бесплотинная гидроэлектростанция

Формула изобретения

Бесплотинная гидроэлектростанция, содержащая водовод с установленными в нем быстродействующим затвором и турбиной, отличающаяся тем, что водовод выполнен конфузорно-диффузорным с цилиндрической горловиной, быстродействующий затвор установлен в последней и выполнен в виде быстродействующего затвора двухстороннего действия, срабатывающего в зависимости от направления потока в водоводе, цилиндрическая горловина сообщена через перепускные патрубки с установленными в них обратными клапанами с двумя буферными емкостями, последние сообщены между собой посредством перепускного трубопровода, в котором установлена соединенная с электрогенератором турбина, причем каждая буферная емкость сообщена с цилиндрической горловиной с помощью двух перепускных патрубков, один из которых размещен перед быстродействующим затвором, а другой - за быстродействующим затвором по ходу потока в водоводе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики, а именно к гидроэлектростанциям, и предназначено для преобразования энергии течений рек, приливов и отливов в электрическую энергию постоянного или переменного тока.

Известна бесплотинная гидроэлектростанция, включающая пластину, заглубленную наклонно навстречу потоку на 1/3 глубины, с возможностью снятия энергии верхнего, самого высокопотенциального слоя водотока, поднятия указанного слоя на некоторую высоту и направления его к воронкообразному устью вертикальной полости, турбину, размещенную в основании вертикальной полости на вертикальной оси (см. статью Ширинский А.Ф. Новые технические средства адаптации энергетических систем к природным условиям, журнал Гидротехническое строительство. НТА "Энергопрогресс" - 1993, №11, с.3).

Недостатком известной бесплотинной гидроэлектростанции является то, что работа турбины зависит от уровня и высоты поднятого слоя водотока с помощью наклонно заглубленной пластины, и потому потенциальная энергия такого блока (водотока) невелика, при этом турбина размещена на вертикальной оси, что приводит к увеличению габаритов гидроэлектростанции.

Известен также свободнопоточный гидроагрегат, устанавливаемый возле плотины и содержащий установленную в корпусе турбину, соединенную с электрическим генератором, (см. патент JP №58183870, Кл. F03В 13/08, 27.10.1983).

Данный свободнопоточный гидроагрегат, установленный на дне реки возле плотины, позволяет вырабатывать электрическую энергию, однако он имеет сравнительно невысокий КПД, что связано с тем, что напор воды практически создается только уклоном речной долины, поэтому мощность таких гидроэлектростанций относительно мала, а медленное вращение рабочего колеса турбины требует применения тяжелых и дорогих мультипликаторов для передачи вращения электрогенератору.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является бесплотинная гидроэлектростанция, содержащая водовод с установленными в нем отсечным клапаном и турбиной (см. патент RU №2241092, кл. Е02В 9/00).

Конструкция данной бесплотинной гидроэлектростанции позволяет использовать энергию гидроудара для повышения эффективности работы электростанции. Однако необходимость поднятия потока воды над уровнем реки для подачи потока воды к отсечному клапану приводит к дополнительным потерям энергии потока воды, что снижает эффективность преобразования энергии потока воды в электрическую энергию. Кроме того, необходимость создания вертикального канала для подачи воды на рабочее колесо турбины приводит к усложнению конструкции бесплотинной гидроэлектростанции и увеличению ее габаритов, при этом гидроэлектростанция работоспособна только при течении воды в одном направлении.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание сравнительно простого свободнопоточного агрегата, который можно установить под уровнем воды в плавучем состоянии или на дне реки, в прибрежной зоне морей, океанов или озер в местах приливов и отливов.

Техническим результатом, достигаемым от реализации изобретения, является повышение экономичности и КПД путем более полного использования энергии потока воды и возможность круглогодичного использования бесплотинной гидроэлектростанции, особенно на замерзающих реках.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что бесплотинная гидроэлектростанция содержит водовод с установленными в нем быстродействующим затвором, обратными клапанами и турбиной, при этом водовод выполнен конфузорно-диффузорным с цилиндрической горловиной, а обратные клапаны установлены в последней по разные стороны от затвора и выполнены в виде клапанов двухстороннего действия, срабатывающих в зависимости от направления потока в водоводе, цилиндрическая горловина сообщена через перепускные патрубки с установленными в них обратными клапанами с двумя буферными емкостями, накапливающими жидкость с повышенным и пониженным давлением, последние сообщены между собой посредством перепускного трубопровода, в котором установлена соединенная с электрогенератором турбина, причем каждая буферная емкость сообщена с цилиндрической горловиной с помощью двух перепускных патрубков, один из которых размещен перед быстродействующим затвором, а другой - за ним по ходу потока в водоводе.

Анализ известных бесплотинных гидроэлектростанций показал, что представляется возможность повысить эффективность их работы и снизить удельную материалоемкость электростанций за счет более полного использования энергии течения потока воды как в одном, так и в противоположных направления, что имеет место при приливах и отливах в прибрежных зонах морей и океанов. Это достигается за счет того, что бесплотинная гидроэлектростанция содержит водовод с установленными в нем быстродействующим затвором, обратными клапанами и турбиной, при этом водовод выполнен конфузорно-диффузорным с цилиндрической горловиной, а обратные клапаны установлены в последней по разные стороны от затвора и выполнены в виде клапанов двухстороннего действия, срабатывающих в зависимости от направления потока в водоводе, цилиндрическая горловина сообщена через перепускные патрубки с установленными в них обратными клапанами с двумя буферными емкостями, накапливающими жидкость с повышенным и пониженным давлением, последние сообщены между собой посредством перепускного трубопровода, в котором установлена соединенная с электрогенератором турбина, причем каждая буферная емкость сообщена с цилиндрической горловиной с помощью двух перепускных патрубков, один из которых размещен перед быстродействующим затвором, а другой - за ним по ходу потока в водоводе. В результате удается решить сразу две задачи - снизить гидравлическое сопротивление водовода и частично преобразовать потенциальную энергию потока воды в кинетическую энергию потока, который с большей скоростью набегает на быстродействующий затвор, что, в свою очередь, позволяет увеличить энергию искусственно создаваемого гидроудара. Кроме того, выполнение бесплотинной гидроэлектростанции с двумя буферными емкостями позволяет, за счет энергии гидроудара создавать в одной буферной емкости высокое давление жидкости, а в другой, наоборот, снижать давление жидкости, что позволяет увеличить перепад давления в соединяющем буферные емкости перепускном трубопроводе на установленной в нем и соединенной с электрогенератором турбине с соответствующим повышением ее эффективности. Выполнение быстродействующего затвора с возможностью двухстороннего действия и сообщение цилиндрической горловины водовода с каждой из буферных емкостей помощью двух перепускных патрубков, один из которых размещен перед быстродействующим затвором, а другой - за ним по ходу потока в водоводе позволяет бесплотинной гидроэлектростанции работать при изменении направления потока воды на противоположное, что имеет место во время отливов и приливов и, в ряде случаев, в периоды разлива рек с учетом местных особенностей местности. Возможность установки бесплотинной гидроэлектростанции ниже уровня воды, например в реке, позволяет использовать ее в зимний период во время покрытия поверхности воды льдом и избежать сильных волновых воздействий при расположении ее в море или океане.

На чертеже схематически представлена описываемая бесплотинная гидроэлектростанция.

Бесплотинная гидроэлектростанция содержит водовод 1 с установленными в нем быстродействующим затвором 2 и турбиной 3. Водовод 1 выполнен конфузорно-диффузорным с цилиндрической горловиной 4. Быстродействующий затвор 2 установлен в последней и выполнен двухстороннего действия, срабатывающего в зависимости от направления потока воды в водоводе. Цилиндрическая горловина 4 сообщена через перепускные патрубки 5 и 6 с установленными в них обратными клапанами 7 и 8 с двумя буферными емкостями 9 и 10, при этом последние сообщены между собой посредством перепускного трубопровода 11, в котором установлена соединенная с электрогенератором (не показан на чертеже) турбина 3. Каждая буферная емкость 9 и 10 сообщена с цилиндрической горловиной 4 с помощью двух перепускных патрубков (для буферной емкости 9 перепускные патрубки 5 и для буферной емкости 10 перепускные патрубки 6), один из которых размещен перед быстродействующим затвором 2, а другой за ним по ходу потока в водоводе.

Бесплотинную гидроэлектростанцию располагают в потоке воды, например, под повехностью воды в плавучем состоянии или на дне реки, или в прибрежной зоне моря вдоль направления потока воды.

Свободный поток со скоростью U ₀ и давлением в центральной струйке р₀ на входе в водовод 1 слегка притормаживается до скорости U ₁ с небольшим увеличением давления до p ₁, а затем увеличивает скорость на конфузорном участке водовода 1 до значения U>U₀ с соответствующим понижением давления до величины р<р₀ <p₁. Это понижение давления сопровождается выделением воздуха (смеси газов), растворенного в воде. Поток воды поступает в цилиндрическую горловину 4 и набегает на быстродействующий затвор 2, обеспечивающий перекрытие проходного сечения цилидрической горловины 4 и, как следствие, гидравлический удар с резким ростом давления. В цилиндрической горловине 4 водовода 1 возникает волна сжатия, распространяющаяся со скоростью с от быстродействующего затвора 2 навстречу потоку с давлением на фронте

.

Одновременно вниз по потоку от быстродействующего затвора 2 распространяется ударная волна с таким же понижением давления

.

Обратный клапан 7 перепускного патрубка 5, расположенного перед отсечным клапаном 2 открывается для пропуска воды с высоким давлением в буферную емкость 9, а обратный клапан 8 перепускного патрубка 6, расположенного за быстродействующим затвором 2, открывается для выпуска воды из буферной емкости 10 в зону пониженного давления в цилиндрической горловине 4 водовода 1. Так происходит до тех пор, пока волны давления не вернуться, отразившись от свободных концов водовода 1. В этот момент обратные клапаны 7 и 8 закрываются, быстродействующий затвор 2 открывается и поток в водоводе 1 разгоняется до первоначального состояния. После чего процесс повторяется. Разница давлений в буферных емкостях 9 и 10 постепенно и непрерывно срабатывается на турбине 3. Если направление потока изменилось (прилив сменился отливом), процесс по существу не меняется - изменяется только перепускные патрубки 5 и 6 (работает вторая пара патрубков). Буферные емкости 9 и 10 сохраняют свои функции, а турбина 3 работает в прежнем направлении.

Следует отметить, что аэрация даже при незначительной концентрации воздуха в воде резко снижает скорость распространения ударных волн в воде, что дает достаточное время для наполнения буферной емкости 9 из зоны избыточного давления и опорожнения другой буферной емкости 10 в зону дефицитного давления и обеспечивает устойчивую работу прямоточной высокооборотной турбины 3.

Преимущества описываемой гидроэлектростанции при малых скоростях потока состоят в том, что перепад давления на турбине 3 может достигать 4 cU₀ и более, где - плотность воды, с - скорость распространения упругих волн в водоводе 1, U₀ - скорость воды на подходе к водоводу 1.

Скорость распространения волн в воде с пузырьками воздуха, в которых давление равно р, определяется плотностью смеси ₀, модулем упругости воды Е, концентрацией воздуха s:

При малой концентрации воздуха и невысокой жесткости стенок водовода 1 в формулу (3) нужно ввести известные поправки из теории гидравлического удара в трубах.

Настоящее изобретение может быть использовано везде, где есть естественные или искусственно созданные потоки воды для выработки электрической энергии, в частности в лесном, сельском и других хозяйствах, а также для индивидуального использования в труднодоступных районах страны.