PL225177B1 - Wielosekcyjny jaz zbiornikowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wielosekcyjny jaz zbiornikowy do wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem energii wodnej, uzyskiwanej poprzez ponowne spiętrzanie wody spadowej z turbin przy zaporach wodnych lub na stokach górskich.

Znane są w stanie techniki kaskadowe ciągi energetyczne budowane na stokach górskich o małej mocy, głównie od 0,2 do 50 kW. Stosowane często na stokach i zboczach, służą do wytwarzania energii elektrycznej z dowolnych zasobów wodnych, w tym z opadów atmosferycznych i rozt opów pośniegowych. Znane w stanie techniki układy kaskadowe wymagają często sterowania silnym strumieniem wodnym.

Znane są w stanie techniki również jazy hydrotechniczne budowane najczęściej w poprzek rzeki w celu spiętrzania wody w różnych celach, w tym również dla celów energetycznych.

Z opisu europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP 2119907 znany jest układ kaskadowo połączonych ze sobą bloków energetycznych, wykorzystujących energię cieków wodnych na terenach górskich, usytuowanych w niewielkiej odległości od siebie. Układ charakteryzuje się tym, że jest utworzony z rurociągów zawierających cylindryczne sekcje w kształcie ściętego stożka, łączące turbiny i wykonane z blachy ze stali nierdzewnej wzmocnionego włóknem szklanym. Sieć kaskady elektrowni wodnych do produkcji energii elektrycznej przez turbiny-generatory charakteryzuje się również tym, że cała linia rurociągu jest utworzona na brzegach górskich strumieni w jednym łańcuchu lub łańcuchach równolegle usytuowanych.

Znany jest również z opisu międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO 9721922 sposób oraz urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej poprzez wykorzystanie energii potencjalnej grawitacyjnej wody z wyższej wysokości, przekształcając ją w energię kinetyczną, a następnie na energię elektryczną. Woda z wyższej wysokości jest dostarczana do systemu rurociągów i prowadzonych przez niego w dół do niższej wysokości poprzez turbiny elektrowni, a następnie na drugie segmenty rurociągu, gdzie energia potencjalna przekształca się w energię kinetyczną. W wyniku obrotu kolejnych turbin produkowana jest energia elektryczna.

Z innego międzynarodowego zgłoszenia WO 2008004880 znane jest urządzenie dla regulacji potencjału energetycznego w słupie płynu, zawierające co najmniej dwa wirniki wyposażone w wał obrotowy ze skrzydełkami albo łopatkami w postaci płytek. Urządzenie jest przystosowane do przyjmowania słupa płynu pomiędzy wałami wirników, a oś środkowa wspomnianych wałów jest w zasadniczo tej samej płaszczyźnie co części ścianowe obudowy przed i za wirnikami. Wirniki urządzenia są przystosowane do utworzenia obrotowej bariery dla słupa płynu ze względu na to, że co najmniej jedna z łopatek każdego z wirników jest w zasadniczo szczelnym styku z pierwszą częścią wewnętrznej powierzchni osłony obudowy. Ponadto, co najmniej jedna spośród łopatek każdego z wirników w sposób szczelny zachodzi na i przylega do części co najmniej jednej korespondującej łopatki sąsiedniego wirnika.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P.391508 znany jest układ do wytwarzania energii elektrycznej zawierający kaskadowo połączone ze sobą bloki energetyczne, usytuowane na stoku górskim. Blok energetyczny układu składa się z co najmniej jednego zbiornika zawierającego profilowane dno, połączone od dołu z zespołem prądotwórczym w postaci z turbiny zespolonej z generatorem prądotwórczym. Turbina składa się z połączonej rozpórkami obudowy, wewnątrz której usytuowany jest ułożyskowany wirnik, wyposażony w rozłożone promieniowo zespoły ruchomych łopatek. Łopatki współpracują z górną osłoną ograniczającą oraz z dolną kierownicą, połączoną z kanałem wlotowym, zakończonym od góry łącznikiem kielichowym, a od dołu kanałem wylotowym. Na zewnętrznej ściance bloku energetycznego jest usytuowana rura przelewowa, połączona z rurowym przewodem zasilającym, doprowadzającym wodę do kolejnego bloku energetycznego.

Dotychczasowe ciągi kaskadowe budowane na stokach górskich lub zboczach oraz elektrownie przy zaporach wodnych nie zapewniają odpowiedniego zagospodarowania wody w przypadku dużego jałowego zrzutu wody, np. w czasie zagrożeń powodziowych. Ponadto, woda spadowa z turbin przy zaporach wodnych posiada ogromny potencjał energetyczny i może zostać ponownie wykorzystana w elektrowniach dużych mocy do wytwarzania energii elektrycznej.

Wielosekcyjny jaz zbiornikowy, według wynalazku, przeznaczony jest do wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem energii wodnej przy zaporach wodnych lub na stokach górskich lub zboczach, przystosowany kaskadowo do współdziałania z elektrowniami wodnymi przy zaporach wodnych. Wielosekcyjny jaz posiada zbiornik z górno-bocznym przepływem strumienia wody napęPL 225 177 B1 dzającego turbinę, środki doprowadzające i odprowadzające wodę, co najmniej jeden zespół prądotwórczy składający się z turbiny zespolonej z generatorem oraz połączony za pomocą kanału wlotowego ze zbiornikiem i przymocowany do jego dna, przy czym w obudowie turbiny połączonej rozpórkami usytuowany jest ułożyskowany wirnik na kształt koła młyńskiego. Wirnik wyposażony jest w zespół łopatek współpracujących z górną osłoną ograniczającą oraz z dolną kierownicą. Wielosekcyjny jaz zbiornikowy charakteryzuje się tym, że nad zbiornikiem głównym wielosekcyjnego jazu znajduje się kanał rozprowadzający wodę na dalsze odległości zbiornika, nad którym to kanałem usytuowany jest kanał ściekowy, a pod zbiornikiem znajduje się kilka lub kilkanaście oddzielnych sekcji z turbinami akcyjnymi. Kanał wlotowy turbiny akcyjnej z łącznikiem kielichowym wraz z górną osłoną ograniczającą oraz z dolną kierownicą posiada zwężający się przekrój do szerokości łopatki w miejscu wylotu wody u dołu turbiny akcyjnej, powodując jednoczesny nacisk słupa wody na co najmniej cztery stałe łopatki, zamykając tym samym do zera słup wody.

Korzystnie, promień obrysu dolnej kierownicy mieści się w granicach 1,1 do 1,4 promienia R wirnika, a jego środek A jest przesunięty w stosunku do osi wirnika o 0,1 długości promienia R wirnika w pionie i o 0,15 długości promienia R wirnika w poziomie w kierunku kierownicy.

Korzystnie, na dnie zbiornika wielosekcyjnego jazu powyżej turbiny, dla każdej sekcji, zamontowane są kanałowo dwuwarstwowe zasuwy sterowane zdalnie za pomocą silników elektrycznych lub napędu hydraulicznego, przesuwając naprzemienne zespoły zasuw wszystkich sekcji. Ponadto, każda z sekcji posiada dodatkowy niezależny napęd tylko jednego, swojego zespołu zasuwy.

Korzystnie, kierownica turbiny jest tak wyprofilowana przy pomocy promienia „r” z punktu A, że woda naciska jednocześnie na cztery łopatki na długości % obwodu wirnika do punktu wylotu wody u dołu wirnika, na jego środku.

Korzystnie, z boku dolnej części wielosekcyjnego jazu usytuowana jest śluza uszczelniająca cały jaz.

Konstrukcja wielosekcyjnego jazu zbiornikowego, według wynalazku, pozwala na wyprzedzające spiętrzanie wody spadowej z turbin przy zaporach wodnych oraz jej ponowne wykorzystanie do wytwarzania energii elektrycznej.

Korzystnie, łopatki przymocowane są do bębna wirnika z obwodowo rozmieszczonymi rozpórkami, przyspawanymi do bębna.

Dzięki zastosowaniu wielosekcyjnego jazu z kanałem rozprowadzającym wodę na dalsze odległości jazu oraz turbiny akcyjnej, opartej na modyfikacji koła młyńskiego, z górno-bocznym napędem wodnym, poprzez odpowiednie wyprofilowanie słupa wody, przy pomocy połączonych rozpórek z łopatkami i charakterystycznym wyprofilowaniem kanału wlotowego z kierownicą, uzyskano jednoczesny nacisk na co najmniej cztery łopatki jednocześnie, zwiększając tym samym efektywność działania turbiny. Takie rozwiązanie w połączeniu z możliwością wykorzystania kilku lub kilkunastu sekcji z turbinami umożliwia budowanie kaskadowych połączeń wielosekcyjnych jazów z elektrowniami przy zaporach wodnych, zapewnia dużą efektywność oraz sprawność elektrowni wodnej dużej mocy do kilku tysięcy kW w zależności od zasobów wodnych.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny przekrój podłużny wielosekcyjnego jazu zbiornikowego w widoku z boku, fig. 2 - przekrój B-B z fig. 1, fig. 3 - przekrój turbiny, fig. 4 - przekrój wirnika turbiny z łopatkami stałymi, fig. 5 - wirnik w przekroju D-D z fig. 4.

Wielosekcyjny jaz zbiornikowy budowany jest po obu stronach dolnego zbiornika wody przy zaporze wodnej z uwagi na jałowe denne zrzuty wody. Jaz składa się z dużego zbiornika 1 wykonanego z betonu, pełniącego funkcję magazynu wodnego na wzór zbiornika retencyjnego. Zbiornik główny 1 połączony ze źródłem zasilania wodnego 11, np. wody spadowej z turbin elektrowni przy zaporach wodnych. Zbiornik główny 1 wielosekcyjnego jazu wyposażony jest w kanał rozprowadzający 2 z otworami, do rozprowadzania wody na dalsze odległości zbiornika 1. Ponad nim znajduje się kanał ściekowy 3 do oprowadzania nadwyżek wody lub jałowego zrzutu wody do rzeki.

Poniżej zbiornika głównego 1 umieszczono od dołu cztery sekcje 5 z zespołem prądotwórczym. Każda sekcja 5 zawiera jeden zespół prądotwórczy oraz wyposażona jest w drzwi 13 służące do wejścia do sekcji 5 np. na czas remontu. Na dnie zbiornika 1 głównego umieszczono kanałowo dwuwarstwowe zasuwy 9 działające naprzemiennie i sterowane zdalnie za pomocą silników elektrycznych lub hydraulicznych 6, 7 do centralnego zamykania i otwierania dopływu wody do turbin akcyjnych 4 wszystkich sekcji. Ponadto, każda sekcja 5 zawiera dodatkowy napęd w postaci niezależnego silnika 8 dla drugiej zasuwy 9 tylko jednej sekcji 5, co pozwala na odłączenie dowolnej sekcji 5 bez konieczno4

PL 225 177 B1 ści zamykania wszystkich. Z boku zbiornika 1 poniżej turbin 4 znajduje się śluza uszczelniająca 12 cały jaz, napędzana zdalnie sterowanym silnikiem 10 elektrycznym lub hydraulicznym.

Zespół prądotwórczy składa się z umieszczonej w obudowie 42 połączonej rozporkami 43 i zespolonej z generatorem turbiny akcyjnej 4. Turbina 4 składa się z połączonej rozpórkami 49 obudowy wewnątrz, której usytuowany jest ułożyskowany wirnik 41 wyposażony w rozłożone obwodowo stałe łopatki 44 w kształcie litery L, przymocowane do bębna 411 wirnika 41 z blachy i połączone z przyspawanymi do niego obwodowo rozpórkami 49. Łopatki 44 napędzane spadającą wodą współpracują z górną osłoną ograniczającą 45 oraz z dolną kierownicą 46, połączoną z kanałem wlotowym 47, zakończonym od góry łącznikiem kielichowym 48, a od dołu kanałem wylotowym. Kanał wlotowy 47 tu rbiny 4 ma zwężający się do szerokości łopatki 4 przekrój w miejscu wylotu wody u dołu turbiny 4, powodując jednoczesny nacisk słupa wody na cztery stałe łopatki 44, na długości % obwodu wirnika 41 do punktu wylotu wody u dołu wirnika 41, na jego środku. Natomiast promień r obrysu dolnej ki erownicy 46 mieści się w granicach 1,1 promienia R wirnika 41, a jego środek A jest przesunięty w stosunku do osi wirnika 41 o 0,1 długości promienia R wirnika 41 w pionie i o 0,15 długości pr omienia R wirnika 41 w poziomie w kierunku kierownicy 46.

Claims (8)

1. Wielosekcyjny jaz zbiornikowy, posiadający zbiornik z górno-bocznym przepływem strumienia wody napędzającego turbinę akcyjną, środki doprowadzające i odprowadzające wodę, co najmniej jeden zespół prądotwórczy składający się z turbiny zespolonej z generatorem oraz połączony za pomocą kanału wlotowego ze zbiornikiem i przymocowany od dołu do jego dna, przy czym w obudowie turbiny połączonej rozpórkami usytuowany jest ułożyskowany wirnik na kształt koła młyńskiego, wyposażony w zespół łopatek współpracujących z górną osłoną ograniczającą oraz z dolną kierownicą kanału wlotowego, znamienny tym, że nad zbiornikiem głównym (1) wielosekcyjnego jazu znajduje się kanał rozprowadzający (2) wodę na dalsze odległości zbiornika (1), nad którym to kanałem (2) usytuowany jest kanał ściekowy (3), a pod zbiornikiem (1) znajduje się kilka lub kilkanaście oddzielnych sekcji (5) z turbinami akcyjnymi (4), przy czym kanał wlotowy (47) turbiny (4) z łącznikiem kielichowym (48) wraz z górną osłoną ograniczającą (45) oraz z dolną kierownicą (46) posiada zwężający się przekrój do szerokości łopatki (44) w miejscu wylotu wody u dołu wirnika (41) turbiny akcyjnej (4), powodując jednoczesny nacisk słupa wody na co najmniej cztery stałe łopatki (4).

2. Wielosekcyjny jaz zbiornikowy, według zastrz. 1, znamienny tym, że promień r obrysu dolnej kierownicy (46) mieści się w granicach 1,1 do 1,4 promienia R wirnika (41), a jego środek w punkcie A jest przesunięty w stosunku do osi wirnika (41) o 0,1 długości promienia R wirnika (41) w pionie i o 0,15 długości promienia R wirnika (41) w poziomie w kierunku kierownicy (46).

3. Wielosekcyjny jaz zbiornikowy, według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że na dnie zbiornika (1) wielosekcyjnego jazu powyżej turbiny akcyjnej (4), dla każdej sekcji (5), zamontowane są kanałowo dwuwarstwowe zasuwy (9) sterowane zdalnie za pomocą silników elektrycznych lub napędu hydraulicznego (6, 7), przesuwając naprzemienne zespoły zasuw (9) wszystkich sekcji (5).

4. Wielosekcyjny jaz zbiornikowy, według zastrz. 3, znamienny tym, że każda z sekcji (5) posiada dodatkowy niezależny napęd (8) tylko jednego, swojego zespołu zasuwy (9).

5. Wielosekcyjny jaz zbiornikowy, według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że kierownica (46) turbiny akcyjnej (4) jest tak wyprofilowana, że woda naciska jednocześnie na cztery łopatki (44) na długości % obwodu wirnika (41) do punktu wylotu wody u dołu wirnika (41), na jego środku.

6. Wielosekcyjny jaz zbiornikowy, według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 5, znamienny tym, że z boku dolnej części wielosekcyjnego jazu usytuowana jest śluza (12) uszczelniająca cały jaz, napędzana zdalnie sterowanym silnikiem elektrycznym lub hydraulicznym (10).

7. Wielosekcyjny jaz zbiornikowy, według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 6, znamienny tym, że każda sekcja (5) wyposażona jest w drzwi wejściowe (13).

8. Wielosekcyjny jaz zbiornikowy, według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 7, znamienny tym, że stałe łopatki (4) przymocowane są do bębna (411) wirnika (41) z obwodowo rozmieszczonymi rozpórkami (49).