RU2221932C2 - Бесплотинная гидроэлектростанция - Google Patents

Abstract

Гидроэлектростанция предназначена для преобразования энергии рек. Бесплотинная гидроэлектростанция содержит фундамент и турбины с лопатками и диафрагмами, вертикальный вал которых установлен на подпятнике подшипника фундамента и соединен посредством редуктора с электрогенератором. Гидроэлектростанция выполнена в виде башни, закрепленной на дне реки якорным устройством, при этом вертикальный вал турбин проходит внутри башни, а турбины с диафрагмами расположены параллельно друг другу и снабжены направляющим аппаратом с одной стороны, а с другой стороны - цилиндрическими сегментами, причем диафрагмы через пустотелые стойки скреплены анкерными болтами. У гидроэлектростанции пустотелые стойки снабжены обтекателями и установлены в направляющих элементах диафрагмы. У гидроэлектростанции фундамент снабжен вертикальным заостренным стержнем, заглубленным в дно реки, и стержнем с передней режущей частью и механизмом для ручного поворота и закрепления гидроэлектростанции. Конструкция гидроэлектростанции позволяет обеспечить преобразование энергии воды без строительства плотины. 2 з.п.ф-лы, 11 ил.

Description

Изобретение относится к созданию и работе бесплотинных ГЭС на малых, маленьких, но особенно на больших могучих реках с большими глубинами и шириной русла, со скоростью течения от 0,5-1,0 м/с и выше, с возможностью соединения их в блоки или с размещением в рассредоточенном виде на поверхности реки.

Известны бесплотинные ГЭС, имеющие водяные колеса, являющиеся своеобразным энергетическим порогом в повышении производительности труда (см. Л.А. Мелентьев Программы топливно-энергетического комплекса, изд. "Техника", "Знание", М., 1986 г., 1, стр.20 [1]).

Основным существенным недостатком известной конструкции этого типа ГЭС является ее малая надежность и мощность, а также невозможность работы в зимний период с образованием ледового покрова.

Известна также и бесплотинная ГЭС, у которой несущей и вращающейся частью /валом/ является стальной трос с установленными на нем турбинками и перекинутым с одного берега на другой /ж. "Наука и жизнь", М., 1976 г., стр.12, 8 [2].

Основным недостатком данной бесплотинной ГЭС является малая надежность и крайне низкая мощность, а также невозможность использования в зимний период с образованием ледового покрова. Кроме того, к недостаткам всех известных бесплотинных ГЭС следует отнести невозможность их эксплуатации на крупных судоходных реках с использованием энергии больших глубин /гидравлической энергии текущей воды/ и включением их в общую энергетическую сеть.

Наиболее близкой к заявляемому устройству, аналогом-прототипом, является Гидроэлектростанция по патенту 2171910, содержащая установленное в русле сооружение, состоящее из фундаментной плиты, боковых стен и перекрытия с помещением для редуктора с электрогенератором над местом установки гидроколеса. Сооружение перед водозабором имеет ледорезную опору и бонные сети, а боковые стены со стороны входа воды и ее выхода имеют расширения, образующие соответственно конфузорный, рабочий и диффузорный каналы. Одна из боковых стен имеет в рабочем канале секторный полукруглый вырез под гидроколесо, которое установлено в подшипниковых узлах выше дна реки и ниже кромки возможного ледяного покрова соответственно, нижнем - в фундаментной и плите и верхнем - в перекрытии.

Гидроколесо выполнено полым, состоящим из жестко установленных на валу двух параллельных горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними равномерно установлены лопасти с длиной не более 2/3 его радиуса под углом к нему от 0 до 180^o. Гидроколесо своими редукторами и электрогенераторами по длине гидроэлектростанции в ее рабочем канале может быть несколько. Рабочий канал со входом и выходом воды снабжен затворами и насосной установкой. Конструкция устройства позволяет увеличить надежность работы и круглогодичность использования.

Основными существенными недостатками аналога, выбранного в качестве прототипа, являются
- высокая материалоемкость и стоимость выполнения двухэтажной коробки здания гидроэлектростанции;
- выполнение работ под водой по возведению сооружения /коробки/, особенно на глубоких реках требует применения специальных устройств, например кессонов;
- устройство ледорезной опоры опять же увеличивает материалоемкость и стоимость гидроэлектростанции;
- к дополнительной стоимости гидроэлектростанции относится и устройство затворов с 2-х сторон рабочего канала, а также насосной установки;
- применение нескольких гидроколес со своими редукторами и электрогенераторами в одном рабочем канале снижает эффективность последующих колес, установленных за первым за счет уменьшения скорости течения воды в канале и наличия завихрений за первым гидроколесом, т.е. кпд этих колес становится существенно меньше первого гидроколеса и приводит к увеличению стоимости гидроэлектростанции, удлинение же рабочего канала приведет к еще большей стоимости;
- нерационально также размещать гидроэлектростанцию в центральном сечении реки, что будет мешать пропуску по реке глубокосидящих судов;
- низкая мощность гидроэлектростанции - от 10 до 100-150 кВт, высокая материалоемкость и производство работ по возведению коробки здания под водой приводит не только к высокой стоимости строительства, но и высокой стоимости одного киловатт-часа, а также к длительной окупаемости столь дорогого сооружения, особенно на глубоких реках.

Целью изобретения является использование гидравлической энергии рек, независимо от их "мощности" на всю их глубину, круглые годы с достижением больших электрических мощностей и работой на общую энергетическую сеть, без строительства дорогих плотин, шлюзов и водохранилищ с сохранением земельных угодий с поселками и городами, улучшение экологии.

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами,
где на фиг.1 показан продольный разрез сдвоенных бесплотинных ГЭС;
на фиг.2 изображен поперечный разрез III-III с видом турбин с вогнутыми рабочими лопатками, направляющим аппаратом и цилиндрическим сегментом;
на фиг.3 показана часть турбины в поперечном сечении по II-II;
на фиг.4 показано продольное сечение по башенной бесплотинной ГЭС;
на фиг.5 изображен вид на турбину сверху с частичным вырезом по рабочим лопаткам, ротору и валу;
на фиг.6 показан продольный разрез цилиндрического сегмента;
на фиг.7 приведен поперечный разрез по сегменту;
на фиг. 8 изображен поперечный разрез пустотелой стойки с обтекателем и анкерным болтом;
на фиг.9 приведен продольный разрез одиночной башенной бесплотинной ГЭС малой мощности с облегченным фундаментом, имеющим заостренный стержень;
на фиг.10 приведен продольный разрез по микроГЭС;
на фиг. 11 показаны схемы размещения в реке бесплотинных ГЭС с якорными устройствами, в том числе и на плавучем средстве.

Бесплотинная ГЭС содержит фундамент 1 /фиг.1/, в частности с установленными на нем двумя ГЭС башенного типа 2, с вертикально расположенными валами 3, каждый из которых установлен в подпятник 4 /опорные подшипники/. Башни ГЭС разделены горизонтальными диафрагмами 5 /заштрихованными на чертеже/, между которыми размещены турбины 6 /для простоты изображения они показаны в виде прямоугольников с диагональными линиями, со свободным вращением между диафрагмами 5 на валу 3.

Между диафрагмами 5 установлены пустотелые цилиндрические стойки 24, обеспечивающие точное расстояние между диафрагмами, связь всей конструкции в единое целое и прочность конструкции башни за счет анкерных болтов 7, которыми стянуты элементы башни через стойки 24 и диафрагмы 5.

Сверху на диафрагмах 8 установлены редукторы 9, крепящиеся через муфты 30 с валом 3 и муфты 29 с электрогенератором 10 /см. фиг.4/. Прочность конструкции из редуктора с генератором достигается размещением их в цилиндрической оболочке 11 /фиг.4/, каждая с помощью косынок 12, выполненных таврового профиля, которые с помощью шпилек 26 крепятся к верхней диафрагме 8 в каждой башне ГЭС. Косынки 12 расположены равномерно по окружности на заданном расстоянии друг от друга.

Болтами 27, 28 осуществляется крепление в оболочке 11 генератора и редуктора (см. фиг.5). Турбина, показанная на этой фигуре, имеет сквозное отверстие 13 для пропуска и крепления вала 3 на шпонках 32, вогнутые рабочие лопатки 14, ротор 15 соединенные в единую конструкцию описываемой турбины.

На каждой диафрагме 5 размещен направляющий аппарат с лопатками 16, 17, 18, 19, 20, а с противоположной стороны диафрагмы колесо турбины 6 закрыто от набегающего потока воды цилиндрическими сегментами 21, выполненными в виде "швеллера" с полками 22 и крепящими к диафрагме шпильками 23.

Для предотвращения смещения элементов конструкции башни ГЭС пустотелые стойки 24 входят в направляющие элементы 25 всех диафрагм.

Поз. 33 - обтекатели стоек 24, поз. 24 - дно реки, поз. 35 показывает в виде стрелки направление текущей воды, поз.36 - перемычка /для прочности/ между 2-мя башенными ГЭС. При одиночной установке башенных ГЭС перемычка отсутствует. Поз.31 - монтажные петли генератора.

Работает бесплотинная башенного типа ГЭС следующим образом: по фиг.1 отметим, что на фиг.1 буквы ГВВ обозначают горизонт вод /половодье/, ГМВ - горизонт текущей воды-межень в реке после падения половодья, поверхность льда отмечена словом "лед".

Башня ГЭС устанавливается на фундамент в русле реки, как показано стрелкой 35, навстречу течению воды.

Текущая вода входит в направляющий аппарат 16-20, образованный криволинейными лопатками, с заданной скоростью и давит на вогнутые рабочие лопатки 14, которые приводят во вращение турбины 6 вместе с валом 3. Потеряв часть своей скорости и кинетической энергии, отработанная вода вытекает из лопаток турбин по течению реки так, как показано стрелками 60.

Установка цилиндрических сегментов 21-22 с противоположной стороны направляющего аппарата позволяет избежать действия течения на эту часть турбины за счет обтекания ее гладких поверхностей сегментов 21 по всей высоте башни и всех установленной на ней турбин. Для предотвращения даже малейшего перетекания текущей воды в зазоры между рабочими лопатками 14 турбин и поверхностей сегментов 21 каждая рабочая лопатка 14 турбин 6 имеет на концах уплотняющие пластины /устройства/, которые, выступая за концы рабочих лопаток 14, скользят по внутренним поверхностям цилиндрических сегментов 21, перекрывая хотя бы и небольшие, но обязательно образующиеся при изготовлении и монтаже зазоры. В результате приложение сил от текущей воды реки на турбины 6 по всей высоте башни ГЭС осуществляется только в зоне расположения направляющих аппаратов 16-20 с беспрепятственным обтеканием водой наружных поверхностей сегментов 21, не оказывая противодавления для вращения турбин и работы бесплотинной ГЭС. Выполнение рабочих лопаток 14 турбин вогнутыми обеспечивает образование "ковшей" и способствует более эффективному использованию кинетической энергии свободно движущейся воды реки. Этому же направлению, т.е. повышению использования кинетической энергии течения реки на турбинах 6 способствует и направляющий аппарат, лопатки которого (16, 17, 18, 19, 20) выполнены с таким расчетом профилей, чтобы изменять направление движения потока воды так, чтобы направление ее движения на рабочие лопатки 14 приближалось к перпендикулярному направлению к касательной к средней линии, проходящей по среднему диаметру рабочих лопаток 14.

В качестве уплотняющих материалов концов рабочих лопаток 14 в настоящее время имеется масса различных материалов: пластические /гибкие/ резиновые различных модификаций, пластмассовые, также с широким выбором их свойств, способных надежно выполнять свои уплотнительные функции при длительной работе ГЭС и различных температурах, в том числе низких, а также существует широкий выбор композиционных материалов на основе металлов и конструкций для их крепления на лопатках.

В качестве примеров на фиг.9 и 10 показаны бесплотинные ГЭС той же конструкции, что и вышеописываемой, но только небольших мощностей с облегченными фундаментами для применения на малых реках и речушках, например, по фиг. 9 башня 37 с турбинами, фундамент также столбчатого типа 38/39 и заостренный стержнем 40, способствующий дополнительной устойчивости башенной ГЭС, редуктор 41 и генератор 42.

МикроГЭС на фиг.10 ничем не отличается по конструкции от ГЭС башенного типа по фиг.1 и 9, однако ее можно опускать в реку с лодок или льда вручную, так как сама башня с турбинами 43 имеет фундамент 44 облегченного типа с заостренным стержнем, на конце которого выполнено режущее устройство подобно буру.

Для сцепления с дном рек буром 45 микроГЭС заворачивается вручную с помощью труб 46, выполненных на устройстве, и дополнительных стержней 47. Редуктор 48, генератор 49.

Описываемые бесплотинные ГЭС классифицируются как малые ГЭС, однако такие ГЭС башенного типа, которые изображены на фиг.1, могут заменить любую самую мощную обычную ГЭС плотинного типа, причем вырабатывать электроэнергию с самой низкой стоимостью одного киловатт-часа, так как не требуется ни сверхсложных и дорогих плотин, ни водохранилищ и огромных подготовительных работ, сопутствующих обычным плотинным ГЭС.

В этом случае придется строить шлюзы для пропуска судов /на фиг.11 они не показаны/, а крупные или средние реки перегораживаются башенными ГЭС 50 с промежутками между ними так, как показано на фиг.11 /на месте стрелки 59 для пропуска судов также устанавливаются башни 50 ГЭС/.

Чтобы полностью использовать всю гидравлическую энергию реки, представляющую собой работу, которая совершает текущая в ней вода (см. учебник для вузов "Гидроэнергетика", А.Ю. Александровский и др. -М.: Энергоатомиздат, 1988 г., cтр. 5-271 [3]), башенные ГЭС устанавливают в несколько рядов поперек реки на заданном расстоянии друг от друга, а для устойчивости и прочности скрепляются балками 51 и якорными устройствами 52. На фиг.11 показано только два ряда башенных ГЭС 50 /на фиг.1 башни ГЭС обозначены цифрами 2, что одно и то же/.

Для избежания сильного стеснения русла реки башенные ГЭС можно устанавливать на заданном расстоянии друг от друга поперек русла реки и на заданном расстоянии вдоль реки не только в два ряда, как это показано на фиг.11, но и в несколько раз больше, согласно расчету и модельным испытаниям.

Кроме того, ГЭС можно строить из отдельных блоков по высоте, скрепляя их между собой, которые имеют свои редуктор и электрогенератор подводного исполнения. При этом каждый блок башенного типа включается в работу тогда, когда этому соответствуют годовые циклы колебаний стока реки-половодье это /все блоки работают по высоте/, межень с малым расходом - только, например, нижние блоки башни ГЭС. При образовании покрова льда включаются соответствующие нижние блоки, работающие только под льдовым покровом.

В некоторых случаях будет целесообразным, особенно на реках Сибири и Дальнего Востока в период образования ледового покрова, осуществлять демонтаж верхних блоков башни ГЭС с сохранением их под навесами или в закрытых помещениях, так как этот период бывает большую часть года. Напомню, что все ГЭС крепятся между собой перемычками 36, балками 51 и якорными устройствами 52.

Далее, на фиг.11 показаны схемы размещения одиночных ГЭС 53, что соответствует поз.2 на фиг.1 /описано это выше/, раскрепленных якорными устройствами 52, якорями 54 и жесткими балками 55. Показано плавучее средство 56 с балкой 57 с башенной ГЭС 58, например, по фиг.9.

Использование предлагаемой конструкции бесплотинной ГЭС обеспечивает получение дешевой электроэнергии в любом географическом районе России, в частности на реках Сибири и Дальнего Востока, а также на ранее построенных гидроузлах неэнергетического назначения, например, в створах Астраханского Вододелителя и других малых гидроузлах, принадлежащих Вододелителю, на оросительных каналах. Особенно целесообразным становится освоение русла р.Лены, на р. Амгуэме на Чукотке и р.Кроноцкой на Камчатке, где особенно ощущается нехватка электроэнергии.

Кроме того, приведенная конструкция бесплотинной ГЭС позволяет осуществлять ее монтаж в любую погоду и в самые кратчайшие сроки, так как ГЭС практически полностью готовится /изготовляется/ в заводских условиях.

Предлагаемые бесплотинные ГЭС могут успешно работать как в автономном режиме с последовательным наращиванием мощностей по получению электроэнергии на крупных, средних и малых речушках, так и в виде каскада ГЭС для получения сотен тысяч и миллионов киловатт установленной мощности или миллиардов киловатт-часов.

Claims (3)

1. Бесплотинная гидроэлектростанция, содержащая фундамент и турбины с лопатками и диафрагмами, вертикальный вал которых установлен на подпятнике подшипника фундамента и соединен посредством редуктора с электрогенератором, отличающаяся тем, что она выполнена в виде башни, закрепленной на дне реки якорным устройством, при этом вертикальный вал турбин проходит внутри башни, а турбины с диафрагмами расположены параллельно друг другу и снабжены направляющим аппаратом с одной стороны, а с другой стороны - цилиндрическими сегментами, причем диафрагмы через пустотелые стойки скреплены анкерными болтами.

2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что пустотелые стойки снабжены обтекателями и установлены в направляющих элементах диафрагмы.

3. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что ее фундамент снабжен вертикальным заостренным стержнем, заглубленным в дно реки, и стержнем с передней режущей частью и механизмом для ручного поворота и закрепления гидроэлектростанции.

Images