Русловой гидроагрегат

Русловой гидроагрегат

Реферат

 

Русловой гидроагрегат предназначен для отбора части энергии свободного потока рек и преобразования ее в электрическую. Устройство содержит гидротурбину с подшипниками на ее валах, размещенных в закрепленных к раме сферических компенсаторах деформаций рамы и гидротурбины, формирователь потока, донная пластина которого установлена под острым углом к потоку воды, затеняет от него нижнюю часть гидротурбины и имеет длину более чем в два раза превышающую диаметр гидротурбины. Рама установлена на опорные полозья с возможностью своего перемещения относительно них, соединена с береговыми опорами удерживающими тросом и шарнирным жестким дистанционирующим элементом, которые совместно составляют береговую систему запуска гидроагрегата в поток. Полость дистанционирующего элемента используется для защиты линии электропередачи от генератора, размещенного в герметичной капсуле и кинематически соединенного с гидротурбиной, или для установки карданной передачи от гидротурбины к береговому генератору. Высокий кпд и устойчивость гидроагрегата при запуске в реку и работе в ней обеспечиваются формирователем потока, эффективность использования энергии потока достигается позиционированием гидротурбины относительно его ядра с помощью береговой системы запуска, а надежность работы достигается за счет сферических компенсаторов деформаций. 9 з.п.ф-лы, 18 ил.

Изобретение относится к гидроагрегатам и может быль использовано в русловых гидроустановках для отбора части естественной кинетической энергии течения рек и ручьев и превращения ее в механическую энергию вращения с последующим преобразованием в электрическую.

Известна наплавная водяная турбина (МКИ F 03 В 3/04, патент США 4849647, 1989 г.), представляющая собой протяженный цилиндрический объект из материала легче воды с винтовыми лопастями на его поверхности. Турбина, поддерживаемая на поверхности воды силами Архимеда, взаимодействует винтовыми лопастями с потоком воды и преобразует часть кинетической энергии потока воды, сметающего турбину, в механическую энергию вращения турбины. К торцам турбины закреплены тяги - гибкие валы, которые обеспечивают крепление турбины к берегам реки или ручья и передачу вращательной механической энергии к генератору.

Недостатками данной турбины являются: низкий коэффициент использования энергии потока воды, сметающего турбину (менее 15%), крепление с двух берегов, невозможность защиты турбины от попадания плавучих предметов, которые могут повредить ее или нарушить режим ее работы, оказавшись захваченными ею, а также невозможность работы в зимних условиях, когда турбина подвергается оледенению и вмерзанию в лед.

Известна свободнопоточная гидросиловая установка (МКИ F 03 B, а.с. СССР 153883, 1963; МКИ F 03 C, а.с. СССР 175906, 1965; Щапов Н. М. Турбинное оборудование гидростанций, М.-Л., КЭИ, 1955, с. 287), содержащая закрепленный на силовом тросе, работающем как гибкий вал, ряд поперечных турбин-вингроторов, образующих турбинную гирлянду, которая устанавливается поперек водного потока. Концы троса закреплены с возможностью вращения на двух береговых опорах, а на одной из них помещен генератор, ротор которого кинематически связан с тросом турбинной гирлянды. Турбины, взаимодействуя с потоком воды, превращают часть кинетической энергии потока в механическую энергию вращения. Жесткая связь турбин с тросом обеспечивает передачу механической энергии вращения на генератор для преобразования в электрическую.

Для установки характерны следующие недостатки: 1. Трудность стабилизации положения гирлянды в потоке воды. Гирлянда раскачивается в потоке в вертикальной плоскости под действием силы Магнуса, возникающей от взаимодействия вращающейся турбины с движущимся потоком воды, и изменяющейся вследствие колебаний профиля скоростей в потоке. В результате наблюдаются выбросы гирлянды на поверхность воды и удары ее о дно реки. Это нарушает режим работы турбин, не позволяет обеспечить установку турбин в ядро потока и может привести к повреждениям турбины. (Ю.М. Новиков. Возможности бесплотинных ГЭС. Н/т сб. Энергетика и экология, c. 81-86. Отв. ред. Накоряков В.Е. Новосибирск, 1988 г., изд. Института Теплофизики СО РАН).

2. Воздействие больших нагрузок от гирлянды турбин на узлы вращения, установленные на береговых опорах. Расчет показывает, что при вполне реальной скорости потока воды 3 м/с, для компенсации лобового сопротивления гирлянды даже небольшой площадью 1 м², натяжение троса должно быть не менее 2500 кг, что вызывает технические трудности по компенсации осевых усилий в узлах вращения, установленных на береговых опорах.

3. Невозможность защиты от плавучих предметов, которые могут повредить турбины или быть захвачены турбинами, что нарушает режим их работы.

4. Неудобство монтажа и обслуживания установки, узлы которой размещены на разных берегах, трудности подбора подходящего русла реки для установки, разрушение весенним половодьем конструкций на берегах - затрудняют создание мобильной, легко устанавливаемой и снимаемой гирляндной установки.

Известно устройство для использования энергии текущего потока (F1S, Заявка Великобритании 1515561, опубл. 1978 г.), включающее установленные поперек реки опоры, закрепленный к ним трос, к которому с определенным интервалом прицеплены баржи. Между ними, в потоке воды, установлены поперечные роторные гидротурбины, выполненные в виде профилированных крыльев, установленных равномерно по окружности вокруг валов турбин под определенным углом атаки. При взаимодействии с потоком воды этих крыльев, часть кинетической энергии потока превращается в энергию вращательного движения турбин, валы которых снабжены зубчатыми венцами, кинематически связанными с генераторами.

Недостатками данной установки являются трудоемкость установки опор, их стационарное исполнение, отсутствие мобильности, что ограничивает ее применение в условиях горных рек, которые могут менять русла и разрушать установленные там конструкции.

Кроме того, использование таких установок возможно только в определенных местах и требует глубоководного русла. Отсутствие устройств, защищающих турбину от попадания плавучих предметов, может привести к повреждению гидротурбины или заклиниванию ее. Ненадежна работа зубчатого зацепления, шестерни которого размещены в потоке воды. Эксплуатация в зимних условиях также невозможна из-за обледенения зубчатого венца, выступающего из воды и обеспечивающего кинематическую связь генератора с гидротурбиной, что нарушает режим работы турбины и может привести к ее заклиниванию.

Для вывода гидротурбины в рабочий режим нужна ее предварительная раскрутка извне, так как в статическом положении гидротурбины, расположенной в потоке воды, сумма крутящих моментов близка к нулю, вследствие аксиальной симметрии размещения крыльев по поверхности вращения турбины.

В авторских свидетельствах СССР 1634812, 1988 г.; 1700276, 1989; кл. F 03 B 7/10, представлены усовершенствованные варианты устройства по заявке Великобритании 1515561, опубликованной в 1978 г., кл. F 03 B 7/00.

В варианте гидроагрегата по а. с. СССР 1634812 роторная гидротурбина снабжена поперечной гидротурбиной, размещенной на валу роторной гидротурбины и соединенной с ним обгонной муфтой. Роторная гидротурбина раскручивается при помощи поперечной гидротурбины до частоты вращения, при которой гидротурбина может самостоятельно взаимодействовать с потоком воды, вырабатывая энергию.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции гидротурбины и ненадежность обгонной муфты, работающей в потоке воды, при этом дополнительная поперечная гидротурбина нарушает режим обтекания крыльев потоком воды, в результате чего понижается коэффициент использования энергии потока воды.

В варианте гидроагрегата по а.с. СССР 1700276 роторная гидротурбина, установлена в лотке с боковыми стенками и донной пластиной, снабженной пандусом (наклонной плоскостью), затеняющим не более 0,1 диаметра турбины. Пандус обеспечивает уменьшение скорости потока воды, попадающей на нижнюю часть гидротурбины, в результате чего ее лопасти испытывают меньшее сопротивления встречного потока и растет коэффициент использования энергии потока воды.

Недостатком гидроагрегата является отсутствие защиты от попадания посторонних предметов. Согласно работе: Лятхер В.М., Иванов И.И., Скосарев И.И. Экспериментальные исследования ортогональных агрегатов для использования энергии течений. Журнал Гидротехническое строительство, 1986 г., 11, стр. 33-37 - максимальный коэффициент отбора мощности потока воды 0,44 достигается при использовании гидротурбины с двумя или тремя лопастями симметричного профиля и коэффициентом прозрачности турбины более 70%. Поэтому, при ударе плавучего предмета о гидротурбину такой конструкции, могут погнуться лопасти или вал, что нарушает режим работы или создает аварийную ситуацию. Если посторонний предмет попадает между лопастями, то происходит заклинивание ротора. При использовании гидротурбин с коэффициентом прозрачности менее 40%, которые имеют большую жесткость и прочность, выдерживают удары плавучих предметов и не могут быть заклинены, рекомендуемая в изобретении высота пандуса H = +0,1D, где - величина зазора между рабочим колесом и донной стенкой, D - диаметр рабочего колеса, не обеспечивает максимального коэффициента использования энергии потока воды.

Другой недостаток состоит в том, что в изобретении не предусматриваются ни система запуска устройства в поток воды, ни герметизация генератора, поэтому данное устройство может работать только в лотках, выполненных на отводных каналах от основного русла реки или поставленных в ручей. Создание таких лотков требует проведения строительных работ, что сложно обеспечить в условиях горных рек и во многих случаях бывает дорого и невыгодно. Такое устройство не может быть быстро переставлено в другое место, что неудобно для горных рек, где часто меняется русло, а весенние паводки разрушают конструкции, установленные на реке.

Известен русловой гидроагрегат (Щапов Н.М. Турбинное оборудование гидростанций М.-Л., ГЭИ, 1955, стр. 235-236), содержащий поперечную гидротурбину Савониуса с подшипниками скольжения на ее валу, размещенную на раме с донными опорами в виде полозьев, установленных параллельно оси ротора и соединенную тросами с береговыми опорами. Кинематическая связь гидротурбины с электрогенератором осуществляется через промежуточную трансмиссию, обеспечивающую согласование угловой скорости турбины с номинальной угловой скоростью генератора, посредством цепных передач, причем мультипликатор и генератор вынесены на раме выше уровня воды.

Недостатки данного устройства: 1. Низкий коэффициент (не более 0,18) использования энергии потока воды, сметающего турбину.

2. Неустойчивость гидроагрегата в потоке воды под действием опрокидывающей силы потока и силы, возникающей от эффекта Магнуса, вызванного взаимодействием вращающегося ротора с потоком воды.

3. Рама и турбина при установке на неровную поверхность дна деформируются. При этом на турбину действует распределенная нагрузка от напора потока воды, также деформирующая турбину. В результате происходит перекос валов турбины в подшипниках скольжения, что приводит к увеличению нагрузки на подшипники и увеличению их износа. Кроме того, при работе подшипников скольжения в режиме граничной смазки водой, коэффициент трения достаточно высок (0,05-0,1), что также снижает к.п.д. подшипниковых узлов. Разбухание подшипников и попадание посторонних примесей приводят к увеличению сил трения и абразивного износа.

4. Отсутствие системы запуска гидроагрегата в поток воды и регулировки положения рамы с турбиной относительно донных опор по высоте не позволяет установить турбину в ядро потока воды или быстро переставить ее в другое, более удобное место.

5. Расположение мультипликатора с генератором выше уровня воды не позволяет использовать его в зимнее время из-за обледенения системы передачи и вмерзания всей установки.

Известны русловые гидроагрегаты (F 03 B 13/10, а.с. СССР 1129403, 1984; F 03 B 13/10, а.с. СССР 1250693, 1986), в описании которых изложены отличительные признаки, повышающие эффективность работы гидроагрегата, описанного в вышеуказанной работе Щапова Н.М.

Эффективность работы повышается за счет введения прямоугольного сопла, формирующего поток воды на турбину, затенения нижней части турбины и установки нижней пластины сопла под острым углом к набегающему потоку. Гидроагрегат содержит поперечную гидротурбину, размещенную в рабочей камере, нижняя часть которой выполнена в виде полуцилиндра, охватывающего турбину, и соединена с формирующим поток соплом, на нижней стенке которого размещены донные опоры, выполненные в виде шипов. Гидротурбина взаимодействует с набегающим потоком воды и преобразует часть его кинетической энергии в механическую энергию своего вращения, которая в генераторе преобразуется в электрическую. Поток воды, набегающий на нижнюю стенку сопла, прижимает гидроагрегат шипами ко дну реки.

Для гидроагрегата характерны следующие недостатки: 1. Изготовление затеняющего полуцилиндра в виде цельной обечайки технически сложно, а его разбиение на куски уменьшает жесткость конструкции, что приводит к несоосности подшипниковых узлов при сборке и в процессе эксплуатации вследствие неконтролируемой деформации, узлы компенсации которой не предусмотрены.

2. Затенение половины диаметра турбины эффективно только для ротора Савониуса, который имеет низкие к.п.д. (не более 0,18) и коэффициент прозрачности гидротурбины (около 0,1). При использовании других типов гидротурбин, например Дарье (Ветроэнергетика, под. редакцией Д. де Рензо, М.: Энергоатомиздат, 1982, стр. 26, рис.1.3, в7.), и Новикова, Бирюкова, (кл. 88в,4, а.с. СССР 151253) с более высокими к.п.д., величина эффективного затенения гидротурбины будет меняться в зависимости от коэффициента прозрачности турбины, который для варианта Дарье составляет около 0,7, а для вариантов Новикова, Бирюкова - 0,3-0,4. В этом случае полуцилиндр неэффективен.

3. Использование донных опор в виде шипов, тормозящих движение, значительно затрудняет запуск гидроагрегата с берега в поток воды.

4. Не предусмотрена защита гидротурбины от плавучих предметов. Использование цельного жесткого корпуса, состоящего из приемной и рабочей камер, снабженного донными шипами, не позволяет регулировать положение агрегата по высоте. Сама конструкция металлоемка и немобильна, генератор и мультипликатор негерметизированы.

Была поставлена задача создания эффективного, надежного и мобильного, легко устанавливаемого в ядро потока воды руслового гидроагрегата, защищенного от повреждений плавучими предметами и способного работать в зимних условиях и под водой.

Поставленная задача решалась следующим образом.

Создан русловой гидроагрегат, содержащий поперечную гидротурбину с подшипниками на ее валах, установленную на раму с донными опорами, выполненными в виде полозьев, связанный с рамой формирователь потока с боковыми стенками и донной пластиной, установленной под острым углом к набегающему потоку воды и затеняющей от него нижнюю часть гидротурбины, генератор, кинематически связанный с гидротурбиной, и линию электропередачи от генератора к береговому оборудованию. Гидроагрегат снабжен береговой системой запуска установки в поток воды и регулировки положения гидротурбины относительно ядра потока, содержащей жесткий дистанционирующий элемент, шарнирно соединяющий с береговой опорой раму, закрепленную к другой береговой опоре посредством троса и установленную на полозья с возможностью перемещения по высоте, причем длина донной пластины более чем в 2 раза превышает диаметр гидротурбины, а подшипники ее валов размещены в закрепленных на раме сферических компенсаторах деформаций рамы и гидротурбины.

Надежная раскрутка гидротурбины при ее установке в поток воды обеспечивается тем, что она собрана из последовательно установленных вдоль ее продольной оси секций, лопасти которых повернуты относительно друг друга на угол = 360/nz, где n - количество секций, z - количество лопастей в секции.

Высокий уровень использования энергии потока воды достигается с помощью донной пластины, установленной таким образом, что линия пересечения ее плоскости с вертикальной плоскостью, проходящей через продольную ось гидротурбины, расположена в зоне, ограниченной размерами от 0,1 D до 0,4 D вниз от продольной оси гидротурбины, а зазор между гидротурбиной и пластинами формирователя потока находится в пределах от 0,02 D до 0,15 D, где D - диаметр турбины. При этом относительно малые зазоры этого диапазона характерны для гидротурбин типа Дарье, а относительно большие - для турбин типа Новикова и Бирюкова.

Повышение надежности работы генератора и удобства его обслуживания достигается размещением генератора на береговой части жесткого дистанционирующего элемента, а кинематическая связь с валом гидротурбины осуществлена с помощью карданной передачи -гибкого вала, размещенного в полости жесткого дистанционирующего элемента.

Гидротурбина защищена устройством отражения плавучих предметов, выполненным в виде пакета ребер-пластин, ориентированных вдоль донной пластины и образующих направляющие каналы для потока воды, сметающего гидротурбину.

Повышена надежность подшипниковых узлов и снижены коэффициенты трения за счет размещения на валу гидротурбины стандартных подшипников качения в герметичном корпусе и уплотнения вращающегося вала контактом уплотнительного элемента со сферической поверхностью вала (сферой), геометрический центр которой совпадает с геометрическим центром сферы компенсатора деформации.

В другом варианте упрощение конструкции подшипникового узла достигается контактом уплотнительного элемента, снабженного компенсатором торцевого биения вала, с плоской торцевой поверхностью вала.

В затопляемом (подводном варианте гидроагрегата) генератор размещен в капсуле, герметично соединенной с корпусом подшипника, кинематическая связь между валом гидротурбины и генератором осуществляется посредством карданной муфты, а линия электропередачи от генератора к береговому оборудованию проложена через трубу, герметично подсоединенную к капсуле и выведенную выше уровня воды.

Вариант линии электропередачи на берег выполнен в полости жесткого дистанционирующего элемента.

Надежность работы карданной передачи, соединяющей вал гидротурбины с генератором, достигается тем, что полость жесткого дистанционирующего элемента герметично соединена с полостью герметичного корпуса подшипника вала посредством гибкого трубопровода.

Удобство регулирования положения гидроагрегата по ширине реки достигается тем, что жесткий дистанционирующий элемент выполнен в виде труб, соединенных телескопически.

Для устранения заклинивания полозьев между неровностями или камнями на дне русла реки поперечное сечение полоза профилируется в виде трапеции, овала или круга.

Увеличение мощности гидроагрегата может достигаться размещением гидротурбин на раме последовательно вдоль их продольной оси, что обеспечивается установкой дополнительных опор и соединением гидротурбин между собою карданными муфтами.

Наличие береговой системы запуска и регулировки положения гидротурбины позволяет решить задачу установки гидроагрегата с одного берега в ту часть русла реки, где скорость потока воды максимальна. Это актуально для горных рек, русло которых часто изменяется, а весенние паводки разрушают сооружения, находящиеся в русле реки.

Даже небольшое приращение скорости потока воды дает существенное увеличение механической энергии вращения гидротурбины, пропорциональное кубу скорости потока воды, поэтому наиболее эффективна работа гидротурбин в ядре потока, где скорость набегающей воды максимальна. В летнее время ядро потока расположено вблизи поверхности воды, а в зимнее время вектор максимальной скорости потока подо льдом смещается на середину глубины (Ю.М. Новиков. Возможности бесплотинных ГЭС. н/т. сб. Энергетика и Экология. Отв. редактор Накоряков В.Е. - Новосибирск, 1988 г., изд. института Теплофизики СО РАН).

Использование жесткого дистанционирующего элемента позволяет обеспечить установку гидроагрегата в наиболее скоростной части русла реки, а регулирование гидротурбины по высоте позволяет установить ее в ядро потока. Таким образом, береговая система запуска и регулировка положения гидротурбины по высоте обеспечивает ее установку в ядро потока воды, что повышает эффективность использования гидроагрегата.

Устойчивое положение гидроагрегата при запуске в поток воды и в его рабочем положении обеспечивается донной пластиной формирователя потока, которая установлена под острым углом к набегающему потоку и под его воздействием прижимает агрегат ко дну реки, компенсируя тем самым опрокидывающий момент, возникающий от воздействия потока на гидротурбину. При этом длина донной пластины должна более чем в два раза превышать диаметр гидротурбины. Это соотношение является результатом специального расчета гидроагрегата на устойчивость и подвижность в потоке воды и подтверждено экспериментально.

Формирователь потока обеспечивает уменьшение сил трения в выделенной части потока по сравнению с силами трения о дно реки и его подачу на верхнюю часть гидротурбины. Затенение ее нижней части формирователем уменьшает потери энергии на преодоление лопастями гидротурбины встречного потока и улучшает условия обтекания гидротурбины потоком воды.

Величина эффективного затенения нижней части гидротурбины зависит от ее конструкции и коэффициента прозрачности, а также от условий установки гидротурбины в поток воды. Так, для роторной гидротурбины (типа Дарье) эффективное затенение ее нижней части отвечает определенному положению линии пересечения плоскости донной пластины с вертикальной плоскостью, проходящей через продольную ось гидротурбины. Эта линия должна лежать в зоне. верхняя граница которой находится ниже этой оси, на расстоянии 0,25 D, где D - диаметр гидротурбины. Для вариантов Савониуса, Бирюкова и Новикова часть такой зоны расположена выше, чем для варианта Дарье, так как ее верхняя граница лежит ниже оси гидротурбины на расстоянии 0,1 D, а нижняя - на расстоянии 0,4 D. Такое положение донной пластины относительно оси обеспечивает наиболее эффективное взаимодействие лопастей гидротурбины со сформированным потоком воды.

Экспериментальные данные показывают, что применение формирователя потока воды существенно увеличивает коэффициент использования его энергии гидроагрегатом. Например, для гидротурбин Новикова и Бирюкова применение формирователя потока в различных по своим характеристикам водных потоках приводит к росту мощности гидроагрегата на 20% и более по сравнению с вариантом без формирователя.

Надежная раскрутка гидротурбины обеспечивается взаимодействием направленного донной пластиной потока воды с лопастями гидротурбины, установленными последовательно вдоль ее оси с поворотом на угол = 360/nz, где n - количество секций, z - количество лопастей в секции. В результате этого взаимодействия возникают усиленные импульсы крутящего момента, действующие на отдельные секции гидротурбины в любом ее положении. Такая конструкция позволяет, также, уменьшить неравномерность вращения гидротурбины.

Размещение подшипников валов гидротурбины в сферических компенсаторах деформаций позволяет обеспечить соосность подшипников и валов за счет устранения последствий перекосов рамы и прогиба гидротурбины, возникающих из-за неровностей дна, а также от лобового давления потока воды.

Совокупность узлов гидроагрегата и их связей - жесткий дистанционирующий элемент, шарнирно соединяющий раму с береговой опорой, гибкий силовой элемент (трос, канат, цепь), соединяющий гидроагрегат с другой береговой опорой, и профилированные полозья, установленные перпендикулярно турбине, обеспечивают возможность быстрой установки гидроагрегата в поток воды на дно реки и его съемки, как с помощью техники (трактора, машины, лебедки), так и в ручную, силами двух человек.

Например, при ручной установке гидроагрегат вначале прикрепляют к жесткому дистанционирующему элементу и размещают на береговой линии обратной стороной к потоку так, что гидротурбина параллельна потоку воды. Затем сталкивают в поток, после чего гидроагрегат, увлекаемый потоком воды и дистанционируемый жестким элементом, поворачивается вокруг береговой опоры, описывает траекторию в четверть окружности и устанавливается в рабочее положение, фиксируемое тросами, закрепленными на второй береговой опоре. При этом гидротурбина оказывается расположенной перпендикулярно потоку воды. Скольжение по неровностям дна и камням обеспечивают полозья, профиль поперечного сечения которых выполнен в виде трапеции овала или круга. Устойчивое положение гидроагрегата в потоке воды обеспечивается донной пластиной, прижимающей гидроагрегат ко дну реки.

Для удобства обслуживания генератора и мультипликатора, используемого в случаях применения генераторов с большими угловыми скоростями, их размещают на береговой части дистанционирующей трубы, а кинематическую связь с валом турбины осуществляют посредством карданной передачи, размещенной в полости этой трубы. Таким образом, гидроагрегат разделяют на два модуля - береговой и подводный, связанных с помощью дистанционирующей трубы. Береговой включает в себя мультипликатор с генератором, а подводный - остальные узлы. Это позволяет оперативно обслуживать генератор и мультипликатор (щетки, контакты, уровень и доливка масла в мультипликатор) без вывода гидроагрегата на берег. Особенно это важно при эксплуатации гидроагрегата в зимних условиях, когда выведенный агрегат быстро покрывается льдом, что затрудняет его ремонт и обслуживание. Уменьшение веса подводной части гидроагрегата за счет переноса на береговую часть генератора с мультипликатором упрощает запуск гидроагрегата в поток воды.

Защита гидротурбины от плавучих предметов (бревна, палки, доски, ветки) необходима в связи с возможностью их попадания между лопастями и заклинивания гидротурбины, причем от сильного удара могут погнуться гидротурбина и ее лопасти. В предлагаемом устройстве могут применяться различные гидротурбины.

Расчеты и практические эксперименты показывают, что для жестких и прочных гидротурбин типа Савониуса, Бирюкова и Новикова нет серьезной необходимости ставить защитное устройство от редких топляков, глубоко погруженных в поток воды, так как они после удара о вращающуюся гидротурбину увлекаются ею и потоком воды и уходят вниз по течению, не нанося турбине заметных повреждений. Мелкие предметы, плывущие по поверхности реки и составляющие основную массу загрязнений, для таких турбин не опасны, так как отбрасываются мощным потоком воды, обтекающим турбину сверху.

Роторная гидротурбина (типа Дарье) содержит одну и более лопастей, выполненных в виде профилированных крыльев, установленных равномерно по окружности вокруг вала турбины, под определенным углом атаки и имеет коэффициент прозрачности более 70% (Лятхер В.М., Иванов И.И., Скосарева С.И. // Экспериментальные исследования ортогональных агрегатов для использования энергии течений // Гидротехническое строительство 11, стр. 33-37). Поэтому плавучие предметы, ударяясь о лопасти, могут погнуть их и изменить угол атаки, что может резко снизить коэффициент использования энергии потока. При попадании плавучего предмета между лопастями такую гидротурбину может заклинить.

Защита гидротурбины устройством отражения плавучих предметов повышает надежность работы гидроагрегата. В предложенном устройстве пакет ребер-пластин ориентирован вдоль донной пластины и образует направляющие каналы для потока воды, сметающего гидротурбину.

Крупные плавучие предметы, ударяясь о ребра, отражаются и, скользя по ребрам, уносятся потоком воды. Образованные ребрами каналы обеспечивают выравнивание скоростного поля потока воды, защитная пластина увеличивает поперечную жесткость ребер.

Размещение подшипников валов гидротурбины в герметичные корпуса со встроенными узлами компенсации деформаций и уплотнение вращающихся валов, позволяют применить подшипники качения, создать стандартные условия для их работы и устранить влияние перекоса рамы и прогиба турбины, возникающих от установки рамы на неровную поверхность дна, а также от лобового давления на турбину потока воды. Это повышает надежность работы подшипниковых узлов и их к.п.д. за счет снижения коэффициента трения подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения, которые работают в режиме граничной смази водой и испытывают перегрузки из-за перекоса валов.

Размещение генератора с мультипликатором в герметичной капсуле, соединенной с корпусом подшипника, обеспечивает его надежную работу и охлаждение потоком воды. Соединение вала турбины с мультипликатором через карданную муфту позволяет компенсировать перекосы вала от деформации гидротурбины. Вывод линии электропередачи через трубу, герметично подсоединенную к капсуле и выведенную выше уровня воды, обеспечивает подачу электроэнергии на оба берега реки.

Совокупность узлов и их связей: размещение генератора в герметичной капсуле, соединенной с корпусом подшипника, соединение вала турбины с генератором через карданную муфту, вывод линии электропередачи через трубу, герметично подсоединенную к капсуле и выведенную выше уровня воды, размещение валов гидротурбины в герметичных корпусах со встроенными узлами компенсации деформаций и уплотнение вращающихся валов обеспечивают надежную работу гидроагрегата под водой в летнее и зимнее время.

Выполнение линии электропередачи в полости дистанционирующей трубы, герметично подсоединенной к капсуле посредством гибкого полого элемента, обеспечивает защиту линии электропередачи от повреждений, в результате чего повышается надежность работы гидроагрегата.

Герметичное соединение полости жесткого дистанционирующего элемента с полостью герметичного корпуса подшипника посредством гибкого трубопровода исключает попадание воды в карданную передачу (гибкий вал), за счет чего уменьшаются потери на трение и повышается надежность работы карданных соединений.

Выполнение жесткого дистанционирующего элемента в виде труб, соединенных телескопически, расширяет возможности оперативной регулировки положения гидроагрегата по ширине реки и обеспечивает возможность установки гидроагрегата в наиболее скоростную часть русла реки.

Использование унифицированных гидротурбин, размещенных на раме последовательно вдоль их продольной оси, соединенных между собою карданными муфтами и снабженных дополнительными опорами, позволяет расширить диапазон мощности гидроагрегатов.

В устройстве решен комплекс проблем, возникающих при эксплуатации гидроагрегата, решена задача создания мобильного, легко устанавливаемого в ядро водного потока руслового гидроагрегата, защищенного от повреждений плавучими предметами, способного работать в зимних условиях, повышены коэффициент использования энергии потока воды и надежность работы гидроагрегата.

Решение этой задачи обеспечивается за счет введения в устройство следующих новых систем, узлов и деталей и их связей с остальными элементами.

1. Система запуска гидроагрегата в поток воды с одного берега и регулировка положения турбины относительно ядра потока воды.

2. Соотношение длины донной пластины и диаметра гидротурбины.

3. Подшипники в герметичных корпусах со встроенными узлами компенсации деформаций рамы и гидротурбины.

4. Опорные полозья с поперечным сечением в форме овала, круга или трапеции.

5. Жесткий дистанционирующий и гибкий элементы, узлы перемещения по высоте рамы относительно полозьев.

6. Герметичная капсула для генератора с мультипликатором, карданная муфта, труба для линии электропередачи.

7. Дистанционирующая труба, гибкий полый элемент для линии электропередачи.

8. Телескопическое соединение труб дистанционирующего элемента.

9. Генератор с мультипликатором, размещенные на береговой части дистанционирующей трубы, вал гидротурбины, соединенный с мультипликатором посредством карданной передачи, размещенной в дистанционирующей трубе.

10. Устройство для защиты от плавучих предметов.

11. Соотношение размеров, определяющих положение гидротурбины относительно донной пластины.

12. Углы установки секций гидротурбины друг относительно друга.

13. Применение унифицированных гидротурбин.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями (авторское свидетельство СССР 1700276, 1989, F 03 B 13/10) показывает, что затенение нижней части гидротурбины формирователем потока пандусом известно. Но известная величина затенения размером около 0,1 диаметра гидротурбины дает оптимальное повышение коэффициента использования энергии потока только для гидротурбин с коэффициентом прозрачности около 70%, а именно для роторных гидротурбин с одной или более лопастями симметричного профиля. На участке, затеняемом пандусом, уменьшается сопротивление обратного хода лопасти, поперечный размер которой меньше высоты пандуса. Но, если без изменения высоты пандуса уменьшать длину донной пластины и увеличивать угол ее установки, то, начиная с некоторых величин углов, снижается эффективность использования энергии потока воды гидротурбиной, а также утрачивается устойчивость гидроагрегата в потоке. Таким образом, известная величина затенения - 0,1 диаметра гидротурбины, не является параметром, в полной мере характеризующим оптимальные условия использования энергии потока воды гидротурбиной. В случае применения в гидроагрегате другого типа гидротурбин (Новикова, Бирюкова, Савониуса) пандус размером 0,1 диаметра гидротурбины не обеспечивает наиболее эффективного затенения лопастей, так как они могут занимать 0,3-0,5 диаметра гидротурбины.

Модельные и натурные испытания на реках показали, что для гидротурбины Новикова оптимальное затенение лежит в пределах от 0,1 до 0,4 ее диаметра. Это в разнообразных условиях работы обеспечивает повышение коэффициента использования энергии потока гидроустановкой на 20% и более. На эффективность работы влияет, также, длина донной пластины формирователя потока. Существенное снижение отбора мощности потока наблюдается при уменьшении величины отношения длины донной пластины к диаметру гидротурбины. Так, при уменьшении этого отношения от двух до единицы, коэффициент использования мощности потока в различных условиях работы падает на 10% и более.

Таким образом, затенение нижней части гидротурбины в пределах от 0,1 до 0,4 ее диаметра и применение донной пластины, длина которой более чем в два раза превышает диаметр гидротурбины, позволяет эффективно применять, кроме роторной гидротурбины типа Дарье, более жесткие гидротурбины Новикова, Бирюкова и др., с коэффициентом использования энергии потока до 45%, и обеспечить надежную устойчивость гидроагрегата в потоке воды. При этом для таких гидротурбин не требуется устройство для отражения плавучих предметов.

Из других литературных источников (Уплотнение и уплотнительная техника, под ред. А. И. Голубева и Л.А. Кондакова// М.: Машиностроение, 1986, стр. 286-350, рис. 9.15б и 9.20б), известны конструкции торцевых уплотнений, и уплотнений вращающихся валов со сферическими поверхностями. Надежность этих уплотнений определяется точностью изготовления уплотняемых поверхностей и жесткостью конструкции.

Неточность изготовления (несоосность уплотняемых поверхностей) может привести к неполному контакту уплотняемых поверхностей и их разуплотнению. В случае нежесткой конструкции, устанавливаемой на неровную поверхность, происходит нарушение соосности уплотняемых поверхностей, ч