Речная каскадная электростанция

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Автор Сычик Василий Андреевич(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Речная каскадная электростанция, содержащая корпус, обводной канал - водовод с водозаборником, гидроагрегат, включающий гидротурбину с подшипниками-опорами, кинематически связанную с электрогенератором, сливную магистраль, отличающаяся тем,что она состоит из нескольких однотипных каскадов, каждый каскад которой содержит смонтированный вертикально цилиндрический корпус с гидравлическим аккумулятором в виде пустотелого конуса, соединен друг с другом водоводом, при этом каждый водовод содержит не менее двух магистралей цилиндрической формы, сопряженных с соплами элипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте, сопла размещены концентрично по корпусу и расположены тангенциально по вертикали большей эллиптической осью, сливная магистраль последнего каскада выходит в верхнее русло реки, а число каскадов в электростанции составляет от двух до десяти. 39902007.10.30 Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована при строительстве речных гидроэлектрических станций. Известна речная электростанция 1, которая содержит несущую раму, погруженную под уровнем воды, установленный на ней ряд реактивных гидротурбин, размещенных в отдельных корпусах и соединенных при помощи конических зубчатых передач с выходными валами, с которыми посредством муфт связан электрогенератор. Корпуса гидротурбин снабжены тканевыми оболочками. Недостатками электростанции являются сложность конструкции, использование в работе тканевых оболочек, невысокий коэффициент полезного действия. В 2 описана речная электростанция, содержащая электрогенераторы, установленные на основании, турбинное колесо, жестко связанное с валом и закрытое защитным кожухом. Этот тип электростанций обладает также невысокой надежностью в работе и низким КПД. Прототипом предлагаемой полезной модели является речная электростанция, описанная в 3. Она состоит из плотины, обводного канала - водовода с водозаборником, в котором размещены турбины, установленные на домкратах электрогенераторов, кинематически связанных с турбинами. Обводной канал покрыт бетонными плитами. Недостатками устройства - прототипа являются 1. Сложность конструкции, обусловленная размещением электрогенераторов на домкратах с многоступенчатой системой передачи вращения от вала турбины к электрогенератору. 2. Невысокий КПД, обусловленный неэффективным использованием гидродинамических свойств текущей в обводном канале жидкости, и сложная система передачи вращения от гидротурбины к электрогенератору. Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы речной электростанции, ее КПД, то есть возможность размещения на малых реках и упрощение конструкции электростанции. Поставленная задача достигается тем, что речная электростанция, содержащая корпус,обводной канал - водовод с водозаборником, гидроагрегат, включающий гидротурбину с подшипниками - опорами, кинематически связанную с электрогенератором, сливную магистраль, состоит из нескольких однотипных каскадов, каждый каскад которой содержит смонтированный вертикально цилиндрический корпус с гидравлическим аккумулятором,соединен друг с другом водоводом, при этом каждый водовод содержит не менее двух магистралей цилиндрической формы, сопряженных с соплами эллипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте, а сопла размещены концентрично по корпусу и расположены тангенциально по вертикали большей эллиптической осью, сливная магистраль последнего каскада выходит в верхнее русло реки, а число каскадов в электростанции составляет от двух до десяти. Сущность изобретения поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображен главный вид речной каскадной электростанции, а на фиг. 2 - сечение корпуса и водовода и ее каскада. Речная каскадная электростанция (РКЭС) состоит из нескольких, не менее двух каскадов одинаковой конструкции, каждый каскад которой содержит корпус 1 цилиндрической формы с размещенной внутри его гидротурбиной 2. Корпус 1 с гидравлическим аккумулятором 3 неподвижно установлен в земляном или бетонном основании. Гидротурбина 2 посредством вала 4 кинематически связана с электрогенератором 5. Речная многокаскадная электростанция также содержит водозаборник 6 в форме корытообразной прямоугольной призмы, который снабжен шлюзовым отсеком 7 (шлюзом) и обводным каналом - водоводом 8, содержащим не менее двух магистралей 9 цилиндрической формы, сопряженных с соплами 10 эллипсообразной формы. Корпус 1 каждого каскада РКЭС выполнен цилиндрической формы из высокопрочного, устойчивого к химическим средствам материала, например из чугуна, железобетона,керметных материалов. Диаметр корпуса 1 выбирается с учетом требуемых гидроэнерге 2 39902007.10.30 тических параметров водяного потока, размеров гидротурбины 2, величины номинальной мощности РКЭС и может составлять величину 25 метров. Водозаборник 6 РКЭС представляет корытообразную прямоугольную призму, выполнен из устойчивого к химическим средам материала, например из железобетона, синтетических полимеров. Его габариты зависят от размеров реки, на которой он устанавливается. В его центральной стене,на которую воздействует речной поток, установлен шлюз 7 стандартной конструкции. Шлюз 7 обеспечивает сброс лишней воды весной во время половодий и в момент сильных дождей. В нижней части центральной стены размещен водовод 8, нижняя стенка которого размещена на уровне дна водозаборника 6. Водовод 8 в сечении по ширине выполнен замкнутым эллипсообразным с неизменным сечением и горизонтальным расположением большой оси эллипса, изготовлен из железобетона или синтетики и снабжен со стороны центральной стены водозаборника 6 фильтром - защитной сеткой (на фиг. не показано). Толщина дна, боковых стен и центральной стены водозаборника 6 зависят от его размеров и сотавляют от 0,5 до 1 метра. Водовод 8 неизменной эллиптической формы и сечения расчленяется на магистрали 9 циллиндрической формы, число которых не менее двух. Площадь сечения и длина вывода 8 зависят от глубины речного потока, его ширины,мощности РКЭС. Большая ось эллиптического сечения у центральной стены составляет 1030 метров, а малая ось 26 метров. Длина эллиптической части водовода 8 составляет 0,20,51, где 1 - общая длина водовода с магистралью 9 и соплом 10. Длина расчлененных магистралей 9 зависит от места расположения корпуса 1 каскадов РКЭС и составляет 0,20,41. Магистрали 9 сопрягаются с соплами 10, выполненными эллипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте. В корпусе 1 каждого из каскадов РКЭС, в зоне размещения лопаток гидротурбины 2 по образующей размещены тангенциально сопла 10 магистралей 9, которые сдвинуты друг относительно друга в плоскости образующей на одинаковые расстояния или углы 180, 120, 90, 45 и установлены большой осью эллиптического сечения вертикально. Экспоненциальное сечение сопел 10 и вертикальная установка их большой осью в корпусе 1 каскадов РКЭС обеспечивает максимальное повышение гидродинамических свойств водяного потока и скорости его течения. Сопла 10 эллиптического сечения сужаются по пологой экспоненте, являются продолжением зоны гидродинамического ускорения речной воды, их длина составляет 515 метров, а их большая эллиптическая ось равна 0,53 метра. Экспоненциальное сужение сопла 10 может быть заменено коническим сужением. Корпус 1 каждого каскада РКЭС нижним основанием сопряжен с гидравлическим аккумулятором 3, верхняя часть которого выполнена в виде усеченного пустотелого конуса и сопряжена большим основанием со второй своей частью в форме полусферического пустотелого тела вращения. Такая конструкция гидравлического аккумулятора 3 воспринимает вращение создаваемого соплами 10 водяного потока и образует маховик, что обеспечивает оптимальное вращение водяного потока на требуемых оборотах, его резкое ускорение вверх без затухания вращательного движения водяного потока в корпусе 1 РКЭС. Гидравлический аккумулятор 3 также выполнен из прочного устойчивого к агрессивным средам материала. Соотношение конической и сферической частей гидравлического аккумулятора 3 составляет 3111. Корпуса 1 каскадов РКЭС смонтированы с гидротурбиной 2 на земляном или бетонном основании вертикально. Водовод 8 со стороны водозаборника 6 сопряжен внутренней стороной с центральной стеной водозабоника 6 овальной кривой для получения оптимального коэффициента истечения , на уровне 0,9. Аналогично наружные кромки сопел 10 выполнены полукруглыми. Гидротурбина 2 стандартного типа с вертикальным расположением лопастей размещена вертикально в верхней части корпуса 1 каскадов РКЭС на подшипниках - опорах требуемых габаритов и мощности. Выше гидротурбины 2 на корпусах каскадов РКЭС 3 39902007.10.30 размещены выпускные сопла 11 выше уровня речной воды, через которые осуществляется слив прошедшего через гидротурбину 2 водяного потока в следующий водовод 8, соединяющий первый каскад А РКЭС со вторым В, второго с последующим, который конструктивно аналогичен первому водоводу 8. Электрогенератор 5 смонтирован на верхнем сечении корпуса 1 и выбран стандартной формы на заданную мощность. Для обеспечения нормальной скорости вращения ротора электрогенератора 5 он может содержать редуктор, связанный с валом 4 гидротурбины 2. Первый каскад А РКЭС соединен водоводом 8 аналогичной конструкции и размеров со вторым каскадом В. Аналогично соединяются одинакового типа водоводами 8 между собой все остальные каскады РКЭС, если число каскадов больше двух. Отработанный поток воды со второго каскада В РГЭС по сливному каналу 12 (см. фиг. 2) поступает в верхнее русло реки по течению до водозаборника 6. При большом числе каскадов траектория их размещения соответствует форме правильного многоугольника или является линейной,однако сливной канал (сливная магистраль) 12 последнего каскада выходит в верхнее русло реки, то есть по течению до водозаборника 6. В результате в закрытой водяной системе РКЭС создается замкнутый водяной поток и обеспечивается поддержание неизменным уровня, напора и давления воды в этой системе даже в засушливый период и в зимнее время. Речная электростанция работает следующим образом. При размещении РКЭС на малой реке с достаточно высокими берегами в водозаборнике 6 накапливается уровень речной воды и создается по уровню водовода 8 водяной напор. Объем воды, протекающей через сечениепервого водовода 8 находится из выражения, а объемный расход воды через водовод/. В выражении (1)- скорость течения воды из водозаборника 6 в первый водоводвремя истечения жидкости. Вытекающая из водовода сечениемвода равномерно распределяется по сопряженным с водоводом 6 магистралям 9 и затем поступает в сопла 10. С учетом уравнения неразрывности струи ммсс, смм/с,где м, с - скорость потока воды на выходе магистрали 9 и и на выходе сопла 10 м, с сечение магистрали 9 и сопла 10 на его выходе, скорость истечения водяного потока в корпусе 1 первого РКЭС достигает десятков метров в секунду. Вследствие тангенциального размещения сопел 10 происходит преобразование поступательного движения водяного потока в цилиндрическом корпусе 1. Получив от гидравлического аккумулятора 3 вращательно - поступательные движения вращающийся водяной поток в цилиндрическом корпусе 1 воздействует на лопатки 10 гидротурбины 2, заставляя ее вращаться с заданной скоростью. Вал 4 гидротурбины 2 приводит во вращение ротор электрогенератора 5 с требуемой скоростью, которая при необходимости корректируется редуктором. Происходит непрерывная выработка электрической энергии электрогенератором 5. Избытки накопленной в водозаборнике 6 речной воды по сверхдопустимому уровню непрерывно отводятся шлюзом 7 в продолжение русла реки. Вытекающая из каскада А РКЭС вода по водоводу 8 поступает в каскад В и в случае большого числа каскадов в РКЭС поток воды с выхода предыдущего каскада по водоводу 8 поступает на вход следующего каскада. С учетом того, что водяная система РКЭС замкнута, отсутствует потеря в ней воды, неразрывности струи в водяной системе и идентичности конструкции, сечений и размеров всех соединяющих каскады РКЭС выводов 8, в каждом из каскадов повторяются те же гидромеханические процессы, что и в первом каскаде А РКЭС. Поэтому мощность электроэнергии Р, генерируемая РКЭС, равняется сумме мощностей электроэнергии, генерируемой каждым каскадом, то есть 4 где- мощность электроэнергии, генерируемая каждым каскадом- число каскадов РКЭС. В результате того, что корпус каждого каскада РКЭС цилиндрической формы смонтирован вертикально, снабжен гидравлическим аккумулятором в виде пустотелого конуса,сопряженного большим основанием с пустотелой замкнутой полусферой, при этом водовод содержит не менее двух магистралей цилиндрической формы, сопряженных с соплами эллипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте, а сопла размещены концентрично по корпусу и расположены тангенциально по вертикали большей эллиптической осью, сливная магистраль последнего каскада выходит в верхнее русло реки, а число каскадов в электростанции составляет от двух до десяти, решается поставленная техническая задача в сравнении с прототипами и аналогами упрощается конструкция речной электростанции, повышается ее КПД, оптимально используется энергия малых рек. Разработан лабораторный макет речной электростанции по представленной на фиг. 1 и фиг. 2 конструкции, который, как показали результаты лабораторных испытаний, эффективно использует гидравлическую энергию малых рек. Созданная речная двухкаскадная электростанция, ширина водозаборника которой составляет 20 метров, высота 3 метра, диаметр магистралей 2 метра и большая ось эллиптического сечения сопел составила 1,5 метра позволяет генерировать каждым каскадом энергию 300800 кВт, при этом ее КПД более чем в 1,5 раза превышает КПД речных электростанций - аналогов. Суммарная мощность РКЭС составляет 6001600 кВт. Промышленное освоение предлагаемой речной электростанции возможно на предприятиях гидротехнического строительства и энергетики. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5