчивое положение гидроагрегата в потоке воды и оптимальное затенение гидротурбины обеспечивает формирователь потока 73, донная пластина 68 которого установлена под острым углом γ к набегающему потоку и имеет длину, более чем вдвое большую диаметра гидротурбины. Компенсация деформаций рамы 53 и гидротурбины 46, возникающих при установке гидроагрегата на неровное дно и от воздействия потока воды на гидротурбину 46, обеспечивается сферическими подшипниками 50, которые защищены от попадания воды уплотнителями 78, контактирующими со сферическими втулками 79. A stable position of the hydraulic unit in the water stream and optimal shading of the hydraulic turbine are provided by the flow former 73, the
Этот вариант устройства работает следующим образом. Поток воды натекает на формирователь потока 73 через пакет ребер-пластин 72, отражающих плавучие предметы, действует на донную пластину 68, установленную под острым углом γ к набегающему потоку, прижимает гидроагрегат ко дну реки и основной своей массой, направленной формирователем на гидротурбину 46, раскручивает ее в сферических подшипниках 50. Компенсация деформаций рамы 53 и гидротурбины 46, возникающих при установке гидроагрегата на неровное дно и от воздействия потока воды на гидротурбину 46, обеспечивается качанием вала 48 по сферическим поверхностям радиуса R, выполненным из геометрических центров подшипников О. Уплотнение вращающихся валов 48 осуществляется по сферам R1, которые коаксиальны сферам R (т.е. выполнены из тех же геометрических центров подшипников О). Это обеспечивает надежное уплотнение вращающихся валов 48 при качании сфер, вызванном деформациями гидротурбины 46 и рамы 53. Крутящий момент с вала 48 гидротурбины 46 через карданную муфту 84 передается на генератор 83, установленный в герметичной капсуле 82.This variant of the device works as follows. A flow of water flows onto the flow former 73 through a package of
Наличие береговой системы запуска гидроагрегата в поток воды с возможностью изменения длины жесткого дистационирующего элемента и перемещения по высоте рамы с гидротурбиной относительно полозьев обеспечивает запуск гидроагрегата в реку и регулировку его положения относительно ядра потока воды в русле реки, а также повышает эффективность отбора энергии гидроагрегатом в потоке воды. Профилированное поперечное сечение полозьев (трапеция, овал, круг) практически исключает их заклинивание между неровностями дна или камнями в русле реки и их глубокое погружение в мягкий грунт на дне реки. Донная пластина, длина которой более чем в два раза превышает диаметр гидротурбины, установленная под острым углом γ к набегающему потоку, прижимает гидроагрегат ко дну реки и обеспечивает его устойчивое положение во время запуска, съема и работы в потоке воды. The presence of a coastal system for launching a hydraulic unit into a water stream with the possibility of changing the length of a rigid distant element and moving along the height of the frame with a hydraulic turbine relative to runners ensures that the hydraulic unit starts up in the river and adjusts its position relative to the core of the water stream in the river channel, and also increases the efficiency of energy extraction by the hydraulic unit in the stream water. The profiled cross-section of the runners (trapezoid, oval, circle) virtually eliminates their jamming between bottom irregularities or stones in the river bed and their deep immersion in soft soil at the bottom of the river. The bottom plate, whose length is more than two times the diameter of the turbine, installed at an acute angle γ to the incoming flow, presses the hydraulic unit to the bottom of the river and ensures its stable position during start-up, removal and operation in the water stream.
Использование гидротурбины, собранной из секций, расположенных вдоль продольной оси гидротурбины, лопасти которых повернуты друг относительно друга на угол α = 360°/nz, где n - количество секций, z - количество лопастей в секции, обеспечивает надежную раскрутку гидротурбины при установке ее в поток воды без использования дополнительных средств, а также уменьшает неравномерность вращения. Это обеспечивается тем, что при любом угле поворота в гидротурбине всегда есть секция, которая создает эффективный крутящий момент. Размещение дополнительных подшипниковых опор между несколькими гидротурбинами позволяет унифицировать их производство и создавать гидроагрегаты нужной мощности путем соединения необходимого количества гидротурбин вдоль их продольной оси.The use of a hydraulic turbine assembled from sections located along the longitudinal axis of the hydraulic turbine, the blades of which are rotated relative to each other by an angle α = 360 ° / nz, where n is the number of sections, z is the number of blades in the section, provides reliable promotion of the turbine when it is installed in the stream water without the use of additional funds, and also reduces the unevenness of rotation. This is ensured by the fact that at any angle of rotation in the turbine there is always a section that creates effective torque. Placing additional bearing supports between several hydraulic turbines makes it possible to unify their production and create hydraulic units of the required capacity by connecting the required number of hydraulic turbines along their longitudinal axis.
Эффективное затенение гидротурбины определяется положением линии пересечения плоскости донной пластины с вертикальной плоскостью, проходящей через ось гидротурбины диаметром D в зоне, ограниченной размерами от 0,1D до 0,4D вниз от оси. Это обеспечивает повышение коэффициента использования энергии потока за счет оптимизации условий обтекания потоком воды лопастей гидротурбины. The effective shading of the turbine is determined by the position of the line of intersection of the plane of the bottom plate with the vertical plane passing through the axis of the turbine with a diameter of D in a zone limited by dimensions from 0.1D to 0.4D down from the axis. This provides an increase in the utilization of the flow energy due to the optimization of the conditions for the flow of water around the turbine blades.
Перекосы валов относительно подшипников, возникающие при деформации гидротурбины от взаимодействия с потоком воды и деформации рамы, установленной на неровное дно реки, устраняются за счет качания валов гидротурбины по сферам компенсаторов деформации или применением сферических подшипников. Это обеспечивает надежную работу подшипников без перекосов и заклинивания. Применение уплотнения вращающихся валов по сферам, коаксиальным опорным сферам компенсаторов деформаций, обеспечивает надежную герметизацию подшипника. Это позволяет использовать стандартные подшипники и повысить, тем самым, надежность и к.п.д. гидроагрегата. The distortions of the shafts relative to the bearings arising from the deformation of the hydraulic turbine due to interaction with the flow of water and the deformation of the frame installed on the uneven bottom of the river are eliminated by swinging the shafts of the hydraulic turbine along the spheres of the expansion joints or by using spherical bearings. This ensures reliable operation of the bearings without distortions and jamming. The use of the sealing of rotating shafts in the spheres, coaxial support spheres of the expansion joints, provides reliable sealing of the bearing. This allows the use of standard bearings and, thereby, increase reliability and efficiency. hydraulic unit.
Размещение генератора с мультипликатором в капсуле, герметично соединенной с корпусом подшипника, и выполнение кинематической связи между валом гидротурбины и генератором посредством карданной муфты, обеспечивают надежную работу стандартных изделий (генератора, мультипликатора и карданной муфты) в составе гидроагрегата под водой. При этом карданная муфта компенсирует перекосы вала гидротурбины, возникающие в результате ее деформации от взаимодействия с потоком, и рамы - от установки на неровное дно реки. Placing the generator with the multiplier in the capsule, hermetically connected to the bearing housing, and performing the kinematic connection between the hydraulic turbine shaft and the generator by means of the cardan coupling, ensure reliable operation of standard products (generator, multiplier and cardan coupling) as part of the hydraulic unit under water. At the same time, the cardan coupling compensates for the distortions of the turbine shaft arising as a result of its deformation from interaction with the flow, and the frame from installation on an uneven river bottom.
Устройство для отражения плавучих предметов обеспечивает надежную защиту гидротурбины от заклинивания и повреждений плавучими предметами. A device for repelling floating objects provides reliable protection of a hydraulic turbine against jamming and damage by floating objects.
Размещение генератора с мультипликатором на береговой части жесткого дистанционирующего элемента и передача крутящего момента от гидротурбины генератору посредством карданной передачи, размещенной в полости дистанционирующего элемента, обеспечивают надежную работу генератора на берегу и удобное его обслуживание в любое время года без вывода гидроагрегата из реки. Создание герметичной системы передачи крутящего момента от гидротурбины к генератору на берегу улучшает работу гидроагрегата за счет герметизации подшипниковых узлов и карданной муфты. Совокупность вышеизложенных признаков обеспечивает также надежную работу и удобное обслуживание гидроагрегата в зимних условиях. Placing a generator with a multiplier on the coastal part of a rigid spacing element and transmitting torque from the hydraulic turbine to the generator by means of a cardan transmission located in the cavity of the spacing element ensures reliable operation of the generator on the shore and convenient maintenance at any time of the year without removing the hydraulic unit from the river. The creation of a sealed system for transmitting torque from a hydraulic turbine to a generator on the shore improves the operation of the hydraulic unit by sealing the bearing assemblies and the universal joint. The combination of the above features also provides reliable operation and convenient maintenance of the hydraulic unit in winter conditions.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000106224/06A RU2187691C2 (en) | 2000-03-13 | 2000-03-13 | Channel hydropower unit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000106224/06A RU2187691C2 (en) | 2000-03-13 | 2000-03-13 | Channel hydropower unit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2187691C2 true RU2187691C2 (en) | 2002-08-20 |
| RU2000106224A RU2000106224A (en) | 2002-09-10 |
Family
ID=20231793
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000106224/06A RU2187691C2 (en) | 2000-03-13 | 2000-03-13 | Channel hydropower unit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2187691C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD3846G2 (en) * | 2008-03-05 | 2009-09-30 | Технический университет Молдовы | Hydraulic station with horizontal axle |
| WO2013048284A1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | Statsura Sergey Petrovich | Unit for producing electric power in the gas path of a thermal power plant |
| MD589Z (en) * | 2012-09-20 | 2013-08-31 | Технический университет Молдовы | Hydraulic station |
-
2000
- 2000-03-13 RU RU2000106224/06A patent/RU2187691C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЩАПОВ Н.М. Турбинное оборудование гидроэлектростанции. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, с.285, рис.16-29. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD3846G2 (en) * | 2008-03-05 | 2009-09-30 | Технический университет Молдовы | Hydraulic station with horizontal axle |
| WO2013048284A1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | Statsura Sergey Petrovich | Unit for producing electric power in the gas path of a thermal power plant |
| MD589Z (en) * | 2012-09-20 | 2013-08-31 | Технический университет Молдовы | Hydraulic station |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6856036B2 (en) | Installation for harvesting ocean currents (IHOC) | |
| JP6257617B2 (en) | Vertical axis wind turbine and water turbine with flow control | |
| JP5539893B2 (en) | Power generator | |
| RU2502890C2 (en) | Turbine plant and power plant | |
| US9086047B2 (en) | Renewable energy extraction device | |
| US20090302611A1 (en) | Turbine | |
| US20140246859A1 (en) | Hydromotive Machine | |
| NO335484B1 (en) | Underwater ducted turbine | |
| GB2459843A (en) | A water turbine assembly having turbines mounted inline on a flexible shaft | |
| CA2729209A1 (en) | Tidal turbine system | |
| GB2437534A (en) | Marine turbine | |
| CA2600956A1 (en) | An arrangement for converting kinetic energy of ocean currents into electric energy | |
| RU2187691C2 (en) | Channel hydropower unit | |
| US11549480B2 (en) | Floating drum turbine for electricity generation | |
| JP2013024049A (en) | Small-scaled hydropower generation apparatus | |
| JP2013501183A (en) | Wave tidal power plant and method | |
| GB2348465A (en) | Combination air and water turbine. | |
| CN101265865A (en) | Sea hydraulic drive apparatus | |
| CN109306690B (en) | Ice breaking rotor unit, offshore foundation and offshore wind generating set | |
| US9816480B2 (en) | Single bucket drag-type turbine and wave power generator | |
| CN107304745B (en) | Tidal current energy power generation device and guide sleeve thereof | |
| US10738755B1 (en) | Hydrostatic pressure turbines and turbine runners therefor | |
| EP2769087B1 (en) | Apparatus and method for tidal energy extraction and storage | |
| CA2873584C (en) | Hydromotive machine | |
| WO2015016378A1 (en) | Ocean current power generation facility and method for mooring ocean current power generation facility |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180314 |