Гидрогенератор – строение, особенности и самостоятельная сборка

Все мы приблизительно представляем, что для промышленной выработки электрической энергии люди используют атомные, ветровые и гидроэлектростанции. За исключением первого варианта, практически каждый может установить такие генераторы у себя дома, и пользоваться практически бесплатной энергией, естественно, при соблюдении определенных условий. Например, чтобы поставить у себя ветряк, необходимо проживать в достаточно ветреном районе, где средняя скорость ветра будет составлять 5-6 м/с, соответственно, для водяной установки требуется наличие реки.

Гидрогенераторы имеют неоспоримое преимущество перед ветряными аналогами – их работа не зависит от условий погоды, речной поток практически не меняет скорости, что в значительной мере упрощает конструкцию агрегата. Сегодня мы поговорим с вами про устройство гидрогенератора, расскажем много интересного про их параметры и характеристики, а также попробуем собрать такое устройство своими руками.

Строение гидрогенераторов и их типы

Состоит гидрогенератор их двух частей: гидравлической машины (турбины, обратимой гидромашины или насоса) и электрической машины (генератор, двигатель, двигатель-генератор) – результате гидроагрегаты можно подразделять на турбинные, обратимые или насосные.

• Две указанные части машины обычно имеют жесткое механическое соединение деталей, отчего скорость вращения двух элементов является одинаковой.
• В некоторых случаях, например, для уменьшения размеров гидромашины, соединение валов турбины и гидрогенератора (при небольшой мощности всей системы) выполняется через специальные устройства, которые могут повысить либо, наоборот, понизить частоту вращения ведомого устройства, то есть генератора. В первом случае применяется мультипликатор, а во втором – редуктор.

Интересно знать!  Эффективно применяется мультипликатор в капсульных гидрогенераторах на ГЭС, позволяя снизить диаметры статора и капсулы. Для аналогичных целей применяются редукторы, но уже в капсульных наносных станциях.

• Если агрегат является обратимым, то применяемое в нем передаточное устройство называется мультипликатором-редуктором.

Конструкции гидрогенераторов

Итак, на гидроэлектростанциях в основном устанавливают трехфазные генераторы синхронного типа. Иногда ставят и гидрогенераторы асинхронные, но они, несмотря на большую надежность не столь эффективны

• Все гидрогенераторы можно разделить на три типа по расположению оси вращения – бывают вертикальные агрегаты, горизонтальные и наклонные.
• Вертикальные гидрогенераторы малой мощности обычно устанавливаются на низконапорных (до 100 об/мин) и средненапорных (от 100 до 200 об/мин) ГЭС. Также эта конструкция может применяться и в качестве быстроходной (свыше 200 об/мин).

• В вертикальных агрегатах может быть установлен подвесной или зонтичный тип генератора. Первый тип применяется при изготовлении устройств с вращением свыше 150 оборотов в минуту, а второй – ниже.
• Горизонтальные гидрогенераторы, которые размещаются в капсуле, омываются водой от прямоосного проточного тракта турбины. Поэтому они и называются капсульными.

Генератор подвесного типа

Давайте разберем строение вертикального гидрогенератора на примере подвесного типа. Для наглядности прилагаем следующую схему.

• Итак, как мы знаем, основной вращающейся частью любого генератора является ротор, который и представлен на схеме выше.
• На роторе закрепляются полюса с обмоткой постоянного тока. Ротор состоит из вала (19), на который насажена ступица (18), а также остова (16), и обода (13) с полюсами (12).
• Полюса ротора являются электромагнитами, которые, как и положено, состоят из металлического сердечника и токопроводящей обмотки.
• Полюса крепятся к ободу при помощи специальных хвостовиков, которые задвигаются в пазы на ободе и фиксируются при помощи клиньев.
• Сам обод состоит из штампованных элементов, сделанных из листовой стали, толщиной 4-5 миллиметров. Такая конструкция называется шихтованным ротором.
• Сердечники полюсов делаются похожим образом, только толщина стали составляет 1,5-2 миллиметра.

• Концы обмоток подводятся к контактным кольцам, через которые подключается питание для ротора, или другими словами – возбуждение. Иногда используется щеточный аппарат гидрогенератора, который, однако, менее надежен.
• Нижняя часть обода, с торца, оснащается тормозным кольцом (15), к которому при необходимости прижимаются тормозные колодки (14).
• Вал агрегата, при небольшом диаметре, изготавливается обычно цельнокованым, включая фланец (17). Если речь идет о более массивных конструкциях, то вал вместе с фланцем вытачиваются из отдельных поковок на заводе, после чего заготовки свариваются в одно целое.
• Вал обычно изготавливается полым. Данная особенность помогает осуществлять контроль за качеством сварки на этапе производства, а при введении в строй в отверстии располагают маслопроводы от системы, предназначенной для разворота лопастей (поворотно-лопастные гидротурбины).
• Через отверстие в валу также подается воздух под колесо жестколопастной гидротурбины, что позволяет уменьшить пульсации от давления в потоке.

• Вторая часть гидрогенератора, принимающая участие в непосредственной выработке тока – это статор. Данный элемент является пассивным, то есть не вращается, в отличие от того же ротора.
• Для гидрогенераторов ГЭС, из-за условий транспортировки, изготавливается разборным – из 2-6 частей, которые соединяются фланцами и болтами.
• Статор располагается внутри кожуха (7). Состоит он также из сердечника (10) и обмотки переменного тока (11) – в принципе обмотки переменного и постоянного токов только и отличаются тем, какой ток по ним протекает, то есть строение у них одинаковое.
• Статор помещается в прочный металлический корпус (9), дающий агрегату устойчивость и защищающий от внешних механических повреждений.
• Обмотка у статора бывает катушечной или стержневой. Все катушки соединяются в определенной последовательности, создавая фазы обмотки статора, коих, как помним, три штуки.
• Сердечник, с целью снижения индукционных потерь изготавливается из специальной электротехнической стали, высоколегированной, холоднокатаной. Он также является шихтованным и изготавливается из элементов толщиной 0,5 миллиметров. Данный элемент имеет определенный профиль, позволяющий удобно укладывать провода обмотки – конструкция также предусматривает наличие вентиляционных каналов, используемых для охлаждения установки.

• Корпус, в котором закреплен статор, монтируется на массивное бетонное основание через болтовые соединения.
• Ротор стоит на опорных конструкциях, которые состоят из подшипников, распорных домкратов и крестовин.

Интересно знать! Упорный подшипник называется подпятником.

Как видите, строение этой огромной машины ничем не отличается от любого другого компактного генератора, например, автомобильного. При вращении ротора, запитанный электромагнит, который, как вы понимаете, тоже вращается, заставит двигаться вслед за собой магнитное поле.

Далее в действие вступает закон электромагнитной индукции – в проводнике, перемещающемся перпендикулярно направлению электромагнитного поля, будет образовываться электродвижущая сила (ЭДС), которая при подключении внешней цепи с нагрузкой станет электрическим током.

Напомним, что нет никакой разницы, двигается ли проводник относительно магнитного поля, или все происходит наоборот – ЭДС всегда вырабатывается. Проводником в случае любого генератора является обмотка статора, которая соединяется с трансформатором, задающим получаемому току нужные параметры.

Все это значит, что применить гидрогенератор в домашних условиях будет довольно просто, если суметь правильно изготовить гидротурбину, о чем мы поговорим в нашей статье дальше.

Типы гидрогенераторов непромышленного назначения

Итак, мы поняли, что гидрогенератор – это устройство способное преобразовывать энергию движения воды в электрическую. Применяются такие устройства в основном на ГЭС, однако и небольшие модели, вырабатывающие сотни киловатт не стали редкостью, особенно в регионах, не обедненных водными ресурсами.

Давайте посмотрим, какие типы таких устройств можно сегодня приобрести в магазине, или сделать самому.

Станция гирляндного типа

Поперек реки натягивается гибкий стальной трос, на который на манер гирлянды, вешается цепь из роторов (не путать с ротором генератора). Трос при этом играет роль вала вращения, один конец которого присоединен к валу генератора, а второй к свободно вращающемуся подшипнику качения.

• Такая конструкция очень эффективна и при условии, что скорость потока воды составляет 2,5 м/с, каждый гидроротор, способен передать до 2 кВт энергии.
• Данные агрегаты с успехом применялись еще в середине 20-го века, и часто изготавливались кустарными методами. Роль винтов могли выполнять обыкновенные консервные банки или пропеллеры.
• Сегодня можно приобрести готовые решения от заводов изготовителей, которые будут отличаться по условиям эксплуатации, эффективности, габаритам и прочему.
• Конструкция весьма проста, но применение ее на практике весьма затруднительно, в виду некоторых особенностей. Во-первых, «гирлянда» перегораживает речной поток, что может не понравиться вашим соседям или представителям органов по охране экологии и водных ресурсов. Во-вторых, если зимой река замерзает, агрегат становится бесполезным и его приходится демонтировать.

Совет! Гирляндные гидростанции возводятся преимущественно в безлюдных местах и на время, например, на летних пастбищах для скота, где энергию взять больше не откуда.

Сегодня конструкция гирляндного гидрогенератора получила свое продолжение в виде погружных рамных устройств. Их преимущество в том, что они не преграждают все русло, плюс устройство можно расположить на дне водоема, где оно никому не будет мешать.

Такая станция способна вырабатывать до 9,3 МВт в месяц, что позволяет решать проблемы электрификации в населенных пунктах, удаленных от центральных магистралей.

Ротор Дарье

Если вы читали нашу предыдущую статью про вертикальные ветрогенераторы, то наверняка помните про конструкции роторов Дарье.

Данные устройства могут успешно применяться и в воде, правда, используют их в силу сложности эксплуатации в основном промышленные предприятия.

Такие роторы очень сложно раскрутить, ровно, как и остановить (происходит это только при замерзании реки). Сама конструкция обладает приличными показателями КПД.

Подводные пропеллеры

Еще одна конструкция, сделанная по образу и подобию ветряного генератора, но теперь с вертикально расположенной осью – пропеллерный генератор. Ставятся они напротив потока, однако вращаются не за счет давящего напора воды, а по принципу возникновения подъемной силы, так же как это делает винт корабля или крыло самолета.

Водяное колесо, оснащенное лопастями

Конструкция водяного колеса известна человечеству еще со временен далекой античности, однако данный гидродвигатель применяется и сегодня, не потеряв ни капли актуальности. Эффективность данного двигателя целиком зависит от типа источника, на котором он установлен.

По этому критерию различают три типа:

• Нижнебойные или подливные – располагаются на мелководных реках так, что водяной поток толкает нижние лопасти.
• Среднебойные – конструкции, располагающиеся на реках с природными каскадами так, чтобы поток попадал приблизительно в центр вращающегося колеса.
• Верхнебойные или наливные – установить такую конструкцию можно под плотиной, высоким естественным порогом или трубой, чтобы поток воды падал на вершину колеса, заставляя его раскручиваться.

Несмотря на некоторые отличия, принцип работы всех вариантов одинаков – напор воды толкает лопасти, которые приводят в движение колесо, центральная ось которого соединена с валом. Далее подключается генератор – напрямую или через цепь передаточных устройств.

Именно эта конструкция используется чаще всего народными умельцами при изготовлении самодельных гидрогенераторов. Строение ее очень простое, что позволяет применять различные подручные материалы.

Промышленное производство водяные колеса тоже не забывает, и сегодня на рынке предлагаются очень эффективные модели, лопасти которых рассчитаны на работу при определенной скорости потока воды. Из чего можно сделать такое колесо, и как собирается сам генератор, мы разберем чуть позже.

Водный генератор в водопроводной трубе

А теперь несколько слов о последних достижениях мировой инженерной мысли.

Буквально каких-то 10 лет назад, американская компания Lucid Energy представила миру первые гидрогенераторы в водопроводе. Представители фирмы утверждают, что проблема энергоснабжения населения может быть частично решена за счет совершенно новой технологии, при которой гидрогенераторы приводятся в движение от водопровода. На фото выше показано строение подобного устройства.

• За основу был взят принцип деривационной гидроэлектростанции безнапорного типа. Вода приводит в движение лопасти ротора, который продолжает вращаться, оказывая потоку лишь небольшое сопротивление.
• Опробовать новинку было решено в американском городе Портленд штата Орегон. Компания принялась за установку в действующий водопровод с чистой питьевой водой мини турбин, располагающихся в специальных трубах.

• Самым главным преимуществом такой системы является ее абсолютная безопасность для окружающей среды. Получаемая электрическая энергия очень дешева, и включает в себя только стоимость установки оборудования и его дальнейшее периодическое обслуживание.
• При этом генераторы весьма эффективны, из-за того, что вода в трубах практически никогда не останавливается. Не повлияют на работу и такие внешние факторы, как капризы непогоды.

• Несколько таких устройств хватает, чтобы полноценно обеспечить электроэнергией муниципальное учреждение, например, школу.
• В частности, в названном городе, за счет водопроводных гидрогенераторов на испытуемом участке было реализовано бесперебойное освещение улиц города. Согласитесь, весомое достижение.
• Недостатки у системы все-таки есть, и заключаются они в ограниченности мест для установки. Имеется в виду, что подходят только те участки водопровода (с достаточным уклоном), где вода движется не за счет электронасосов, а самотеком, иначе эффективность установки будет небольшой.

Проблемы с гидрогенераторами

Как и любое другое устройство механического типа, гидрогенераторы имеют привычку ломаться и выходить из строя. Некоторые поломки конструкции можно счесть несущественными, но все-таки важными, а некоторые могут привести к разрушительным последствиям – вспомним знаменитую аварию на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году, когда погибло 75 человек, был нанесен серьезный удар по экологии и помещение электростанции сильно пострадало.

• Частой причиной поломок становится вибрация гидрогенератора. Данный эффект возникает из-за неуравновешенности роторов, несимметричного воздействия электромагнитных сил, нарушения шабровки или центровки подшипников, появления трещин в фундаментной плите, удерживающей корпус агрегата.

• Вибрация на гидрогенераторах может наблюдаться в результате температурной нестабильности, когда при нагреве обмоток, неравномерных потоках охлаждающих газов (воздуха), и межвиткового замыкания, бочка ротора начинает неравномерно греться. Далее наблюдается изменение упругой линии прогиба ротора, то есть он теряет баланс вращения.
• Вибрация гидрогенераторов может быть также вызвана недостаточной жесткостью корпуса и изменением линии прогиба консольных концов ротора в местах расположения контактных колец.
• Даже незначительные вибрации на высоких оборотах ротора создают вредные нагрузки на подшипники и на сам ротор. Если генератор продолжит работать в таком режиме, то со временем могут перетереться провода обмотки, из-за чего последует межвитковое замыкание на роторе или статоре, способное вызвать полный выход агрегата из строя.
• Как видите, даже небольшая нестабильность в работе, не устраненная вовремя, способна привести к серьезным проблемам. Все это одинаково справедливо и для компактных устройств — повреждения гидрогенераторов идентичны, хотя последствия куда менее разрушительны.
• Устранение всех неисправностей гидрогенераторов промышленного образца описывается стандартами организации его собравшей.
• Ремонт обмоток гидрогенераторов, а также его механических частей выполняется только обученным, высококвалифицированным персоналом.

Создание собственного гидрогенератора

Итак, добрались до самого интересного. Далее будет дана инструкция, как своими руками смастерить устройство, которое поможет существенно сэкономить на электроэнергии.

Наша основная задача – смастерить водяное колесо, которое нужно через привод соединить с валом генератора. Сам генератор можно также изготовить самостоятельно, либо задействовать готовое устройство, которое при имеющихся оборотах будет выдавать необходимую мощность.

Строение электрической части гидрогенератора ничем не отличается от вертикального ветряка, что мы рассматривали в прошлой статье. Поэтому, если вам интересно, как самому сделать генератор (и ротор, и статор) обязательно ее прочитайте. Нас же сейчас больше интересует механическая часть, которая сильно зависит от мощности водяного потока.

• Чтобы собрать водяное колесо, вам понадобятся два одинаковых диска, лопасти и ступицы, за счет которых и будет происходить вращение. В крайнем случае, возможна установка центральной оси в виде круглой трубы.
• Боковые диски и лопасти можно изготовить из влагостойкой фанеры, но лучше всего сразу собирать конструкцию из металла, так как прослужит она не в пример дольше, однако цена решения будет не на много выше.

• Удерживаться колесо будет за счет рамы, надежности которой должно хватить на то, чтобы выдержать вес колеса и напор водяного потока.
• Материал тут тоже можно взять любой – в приоритете металл, но и дерево будет хорошим решением, если оно достаточно плотное, например, вы возьмете дуб или лиственницу.

• Если поток воды в речушке слабоват, то для обеспечения нужных оборотов генератора не обойтись без сопла. В данном случае в качестве этого элемента приспособлен поддон, который аккумулирует водный поток и тем самым его усиливает.

• Конструкция устанавливается в воду, и располагается в зависимости от того, как течет вода. Лучше всего будет турбина наливного типа, но неплохо покажет себя и среднебойный вариант.
• Рама хорошо укрепляется за счет всевозможных укосов и растяжек. Пока происходит установка, придется изрядно подмочиться.
• Центральная ось вращения дополняется приводом. Он может быть прямым (ротор расположен на той же оси), ременным (самый простой и недорогой в реализации), цепным, шестереночным.
• К приводу подключается электрическая установка, от которой провода идут к аккумуляторам.

• От аккумулятора уже могут запитываться различные электрические устройства. Например, можно напрямую подключить систему освещения, рассчитанную на работу при низких напряжениях. Также можно установить инвертор, который позволит преобразовывать постоянный ток в переменный, для использования домашней техники.

Совет! Если вы используете в агрегате генератор переменного тока, то вам потребуется дополнить цепь выпрямителем в виде диодного моста, который к аккумулятору уже будет подавать постоянный ток.

На этом закончим наш обзор. Мы разобрали характеристики гидрогенераторов нескольких типов, посмотрели, как эти устройства могут быть собраны самостоятельно и узнали много чего интересного.

Решение об установке такого устройства поможет принять видео в этой статье, рассказывающее и показывающее основные требования к монтажу таких устройств.