Гидроэлектростанция, способ получения электроэнергии и гидродвигатель для использования на гидроэлектростанции
Группа изобретений относится к гидроэнергетике и может быть использована как самостоятельно для выработки электроэнергии, так и в составе плотинных гидроэлектростанций (ГЭС), деривационных ГЭС, свободнопоточных ГЭС в системах водоснабжения, водоотведения и водотоках каналов. Гидродинамическая электростанция содержит по меньшей мере одну гидродинамическую трубу 1 (ГДТ), верхняя часть которой сообщена с водоемом, а нижняя - с атмосферой, и размещенные по длине ГДТ 1 гидроагрегаты, каждый из которых включает гидродвигатель и соединенный с его валом генератор. Каждый гидроагрегат включает также соединенный с валом гидродвигателя разгонный двигатель. ГДТ 1 имеет прямоугольное сечение. Каждый гидродвигатель включает ротор с установленными на двух маховиках 15 качающимися лопастями 16 изменяемого профиля, расположенными поперек ГДТ 1 вдоль вала. Группа изобретений позволяет повысить скорость вращения лопастей изменяемого профиля и одновременно повысить скорость потока, омывающего лопасти. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть применено как самостоятельно для выработки электроэнергии, так и в составе плотинных гидроэлектростанций (ГЭС), деривационных ГЭС, свободнопоточных ГЭС в системах водоснабжения, водоотведения и водотоках каналов.
Из уровня техники известна речная деривационная гидроэлектростанция, содержащая обводной канал, турбины и генераторы, установленные в нем, при этом гидроэлектростанция дополнительно снабжена турбинами и генераторами, установленными на стыке реки и обводного канала и в обводном канале вниз по течению с образованием каскада, причем гидроэлектростанция выполнена бесплотинной (RU 2023201 С1, 2007 г.).
Известная гидроэлектростанция конструктивно излишне сложна, не позволяет автоматически удерживать равномерное распределение нагрузок между турбинами, а также имеет недостаточно высокий КПД из-за невысокой скорости вращения турбин.
Наиболее близкой к предложенной является каскадная гидроэлектростанция, включающая канал круглого сечения, сообщенный своим входом с инициирующим динамичный поток водоемом, а своим выходом - с атмосферой, и ортогональные турбины, расположенные внутри канала; канал представляет собой собранную из соединительных звеньев трубу с разнесенными по длине трубы турбинами, а турбины выполнены в виде трубных модулей с выходом ведущего вала и возможностью установки модулей между соединительными звеньями трубы, при этом в каждом модуле расположены две лопасти в форме дуги, связанные с валом, соединенным с соответствующим генератором (RU 2483159 С1, опубл. 27.05.2013).
Наиболее близким к предложенному способу является способ получения и тиражирования электроэнергии, реализуемый данной ГЭС, по которому разгоняют гидропоток в гидродинамической трубе за счет давления столба воды на входе в ГДТ и выброса воды в атмосферу, воздействуют гидропотоком на лопасти гидродвигателей, последовательно установленных в ГДТ, и преобразуют вращение роторов гидродвигателей в электроэнергию посредством генераторов (RU 2483159 С1, опубл. 27.05.2013).
Известная гидроэлектростанция конструктивно проста, и в ней обеспечено равномерное распределение нагрузок между турбинами. Однако она также имеет недостаточно высокий КПД из-за невысокой скорости вращения турбин.
Наиболее близкой к предложенному гидродвигателю является многоярусная турбина ортогонального энергетического агрегата, каждый ярус турбины выполнен с лопастями стреловидной формы, изогнутыми по винтовым линиям и симметрично наклоненными от места сопряжения лопастей смежных ярусов в виде острия стрелы в противоположном к лопастям соседнего яруса турбины направлении (RU 2462612 С1, опубл. 27.09.2012).
Лопасти турбины имеют неизменяемый профиль, поэтому в некоторых своих положениях они не способствуют созданию силы тяги лопастей, что ограничивает скорость вращения турбины.
Задачей изобретения является создание высокоэффективной ГЭС с высоким КПД.
Задача решается гидродвигателем для использования на ГДЭС, ротор которого включает установленные на валу два маховика, а каждая лопасть гидродвигателя выполнена из двух полулопастей, каждая из которых установлена с помощью прямых шипов в подшипниках маховиков с возможностью качания, предпочтительно на 8-10 градусов, относительно хорды лопасти, расположенной вдоль оси ротора при этом полулопасти находятся в зубчатом зацеплении друг с другом посредством одного зуба, выполненного на одной полулопасти, и двух зубьев, выполненных на другой полулопасти.
В предпочтительном варианте выполнения каждая полулопасть имеет симметричный профиль, поперечное сечение первой полулопасти каждой лопасти имеет заостренный конец, обращенный навстречу потоку, расширяется и сужается в сторону второй полулопасти, при этом ось качания первой полулопасти расположена в наибольшем ее продольном сечении, перпендикулярном ее плоскости симметрии, длина первой полулопасти в поперечном сечении составляет 2/5 хорды лопасти, вторая полулопасть плавно сужается в поперечном сечении в направлении от первой полулопасти и заканчивается тупым концом, а при нулевом угле атаки оси качания полулопастей пересекают хорду лопасти на расстояниях 1/5 хорды и 3,5/5 хорды от вершины острия ведущей полулопасти соответственно.
Задача также решается гидродинамической электростанцией (ГДЭС), содержащей по меньшей мере одну гидродинамическую трубу (ГДТ), верхняя часть которой сообщена с водоемом, а нижняя - с атмосферой, и размещенные по длине ГДТ гидроагрегаты, каждый из которых включает гидродвигатель и соединенный с его валом генератор, при этом согласно изобретению каждый гидроагрегат включает также соединенный с валом гидродвигателя разгонный двигатель, ГДТ имеет прямоугольное сечение, а каждый гидродвигатель выполнен вышеописанным образом.
Задача также решается способом получения и тиражирования электроэнергии с помощью данной гидродинамической электростанции, заключающимся в том, что разгоняют гидропоток в гидродинамической трубе за счет давления столба воды на входе в ГДТ и выброса воды в атмосферу, воздействуют гидропотоком на лопасти гидродвигателей, последовательно установленных в ГДТ, и преобразуют вращение роторов гидродвигателей в электроэнергию посредством генераторов, и характеризующимся тем, что с помощью разгонных двигателей разгоняют лопасти соответствующих гидродвигателей до скорости, превышающей скорость потока, набегающего на лопасти каждого гидродвигателя.
Технический результат от использования предложенных способа и ГДЭС заключается в повышении скорости вращения лопастей за счет их изменяемого профиля и одновременно в повышении скорости потока, омывающего лопасти, за счет использования разгонных двигателей в каждом гидроагрегате. Линейная скорость лопасти гидродвигателя превышает скорость гидропотока в ГДТ на коэффициент быстроходности, который определяется отношением линейной скорости лопасти к скорости гидропотока в пределах 13-15 раз.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показана предложенная ГДЭС в плане.
На фиг. 2 показан гидродвигатель, вид спереди (со стороны боковой стенки ГДТ) с частичным разрезом.
На фиг. 3 - вид на гидродвигатель сверху с частичным разрезом.
На фиг. 4 - поперечный разрез гидродвигателя в плоскости, перпендикулярной оси ротора в процессе работы.
На фиг. 5 - поперечный разрез лопасти гидродвигателя при нулевом угле атаки.
На фиг. 6 - вид лопасти на фиг. 5 сверху.
На фиг. 7 - поперечный разрез лопасти гидродвигателя при угле атаки, отличном от нуля.
Предложенная гидродинамическая электростанция содержит несколько (или одну) гидродинамических труб (ГДТ) 1. В каждой ГДТ 1 входная часть соединена через шандорный затвор 2 и приемную камеру с верхним бьефом водохранилища 3, а выходная часть 4 - с атмосферой. На фиг. 1 также показаны плотина 5, русло реки 6 и отводящий канал 7. В машинном зале 8 по длине каждой ГДТ 1 установлены высокоскоростные гидроагрегаты 9 с определенным шагом в зависимости от мощности гидроагрегатов. Каждый гидроагрегат 9 включает гидродвигатель 10 и соединенные с его валом с одной стороны генератор 11 и с другой стороны разгонный двигатель 12 - рекуператор электроэнергии.
В предпочтительном варианте ГДЭС имеет две ГДТ 1, одна из которых работает постоянно, а вторая включается в периоды пиковых нагрузок (зимний период, суточные пиковые нагрузки) и во время ремонта другой трубы.
Внутри каждой ГДТ 1 прямоугольного сечения установлен корпус 13 гидродвигателя 10, в котором на валу 14 с двух сторон на шпонках установлены маховики ротора 15, которые соединены друг с другом по ободам установленными на прямых шипах шатунно-лопастными механизмами изменяемого профиля в виде качающихся лопастей 16. Лопастям 16 присвоено имя «лопасти Ушаковой изменяемого профиля».
Высота прямоугольного сечения ГДТ 1 равна диаметру маховиков ротора 15 гидродвигателя 10. Съемная крышка 17 гидродвигателя 10 с помощью болтов соединена в корпусом 13.
Маховики ротора 15 расположены в углублениях боковых стенок ГДТ 1, так что ширина ГДТ 1, обозначенная на фиг. 3 как «В», равна размеру посадки маховиков (расстоянию между роторами). Высота ГДТ 1 (глубина), обозначенная на фиг. 2 «h», равна высоте корпуса 13 от днища до крышки.
Вал 14 выходит через стенки ГДТ, опираясь концами на подшипники. На тонком конце вала 14 насажена на шпонках муфта для соединения с разгонным двигателем 12. На большем по диаметру конце вала 14 насажена муфта для подсоединения генератора 11.
Каждая лопасть 16 гидродвигателя 10 выполнена из двух полулопастей - первой ведущей полулопасти 17 и второй ведомой полулопасти 18 (фиг. 5, 6). Полулопасти 17 и 18 имеют каждая прямые шипы 19 и 20, которые вставлены в подшипники, закрепленные на ободах ротора 15 с возможностью поворота на углы 8-10 градусов. Углы поворота полулопастей 17, 18 ограничены приваренными на ободах ротора 15 пластинами 21, 22. Таким образом, каждая полулопасть 17, 18 является качающейся, преимущественно на 8-10 градусов относительно хорды лопасти 16, расположенной вдоль оси ротора 15. Полулопасти 17, 18 находятся в зубчатом зацеплении друг с другом. На фиг. 5 показано, что на первой полулопасти 17 выполнены два зуба 23, а на второй полулопасти 18 выполнен один зуб 24. (Возможен обратный вариант: один зуб на первой полулопасти 17 и два зуба на второй полулопасти 18). Зубья 23 и 24 имеют профиль, обеспечивающий обкатывание зуба 24 по обращенным к нему поверхностям зубьев 23, как это имеет место при зубчатом зацеплении колес.
Полулопасти 17 и 18 имеют симметричный профиль, первая ведущая полулопасть 17 заострена с одного конца, расширяется в направлении к зубчатому зацеплению. Вторая ведомая полулопасть 18 плавно сужается в направлении к свободному концу и заканчивается тупым концом толщиной 3-5 мм. Поверхности второй полулопасти 18 являются продолжениями поверхностей первой полулопасти 17. Длина первой полулопасти 17 в поперечном сечении равна 2/5 хорды лопасти, длина второй полулопасти 18 равна 3/5 хорды. Хорда равна сумме длин полулопастей: 2/5+3/5=1. Углы атаки лопасти 16 при воздействии потока воды могут быть положительными, отрицательными или равными нулю. (При положительных и отрицательных углах атаки поворот концов полулопастей 17 и 18 составляет ±6-10 мм.) При нулевом угле атаки лопасть 16 имеет симметричный профиль. При положительных и отрицательных углах атаки - S-образный профиль.
Способ получения и тиражирования электроэнергии и работа ГДЭС и гидродвигателя осуществляются следующим образом.
На первой стадии происходит разгон гидропотока в ГДТ 1 за счет давления столба воды Н на входе в ГДТ 1 и выброса воды в атмосферу. Скорость V воды, вытекающей из хвостового отверстия ГДТ, определяется по формуле V2=2gH. На второй стадии происходит разгон лопастей 16 гидродвигателей 10 до скоростей, превышающих скорости потока в 13-15 раз. При воздействии гидропотока на качающиеся лопасти 16 полулопасти 17 и 18 меняют свое положение на 8-10 градусов относительно хорды лопасти 16 за счет поворота вокруг своих осей.
Синхронизация поворота полулопастей 17 и 18 обеспечивается за счет их зубчатого зацепления. При повороте полулопастей 17 и 18 в своих положениях при положительном и отрицательном углах атаки лопасти 16 приобретают S-образный профиль за счет своей вышеописанной геометрии (фиг. 4).
За один оборот маховиков ротора 15 на 360 градусов лопасти 16 изменяемого профиля Ушаковой меняют свой профиль четыре раза: а) при повороте от 0 до 3 градусов - симметричный профиль со знаком +; б) от 3 до 180 градусов - S-образный профиль со знаком +; в) от 180 до 183 градусов - симметричный профиль со знаком -; г) от 183 до 360 градусов - S-образный профиль со знаком -. Как при положительном так и при отрицательном углах атаки (от 3 до 180 градусов - S-образный профиль со знаком + и от 183 до 360 градусов - S-образный профиль со знаком -) смещение перерезывающей силы от нагрузки смещено от оси вращения вала 14 в сторону острия ведущей полулопасти 17 всегда влево, что дает произведение перерезывающей силы на плечо смещения перерезывающей силы h1, что приводит к положительному результату, направленному в сторону вращения лопасти 16 изменяемого профиля Ушаковой (дополнительное увеличение мощности).
Омывающий лопасть 16 S-образного профиля высокоскоростной поток создает подъемную силу лопасти. Проекция подъемной силы лопасти 16 на вектор линейной скорости создает силу тяги лопасти. Кавитация, возникающая в высокоскоростном потоке, способствует уменьшению вязкости жидкости и, соответственно, уменьшению сопротивления вращения ротора 15 гидродвигателя 10. Лопасти 16 гидродвигателей 10 S-образного изменяемого профиля будут способствовать ускорению водного потока, играя роль насоса для прокачки воды.
После разгона лопастей 16 включаются разгонные двигатели 12, которые дополнительно разгоняют лопасти 16 и роторы 15 гидродвигателей 10, и скорость потока нарастает по длине ГДТ 1. Разгонные двигатели 12 - рекуператоры позволяют гидродвигателям 10 преодолеть сопротивление вращения силами тяги лопастей, поддерживать скорости вращения роторов 15 гидродвигателей 10 в нужных параметрах (3000 или 2250 об/мин). Кроме того, при снижении нагрузок в линии электропередачи (ЛЭП) и увеличении оборотов разгонный двигатель 12 - рекуператор способен возвращать в сеть (ЛЭП) электрическую энергию (рекуперация), снижая до проектных показателей обороты высокоскоростных гидроагрегатов 8.
Вращение роторов 15 гидродвигателей 10 передается на валы генераторов 11, преобразующих вращение вала в электроэнергию.
Предложенная группа изобретений позволяет повысить КПД выработки электроэнергии на ГДЭС за счет увеличения скорости вращения лопастей роторов гидродвигателей.
1. Гидродвигатель, содержащий ротор с установленными на нем качающимися лопастями, причем ротор включает установленные на валу два маховика, а каждая лопасть гидродвигателя выполнена из двух полулопастей, каждая из которых установлена с помощью прямых шипов в подшипниках маховиков с возможностью качания относительно хорды лопасти, при этом полулопасти находятся в зубчатом зацеплении друг с другом посредством одного зуба, выполненного на одной полулопасти, и двух зубьев, выполненных на другой полулопасти.
2. Гидродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что полулопасти установлены с возможностью качания на 8-10 градусов относительно хорды лопасти.
3. Гидродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что каждая полулопасть имеет симметричный профиль, поперечное сечение первой полулопасти каждой лопасти имеет заостренный конец, расширяется в направлении к зубчатому зацеплению, длина первой полулопасти в поперечном сечении составляет 2/5 хорды лопасти, а вторая полулопасть плавно сужается в поперечном сечении в направлении от первой полулопасти и заканчивается тупым концом, а при нулевом угле атаки оси качания полулопастей пересекают хорду лопасти на расстояниях 1/5 хорды и 3,5/5 хорды от вершины острия ведущей полулопасти соответственно.
4. Гидродинамическая электростанция, содержащая по меньшей мере одну гидродинамическую трубу (ГДТ), верхняя часть которой сообщена с водоемом, а нижняя - с атмосферой, и последовательно размещенные по длине ГДТ гидроагрегаты, каждый из которых включает гидродвигатель и соединенный с его валом генератор, отличающаяся тем, что каждый гидроагрегат включает также соединенный с валом гидродвигателя разгонный двигатель, ГДТ имеет прямоугольное сечение, а каждый гидродвигатель выполнен по любому из пп. 1-3.
5. Электростанция по п. 4, отличающаяся тем, что каждый разгонный двигатель является рекуператором электроэнергии.
6. Способ получения и тиражирования электроэнергии с помощью гидродинамической электростанции по любому из пп. 4-5, заключающийся в том, что разгоняют гидропоток в гидродинамической трубе за счет давления столба воды на входе в ГДТ и выброса воды в атмосферу, воздействуют гидропотоком на лопасти гидродвигателей, последовательно установленных в ГДТ, и преобразуют вращение роторов гидродвигателей в электроэнергию посредством генераторов, причем с помощью разгонных двигателей дополнительно разгоняют лопасти соответствующих гидродвигателей до скорости, превышающей скорость потока, набегающего на лопасти каждого гидродвигателя.
