УДК 621.311
МОДЕЛЬ ПОГРУЖНОЙ МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
, ,
Россия, г. Орел, ОГУ им.
Рассматривается модель автономной погружной свободнопоточной микрогидроэлектростанции используемой в качестве источника электроэнергии для различных объектов, расположенных вдали от централизованного электроснабжения.
Ключевые слова: электрическая энергия, генератор, мультипликатор, гидромеханический преобразователь.
Погружные свободнопоточные микрогидроэлектростанции (мкГЭС), использующие кинетическую энергию потока реки, обладают рядом преимуществ по сравнению с плотинными, наплавными, деривационными безнапорными мкГЭС [1]. Характерная черта станции – отсутствие плотины и водохранилища. МкГЭС могут применяться на малых и сверхмалых реках, родниках, ручьх, технических и технологических водоводах, естественных водоемах и т. д. МкГЭС не разрушают природный речной ландшафт, не влияют на ухудшение поверхностных и грунтовых вод.
Однако их достоинства в настоящее время в отечественном гидроэлектростроении практически не реализованы. Широкому внедрению мкГЭС на малых относительно тихоходных водных источниках, по нашему мнению, препятствует ряд факторов, главными среди которых можно считать следующие:
Недостаток перспективных проектно-конструкторских решений, ибо освоение промышленного производства мкГЭС требует иного подхода, чем освоение традиционных ГЭС. Требуются простые технические решения. Недостаточно полное развитие расчетно-теоретических основ проектирования машин этого типа с оптимальными техническими характеристиками. Отсутствует опыт создания мкГЭС для малых и сверхмалых рек. Не изучены вопросы, связанные с особенностями самих мкГЭС. Развитие мкГЭС не сопровождается параллельным изучением характеристик малых и сверхмалых рек с целью выяснения условий выбора участка реки для расположения электростанции. Не разработаны шкала мощностей, оптимальные частоты вращения индуктора генератора и рабочего колеса турбины, вопросы надежности, охлаждения, работы изоляции водонаполненного генератора, электробезопасности.Отмеченные и другие факторы указывают на определенные трудности, возникающие при внедрении мкГЭС. Области применения каждой мкГЭС определяется особенностью ландшафта реки, назначением мкГЭС и условиями ее работы.
Рассматриваемые в статье мкГЭС предлагаются авторами для работы на водных источниках, имеющих скорость течения 0,3…3 мин-1.Данная скорость течения является недостаточной для приведения во вращение рабочего колеса турбины. Поэтому она должна быть увеличена.
Для того чтобы повысить скорость протекания потока воды реки до требуемой величины скорости воды на лопатках колеса гидравлической турбины авторами [2,3] предложен гидромеханический преобразователь скорости. Он образован двумя соосными концентрическими оболочками, отделенными друг от друга продольно ориентированными ребрами жесткости, которые образуют осевые каналы. Средняя скорость в канале Vk определяется как
Vk = Q0/nFk, (1)
где Q0 – секундный расход воды в сечении на входе,
n – число каналов,
Fk – площадь поперечного сечения одного канала.
Все величины, входящие в вышеприведенную формулу, можно принимать исходя из конструктивных соображений.
Если значение скорости в канале Vk, установленная мощность станции N, радиус рабочего колеса турбины r известны, то угловая частота вращения щ рабочего колеса турбины находится из следующего приближенного уравнения [2]:
щ = 2N/Q0Vk с r sin2в, (2)
где с – массовая плотность жидкости,
в – угол наклона лопасти турбины к оси канала.
Окружная сила давления на одну лопасть рабочего колеса турбины:
Pt = 0,5с V2kFk sin2в. (3)
Вращающий момент на рабочем колесе турбины:
M = Pt r n. (4)
Развиваемая мощность:
N = M щ. (5)
На кафедре «Электрооборудование и энергосбережение» Орловского государственного университета им. на протяжении нескольких лет ведутся работы по созданию проточных погружных мкГЭС.
Целью настоящей работы была поверка вышеприведенной формулы для определения угловой частот вращения рабочего колеса турбины и работоспособности одной из возможных конструкций мкГЭС.
С этой целью была построена физическая модель, имитирующая работу станции. На рис.1 изображена ее принципиальная схема. Ее основными компонентами являются: электрический генератор 1, ротор которого связан с рабочим колесом гидротурбины 2 посредством мультипликатора 3, гидромеханический преобразователь скоростей 4, конфузор 5. Использование мультипликатора позволяет применить генератор на 500…600 мин-1.
Принцип работы модели основан на взаимодействии между потоком воды после гидромеханического преобразователя и лопастями рабочего колеса гидротурбины.
Данные модели: максимальная площадь сечения конфузора – 254,5 мм2, площадь сечения турбины – 33,43 мм2, скорость течения реки – 0,5 м/с,
диаметр рабочего колеса турбины – 73 мм, число лопастей осевого рабочего колеса турбины – 5, число каналов гидромеханического преобразователя – 5, диаметр наружной оболочки преобразователя – 75 мм, диаметр внутренний оболочки
преобразователя – 37 мм, аксиальная длина
модели – 100 мм, длина конфузора – 90 мм, число пазов мультипликатора Z1 = 57, Z2 = 14. На рис.2 приведен общий вид модели мкГЭС. В результате измерений было установлено, что при заданной геометрии гидромеханического преобразователя и скорости течения реки Ока 0,5 м/c, была
получена частота вращения колеса
турбины 100 мин-1,частота вращения генератора составила 410 мин-1.
Испытания физической модели позволили сделать следующие выводы:
Подтвержден принцип работы свободнопоточной погружной мкГЭС, предназначенной для работы на малых и сверхмалых реках с небольшой скоростью течения. Применение гидромеханического преобразователя скорости потока воды реки в повышенную скорость потока воды на рабочем колесе турбины совместно с мультипликатором позволяет применять быстроходный электрический генератор с оптимальным числом пар полюсов. Свободнопоточные мкГЭС рассмотренной конструкции мощностью до 100 кВт могут применяться на реках со скоростью течения 0,3 и более метров в секунду.Список литературы
//Энерго - и ресурсосбережение - ХХI век – Орел: Изд-во
Госуниверситета – УНПК, 2014. Проектирование гидромеханического преобразователя микрогидроэлектростанции для низкоскоростных водных источников [Текст] /
, , . – М.: Промышленная энергетика, 2015. №2. –
С. 55 – 58. Пат. 2603882 F038 13/10, F038 17/05 Направляющий аппарат микрогидроэлектростанции /
, . Опуб.10.12.2016.Бюл. №34.
– д-р техн. наук, профессор кафедры «Электрооборудование и энергосбережение» ФГБОУ ВО «ОГУ им. »;
– студент гр. 31-ЭО ОГУ им. .
– студент гр. 31-ЭО ОГУ им. .
– студент гр. 31-ЭО ОГУ им. .
__________________________________________________________________________
MODEL OF SUBMERSIBLE MICRO-HYDRO-ELECTRIC POWER STATION
Zagriadckiy V. I., Alekhin V. S., Mironov E. А., Shvedov S. А.
OSU name by Turgenev, Oryol, Russia
The article is devoted to autonomous model of free-threaded micro-hydro-electric power station, which can be used as an energy source for objects, located far from centralized power supply.
Keywords: electric energy, generator, multiplier, hydromechanical convertor.
Bibliography
1. Zagriadckiy V. I. Мicro-hydro-electro-station dlya malich rek [Tеkst] / V. I.Zagriadckiy E. T.Kobyakov //Energo - i resursosberezbnie –XXI vek - Oryol: izd-Gosuniversiteta – UNPK, 2014.
2. Zagriadckiy V. I. Projectirovanie hydromechanical convertor micro-hydro-electro-station dlya nizkoskorostnach vodnach istochikov [Tеkst] / V. I. Zagriadckiy, E. T.Kobyakov, L. G. Charitonova. – M.: Promashlennaya energetika, 2015. №2. – S.55-58.
3. Pat. 2603882 F038 13/10, F038 17/05 Napravliayshiy apparat micro-hydro-electro-station/
V. I. Zagriadckiy, E. T.Kobyakov/ Opub. 10.12.2016. Bul. №34.
Zagriadckiy Vladimir Ivanovich – doctor of sciences, professor department «Electrical and energy saving» FGBOU VO «OSU name by Turgenev», Tel.: 8-(4862)-41-98-30.
Аlekhin Vitaly Sergeevich – student gr. EO 31 FGBOU VO «OSU name by Turgenev».
Mironov Evgeniy Andreevich – student gr. EO 31 FGBOU VO «OSU name by Turgenev».
Shvedov Sergey Alexeevich – student gr. EO 31 FGBOU VO «OSU name by Turgenev».
