Гидравлическая энергетическая установка

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Научно-исследовательское и проектное республиканское унитарное предприятие БЕЛТЭИ Яницкий Вадим Александрович(72) Автор Яницкий Вадим Александрович(73) Патентообладатели Научно-исследовательское и проектное республиканское унитарное предприятие БЕЛТЭИ Яницкий Вадим Александрович(57) Гидравлическая энергетическая установка, включающая электрический генератор,гидравлическую турбину, ось ротора которой расположена вертикально, отличающаяся тем, что гидравлическая турбина расположена на выходе подводящего канала, образованного сплошными стенками, разделяющими пространство воды от дна водоема до поверхности воды или близко к поверхности воды и расположенными таким образом, что входное проходное сечение образованного ими канала больше выходного, причем лопатки рабочего колеса гидравлической турбины закреплены на роторе с возможностью поворота вокруг осей, параллельных оси ротора гидравлической турбины, и жестко соединены с тягами, выполненнымивозможностью перемещения их концов, соприкасающихся с закрепленными на статоре направляющими, вдоль поверхности этих направляющих.(56)2020260 1,1994.2066784 1, 1996.2049928 1, 1995.94031449 1, 1996.2046992 1, 1995.2046206 1, 1995.93011602 , 1995.93015411 , 1996.93020211 , 1995.2548737 , 1985.02125973 , 1990.4476396 , 1984.4764087 , 1988. Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при создании гидроэлектростанций и ветроэнергетических установок. Известны гидроэлектростанции, в которых создается разность уровней в водоемах 1. Как правило, для этого сооружаются плотины, разделяющие водоемы с разными уровнями. Выработка электроэнергии осуществляется при пропуске воды из водоема с высоким уровнем воды в водоем с низким уровнем воды через гидротурбины. Последние приводят во вращение электрические генераторы. Известны недостатки этих ГЭС значительная стоимость длительные сроки их сооружения, а следовательно, большой срок окупаемости вложенных средств затопление больших площадей в местах с плоским рельефом местности, характерным для многих стран СНГ нежелательные часто труднопредсказуемые экологические последствия в местах их сооружения. По этим причинам выбор площадок для их сооружения очень ограничен. Известны также деривационные гидроэлектростанции 1, 2, в которых разность уровней воды создается не за счет строительства плотины, а за счет сооружения водовода, в котором вода движется в том же направлении, что и в естественном русле реки, но с меньшим уклоном,чем в последнем. В результате создается разность уровней воды в искусственно созданном водоеме и естественном русле реки. Стоимость таких ГЭС меньше, чем ГЭС с использованием плотины. Однако и возможная мощность таких ГЭС получается значительно меньшей. На равнинных местностях сооружение ГЭС этого вида не эффективно. Практического применения деривационные ГЭС не получили,Наиболее дешевыми гидравлическими энергоустановками являются установки 1, в которых для создания вращающего момента на лопатках гидротурбины используется естественная скорость течения потока воды, например, в реке. Для этого установка располагается в том месте, где скорость течения наибольшая, таким образом, чтобы поток воды натекал на рабочие лопатки ротора, создавая вращающий момент. Как правило, ось ротора гидротурбины располагается параллельно потоку воды. Возможно создание установок этого типа и с осью ротора турбины расположенной перпендикулярно к направлению течения потока. Недостатком этих установок является то, что энергетически потенциал естественного течения большинства рек невелик. Это ограничивает возможности их применения. У горных рек, обладающих большой скоростью течения, расход воды, как правило, невелик. В 2 5465 1 равнинных реках часто скорость воды недостаточна для создания экономически конкурентоспособных энергоустановок. Ввиду этого установки нашли ограниченное применение в удаленных районах, где использование других источников энергии не возможно или не оправдано. Этот тип энергоустановок принимается в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Целью изобретения является увеличение единичной мощности установки, принятой в качестве прототипа. Цель достигается за счет искусственного увеличения расхода, а следовательно, скорости потока воды, натекающего на лопатки гидротурбины, а также уменьшения сопротивления вращению ротора турбины, возникающего при соприкосновении деталей ротора турбины с водой. Для увеличения естественной скорости течения воды предлагается создать искусственное русло в виде конфузора, то есть с постепенно уменьшающимся проходным сечением. Для эффективного использования динамического напора потока воды предлагается использовать гидротурбину с вертикальным расположением ротора турбины. В этом случае обеспечивается увеличение площади поверхности лопаток, на которые воздействует поток воды. Недостатком гидротурбин с вертикальным расположением ротора турбины является то, что для получения крутящего момента на валу турбины поток воды необходимо направлять только с одной стороны от вала ротора. В результате при вращении ротора направление движения лопаток приблизительно полоборота совпадает с направлением движения потока воды и приблизительно полоборота лопатки двигаются в противоположном направлении. Это увеличивает гидравлическое сопротивление вращению ротора и уменьшает крутящий момент на валу турбины. Для устранения этого недостатка используется механизм поворота лопаток таким образом, чтобы уменьшить гидравлическое сопротивление их вращению. Предлагаемая гидроэнергетическая установка показана на фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 показан общий вид ГЭУ. На фиг. 2, 3 показана конструкция рабочего колеса ГЭУ. Приняты следующие обозначения 1 - турбогенератор 2 - направляющие стенки искусственное русло 3 - берега реки 4 - отражающие козырьки 5 - вал ротора турбины 6 - электрический генератор 7 - рабочая лопатка 8, 9 - насадные диски 10 - неподвижные направляющие 11, 12 - оси вращения 13 - тяга 14 - подшипник ротора. Работа ГЭУ осуществляется следующим образом. Искусственное ограждение 2 ориентируется по течению реки таким образом, чтобы проходное сечение на входе воды было максимальным и плавно уменьшалось по ходу воды. Ограждение 2 представляет собой две сплошные стенки от дна реки до поверхности воды. Направляющие козырьки предназначены для уменьшения утечек воды мимо ограждения. Использование ограждения позволяет организовать искусственное русло в виде конфузора, в котором происходит ускорение потока воды. Динамическая составляющая энергии потока воды используется в гидротурбине. Турбогенератор расположен за самым узким местом искусственного русла таким образом, чтобы натекающий на лопатки турбины поток воды проходил по одну сторону от вертикально расположенного вала турбины 5. Рабочее колесо турбины устроено следующим образом. Рабочие лопатки 7 соединяются с дисками 8 и 9, закрепленными на валу, с помощью осей 11, 12, жестко соединенных с лопатками, но имеющих возможность вращения вокруг оси относительно дисков. Такое закрепление лопаток обеспечивает возможность поворота лопаток вокруг осей 11 и 12. Жестко закрепленные в хвостах лопаток тяги 13 соприкасаются с направляющими статора 10. Обеспечивается возможность перемещения соприкасающихся поверхностей тяги вдоль направляющих. На фиг. 2 показан простейший вариант исполнения направляющих окружность, расположенная эксцентрично относительно вала ротора. 3 5465 1 При вращении ротора перемещение тяги 13 вдоль направляющих заставляет лопатку 7 поворачиваться вокруг осей 11 и 12. Выбором профиля направляющих можно обеспечить такой поворот лопатки, чтобы в зоне натекания потока лопатки поворачивались таким образом, когда обеспечивается максимальный крутящий момент на валу. А в зоне, где естественное течение потока воды практически отсутствует, лопатки поворачивались таким образом, чтобы гидродинамическое сопротивление воды движению лопаток было минимальным. На фиг. 2 видно, что в зоне, где естественное течение воды незначительно, положение лопаток обеспечивает их минимальное сопротивление вращению. Таким образом, использование предлагаемой конструкции позволяет эффективно использовать динамический напор потока воды и значительно уменьшить сопротивление воды вращению ротора в зоне, где энергия потока воды практически не используется для создания вращающего момента. Использование конфузора перед турбиной позволяет увеличить динамический напор натекающей на лопатки воды. Так, например, при отношении площади проходного сечения на входе и на выходе конфузора 51 и исходной скорости воды 1 м/с, скорость воды,поступающей в турбину, может быть увеличена почти до 5 м/с. Источники информации 1. Гидро-электричеекие станции / Под ред. Ф.Ф. Губина, Г.И. Кривченко. - М. Энергия, 1980-368. - .14. 2. Гидроэнергетические установки малой и средней мощности. Справочное руководство / Под ред. Ф.Т. Марковского, ГНТИ. - Киев, Москва, 1952. - . 31-33, 519. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.