Русловая гидроэлектростанция

 

4t1 !

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИ Ч Е С К ИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 Г 03 В 13/10

ГОСУДАРСТВЕН! !ОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) С)Г1КСАНИГ ИЗОБРЕ!ЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4844403/29 (22) 04,04.90 (46) 28.02,93. Бюл. N 8 (75) В,Ф. Раковский (56) Заявка EP N 0002995, кл. Г 03 В 13/10, опубл, 1979. (54) РУСЛОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (57) Применение; о гидравлических сооружениях, используемых для преобразования

Изобретение относится к области гидравлики. Более конкретная сфера применения да!!ного технического решения— гидравлические сооружения, используемые для преобразооания энергии рек в механическую или электрическую энергию.

Цслью настоящего изобретения является расширение перспектив применения малых гидроагрегатав на реках равнинной местности и реках с небольшим гидравлическим потенциалом (речным стоком).

Поставленная цель достигается следующим образом. Гидравликам известны случаи образования в потоке жидкой доижущейся среды кольцевых гидродинамических структур, Иллюстрацией этого факта служат на реках так называемые водовороты или омуты. B этих структурах, спонтанно, о зависимости от гидрологии реки (скорости, фарватера, архитектуры дна и вещества, слагающего русло) возникают иногда очень мощные, преимущественно нисходящие вращающиеся гидравлические патоки: Циркуляция воды о этих структурах логически носит ярко выраженный концентрационный характер; Гидравлический поток движения ускоренно по траекториям, близким к спиральным, причем в центральной зоне спиральной гидравлической структуры скорость потока резко возрастает, и под

„,5X„„1798531 А1

2 энергии рек в механическую или электрическую энергию, Сущность изобретения; штатный гидроагрегат, направляющие поток конструктивные элементы спрофилированы таким образом, что они создают в районе работы гидроагрегата искусственный водоворот, который по своему назначению адекватен плотине ГЭС. 5 з.п. ф-лы, 2 ил. действием гравитационного фактора поток интенсивно устремляется вниз, Физический аспект этого процесса обусловлен законом сохранения момента количества движения движущейся жидкой среды.

Т.е, речные спонтанные водовороты в гидравлическом плане являются мощными природными аккумуляторами (концентратор) гидравлического потока. Их кинематические (динамические) характеристики о зависимости от объема вовлекаемой в кру говорот воды могут быть весьма и весьма велики. Представляется интересным использовать способность жидкой движущейся среды к концентрации своих гидродинамических (мощностных) показателей в этих структурах для нужд общества, Искусственно созданный водоворот в инженерном плане будет, таким образом, по своему назначени!о адекватен плотине ГЭС, Отличие будет составлять здесь функциональная замена применяемой гидростэтики на гидродинамику, Гидродинамическое сооружение, устанавливаемое в водном речном потоке, содержит штатный гидроагрегат, направ ляющие поток конструктивные элементы, спрофилированные таким образом, что они создают в районе работы гидроагрегата искусственно организованное вихреобразное

1798531 гидродинамическое образование (водоворот).

Направляющие конструктивные элементы образуют два. концентрирующих энергию водного потока узла: вертикальный, выполненный в виде трубы Вентури, конгруэнтно повторяющего архитектуру вихревого нисходящего пбтока, и гориэон тальный, выполненный в форме расширяю- . щегося усеченного конуса (раструба). 10

Широкий конец конуса обращен навстречу течению, а узкий конец направлен в верхнюю периферийную часть камеры и ориентирует водный поток по касательной к образующим камеру окружностям, 15

Вертикальная камера снабжена внизу коленообразным выходным патрубком, а в ее верхней части установлено монтажное кольцо с размещенным на нем гидроагрегатом. Причем вертикальная ось гидроагре- 20 гата совпадает с вертикальной осью нисходящего потока. Электрическая часть гидроагрегата (генератор) крепится к монтажному кольцу выше уровня воды, а лопастная часть (турбина) располагается в центральной узкой части камеры, в зоне максимальной гидродинамической эффективности.

В целях максимальной концентрации кинематической энергии водного потока, широкая часть входного патрубка продлевается вдоль своих образующих путем установки в русле навстречу течению двух слегка отклоненных по вертикали к берегу дополнительных гидродинамических экра- 35 нов щитов, Все элементы сооружения, исключая электрическую часть гидроагрегата, устанавливаются в русле таким образом, что их верхние кромки выступают от среднего 40 уровня водной поверхности реки. Причем собственно входной патрубок. камера, коленообразный выходной патрубок и монта>кное кольцо изготавливаются из прочных конструкционных материалов, а элементы 45 (секции) гидродинамических экранов вы-. полнены из бетона или прочных синтетических полимерных материалов, Фиксация в русле реки комплекса входной патрубок — камера — коленообразный 50 выходной патрубок обеспечена поплавковой и якорной системами, Причем глубина погружения комплекса (маловодье, ледоход) регулируется уровнем балластной воды в поплавковой системе, а электрическая часть гидроагрегата выполнена во влагозащищенном герметичном. исполнении и способна временно функционировать в погруженном состоянии под водой во время ледохода.

Гидродинамические щиты — экраны устанавливаются на дне посредством уширенных подошв (фундаментных плит — желобов) и снабжены откосами. Причем каждая секция экрана состоит из малой верхней и большой нижней половин, а малая верхняя часть присоединяется к нижней на штырях и мо-. жет быть демонтирована,под обрез воды во время ледостава.

С береговыми потребителями связь осуществляется донным кабелем, сооружение оборудовано сигнальными навигационными буями, заградительно-фильтрующими элементами (сетками), установленными перед входом потока во входной патрубок, контрольно-измерительными приборами и средствами автоматики.

Коленообраэный выходной патрубок ориентирует выходящий поток в направлении естественного течения реки с незначительным угловым отклонением вверх по вертикали, а в прилежащем к колену секторе ложа реки смонтированы дноукрепительные элементы. Поперек удобного форватера устанавливается несколько. однотипных гидродинамических объектов, в порядке,не препятствующем судоходству и другим опе.-: рациям в форватере; а ниже и выше по течению реки этот комплекс гидросооружений аналогично тиражирован в количестве, необходимом для нужд региона.

На фиг. 1 дана принципйальная схема гидродинамического сооружения, вид сбоку; на фиг, 2 — то же, вид сверху.

Примеры конкретного исполнения.

Предлагаемое гидродинамическое сооружение (фиг. 1 — 2) устанавливается в русле

1 реки, имеющей минимальный допустимый сток; способный после его концентрации обеспечить гидродинамическую конверсию (преобразование), В верховьях широких, но мелководных рек (глубина форватера) перед установкой соору>кения целесообразно предварительное проведение незначительного комплекса дноуглубительных работ в районе непосредственного действия соору-. жения. Собственно гидродинамическое сооружение состоит из направляющих конструктивных элементов, которые устанавливаются преимущественно в глубоком месте реки и создают в районе работы гидроагрегата 2 искусственно организованное вихревое гидродинамическое образование — водоворот. Конструктивные элементы об-. разуютдва концентрирующих энергию водного потока узла: вертикальный — камеру 3, выполненную в виде трубы Вентури, конгруэнтно повторяющую архитектуру вихревого нисходящего потока (водоворота) и горизонУ тальный — входной патрубок 4. выполненный

1798531 в форме расширяющего усеченного конуса.

Широкий конец патрубка 4 обращен навстречу течению. а узкий открытый конец направлен в верхнюю периферийную часть камеры 3 и ориентирует водный поток по касательной .к образующим диффузор окружности. Камера 3 в целях .оптимизации движения потока снабжена внизу каленообраэным выходным патрубком 5, вплотную примыкающим к камере 3; В верхней части камеры 3 смонтировано монтажного кольцо

6, служащее для усилия конструкции и для крепления на кронштейнах 7 гидроагрегата

2, Соединение камеры 3 с кольцом 6 и отво.дом 5 в зависимости от типажа (размеров) сооружения может быть выполнено разъемным и неразъемным (сварным). Вертикальная ось гидроагрегата совпадает с вертикальной осью нисходящего потока. . Электрическал часть 8 гидроагрегата 2 кре пится (разъемное болтовое соединение) к монтажному кольцу 6 выше среднего. уров. ня воды" в надводном положении", э лоластная часть (турбина) 9 располагается в . центральной узкой части камеры 3, в зоне максимальной гидродинамической эффективности; Электрическую 8 и лопастную 9 часть механически соединяет удлиненный вал 1.0, В остальном конструктивное исполнение гидроагрегата 2 типовое, В целях максимальной концентрации кинематической энергии водного потока, широкая . часть патрубка 4 продлена вдоль своих горизонтальных образующих путем установки в русле навстречу течению двух слегка наклоненных по вертикали к берегу дополнительных гидродинамических экранов-щитов

11. Гидродинамические экраны 11 устанавливаются непосредственно на дно реки с учетом его профиля на специальные утяже ленные (бетонные) уширенные подошвы 12 в форме фундэментных плит -- желобов с узкой прорезью для вставки экрана. В вертикальном сечении подошва 12 имеет перевернутую на 180О Т-образную форму с прорезью по оси симметрии.

Гидродинамический экран —. сборная конструкция, состоящая из нескольких индивидуальных секций. причем каждая единичная секция экрана состоит из двух частей: фиксированной в желобе нижней части и мобильной (легко демонтируемой) верхней, Монтаж (демонтаж) верхней части секции на нижнюю обеспечивается путем классического штыревого соединения, аналогично применяемому в строительных легкасъемных конструкциях (лесах). Нижнля часть каждой секции по высоте (вертикали) больше верхней. Величина верхней части секции определяется индивидуально для ступный для индустрии данного района— прочные полимерные синтетические плиты, 30- бетонные сортаменты, металлические лис35 долговечность при минимальных капитальных издержках.

40 также ориентировано на реальный гидрологический режим и климато-географические условия

45 возможных исполнений (юг-север) наиболее

1.5

25 каждой реки с учетом климато-географического фактора таким образом, что в зимнее время при любой максимальной толщине льда верхняя кромка нижней фиксированной части, секции постоянно находится в воде и не может быть "вмарожена" в ледовый массив, т.е. обеспечивается условие безаварийной зимней и весенней (ледоход) работы сооружения. На реках южной зоны, ледоход на которых не является осложняющим работу фактором, секции гидродинамического экрана выполняются цельными неразборными, Секции обоих (левого, правого) экранов слегка (до 70 ) наклонены от вертикальной оси к одноименному берегу, Этот "развал" гидродинамических экранов обеспечивает их большую устойчивость, которая поддерживается наклонными (45 ) откосами 13.. опирающимися на дно через фундаментный башмак, Количество откосов дифференцируется гидродинамическим режимом реки: ее глубиной, скоростью потока, профилем дна; В целом частата установки откосов 13 увеличивается пропорционально нарастания гидродинамической нагрузки: частота растет с приближением потока к конусу 4. Материал экранов — наиболее доты, деревянные щиты и пр. Выбор зависит от характера гидрологического режима реки и воэможностей района, В любом случае материал должен обеспечить надежность и

Закрепление в русле реки комплекса конус — диффузор — коленообразный отвод

Работоспособность сооружения зависит от этих. изменений режима, Для двух рациональным представляется решение вопроса о закреплении с помощью устройства якорной 14 и поплавковой 15 систем.

Каждал система 14, 15 содержит несколько однородных элементов, которые удерживают сооружение в заданных оптимальных координатах. Поплавковое исполнение обеспечивает возможность гибко менять степень погружения сооружения в зависимости or осложнений гидрологического режима (поводак, ледоход, лесосплав и пр,).

Устройство поплавка просто и позволяет регулировать параметры погружения за счет изменения величины балластной воды. Элементы поплавковой системы обо1798531 рудованы специальными герметично закрываемыми отверстиями (кингстонами) для управления этой операцией с берега или с надводного средства (камера). Устройство якорной. системы 14 типовое и включает известные элементы — трос и якорь (балластный груз); расположенный на дне реки в разных точках. Длину троса можно корректировать устройством, аналогичным лебедке. Материал, из которого изготавливаются патрубки, камера и монтажное кольцо,— сталь или высокопрочный бетон, Для небольших рек все элементы могут быть смонтированы на берегу и залиты бетоном в комплексе, составляющем единое конструктивное целое; Для рек средней величины .рациональным по массово-.габаритным соображейиям будет более крупное сооружение, собранное из отдельных больших элементов, при помощи болтовых соединений, клепки или сварки.

Гидродинамическое сооружение удерживается поплавковой 15 и якорной системами таким образом, что верхние кромки конуса и диффузора несколько выступают из воды и обеспечивают визуальный контроль за состоянием и работой сооружения.

Сооружение оборудуется сигнальными навигационными буями.

Непосредственно участок дна под сооружением при необходимости (широкое русло, малая глубина) углубляется и во.всех случаях эксплуатации укрепляется от размыва бетонными плитами. Предотвращению интенсивного размыва дна служит и ориентация раструба колейообразнаго отвода: выходящий поток ориентирован не вдоль дна, а несколько (10 — 20О) вверх. в направлении течения реки.

Гидрадинамическое сооружение отличается тем, что поперек русла реки устанавливается несколько (серия) однотипных установок в порядке, не препятствующем обеспечению судоходства и другим хозяйственнымм операциям.в реке. Выше и ниже rio течению эта серия гидросооружений может быть аналогично тиражирована на других удобных участках фарватера, т.е. увязана в систему небальшйх гидродинамических сооружений для запитки потребности района или небольшого города.

Гидродинамическое. сооружение содержит традиционный комплекс экологической направленности, в том. числе заградительные.элементы (решетки, сетки) для сохранения рыбьей молоди. Они устанавливаются в створе гидродинамических экранов перед конусом. Исполнение типовое.

Электрическая часть 8 гидраагрегата имеет влагозащитное герметичное исполнение..и способна обеспечить функционирование агрегата при его полном принудитель-. ном погружении вместе со всем комплексом (конус — камера) глубже в воду на кратковременный период ледохода или более длительный период ледостава.

Энергия гидроагрегата передается береговым потребителям донным силовым кабелем. Вместе с силовым кабелем

10 смонтированы коммуникации установленных на сооружении приборов контроля и автоматики. Исполнение типовое (на чертеже не обозначены).

При необходймости (резкие перепады

15 уровня реки) между: корпусом 4 и экраном.1 устанавливаются промежуточные элементы — переходники..Их назначение — изоляция возможных перетечек между. кромками конуса и экрана, т;е„оптимизация гидродина20 мического режима на входе потока в конус

Смысл их установки ясен из схемы.

Работа предлагаемого гидродинамического сооружения основана на классических законах гидродинамики и техйически реализует "эффект водоворота". Гидравликам из25 вестна, что динамические Параметры подобных природных образований очень велики и степень-койцейтрации энергии потака в них приближается к теоретическому токи малых рек делают нерациональным сооружение на них гидростатических объектов (плотин), Данное техническое решение частично. устраняет, этот недостаток . Работа

35 предложенноготидродинамического соаружения очень проста, Сначала .рассеянный водный поток концентрируется гидродинамическими экранами 11; Затем степень концентрации, которую. кратно можно

40 охарактеризовать как скорость потока, усиливается в конусе 4, Иэ койуса ускореннйй гидравлический поток выходит на перифе-. рию верхней части камеры 3 где нроисхо. дит трансформация прямолинейного характера движения во вращательное

Завихренный гидравлический поток в направлении. периферия — центр прагрессирующе увеличивает свою скорость и в зоне "центр." интенсивно устремляется вниз.

В нисходящее движение no вертикали втягиваются и соседние с центральной зоной слои жидкости. Максимум концентрации кинематической энергии потока достигается в средней узкой части камеры 3. Здесь устанавливается лопастная (турбинная) часть гидроагрегата и срабатывается потенциал потока. Скорость вращения турбины достаточно велика и зависит от параметров нисходящего потока, его скорости. В дальнейшем работа гидроагрегатов не отли30 оптимуму, Рассеянные гидравлические по-, 1798531

10 чается от.традиционных исполнений, Сработанный гидравлический поток выходит через низ диффуэора и коленообразный отвод под углом к вертикали в основной поток русла. 5

Особый интерес. представляет собою работа сооружения в период ледохода, и перед ледоставом. Перед тем, как река покроется льдом, заранее снимают верхние части секции экрана 11. При этом верхние 10 кромки нижней части оказываются на глубине, исключающей их вмораживание в лед.

Затем частичным добавлением балластной воды в поплавковую систему опускают комплекс конус — диффузор ниже поверхности 15 реки на глубину, при которой электрическая часть гидроагрегата остается еще в надводном положении. При этом учитывается, что из-эа больших скоростей движения жидкости в диффузоре его водная поверхность не 20 замерзнет. Перед ледоходом производят дополнительную заливку балластной воды в поплавковую систему и опускают комплекс конус — диффуэор вместе с электрической частью под воду во избежание механиче- 25 . ских повреждений льдинами. Затем, после ледохода, производят все операции в обратном порядке: поднимают комплекс и восстанавливают высоту экрана до нормы. На реках южной зоны, где размер льдин неве- 30 лик, операции спуска — подъема можно не производить. Само половодье не препятствует нормальной работе. сооружения, Спускоподъемные операции актуальны для рек северной зоны с длительным периодом от- 35 рицательных температур и большой толщиной льда. При качественно выполненной влагозащищенности электрической, части в . северном регионе возможен вариант. полного погружения в период, предшествующий 40 ледоставу, и подъем после ледохода. Работа сооружения будет зависеть от гидродинамики реки, в зимнее время и в период летних засух мощностные показатели будут изменяться. Это неустранимое свойство 45 объекта, связанное с гидрологией. Однако в плане защищенности потребителя от этих перепадов может быть использован системный подход, когда падение выработки мощности будет компенсироваться включением 50 резервных гидроагрегатов, расположенных в русле реки рядом с основными или выше (ниже) по течению.

Формула изобретения

1, Русловая гидроэлектростанция, содержащая снабженный поплавками с балластными емкостями проточный корпус с сужающимися по потоку горизонтальным входным патрубком; вертикальной камерой; выполненной в виде трубы Вентури, и коленообразным выходным патрубком. гидроагрегат с лопастной турбиной, установленной в узкой части камеры, и электрогенератором, размещенным на монтажном кольце, установленном на верхней части камеры, и силовой кабель для связи генератора с потребителем, отличающаяся тем, что входной патрубок установлен тангенциально к оси камеры и снабжен гидродинамическими экранами, размещенными перед его боковыми стенками с наклоном относительно вертикали в направлении от оси патрубка, а верхние кромки входного патрубка, экранов и. камеры расположены над уровнем потока.

2, Гидооэлектростанция по и. 1, о т л ич а ю щ а я с я тем, что .корпус снабжен якорной системой и электрогенератор выполнен влагонепроницаемым.

3. Гидроэлектростанция по и. 1, о т л и.ча ю щ а я с я тем, что экраны снабжены фундаментными плитами-желобами и откосами и выполнены составными из нижней и сьемной верхней частей, соединенных между собой при помощи штырей, причем высота нижних частей превышает высоту верхних.

4. Гидроэлектростанция по и. 1, о т л и ча ю щ а я с я тем,что она снабжена сигнальными навигационными буями,. контрольноизмерительными приборами, средствами автоматики и установленными перед входным патрубком заградительно-фильтрующими элементами, 5, Гидроэлектростанция по и. 1, о т л ич, а ю щ а я с я .тем, что она снабжена диокрепительными элементами, размещенными в зоне выходного патрубка, а последний выполнен наклонным вверх по направлению потока.

6. Гидроэлектростанция по и. 1, о т л ич а ю щ а я с. я тем, что она снабжена дополнительными корпусами и гидроагрегатами, аналогичнымй основным и установленными последовательно и параллельно с ними.

1798531

Составитель В.Раковский

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор И.Шмакова

Редактор M.Êîëÿäà

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, IQ1

Заказ 760 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, К-35, Раушская наб., 4/5

Русловая гидроэлектростанция Русловая гидроэлектростанция Русловая гидроэлектростанция Русловая гидроэлектростанция Русловая гидроэлектростанция Русловая гидроэлектростанция 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к гидроэнергетике

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии из энергии водного потока рек, ручьев и т.д

Изобретение относится к области гидроэнергетики

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии потока рек, быстротоков, океанских течений

Изобретение относится к области гидроэнергетики

Изобретение относится к гидроэнергетике

Изобретение относится к устройствам для выработки электроэнергии в области энергетики, в которой используются альтернативные источники энергии (ветер, проточная вода, обладающие кинетической энергией)

Изобретение относится к гидроэнергетике

Изобретение относится к гидроэнергетике и предназначено для преобразования кинетической энергии потока воды в реке в электрическую энергию

Изобретение относится к гидроэнергетике и предназначено для преобразования кинетической энергии потока воды в реке в электрическую энергию

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройствам для генерации сигнала электрической мощности с использованием силы ветра

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности, к гидроэлектростанциям, которые могут быть установлены в самотечном потоке воды на различной глубине и работать в любое время года

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

Русловая гидроэлектростанция

Наверх