RU2483159C1

RU2483159C1 - Cascade hydroelectric power plant

Info

Publication number: RU2483159C1
Application number: RU2011146502/13A
Authority: RU
Inventors: Александр Иосифович Минченко; Анаит Патвакановна Злобина; Евгений Анатольевич Спирин
Original assignee: Александр Иосифович Минченко; Анаит Патвакановна Злобина; Евгений Анатольевич Спирин
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-27

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: hydroelectric power plant includes a channel connected to a water reservoir initiating a dynamic flow and orthogonal turbines located inside the channel. The channel represents a pipe consisting of connecting links and provided with the turbines equally spaced throughout the pipe length. Turbines are made in the form of tubular modules with a drive shaft outlet and have the possibility of installing the modules between the connecting links of the pipe. In addition, annular elements of aerodynamic profile are fixed in modules.

EFFECT: higher efficiency of a hydroelectric power plant, lower structural complexity and metal consumption of the device, improved manufacturability, installation and operation and uniform distribution of loads between turbines.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть применено как самостоятельно для выработки электроэнергии, так и в составе плотинных ГЭС, деривационных ГЭС, свободнопоточных ГЭС в системах водоснабжения, водоотведения, и водотоках каналов.The invention relates to hydropower and can be applied both independently to generate electricity, and as part of dam hydroelectric power stations, derivational hydroelectric power stations, free-flowing hydroelectric power stations in water supply, wastewater, and canal streams.

Известна речная гидроэлектростанция, содержащая обводной канал и турбины, соединенные с генераторами, отличающаяся тем, что, с целью расширения области применения, она снабжена щитками и прямолинейными трубами, соединяющими русло реки с обводным каналом и расположенными горизонтально или наклонно, причем обводной канал выполнен подземным и расположен на берегу параллельно руслу реки, а турбины размещены в концевых участках труб или за выходными сечениями труб, при этом щитки установлены в русле реки поперек потока за входными сечениями труб ниже по течению реки /RU Патент 2023806, 1994 г./.Known river hydroelectric power station containing a bypass channel and turbines connected to generators, characterized in that, in order to expand the scope of application, it is equipped with shields and straight pipes connecting the river channel with a bypass channel and located horizontally or obliquely, and the bypass channel is made underground and It is located on the shore parallel to the river channel, and turbines are located in the end sections of the pipes or behind the outlet pipe sections, while shields are installed in the river channel across the stream beyond the inlet sections pipes downstream / RU Patent 2023806, 1994 /.

Известная гидроэлектростанция имеет не достаточно высокий КПД, излишне конструктивно сложна и дорога в изготовлении и монтаже, ограниченно применима при небольших перепадах высот, не достаточно технологична в эксплуатации.The well-known hydroelectric power station has not a high enough efficiency, it is unnecessarily structurally difficult and expensive to manufacture and install, it is limitedly applicable at small elevation changes, and it is not technologically advanced in operation.

Известна микроГЭС, включающая гидротурбину с генератором электрического тока, выведенным наружу через колено отсасывающей трубы и соединенным с валом турбины, отличающаяся тем, что станина статора генератора выполнена в виде рубашки, которая плотно одета на пакет статора, к торцам которого приварены фланцы подшипниковых крышек, причем вокруг рубашки создан кожух для образования камеры охлаждения, которая снабжена трубами, подводящими и отводящими охлаждающую воду, при этом генератор выполнен с меньшим диаметром, и удлиненным пакетом статора, и сердечником ротора, на наружной поверхности рубашки выполнено рифление глубиной канавок 0,5-1,5 мм и шириной 3-5 мм, а поверхность пакета статора смазывается диэлектрическим заливочным композитом /RU Патент 81773, 2009 г./. Известная микроГЭС имеет не достаточно высокий КПД, не достаточно надежна в работе, не технологична при ремонтных работах, и при эксплуатации ограниченно применима на низкоскоростных потоках.Known micro hydroelectric power station, including a hydraulic turbine with an electric current generator, brought out through the elbow of the suction pipe and connected to the turbine shaft, characterized in that the generator stator bed is made in the form of a jacket, which is tightly dressed on a stator package, the ends of which are welded to the ends of the bearing caps around the shirt there is a casing for the formation of a cooling chamber, which is equipped with pipes supplying and discharging cooling water, while the generator is made with a smaller diameter and an elongated bag with of the stator and the rotor core, on the outer surface of the shirt, grooves were made with a groove depth of 0.5-1.5 mm and a width of 3-5 mm, and the surface of the stator package was lubricated with dielectric casting composite / RU Patent 81773, 2009 /. The well-known micro-hydroelectric power station has not a sufficiently high efficiency, it is not reliable enough in operation, it is not technologically advanced during repair work, and during operation it is limitedly applicable at low-speed flows.

Известна малая гидроэлектростанция с активной турбиной, включающая в себя плотину водозабора, конус водозабора, напорный водовод, активную турбину, генератор тока с приводом, отличающаяся тем, что конус водозабора выполнен конусом только в горизонтальной плоскости, вход в донный водосброс и вход в конус водовода располагаются в одной плоскости и над ними на гребне плотины водозабора установлено теплое помещение, стенка которого, обращенная в сторону водохранилища, располагается перед плотиной и ее нижняя кромка заглублена на величину промерзания водохранилища, а активная турбина выполнена в виде диска, жестко закрепленного на валу турбины, по обеим сторонам которого по его периферии закреплены ковши, выполненные в виде улиток, закручивающих падающую на них струю воды из сопел напорного водовода таким образом, чтобы отработанная струя воды падала мимо основной струи, каждое сопло напорного водовода выполнено в виде конуса, связанного с задвижкой напорного водовода через промежуточное звено водовода, а в качестве тормозной системы для стабилизации числа оборотов колеса турбины и, следовательно, частоты тока при изменяющихся в процессе работы станции параметрах напора и нагрузок на генератор от потребителей тока применен дополнительный генератор постоянного тока, вал которого жестко связан с валом основного генератора, и на обмотку возбуждения, которого через диодный мост подается ток из основной, трехфазной сети основного генератора, кроме того, в схеме управления обмоткой возбуждения основного генератора применен реостат, предназначенный для изменения силы тока в его обмотке возбуждения, управляемый центробежным толкателем, например, системы Уатта, вал которого также связан с валом основного генератора /RU Патент 2305793, 2007 г./.A small hydroelectric power station with an active turbine is known, which includes a water intake dam, water intake cone, pressure water conduit, an active turbine, a current generator with a drive, characterized in that the water intake cone is made by a cone only in a horizontal plane, the entrance to the bottom spillway and the entrance to the water cone are located in one plane and above them on the crest of the water intake dam a warm room is installed, the wall of which, facing the reservoir, is located in front of the dam and its lower edge is buried by an amount n freezing of the reservoir, and the active turbine is made in the form of a disk, rigidly fixed to the turbine shaft, on both sides of which there are buckets made on the periphery of it, made in the form of snails twisting the stream of water falling on them from the nozzles of the pressure water conduit so that the exhausted water stream falls past the main stream, each nozzle of the pressure pipe is made in the form of a cone connected with the valve of the pressure pipe through the intermediate link of the pipe, and as a brake system to stabilize the speed of the wheels and the turbines and, consequently, the current frequency, when the pressure and load on the generator vary from the current consumers during the station’s operation, an additional direct current generator is used, the shaft of which is rigidly connected to the shaft of the main generator, and to the excitation winding, which receives current from the diode bridge from main, three-phase network of the main generator, in addition, in the control circuit of the excitation winding of the main generator, a rheostat is used to change the current in its excitation winding, centrifugal pusher, for example, the Watt system, the shaft of which is also connected to the shaft of the main generator / RU Patent 2305793, 2007 /.

Известная гидроэлектростанция имеет не достаточно высокий КПД, излишне конструктивно сложна, не позволяет автоматически удерживать равномерное распределение нагрузок между турбинами, мало технологична в изготовлении, монтаже и эксплуатации, относительно дорога и ограниченно применима при работе на низкоскоростных потоках.The well-known hydroelectric power station has not a sufficiently high efficiency, is unnecessarily structurally complex, does not automatically maintain a uniform distribution of loads between turbines, is low-tech in manufacturing, installation and operation, relatively expensive and has limited applicability when working at low speed flows.

Наиболее близкой является речная деривационная гидроэлектростанция, содержащая обводной канал, турбины и генераторы, установленные в нем, отличающаяся тем, что гидроэлектростанция дополнительно снабжена турбинами и генераторами, установленными на стыке реки и обводного канала и в обводном канале вниз по течению с образованием каскада, при этом гидроэлектростанция выполнена бесплотинной /RU Патент 2023201, 2007 г./.The closest is a river derivative hydroelectric power station containing a bypass channel, turbines and generators installed in it, characterized in that the hydroelectric power station is additionally equipped with turbines and generators installed at the junction of the river and the bypass channel and in the bypass channel downstream with the formation of a cascade, while hydroelectric power station is made damless / RU Patent 2023201, 2007 /.

Задачей изобретения является повышение КПД гидроэлектростанции, снижение конструктивной сложности, металлоемкости и стоимости изготовления, повышение технологичности изготовления, монтажа и эксплуатации, достижение равномерного распределения нагрузок между турбинами.The objective of the invention is to increase the efficiency of a hydroelectric power station, reduce the structural complexity, metal consumption and manufacturing cost, increase the manufacturability of manufacture, installation and operation, achieve a uniform load distribution between the turbines.

Задача решается тем, что в каскадной ГЭС, включающей канал, связанный с инициирующим динамичный поток водоемом, ортогональные турбины, расположенные внутри канала, согласно решению канал представляет собранную из соединительных звеньев трубу с разнесенными по длине трубы турбинами, выполненными в виде трубных модулей с выходом ведущего вала и возможностью установки модулей между соединительными звеньями трубы, при этом на входе в каждый трубный модуль дополнительно закреплены кольцевые элементы аэродинамического профиля, а на выходе из модуля - турбина, вместе с тем, расстояние между поперечными осями кольцевых элементов и ортогональных турбин соответствует 0,6÷1,2 диаметра трубы, а соединительные звенья трубы и трубные модули снабжены соединительными фланцами и подъемными зацепами.The problem is solved in that in a cascade hydroelectric power station, including a channel connected to a reservoir initiating a dynamic flow, orthogonal turbines located inside the channel, according to the solution, the channel represents a pipe assembled from connecting links with turbines spaced along the length of the pipe, made in the form of pipe modules with the output of the lead shaft and the ability to install modules between the connecting links of the pipe, while at the entrance to each pipe module are additionally fixed ring elements of the aerodynamic profile, and at the exit from the module is a turbine, however, the distance between the transverse axes of the ring elements and orthogonal turbines corresponds to 0.6 ÷ 1.2 pipe diameters, and the pipe connecting links and pipe modules are equipped with connecting flanges and lifting hooks.

Отличительными признаками являются:Distinctive features are:

- канал представляет собранную из соединительных звеньев трубу с разнесенными по длине трубы турбинами (что обеспечивает повышение КПД гидроэлектростанции, повышение технологичности изготовления, монтажа и эксплуатации, достижение равномерного распределения нагрузок между турбинами);- the channel represents a pipe assembled from connecting links with turbines spaced along the length of the pipe (which ensures an increase in the efficiency of a hydroelectric power station, an increase in the manufacturability, installation and operation, and an even distribution of loads between the turbines);

- турбины выполнены в виде трубных модулей с выходом ведущего вала и возможностью установки модулей между соединительными звеньями трубы, (что обеспечивает снижение конструктивной сложности, повышение технологичности изготовления, монтажа и эксплуатации);- turbines are made in the form of tube modules with the output of the drive shaft and the ability to install modules between the connecting links of the pipe (which reduces the structural complexity, improves the manufacturability, installation and operation);

- в модулях дополнительно закреплены кольцевые элементы аэродинамического профиля (что способствует повышению КПД);- in the modules are additionally fixed ring elements of the aerodynamic profile (which helps to increase efficiency);

- кольцевые элементы закреплены на входе в каждый трубный модуль, а турбина - на выходе из модуля (что обеспечивает оптимальное значение динамики потока при воздействии на турбину, технологичность изготовления, а при необходимости - замены изношенных узлов);- ring elements are fixed at the entrance to each tube module, and the turbine at the exit of the module (which ensures the optimal value of the flow dynamics when acting on the turbine, manufacturability, and, if necessary, replacement of worn nodes);

- расстояние между поперечными осями кольцевых элементов и ортогональных турбин соответствует 0,6÷1,2 диаметра трубы (что обеспечивает оптимальное значение динамики потока при воздействии на турбину со снижением негативных турбулентных эффектов).- the distance between the transverse axes of the ring elements and orthogonal turbines corresponds to 0.6 ÷ 1.2 pipe diameters (which ensures the optimal value of the flow dynamics when exposed to the turbine with a decrease in negative turbulent effects).

Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».Thus, the claimed solution meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого решения с аналогами и другими известными решениями не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».Comparison of the proposed solutions with analogues and other known solutions did not allow to identify in them the features that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "inventive step".

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид с разрезом, фиг.2 - блок соединительного звена с трубными модулями, фиг.3 - трубный модуль в разрезе по АА, фиг.4 - трубный модуль, сечение Б-Б.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 is a sectional general view, Fig. 2 is a block of a connecting link with pipe modules, Fig. 3 is a sectional pipe module along AA, Fig. 4 is a pipe module, section BB.

Каскадная гидроэлектростанция содержит канал 1, ортогональные турбины 2, соединительные звенья 3, трубные модули 4, ведущий вал 5, кольцевые элементы 6, фланцы 7, зацепы 8, генераторы 9. Каскадная гидроэлектростанция работает следующим образом.The cascade hydroelectric power station comprises a channel 1, orthogonal turbines 2, connecting links 3, pipe modules 4, a drive shaft 5, ring elements 6, flanges 7, hooks 8, generators 9. The cascade hydroelectric power station works as follows.

По соединительным звеньям 3 канала 1 поток воды движется внутри трубных модулей 4, воздействуя на ортогональные турбины 2. В процессе движения поток обтекает кольцевые элементы 6, при этом происходит перераспределение скоростей потока в поперечном сечении канала (снижение скорости потока в зоне стен канала и возрастание скорости в зоне оси канала). Такое перераспределение скоростей приводит к снижению суммарной скорости потока, набегающего на лопасть турбины 2 при углах атаки, близких к нулевым, что ведет к возрастанию КПД турбины (стр.159, Моделирование нестационарных турбулентных течений при обтекании подвижных тел сложной геометрии на основе уравнений Навье-Стокса. Вестник Харьковского национального университета №847, 2009).Through the connecting links 3 of the channel 1, the water flow moves inside the tube modules 4, acting on the orthogonal turbines 2. During the movement, the flow flows around the annular elements 6, while the flow velocities are redistributed in the channel cross section (the flow velocity decreases in the channel wall area and the speed increases in the zone of the channel axis). Such a redistribution of velocities leads to a decrease in the total velocity of the flow running onto the turbine blade 2 at angles of attack close to zero, which leads to an increase in turbine efficiency (p. 159, Modeling of unsteady turbulent flows around flowing bodies of complex geometry based on the Navier-Stokes equations Bulletin of Kharkov National University No. 8447, 2009).

Мощность гидроэлектростанции равна сумме мощностей работающих агрегатов, при этом оптимальным будет такое распределение нагрузки, при котором суммарный расход всех турбин минимален или средний КПД имеет наибольшее значение. Для турбин с одинаковыми характеристиками оптимальным условиям соответствует равное распределение нагрузки между работающими турбинами (стр.156, Гидравлические машины: Турбины и насосы. Учебник для ВУЗов. М.: Энергия, 1978-320 стр.) Равномерное распределение нагрузки между турбинами повышает КПД ГЭС и надежность функционирования ортогональных турбин.The capacity of a hydroelectric power station is equal to the sum of the capacities of the operating units, while the load distribution will be optimal in which the total flow rate of all turbines is minimal or the average efficiency is of the greatest importance. For turbines with the same characteristics, optimal conditions correspond to an equal load distribution between operating turbines (p. 156, Hydraulic machines: Turbines and pumps. Textbook for high schools. M .: Energy, 1978-320 p.) Uniform load distribution between turbines increases the efficiency of hydropower plants and the reliability of the operation of orthogonal turbines.

Турбины через ведущий вал 5 инициируют работу генераторов электроэнергии 9. Таким образом, низконапорный поток в канале 1 обеспечивает максимальную отдачу динамической составляющей потока воды на турбины 2. Последовательное распределение турбин в канале 1 обеспечивает полное использование энергии движущего потока воды, что позволяет с высокой степенью трансформировать динамику движения потока в электрическую энергию на генераторах 9, вместе с тем, снижение конструктивной сложности и металлоемкости позволяет значительно снизить затраты на изготовление и монтаж гидроэлектростанции.Turbines through the drive shaft 5 initiate the operation of electric power generators 9. Thus, the low-pressure flow in channel 1 ensures the maximum return of the dynamic component of the water flow to turbines 2. The sequential distribution of turbines in channel 1 ensures the full use of the energy of the moving water flow, which allows a high degree of transformation the dynamics of the flow of flow into electrical energy on generators 9, however, reducing structural complexity and metal consumption can significantly reduce costs s for the manufacture and installation of hydroelectric power.

Каскадная гидроэлектростанция обеспечивает повышение КПД гидроэлектростанции, снижение конструктивной сложности, металлоемкости и стоимости изготовления, повышение технологичности изготовления, монтажа и эксплуатации, достижения равномерного распределения нагрузок между турбинами, что способствует повышению технических параметров вырабатываемой электроэнергии, а также позволяет вырабатывать электроэнергию с каждой установленной турбины до завершения сооружения всей каскадной ГЭС.A cascade hydroelectric power station provides an increase in the efficiency of a hydroelectric power station, a decrease in the structural complexity, metal consumption and manufacturing cost, an increase in the manufacturability of manufacturing, installation and operation, achievement of a uniform load distribution between the turbines, which helps to increase the technical parameters of the generated electricity, and also allows generating electricity from each installed turbine until completion the construction of the entire cascade hydroelectric station.

Claims

1. A cascade hydroelectric power station, including a channel connected to a reservoir initiating a dynamic flow, orthogonal turbines located inside the channel, characterized in that the channel is a pipe assembled from connecting links with turbines spaced along the length of the pipe, and the turbines are made in the form of pipe modules with a lead output shaft and the ability to install modules between the connecting links of the pipe, while the modules are additionally fixed ring elements of the aerodynamic profile.

2. The cascade hydroelectric power station according to claim 1, characterized in that the ring elements are fixed at the entrance to each pipe module, and the turbine at the exit of the module.

3. The cascade hydroelectric power station according to claim 1, characterized in that the distance between the transverse axes of the annular elements and orthogonal turbines corresponds to 0.6 ÷ 1.2 pipe diameters.

4. The cascade hydroelectric power station according to claim 1, characterized in that the connecting pipe links and pipe modules are equipped with connecting flanges and lifting hooks.