RU2508467C2

RU2508467C2 - Submersible monoblock microhydro power plant

Info

Publication number: RU2508467C2
Application number: RU2012114340/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Загрядцкий; Филипп Сергеевич Загрядцкий
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2014-02-27
Also published as: RU2012114340A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: submersible microhydro power plant for electric energy generation includes hydraulic turbine with vertical rotation axis connected to electric generator, also it includes water flow formers and device protecting against floating objects. Lower end of runner shaft 3 is connected directly to generator shaft 17 by means of splined joint. Thrust bearing of runner is rigidly fixed in upper cover of electric generator housing 15 so that it is simultaneously a pilot bearing for electric generator. Electric generator is end-type, water-filled and is located under hydraulic turbine. Hydraulic turbine housing 1 and electric generator housing 15 form single structure monoblock.

EFFECT: reducing dimensions and weight, generating cheaper electric energy due to absence of investments to plants building, simplifying structure and erection works method, reducing maintenance costs.

2 dwg

Description

Изобретение относится к малой гидроэнергетике и предназначено для преобразования кинетической энергии потока воды в электроэнергию, оно может найти применение для электроснабжения потребителей, территориально удаленных от линий электропередач и расположенных по берегам малых и средних рек: фермерских хозяйств, мельниц, хлебопекарен, небольших производств, объектов Министерства обороны.The invention relates to small hydropower and is intended to convert the kinetic energy of a water stream into electricity, it can be used to power consumers geographically remote from power lines and located along the banks of small and medium rivers: farms, mills, bakeries, small enterprises, facilities of the Ministry defense.

Известен гидрогенератор, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, установленным в корпусе лопастным колесом в виде конической консоли, вершина которой установлена на опорном подшипнике, а основание прикреплено к ротору электрогенератора. Ротор выполнен в виде кругового мостика с размещенными на нем электромагнитами. Ротор фиксируется при помощи центрирующих подшипников. Статоры, центрирующие подшипники закреплены на фундаментах, установленных по окружности (см. SU 1828941 А1, 23.07.1993, F03В 17/06).A known hydrogenerator comprising a housing with inlet and outlet openings mounted in the housing by a paddle wheel in the form of a conical console, the apex of which is mounted on a support bearing, and the base is attached to the rotor of the electric generator. The rotor is made in the form of a circular bridge with electromagnets placed on it. The rotor is locked using centering bearings. Stators, centering bearings, are fixed on foundations mounted around the circumference (see SU 1828941 A1, 07.23.1993, F03B 17/06).

Недостатками предложенного устройства являются большие габариты и масса, наличие фундаментов для статоров и центрирующих подшипников, основания корпуса, отводящего и подводящего каналов, опорного подшипника, что влечет за собой значительные капитальные затраты.The disadvantages of the proposed device are the large size and weight, the presence of foundations for stators and centering bearings, the base of the housing, the outlet and supply channels, the support bearing, which entails significant capital costs.

Известны русловые малые гидроэлектростанции, предназначенные для получения электроэнергии от гидрогенераторных агрегатов вертикального исполнения. Станция содержит помещенное в русле реки на фундаментной плите гидроколесо с вертикальным валом, конфузорный и диффузорный каналы, боковые стены. Электрогенератор размещен в помещении на берегу реки (см. Болтрушевич, В.В. Русловая гидроэлектростанция для нужд МО РФ. Сборник научных статей сотрудников университета/ВИТУ - С.П., 2008, - с.260-269). Недостатком гидроэлектростанции, преобразующей механическую энергию проточной воды в электрическую энергию, является необходимость строительно-монтажных работ, связанных с установкой гидротурбины на фундамент на дно реки и устройством специального канала, содержащего две или три стены в русле реки. Гидротехнические работы при сооружении этих объектов трудоемкие и дорогостоящие. Стоимость строительства возрастает с необходимостью строительно-монтажных работ для установки на берегу электрогенератора выше уровня воды.Known channel small hydroelectric power plants designed to receive electricity from hydrogenerator units of vertical design. The station contains a hydrofoil with a vertical shaft placed in the riverbed on the foundation plate, confuser and diffuser channels, side walls. The electric generator is located in a room on the river bank (see Boltrushevich, VV Channel hydroelectric station for the needs of the Ministry of Defense of the Russian Federation. Collection of scientific articles by university employees / VITU - S.P., 2008, - p.260-269). The disadvantage of a hydroelectric power station that converts the mechanical energy of running water into electrical energy is the need for construction and installation work related to the installation of a hydraulic turbine on a foundation at the bottom of the river and the construction of a special channel containing two or three walls in the river channel. Hydrotechnical works during the construction of these facilities are laborious and expensive. The cost of construction increases with the need for construction works for installation on the shore of an electric generator above the water level.

Известен гидроагрегат для преобразования кинетической энергии воды в электрическую (см. RU 2256092 С2, 10.07.2005, F03В 13/00), содержащий на раме гидротурбину, через зубчатую передачу и валы связанную с генератором, формирователь потока и защитное устройство от плавучих предметов. Кинематическое устройство содержит конические шестерни с промежуточными вертикально и горизонтально установленными валами с подшипниками, повышающий редуктор. Недостатком гидроагрегата является то, что он сложен по конструктивному исполнению и не технологичен в производстве. Наличие кинематических пар, большого числа подшипников и валов, повышающего редуктора значительно уменьшают коэффициент полезного действия установки. Поскольку электрогенератор размещается на суше, для него необходим фундамент, что приводит к капитальным затратам и увеличению объема строительно-монтажных работ. Фундамента требует и установка донной рамы, на которую устанавливается гидроколесо. Синхронный генератор имеет цилиндрическую форму исполнения, что приводит к увеличению габаритов гидроагрегата.A known hydraulic unit for converting the kinetic energy of water into electrical energy (see RU 2256092 C2, 07/10/2005, F03B 13/00) containing a hydraulic turbine through a gear transmission and shafts connected to a generator, a flow former and a protective device from floating objects. The kinematic device contains bevel gears with intermediate vertically and horizontally mounted shafts with bearings, a gearbox. The disadvantage of the hydraulic unit is that it is complex in design and not technologically advanced in production. The presence of kinematic pairs, a large number of bearings and shafts, a step-up gearbox significantly reduce the efficiency of the installation. Since the electric generator is located on land, it needs a foundation, which leads to capital costs and an increase in the volume of construction and installation works. The foundation also requires the installation of a bottom frame, on which a hydraulic wheel is installed. The synchronous generator has a cylindrical shape, which leads to an increase in the size of the hydraulic unit.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является погружная гидроэлектростанция для получения электрической энергии, включающая в себя гидротурбину с вертикальной осью вращения, соединенную с электрическим генератором, формирователи водяного потока, защитное устройство от плавучих предметов, при этом конец вала рабочего колеса связан с валом генератора, опорный подшипник рабочего колеса гидротурбины жестко заделан в крышке (см. RU 21719110 С1, 10.08.2001, F03B 13/00). Гидроэлектростанция требует устройства береговых и придонных сооружений, гидротехнические работы при этом являются трудоемкими и дорогостоящими.The closest in technical essence to the claimed invention is a submersible hydroelectric power station for generating electric energy, including a hydraulic turbine with a vertical axis of rotation connected to an electric generator, water flow formers, a protective device from floating objects, while the end of the impeller shaft is connected to the generator shaft , the bearing of the impeller of a hydraulic turbine is rigidly sealed in the cover (see RU 21719110 C1, 08/10/2001, F03B 13/00). A hydroelectric power station requires the installation of coastal and bottom structures, while hydraulic work is time-consuming and expensive.

Задачей изобретения является создание погружной моноблочной микрогидроэлектростанции вертикального исполнения, отличающейся уменьшенными габаритами и массой, более дешевой стоимостью получаемой электрической энергии за счет отсутствия капиталовложений в строительство станции, упрощением конструкции и технологии монтажных работ, а также снижением эксплуатационных расходов.The objective of the invention is the creation of a submersible monoblock microhydroelectric power station of vertical design, characterized by reduced dimensions and weight, cheaper cost of electrical energy due to the lack of investment in the construction of the station, simplifying the design and technology of installation work, as well as reducing operating costs.

Поставленная задача решается тем, что в погружной моноблочной микрогидроэлектростанции для получения электрической энергии, включающей в себя гидротурбину с вертикальной осью вращения, соединенную с электрическим генератором, формирователи водяного потока, защитное устройство от плавучих предметов, согласно изобретению, нижний конец вала рабочего колеса посредством шлицевого соединения непосредственно связан с валом генератора, упорный подшипник рабочего колеса гидротурбины жестко заделан в верхней крышке электрического генератора так, что он одновременно является направляющим подшипником для электрического генератора, а сам электрический генератор имеет торцовую форму исполнения, выполнен водонаполненным и размещается под гидротурбиной, причем корпус гидротурбины и корпус электрического генератора образуют единый конструктивный блок.The problem is solved in that in a submersible monoblock microhydroelectric power station for generating electric energy, including a hydraulic turbine with a vertical axis of rotation connected to an electric generator, water flow formers, a protective device against floating objects, according to the invention, the lower end of the impeller shaft by means of a splined connection directly connected to the generator shaft, the thrust bearing of the hydraulic turbine impeller is rigidly sealed in the upper cover of the electric generator ra so that it is simultaneously a bearing for guiding the electric generator, and the electric generator has the mechanical performance shape configured and positioned under the water filled water turbine, the water turbine housing and the electric generator form a structural unit.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена проекция устройства, вид сбоку с разрезом, на фиг. 2 - вид сверху с разрезом. Погружная моноблочная микрогидроэлектростанция представляет собой подвешенный на заякоренном плавсредстве и погруженный в воду моноблок, содержащий гидротурбину и электрический генератор. Гидротурбина включает в себя корпус 1, рабочее колесо с лопастями 2, вертикальный вал 3 рабочего колеса, направляющий и упорный подшипники скольжения. Корпус гидротурбины имеет проточный канал 4, входное 5 и выходное 6 окна, предназначенные для устройств, формирующих водяной поток в рабочем канале гидротурбины, конфузора 7 и диффузора 8. Верхний конец вала 3 гидротурбины помещен в направляющем подшипнике скольжения 9, который базируется на крестовине 10 с крышкой 11. Крестовина размещена в верхней части корпуса гидротурбины и жестко с ним связана. На ней расположены рым-болты 12 для транспортировки и монтажа устройства. Нижний конец вала 3 гидротурбины конструктивно выполнен в виде упорной втулки-пяты 13 , которая опирается на подпятник 14 упорного подшипника скольжения, который одновременно является направляющим подшипником для электрического генератора. Подпятник 14 жестко закреплен на верхней крышке 15 корпуса электрического генератора. Упорная втулка снабжена продольными вдоль оси вала пазами, в которую входят шлицы вала 17 электрического генератора, создавая тем самым непосредственное, жесткое соединение вала 3 гидротурбины с валом 17 электрического генератора. Корпус генератора расположен под корпусом гидротурбины, жестко с ним связан и образует единую компактную конструкцию электростанции. Электрический генератор содержит корпус 15, ротор 16 с постоянными магнитами, вал 17, магнитопровод статора с обмоткой, направляющий подшипник и упорный подшипник 18. Верхний конец вала 17 электрического генератора имеет шлицы, которые входят в пазы цилиндрической упорной втулки на нижнем конце вала 3 гидротурбины. Генератор имеет торцовую форму исполнения, что позволяет уменьшить высоту электростанции и использовать ее на реках небольшой глубины. Кроме этого торцовая форма исполнения позволяет получить низкооборотный генератор, при этом отпадает необходимость в применении мультипликатора. Электрический генератор выполняется водонаполненным, что обеспечивает его хорошее охлаждение в проточной воде. Смазка подшипников электрического генератора и гидротурбины осуществляется водой. При необходимости выполнения условий неизменности частоты и напряжения электрического генератора, погружная моноблочная микрогидроэлектростанция снабжается автономным регулятором.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a projection of the device, a side view with a section, in FIG. 2 is a top view with a section. A submersible monoblock microhydroelectric power station is a monoblock suspended on an anchored watercraft and immersed in water, containing a hydraulic turbine and an electric generator. The hydraulic turbine includes a housing 1, an impeller with blades 2, a vertical impeller shaft 3, a guide and thrust sliding bearings. The turbine housing has a flow channel 4, input 5 and output 6 windows, designed for devices forming a water flow in the working channel of the hydraulic turbine, confuser 7 and diffuser 8. The upper end of the hydraulic turbine shaft 3 is placed in the sliding bearing 9, which is based on the crosspiece 10 s lid 11. The spider is located in the upper part of the turbine housing and is rigidly connected with it. On it are located the eyebolts 12 for transportation and installation of the device. The lower end of the shaft 3 of the hydraulic turbine is structurally made in the form of a thrust sleeve-heel 13, which is supported by the thrust bearing 14 of the thrust sliding bearing, which at the same time is a guide bearing for the electric generator. The thrust bearing 14 is rigidly fixed to the upper cover 15 of the housing of the electric generator. The thrust sleeve is provided with grooves longitudinal along the axis of the shaft, which includes the splines of the shaft 17 of the electric generator, thereby creating a direct, rigid connection of the shaft 3 of the turbine with the shaft 17 of the electric generator. The generator body is located under the body of the turbine, is rigidly connected with it and forms a single compact design of the power plant. The electric generator comprises a housing 15, a rotor 16 with permanent magnets, a shaft 17, a stator magnetic circuit with a winding, a guide bearing and a thrust bearing 18. The upper end of the shaft of the electric generator 17 has slots that fit into the grooves of the cylindrical thrust sleeve on the lower end of the turbine shaft 3. The generator has an end-face design that allows you to reduce the height of the power plant and use it on rivers of shallow depth. In addition, the mechanical form of execution allows you to get a low-speed generator, while there is no need to use a multiplier. The electric generator is water-filled, which ensures its good cooling in running water. The bearings of an electric generator and a hydraulic turbine are lubricated by water. If it is necessary to fulfill the conditions of constant frequency and voltage of the electric generator, the submersible monoblock microhydroelectric power station is equipped with an autonomous regulator.

Погружная моноблочная микрогидроэлектростанция работает следующим образом. Поток воды, проходя через конфузор 7, увеличивает свою скорость и через входное окно 5 проточного канала поступает на лопатки рабочего колеса гидротурбины.Submersible monoblock microhydroelectric power station operates as follows. The flow of water passing through the confuser 7 increases its speed and through the inlet window 5 of the flow channel enters the blades of the impeller of the turbine.

В случае достаточного напора, поток воды преодолевает механическое сопротивление и начинает вращать вал рабочего колеса и связанный с ним вал электрического генератора. При вращении генератора постоянные магниты ротора создают вращающееся магнитное поле, которое, пересекая проводники обмотки статора, создает в них ЭДС. Под действием ЭДС через нагрузку протекает ток, он выводится на берег при помощи электрического кабеля. Из рабочего канала вода через диффузор поступает в русло реки. Для предотвращения попадания в гидротурбину посторонних предметов, перед конфузорным каналом устанавливается защитное устройство.In case of sufficient pressure, the water flow overcomes the mechanical resistance and begins to rotate the impeller shaft and the shaft of the electric generator connected with it. When the generator rotates, the permanent magnets of the rotor create a rotating magnetic field, which, crossing the conductors of the stator winding, creates an EMF in them. Under the influence of EMF, a current flows through the load, it is brought ashore using an electric cable. From the working channel, water through a diffuser enters the riverbed. To prevent foreign objects from getting into the hydraulic turbine, a protective device is installed in front of the confuser channel.

Технико-экономическое преимущество предложения заключается в следующем. Погружная моноблочная микрогидроэлектростанция обладает уменьшенными габаритами и массой, благодаря конструкции она отличается минимальной высотой, что позволяет использовать ее на неглубоких реках; она не требует строительства плотин на реке, береговых и придонных сооружений. Промышленное использование электростанции на малых и средних реках позволяет снизить затраты на ее производство и эксплуатацию и получить дешевую электроэнергию. Конструкция устройства позволяет упростить и удешевить ее монтаж и демонтаж, так как ее можно доставлять к месту установки в собранном виде. Конструкция погружной моноблочной микрогидроэлектростанции допускает, при необходимости, сооружать кластер таких установок.The technical and economic advantage of the proposal is as follows. Submersible monoblock microhydroelectric power station has a reduced size and weight, due to the design it has a minimum height, which allows its use on shallow rivers; it does not require the construction of dams on the river, coastal and bottom structures. The industrial use of the power plant on small and medium rivers allows to reduce the costs of its production and operation and to obtain cheap electricity. The design of the device allows to simplify and reduce the cost of its installation and dismantling, as it can be delivered to the installation site in assembled form. The design of a submersible monoblock microhydroelectric power station allows, if necessary, to build a cluster of such plants.

Погружная моноблочная микрогидроэлектростанция наилучшим образом подходит для использования ее в качестве мобильной установки.Submersible monoblock microhydroelectric power station is best suited for use as a mobile installation.

Claims

Submersible microhydroelectric power station for generating electric energy, including a hydraulic turbine with a vertical axis of rotation, connected to an electric generator, water flow formers, a protective device against floating objects, characterized in that the lower end of the impeller shaft is connected directly to the generator shaft by a splined connection, the impeller bearing of a hydraulic turbine is rigidly sealed in the upper cover of the electric generator so that it is also a guide along a bearing for the electric generator, and the electric generator itself has an end-shape, is water-filled and placed under the turbine, the turbine housing and the electric generator housing forming a single structural monoblock.