Свободнопоточная микрогидроэлектростанция
Техническое решение относится к гидроэнергетике, а именно к конструкции свободнопоточных микрогидроэлектростанций, преобразующих кинетическую энергию свободного потока воды в электрическую. Технический результат заключается в повышении энергетических характеристик и обеспечении эффективной работы микроГЭС при малых скоростях водных потоков. Результат достигается тем, что в свободнопоточной микрогидроэлектростанции лопасти и траверсы секционированной гидротурбины выполнены по гидродинамическим профилям, лопасти ориентированы по касательным к траектории движения, конфузор и диффузор являются двухступенчатыми, причем угол внешнего конуса больше угла внутреннего конуса. На несущей раме, имеющей жесткий замкнутый контур и аутригеры, размещено защитное устройство, которое препятствует попаданию в рабочую зону гидротурбины находящихся в воде посторонних предметов. 5 илл.
Техническое решение относится к области гидроэнергетики, а именно к конструкции свободнопоточных микрогидроэлектростанций, преобразующих кинетическую энергию свободного потока воды в электрическую.
Известна гидроэлектростанция (патент RU 2088724 С1, Кл. Е02В 9/00, опубл. 27.08.97) с плавучим элементом с возможностью вертикального перемещения при изменении уровня воды с гидротурбиной, соединенной с генератором, выпускной трубопровод выполнен с увеличивающейся по направлению движения потока площадью поперечного сечения многолепестковой формой с разветвлением на две и более трубы.
Недостатками такой гидроэлектростанции являются сложность и нетехнологичность конструкции, обусловленные наличием катамарана и, особенно, сложной конструкцией водовода с плавно изменяющимися его сечением и формой. Кроме того, такая гидроэлектростанция требует создания гидротехнических сооружений.
Известна также автономная водопогруженная свободно-поточная микрогидроэлектростанция, (свидетельство РФ на полезную модель 
23317, кл. F03В 13/00, опубл. в БИПМ 16 2002 г), содержащая электрогенератор, неподвижно закрепленный водопогруженный модуль, с горизонтальной ориентированной гидротурбиной, соединенной через зубчатую передачу с валом электрогенератора, установленным в герметичном корпусе, соединенном с гондолой мультипликатора, вертикально расположенной герметичной трубой, так что предотвращается проникновение воды в корпус электрогенератора. Применение на погруженной микрогидроэлектростанции типового электрогенератора потребовало применения дополнительного герметичного корпуса, в котором он размещен, и использования зубчатой передачи - мультипликатора.
Недостаток такой гидроэлектростанции - сложность и нетехнологичность конструкции герметичного корпуса и привода с механическим мультипликатором, снижающие надежность установки и приводящие к большой трудоемкости и стоимости ее изготовления.
Известна также погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция (патент РФ 2247859) с горизонтальной гидротурбиной, соединенной непосредственно с герметичным низкоскоростным электрогенератором. Гидротурбина выполнена из отдельных секций, с лопастными движителями, смещенными относительно друг друга на равный угол, а каждый из движителей состоит из двух противоположно направленных лопастей с модифицированным профилем NASA.
Недостатками этой конструкции являются недостаточная жесткость и устойчивость рамы в потоке, повышенное сопротивление траверс, крепящих лопасти к валу турбины, отсутствие направленности потока на турбину. Все это снижает энергетические и скоростные показатели свободнопоточной микрогидроэлектростанции, не позволяет эффективно использовать ее при малых скоростях водного потока.
В основу технического решения положена задача повышения энергетических характеристик, а также обеспечения эффективной работы свободнопоточной микрогидроэлектростанции (микроГЭС) при малых скоростях водных потоков.
Поставленная задача решается тем, что в свободнопоточной микрогидроэлектростанции, содержащей несущую раму, на концах которой установлены конфузор и диффузор, электрогенератор, вал которого соединен непосредственно с секционированной гидротурбиной, чьи лопасти противоположно направлены, согласно полезной модели, лопасти и траверсы секционированной гидротурбины выполнены по гидродинамическим профилям, лопасти ориентированы по касательным к траектории движения, конфузор и диффузор выполнены двухступенчатыми таким образом, что угол внешнего конуса больше угла внутреннего конуса, а на несущей раме, имеющей жесткий замкнутый контур и аутригеры, размещено защитное устройство. Защитное устройство может быть выполнено в виде группы параллельных стержневых элементов, наклонно ориентированных и закрепленных на передней кромке несущей рамы.
Изобретение поясняется графическим материалом. На фиг.1 изображен общий вид заявляемой микроГЭС; на фиг.2 - конструкция лопастного движителя; на фиг.3 - сечения лопасти и траверсы гидротурбины; на фиг.4 - профили лопасти и траверсы.
Свободнопоточная микрогидроэлектростанция содержит гидротурбину 1, с которой непосредственно соединен электрогенератор 2, в качестве которого использован герметичный низкоскоростной синхронный генератор. Гидротурбина 1 и электрогенератор 2 смонтированы на раме 3, к которой крепятся также конфузор 4 и диффузор 5.
Рама 3 микроГЭС имеет жесткий замкнутый контур, обеспечивающий прочность конструкции при установке на неровный профиль дна реки, и аутригеры 6 для повышения ее устойчивости при воздействии силы течения реки. С целью упрощения изготовления, транспортировки и монтажа рама 3 может выполняться из двух и более секций, собираемых на месте установки микроГЭС.
Конфузор 4 и диффузор 5 выполнены двухступенчатыми так, что угол внешнего конуса больше угла внутреннего конуса, и оба они выбраны из условия уменьшения потерь энергии потока на входе. Для предотвращения повреждения элементов микроГЭС посторонними предметами, находящимися в водном потоке, на раме размещено защитное устройство 7. Защитное устройство может быть выполнено, например, в виде стержневых элементов, отводящих посторонние предметы от микроГЭС.
Гидротурбина 1 с горизонтальным валом 8 содержит секции лопастных движителей 9 (фиг.2) с лопастями 10, противоположно направленными и закрепленными на траверсах 11. Траверсы 11 соединены ступицами 12 с валом 8, установленным в опорах 13. Каждая секция гидротурбины содержит один или более лопастных движителей 9 (фиг.2), смещенных относительно друг друга на равный угол.
Лопасти 10 и траверсы 11 выполнены по гидродинамическим профилям (фиг.3), обеспечивающим максимальное отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления. Для улучшения энергетики турбины хорда лопасти 10 ориентирована по касательной к траектории движения.
Гидродинамические профили верхней YB(x) и нижней YH(x) поверхностей профиля лопасти и траверсы при разложении их в ряд Фурье имеют следующий вид:
,
,
где n - количество гармоник,
i - номер гармоники,
ai, b i - коэффициенты ряда Фурье,
h - длина хорды крыла,
х - координата точки вдоль оси ОХ.
Гидродинамические профили в системе координат «расстояние по хорде (x) - ординаты соответствующих точек на верхней и нижней поверхностях профиля (YB и YH)» пояснены на фиг.4. Значения коэффициентов приведенных выше уравнений приведены в таблице (фиг.5).
Свободнопоточная микрогидроэлектростанция работает следующим образом. Для повышения скорости и энергии водного потока в конструкции микрогидроэлектростанции используются конфузор 4 и диффузор 5. Поток воды, попадая в конфузор 4, за счет уменьшения площади его сечения, ускоряется, увеличивая свою кинетическую энергию. Конфузор 4 выполнен двухступенчатым так, что угол сужения входной части конфузора существенно больше, чем угол сужения его выходной части, что позволяет повысить скорость потока с минимальными потерями энергии на эти процессы. Ускоренный и ориентированный поток попадает на лопасти 10 гидротурбины 1. Наличие диффузора 5 за гидротурбиной 1 позволяет снизить потери энергии в гидротурбине и повысить КПД за счет разряжения потока, а две ступени диффузора делают этот процесс более эффективным.
Поток воды за счет разности скоростей на внутренней и внешней сторонах лопасти 10 создает подъемную силу, увеличенную за счет ее геометрии. Эта подъемная сила приводит к вращению лопастные движители 9 и вал низкоскоростного генератора 2, превращающего кинетическую энергию вращения гидротурбины в электрическую энергию.
Таким образом, за счет нового профиля лопасти турбины, обеспечивающего большее отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления, нового профиля траверс, обеспечивающих снижение лобового сопротивления, более эффективной конструкции двухступенчатых конфузора и диффузора, повышаются энергетические и скоростные показатели микрогидроэлектростанции.
Замкнутый контур рамы, наличие концевых ее балок и аутригеров обеспечивают большую устойчивость к опрокидыванию за счет существенно увеличенных плеч опрокидывания, что повышает также и эксплуатационную надежность микроГЭС.
Наличие аутригеров 6 позволяет повысить устойчивость микроГЭС, не прибегая к увеличению поперечного габарита рамы.
Защитное устройство 7, выполненное в виде группы параллельных стержневых элементов, закрепленных на передней кромке рамы и ориентированных наклонно к основанию, позволяет изменить траекторию движения посторонних предметов в воде при столкновении с защитным устройством, препятствуя попаданию их в рабочую зону турбины.
Сборка микрогидроэлектростанции на месте ее эксплуатации из отдельных компонентов упрощает ее транспортировку при снижении ее стоимости.
Из всего вышесказанного можно заключить, что достигнут технический результат в соответствии с поставленной задачей.
1. Свободнопоточная микрогидроэлектростанция, содержащая несущую раму, на концах которой установлены конфузор и диффузор, электрогенератор, вал которого соединен непосредственно с секционированной гидротурбиной, чьи лопасти противоположно направленны, отличающаяся тем, что лопасти и траверсы секционированной гидротурбины выполнены по гидродинамическим профилям, лопасти ориентированы по касательным к траектории движения, конфузор и диффузор выполнены двухступенчатыми так, что угол внешнего конуса больше угла внутреннего конуса, а на несущей раме, имеющей жесткий замкнутый контур и аутригеры, размещено защитное устройство.
2. Свободнопоточная микрогидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что защитное устройство выполнено в виде группы параллельных стержневых элементов, закрепленных на передней кромке несущей рамы и ориентированных наклонно к основанию.
