Роторные гидроэнергетические установки

В современной энергетике среди возобновляемых источников энергии (та­ких, как энергия ветра, солнца, геотермальных вод) гидроэнергетика относится к высокоэффективным, экологически чистым источникам энергии и играет весьма важную роль в повышении надежности энергоснабжения.

Гидроэлектростанции, помимо чисто энергетического назначения, вы­полняют и другие важные народнохозяйственные и социально-экономические функции (водоснабжение, развитие водного транспорта, орошение, рыбоводст­во и т.д.). К тому же, значительный интерес представляет использование гидро­энергетики для выравнивания графика нагрузок как для производства энергии в часы ее максимального потребления, так и для потребления последней в тече­ние ночного провала суточного графика нагрузок. Учитывая большой опыт ис­пользования энергии малых рек и строительство подземных ГАЭС за рубежом, в частности, в Китае, Франции, Японии, можно ожидать, что в перспективе роль гидроэнергетики в нашей стране существенно возрастет.

Вопросы электроснабжения сельского хозяйства в рыночных условиях следует решать комплексно, с учетом опыта экономически развитых стран. При использовании местных энергетических ресурсов в ряде случаев целесообразно сочетание централизованного электроснабжения от мощных энергосистем с развитием местной энергетики, например, гидроэнергетики, являющейся одним из традиционных и перспективных возобновляемых источников энергии в сельской местности. По расчетам ученых, большие перспективы в сфере ис­пользования гидроэнергетических ресурсов, наряду с малыми и мини-ГЭС с небольшими плотинами, имеют и автономные децентрализованные микро-ГЭС, в том числе гидроэнергетические установки, работающие на изолированную нагрузку мощностью 5-50 кВт.

В Беларуси потенциал малой гидроэнергетики, пригодной к использова­нию, оценивается в 989 тыс. кВт, что соответствует энергетическим мощно­стям, установленным в сельском хозяйстве. Таким образом, потребности сель­ского хозяйства могут быть в большой степени обеспечены за счет использова­ния местных гидроэнергетических ресурсов. Однако положение, в котором на­ходится гидроэнергетика республики, нельзя признать удовлетворительным, поскольку оно не соответствует ни потребностям народного хозяйства, ни имеющимся потенциальным возможностям.

Практически не может быть альтернативы малым и микро-ГЭС, пристраиваемым к существующим водохранилищам, перепадам каналов и освоение других створов с готовым напорным фронтом неэнергетического назначения.

При строительстве малых ГЭС в некоторых случаях в качестве турбин используются стандартные осевые и центробежные насосы. Накопленный к  нашему времени опыт применения насосов в качестве турбин показывает, что экономически нецелесообразно использование подобных гидроагрегатов на ма­лых ГЭС из-за их низкого КПД при работе в турбинных режимах.

Нами предлагается использовать для преобразования потенциальной энер­гии воды объемные гидромашины с высоким, близким к 90% КПД. При этом объемная гидромашина является обратимой и при необходимости может быть использована как насос для пополнения запаса воды в водохранилище в ночное время провала графика нагрузки, обеспечивая тем самым надежную работу те­пловых и атомных станций.

Основой такой разработки может стать роторная лопастная гидромашина, позволяющая в широком диапазоне изменения напора и расхода воды обеспе­чить высокий КПД гидроагрегата в турбинных и насосных режимах. Высокий КПД обеспечивает бесшумную работу и экологическую безопасность любой гидроэлектростанции. Вода проходит гидромашину в ламинарном режиме с минимальной скоростью и отдает всю свою потенциальную энергию, преобра­зуя ее в крутящий момент на валу агрегата. На живые организмы, находящиеся в потоке воды, оказывается минимальное воздействие, гидромашина не трав­мирует их. Конструктивно роторная лопастная гидромашина может работать как на низких, так и на высоких и сверхвысоких напорах с расходом воды од­ним гидроагрегатом до 20 м³/с. Для этих целей конструктивно разработаны различные варианты исполнения гидромашины, которые защищены патентами Республики Беларусь (№3161, №5228). Предлагаемая лопаст­ная гидромашина является новым видом объемных роторных машин и не имеет аналогов в мире.

Принцип ее действия основан на использовании напора или разности давления в верхнем и нижнем бассейнах. Вместе с тем, гидромашина при постоянном напоре на различных частотах вращения роторов имеет прак­тически постоянный крутящий момент и КПД, что позволяет посредством ме­ханической передачи изменять частоту вращения роторов, в зависимости от нагрузки генератора, и рационально использовать энергопотенциал водохрани­лища. Эта характеристика гидромашины расширяет ее функциональные воз­можности при использовании гидроагрегата для прямого привода различных устройств, например, насосов, дробилок, мельниц, пилорам и т.д.

Как уже от­мечалось, поток воды при вращении роторов имеет минимальную скорость и не оказывает вредного воздействия на экологию в районе ГЭС. Динамические же турбины, особенно ковшевые активные гидротурбины, где скорость реактивной струи воды, истекающей из сопла, достигает 180 м\с ( 650 км\ч ) и затем с этой же скоростью и соответствующим грохотом обрушивается на рабочие органы турбины, не оставляют никаких шансов для выживания живых обитателей йодной среды. Эти гидромашины необходимо заменить более совершенными, бесшумными, объемными гидроагрегатами, оказывающими минимальное воздействие на экологическую обстановку в районе ГЭС - ГАЭС. Такие высоко­эффективные гидроэнергетические комплексы в будущем станут социальными объектами, местами отдыха людей, центрами развития сельского и рыбного хозяйства, обеспечивая флору и фауну водой и вырабатывая при этом дешевую эклогически чистую электроэнергию.

А.Н. Антоненко, Институт механизации сельского хозяйства НАН Беларуси.