Гидроэлектростанция

 

Изобретение предназначено для выработки электрической энергии с помощью плотинной гидроэлектростанции. Последняя содержит плотину и станционный узел (У), выполненный симметричным по отношению к ориентированной по течению реки продольной оси. (У) имеет водоприемник с элементами защиты, двусторонние турбинные напорные и отводящие водоводы (В), здание гидроэлектростанции с центрально симметричными относительно вертикальных осей агрегатными блоками с двусторонними входными и выходными створами (С). Между (С) расположены центрально-симметричные проточные тракты агрегатных блоков. При расположении напорных и отводящих (В) и здания гидроэлектростанции за плотиной водоприемник (У) расположен в плотине. Напорные (В) выполнены в виде герметично изолированных от нижнего бьефа галерей, а отводящие (В) - в виде открытых в нижний бьеф каналов. При расположении (У) перед плотиной его водоприемник соединен с напорными (В), которые подсоединены к входным (С) агрегатных блоков. При этом выходные (С) соединены с отводящими (В), выполненными в виде герметично изолированных от верхнего бьефа галерей. Плотина имеет открытые в нижний бьеф сливные перепускные арки, выполненные симметрично относительно продольной оси. Гидроэлектростанция позволяет обеспечить повышение выработки электроэнергии. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области гидроэлектроэнергетике и гидротурбиностроению и предназначено для использования на гидроэлектростанциях с вертикальными реактивными гидротурбинами.

Известна плотинная гидроэлектростанция (см. "Гидроэлектрические станции", Учебник для вузов Н.Н.Аршеневский, М.Ф.Губин, В.Я.Карелин и др., под ред. В.Я.Карелина, Г.И.Кривченко. - М.: Энергоатомиздат, 1987. с. 16-19.) с односторонним подводом жидкости, например воды, под напором Н и также с односторонним ее отводом от здания станционного узла гидроэлектростанции.

Недостатками таких гидроэлектростанций являются неуравновешенные поперечные силовые нагрузки на фундаментные детали и опорные узлы ротора гидроагрегата, высокий уровень невыравненности и нестационарности потока рабочей жидкости.

Наиболее близкой по техническому существу к предлагаемой является гидроэлектростанция с русловым зданием, описанная в книге "Гидроэлектрические станции", Учебник для вузов Н.Н.Аршеневский, М.Ф.Губин, В.Я.Карелин и др., под ред. В.Я.Карелина, Г.И.Кривченко. - М.: Энергоатомиздат, 1987. с. 29-33, 109-111 и содержащая установленные поперек русла реки плотину и станционный узел, выполненный как часть плотины, либо непосредственно примыкающий к ней, с односторонним подводом из верхнего бьефа реки и отводом рабочей жидкости, например воды, в нижний бьеф, водоприемниками с элементами защиты, односторонними турбинными напорными и отводящими водоводами, соединенными в здании гидроэлектростанции по входным и выходным створам с расположенными в нем агрегатными блоками с турбинными камерами, роторами гидроагрегатов, которые включают установленные на одном валу гидротурбины и гидрогенераторы, и отсасывающими трубами.

Однако в такой гидроэлектростанции подвод рабочей жидкости к зданию станции и ее отвод в нижний бьеф осуществляется односторонне, по входным и выходным створам, установленным поперек направления течения руслового потока. Кроме того, отсутствует центральная симметрия потока в агрегатных блоках относительно вертикальных осей роторов гидроагрегатов. В этих условиях организация и последующие преобразования расходно-циркуляционных течений в агрегатных блоках, необходимых для осуществления рабочего цикла вертикальных реактивных гидротурбин, приводят к несбалансированным силовым воздействиям гидродинамического происхождения на элементы проточных трактов и гидросилового оборудования гидроэлектростанции, а также к повышению в них неравномерности распределения скоростей и давлений рабочей жидкости. В результате гидроэлектростанция имеет ухудшенные виброакустические характеристики и показатели напряженного состояния наиболее нагруженных узлов конструкции, а следовательно, надежность и долговечность работы агрегатных блоков. Кроме того, снижается их пропускная способность, возрастают гидравлические потери, приводящие к уменьшению кпд гидротурбин, и интенсивность эрозионного износа обтекаемых поверхностей с соответствующим уменьшением межремонтного периода работы гидроэлектростанции.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение выработки электроэнергии и долговечности функционирования плотинной гидроэлектростанции.

Эта задача достигается тем, что в известной гидроэлектростанции, содержащей плотину, станционный узел с водоприемником с элементами защиты, турбинными напорными и отводящими водоводами с элементами защиты, зданием гидроэлектростанции с расположенными в нем агрегатными блоками, включающими входные и выходные створы, турбинные напорные и отводящие водоводы станционного узла выполнены двусторонними, симметрично расположенными вдоль его продольной оси симметрии, и соединены в здании гидроэлектростанции по входным и выходным створам, выполненным двусторонними, с центрально-симметричными относительно своих вертикальных осей агрегатных блоков, расположенных вдоль продольной оси симметрии станционного узла.

Водоприемник станционного узла с элементами защиты может быть расположен внутри плотины, а турбинные напорные и отводящие водоводы и здание гидроэлектростанции установлены за плотиной, при этом отводящие водоводы выполнены в виде открытых каналов.

Станционный узел может быть расположен перед плотиной, его водоприемник с элементами защиты соединен с турбинными напорными водоводами, которые подсоединены к входным створам агрегатных блоков, а их выходные створы соединены с турбинными отводящими водоводами, выполненными в виде герметичных сливных галерей, при этом плотина снабжена сливными перепускными арками, расположенными симметрично относительно продольной оси станционного узла.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез по А-А гидроэлектростанции с расположением здания гидроэлектростанции за плотиной; на фиг.2 изображен план этой гидроэлектростанции в сечении С-С; на фиг.3 представлен поперечный разрез по В-В станционного узла гидроэлектростанции; на фиг.4 показан продольный разрез по А-А гидроэлектростанции с расположением станционного узла перед плотиной; на фиг.5 изображен план этой гидроэлектростанции; на фиг.6 приведен разрез по В-В станционного узла; на фиг.7 представлен вид по стрелке В на плотину со стороны нижнего бьефа; на фиг.8 показана меридианная проекция осесимметричной части проточного тракта агрегатного блока с гидромеханическими устройствами гидротурбины и гидроэлектрогенератором.

Гидроэлектростанция содержит плотину 1, станционный узел 2, выполненный симметричным по отношению к ориентированной по течению реки продольной оси O-O и установленный на плите 3 заложения гидроэлектростанции. Станционный узел 2 включает водоприемник 4 с элементами защиты, имеющими сороудерживающие решетки 5 и затворы 6, двусторонние турбинные напорные 7 и отводящие (сливные) 8 водоводы, опорно-поточные (ориентированные по потоку) бычки 9, здание 10 гидроэлектростанции с центрально-симметричными относительно вертикальных осей O₁-O₁ агрегатными блоками 11, имеющими двусторонние входные 12 и выходные 13 створы. Опорно-поточные бычки 9 установлены в турбинных напорных водоводах 7, сливных водоводах 8 и в зоне выходных створов 13. Между двусторонними входными 12 и выходными 13 створами расположены центрально-симметричные проточные тракты 14 агрегатных блоков 11. Перед плотиной 1 образован верхний бьеф 15, а за ней находится нижний бьеф 16.

При расположении турбинных напорных 7 и отводящих сливных 8 водоводов и здания 10 гидроэлектростанции за плотиной 1 водоприемник 4 станционного узла 2 с элементами защиты 5 и 6 расположен в плотине 1. Турбинные напорные водоводы 7 выполнены в виде герметично изолированных от нижнего бьефа 16 галерей, а турбинные отводящие водоводы 8 - в виде открытых в нижний бьеф 16 каналов.

При расположении станционного узла 2 перед плотиной 1 его водоприемник 4 с элементами защиты 5 и 6 соединен с турбинными напорными водоводами 7, которые подсоединены к входным створам 12 агрегатных блоков 11. При этом выходные створы 13 агрегатных блоков 11 соединены с турбинными отводящими водоводами 8, выполненными в виде герметично изолированных от верхнего бьефа 15 галерей. Плотина 1 имеет открытые в нижний бьеф 16 сливные перепускные арки 17, выполненные симметрично относительно оси O-O.

Каждый агрегатный блок 11 содержит проточный тракт 14, имеющий турбинную камеру 18, камеру 19, отсасывающую трубу 20 и гидромеханические устройства, включающие статор 21, направляющий аппарат 22, вал 23 с жестко закрепленным на нем фланцевым соединением 24 рабочим колесом 25 гидротурбины. На валу 23 в его верхней части жестким фланцевым соединением 26 закреплен ротор 27 гидроэлектрогенератора.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

Плотина 1 создает статический напор Н рабочей жидкости, например воды, в верхнем бьефе 15, которая подводится к водоприемнику 4 станционного узла 2 через сороудерживающие решетки 5 при открытых затворах 6. Из водоприемника 4 рабочая жидкость поступает в турбинные напорные водоводы 7, огибает опорно-поточные бычки 9, корректирующие направление потоков и обеспечивающие совместно с плитой 3 необходимую прочность конструкции турбинных водоводов 7 и 8, и направляется во входные створы 12 агрегатных блоков 11 здания 1 гидроэлектростанции. В этих агрегатных блоках 11 при обтекании проточных трактов 14 и рабочих органов гидромеханических устройств, а именно турбинной камеры 18, статора 21, направляющего аппарата 22, рабочего колеса 25 и его камеры 19, отсасывающей трубы 20, преодолевается момент нагрузки на гидроэлектогенераторе. При этом рабочее колесо 25, вал 23, фланцевые соединения 24, 26 и ротор 27 гидроэлектрогенератора приводятся во вращение с угловой скоростью ω, и происходит преобразование механической энергии рабочей жидкости в электрическую энергию. Затем рабочая жидкость через симметрично расположенные относительно оси O-O выходные створы 13 и турбинные отводящие водоводы 8 выносится в нижний бьеф 16. Поскольку станционный узел 2 расположен вдоль русла реки и имеет продольную симметрию размещения в здании 10 гидроэлектростанции агрегатных блоков 11 с двусторонним подводом и отводом рабочей жидкости через турбинные напорные 7 и отводящие сливные 8 водоводы, поток делится на две в целом равные части. Следовательно, к каждому агрегатному блоку 11 слева и справа подводится в среднем половина расхода рабочей жидкости. Каждая из этих частей, поступая через расположенные диаметрально притивоположно входные створы 12 в центрально-симметричные турбинные камеры 18, закручивается с образованием необходимого для осуществления рабочего процесса гидротурбин расходно-циркуляционного потока перед осесимметричной частью проточного тракта 14. За рабочим колесом 25 рабочая жидкость поступает в отсасывающую трубу 20 с двусторонним центрально симметричным сливом через выходные, выполненные диаметрально противоположно створы 13 в отводящие сливные водоводы 8, расположенные симметрично по отношению к продольной оси симметрии O-O станционного узла 2. Таким образом, и на выходе из осесимметричной части отсасывающей трубы 20, т.е. из осесимметричной части проточного тракта 14 поток в каждом агрегатном блоке 11 делится на две части.

Следовательно, в турбинных водоводах 7 и 8 из-за их осевой симметрии в любых точках, расположенных в горизонтальной плоскости симметрично продольной оси O-O станционного узла 2, скорости (по модулю) и давления в среднем равны друг другу, а поперечные к оси O-O составляющие скоростей имеют противоположные направления. Соответственно, в проточных трактах 14 агрегатных блоков 11, в силу их центральной симметрии относительно своих вертикальных осей O₁-O₁ агрегатных блоков 11, в каждой паре находящихся диаметрально противоположно точек давления одинаковы, а скорости также равны по абсолютному значению, но имеют обратные направления.

Наличие симметрии потоков в гидроэлектростанции относительно продольной оси O-O станционного узла 2 и их центральной симметрии относительно вертикальных осей O₁-O₁ агрегатных блоков 11 позволяет уравновесить поперечные к ним динамические нагрузки на элементы проточных трактов и гидросилового оборудования от сил давления и изменения количества движения рабочей жидкости.

При расположении турбинных напорных водоводов 7, турбинных отводящих водоводов 8 и здания 10 гидроэлектростанции за плотиной 1 здание 10 электростанции в его верхней части не воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа 15 и упрощается отвод рабочей жидкости в нижний бьеф 16, осуществляемый по открытым каналам - турбинным отводящим водоводам 8.

При размещении станционного узла 2 перед плотиной 1 упрощается подвод напорной рабочей жидкости к агрегатным блокам 11, в которые она поступает непосредственно из бьефа 15 через входные створы 12 с установленными в них элементами защиты в виде сороудерживающих решеток 5 и затворов 6. При этом створы 12 совмещают также функции водоприемника 4 и турбинных напорных водоводов 7. Отвод рабочей жидкости из агрегатных блоков 11 осуществляется через выходные створы 13 в сливные галереи (турбинные отводящие водоводы) 8, которые в этом случае изолированы от верхнего бьефа 15. Далее через сливные перепускные арки 17 рабочая жидкость стекает в нижний бьеф 16. Опорно-поточные бычки установлены в галереях 12, которые, как и здание 10 гидроэлектростанции, находятся под статическим напором Н.

Принцип центральной симметрии агрегатных блоков 11 при двустороннем подводе к ним через створы 12 и отвод через створы 13 рабочей жидкости с разделением расхода на две равные части позволяет:

- обеспечить практически равномерное в окружном направлении распределение радиальных и тангенциальных скоростей на входе в осесимметричную часть проточного тракта 14 агрегатных блоков 11 с сохранением даже для быстроходных (низконапорных) осевых вертикальных гидротурбин постоянства значения момента количества движения рабочей жидкости на углах охвата статора 21 циркуляционным потоком, равных 330÷360°;

- на выходе из осесимметричной части отсасывающей трубы 20 уменьшить и осуществить плавную деформацию потока при изменении направления течения в указанной трубе 20 от вертикального к горизонтальному, тем самым снизить неравномерность распределения кинетической энергии отводимых из проточного тракта 14 потоков по поперечным сечениям выходных створов 13.

Дополнительные гидродинамические силы и гидравлические сопротивления, возникающие при подводе рабочей жидкости из водовода 7 к створам 12 и ее отводом из створов 13 в водоводы 8 с изменением направления течений по отношению к оси O-O станционного узла 2 от продольных к поперечным, и наоборот, несущественны ввиду низкого уровня скоростей (~1 м/с) на этих участках проточных трактов.

Использование предлагаемого изобретения повышает выработку электроэнергии и долговечность высокоэффективного функционирования плотинной гидроэлектростанции.

Формула изобретения

1. Гидроэлектростанция, содержащая плотину, станционный узел с водоприемником с элементами защиты, турбинными напорными и отводящими водоводами, зданием гидроэлектростанции с расположенными в нем агрегатными блоками, включающими входные и выходные створы, отличающаяся тем, что турбинные напорные и отводящие водоводы станционного узла выполнены двусторонними, симметрично расположенными вдоль его продольной оси симметрии и соединены в здании гидроэлектростанции по входным и выходным створам, выполненным двусторонними, с центрально-симметричными относительно вертикальных своих осей агрегатных блоков, расположенных вдоль продольной оси симметрии станционного узла.

2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что водоприемник станционного узла с элементами защиты расположен внутри плотины, а турбинные напорные и отводящие водоводы и здание гидроэлектростанции установлены за плотиной, при этом отводящие водоводы выполнены в виде открытых каналов.

3. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что станционный узел расположен перед плотиной, его водоприемник с элементами защиты соединен с турбинными напорными водоводами, которые подсоединены к входным створам агрегатных блоков, их выходные створы соединены с турбинными отводящими водоводами, выполненными в виде герметичных сливных галерей, при этом плотина снабжена сливными перепускными арками, расположенными симметрично относительно продольной оси станционного узла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8