EA027357B1

EA027357B1 - Гидроэнергетическая установка и способ ее работы

Info

Publication number: EA027357B1
Application number: EA201400430A
Authority: EA
Inventors: Куат Талгатович Баубеков; Арсланбек Куатович Баубеков; Курмангазы Куралович Омаров
Original assignee: Акционерное Общество "Казахский Агротехнический Университет Имени Сакена Сейфуллина"
Priority date: 2013-06-16
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2017-07-31
Also published as: EA201400430A3; EA201400430A2

Abstract

Изобретение относится к малой гидроэнергетике, технической задачей его является создание гидроэнергетической установки и способа его работы для эффективного преобразования гидравлической энергии и улучшения качества воды. Технический результат достигается тем, что гидротехническое сооружение выполнено конусообразной формы с направляющими лопастями в виде лент, расположенными в воронке по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, альтернативно, выполненными однозаходными, двухзаходными и трехзаходными, причем в нижней конусообразной части гидротехническая установка переходит в U-образную трубу, в конце которой на уровне нижнего бьефа воды установлена турбина. Кроме того, в гидроэнергетической установке и в способе его работы преобразование кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение производят по конусообразной спирали, при этом рабочий угол конуса водоворота для создания центробежного ускорения составляет более 36 и менее 90°, а в нижней усеченной конусообразной части установки вода течет по траектории U-образной трубы до уровня нижнего бьефа воды с полным преобразованием вращательного движения воды обратно в ускоренное прямолинейное движение.

Description

Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве гидроэнергетической установки и способа его работы при преобразовании гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек в электрическую энергию, а также улучшения качества воды.

С древнейших времен известна гидроэнергетическая установка для преобразования гидравлической энергии в механическую с помощью простейшего гидравлического двигателя в виде водяного колеса, приводимого в действие энергией потока воды (см. Большую советскую энциклопедию, 3-е изд.. М.: изд-во Советская энциклопедия, 1971, т. 5, с. 201), которое позднее применялось для привода водяных мельниц, рабочих машин и механизмов мелких производств.

Недостатками в указанной гидроэнергетической установке для преобразования гидравлической энергии в механическую с помощью водяного колеса являются малые мощность, частота вращения и коэффициент полезного действия, а также громоздкость.

Известна также гидроэнергетическая установка для преобразования гидравлической энергии в электрическую, значительно устраняющая недостатки вышеописанной гидроэнергетической установки, состоящей из последовательной цепи гидротехнических сооружений и оборудования, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, преобразующего энергию движущейся под напором в гидротурбине воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, в электрогенераторе преобразуется в электрическую энергию (см. Большую советскую энциклопедию, 3-е изд.. М.: изд-во Советская энциклопедия, 1971, т. 6, с. 510-512). Напор воды создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной или деривацией. В горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации - до 1500 м.

При этом мощность турбины для гидроэнергетической установки выражается формулой N_т = 9,8Г ζ) Η η_τ η_г , кВт (1) где Р - расход воды через турбину, м³/с;

Н - подведенный к турбине напор, определяемый разностью уровней верхнего и нижнего бассейна, с учетом гидравлических потерь, м;

η_τ - КПД турбины; η_Γ - КПД генератора.

Недостатком указанной гидроэнергетической установки является необходимость аккумулирования потоков воды на большой высоте над гидротурбиной путем создания капиталлоемкой плотины и затопление огромных полезных и плодородных площадей.

Наиболее близким прототипом является гидроэнергетическая установка, состоящая из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора, значительно устраняющая недостатки вышеописанной установки (см. статью Ю. Бубнова Малые вихревые гравитационные гидроэлектростанции в журнале РФ Сантехника, № 2, 2010, с. 20-22. При этом у гидроэнергетической установки, состоящей из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора, плотина выполнена в виде шахты из бетонного цилиндра с диаметром и водоворотом 6,5 м и рабочим перепаде высот воды 1,5 м. Причем по оси водоворота устанавливается ротор турбины, который передает вращательное движение последнего валу электрогенератору.

Недостатком в указанной гидроэнергетической установке преобразования гидравлической энергии в электрическую, является слабый напор, который создается слабым водоворотом вращения воды на используемом горизонтальном участке и при обычно малых скоростях воды создает малую мощность и соответственно громоздкость гидротурбины. Также слабым звеном по эффективности водоворота является шахта из бетонного цилиндра и рабочий орган турбины гидроэнергетической установки, который, к тому же, преждевременно гасит вихревую энергию в воде.

Технической задачей изобретения является создание гидроэнергетической установки и способа его работы для эффективного преобразования гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек в электрическую энергию, а также повышение уровня обитания живых организмов в реках путем побочной аэрации и улучшения качества воды.

Технический результат достигается тем, что в известной гидроэнергетической установке, состоящей из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора, согласно изобретению, гидротехническое сооружение выполнено конусообразной формы с направляющими лопастями в виде лент, расположенными в воронке по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, альтернативно выполненными однозаходными, двухзаходными и трехзаходными, причем в нижней конусообразной части гидротехническая установка переходит в ϋ-образную трубу, в конце которой на уровне нижнего бьефа воды установлена турбина. При этом на уровне верхнего бьефа на входных участках конусообразной части гидротехнической установки установлены в качестве гидравлических преобразователей закручивающие аппараты, выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных и тангенциально-лопаточных аппаратов.

Кроме того, в охарактеризованной гидроэнергетической установке и в предлагаемом способе его работы для формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил преобразование кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение производят по кону- 1 027357 сообразной спирали по винтовой линии, альтернативно выполненными однозаходными, двухзаходными и трехзаходными, при этом рабочий угол конуса водоворота для создания центробежного ускорения составляет более 36 г и менее 90°, а в нижней усеченной конусообразной части гидротехнической установки вода течет по и И-образной трубы до уровня нижнего бьефа воды с полным преобразованием вращательного движения воды обратно в ускоренное прямолинейное движение.

На фиг. 1 изображена простейшая принципиальная схема гидроэнергетической установки и на фиг. 2 - то же (вид сверху), где 1 - конусообразная часть гидротехнической установки (воронка); 2 - закручивающие аппараты (выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных и тангенциально-лопаточных); 3 - и-образная труба; 4 - перепад уровня воды между верхним и нижним бьефом; 5 - турбина; 6 - соединительная муфта; 7 - передаточный механизм; 8 - электрогенератор; 9 - направляющие лопасти в виде лент, расположенные в воронке по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности; на фиг. 3 изображены профили конической части гидротехнических установок, соответствующие ускорениям д, 2д, 3д.

Применение предлагаемой гидроэнергетической установки и способа его работы может быть реализовано следующим образом.

Гидротехническое сооружение выполнено конусообразной формы с направляющими лопастями в виде лент 9, расположенными в воронке 1 по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности. Конструктивно они могут быть выполнены, альтернативно, однозаходными, двухзаходными или трехзаходными. В верхнюю часть конусообразной части 1 гидротехнической установки (фиг. 1, 2) вода подводится тангенциально через закручивающие аппараты 2 (выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных и тангенциально-лопаточных). В нижней конусообразной части гидротехническая установка переходит в И-образную трубу 3, в конце которой на уровне нижнего бьефа воды 4 установлена турбина 5. Через соединительную муфту 6, передаточный механизм 7 турбина 5 соединена с электрогенератором 8. Таким образом, в конусообразной части гидротехнической установки, во-первых, происходит разгон (так как ускорение прямо пропорционально квадрату скорости воды и обратно пропорционально радиусу вращения) и, во-вторых, преобразование вращательного движения воды обратно в ускоренное прямолинейное движение как бы через сообщающиеся сосуды без погашения вихревой энергии, что является одним из удивительных свойств вихревого движения.

Кроме того, в охарактеризованной гидроэнергетической установке предлагается такой способ его работы, при котором для формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил рабочий угол конуса водоворота для создания центробежного ускорения (от 1д до 3д, где д=9,81 м/с²) составляет более 35 и менее 90° (фиг. 3), а в нижней усеченной конусообразной части гидротехнической установки вода течет по траекторий И-образной трубы до уровня нижнего бьефа воды с полным преобразованием вращательного движения воды обратно в ускоренное прямолинейное движение.

Пример конкретного выполнения.

Монтаж гидроэнергетической установки и способ его работы реализуется следующим образом. Монтируются несколько однотипных гидроэнергетических установок на вихревых минигидроэлектростанциях. Вода тангенциально подводится к конусообразной части гидротехнической установки (к воронке) (фиг. 1, 2) 1 через закручивающие аппараты (например, через тангенциальные). Далее вода, двигаясь по направляющим лопастям в виде лент 9, расположенными в воронке 1 по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, получает ускоренное центробежное вращательное движение. В центре образующегося водоворота происходит подсос воздуха из атмосферы и аэрация воды. В нижней конусообразной части гидротехническая установка переходит в И-образную трубу 3, в конце которой на уровне нижнего бьефа воды установлена турбина 5. В И-образной трубе 3 вращательное движение воды обратно переходит в ускоренное прямолинейное движение как бы через сообщающиеся сосуды без погашения вихревой энергии и по инерции вращает лопасти шнековой турбины 5, соединенной с ротором электрогенератора 8 через соединительную муфту 6 и передаточный механизм 7 (фиг. 1, 2). В результате вырабатывается электроэнергия, которая через кабели передается потребителям, например, для освещения набережной города.

В равнинных реках, где обычно скорость течения воды бывает небольшой, примерно в среднем 1,01,5 м/с, из-за застойных процессов в реках процесс обновления и самоочищения сильно ограничен, и качество воды неуклонно снижается из-за нехватки кислорода. Река может в выборочных местах успешно аэрироваться в специально построенных системах, представляющих собой воронки с вихревым гравитационным вертикальным водоворотом воды, как, например, в предлагаемой гидроэнергетической установке (фиг. 1, 2). Улучшение качества воды повышает уровень обитания живых организмов в реках. При этом качество воды в реках будет сохраняться и контролироваться. Водоемы-пруды с искусственно созданным перепадом воды и аэраторами при работе предлагаемых гидротехнических установок являются важной частью в системе очистки воды путем увеличения биологического разложения загрязнителей и питательных веществ. Благодаря такому подходу вода в таких прудах может всегда оставаться свежей и биологически активной. Таким образом, предлагаемые вихревые мини-ГЭС являются надежным средством для активации процессов биологического самоочищения именно в равнинных реках с застойной во- 2 027357 дой. Самое большое преимущество вихревых мини-ГЭС состоит в том, что не нужно предусматривать отдельную систему для безопасной жизнедеятельности рыб. Рыбы свободно могут проходить через водный поток мини-ГЭС. При этом если в прошлом требовалась дополнительная энергия для аэрации воды, то теперь аэрация это часть естественного процесса по производству электрической энергии. При этом выполнение конусообразной формы 1 гидротехнического сооружения вихревой мини-ГЭС с направляющими лопастями в виде лент 9, расположенными в воронке 1 по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, например, однозаходными, двухзаходными или трехзаходными, способствует увеличению центробежного ускорения, а также процессу аэрации воды (фиг. 1, 2).

На фиг. 3 показаны расчетные профили гравитационных воронок, соответствующие ускорениям 1д, 2д, 3д (где д=9,81 м/с²). Из фиг. 3 видно, что с увеличением угла конусности от 36° (при ускорении 3д) до 90° (при ускорении 1д) непрерывно уменьшается ускорение. При ускорении, равном менее 1д, гравитационная сила будет преобладать над центробежным ускорением, в результате чего будет происходить затухание вращательного движения. При ускорении, равном более 3д, центробежная сила будет намного превышать гравитационную силу, в результате чего будет ухудшено в ϋ-образной трубе обратное преобразование центробежного ускорения в прямолинейное движение. Оптимальное центробежное ускорение при вихревом спиралевидном движении по направляющим лопастям в виде лент 9, расположенным в воронке 1 по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, будет находиться в пределах от 1д до 3д, чему соответствует угол конусности от 36° (при ускорении менее 3д) до 90° (при ускорении более

18)·

Крупномасштабное применение предлагаемой гидроэнергетической установки и способа его работы для преобразования гидравлической энергии воды в электрическую, количество и неиспользуемый запас которого составляет довольно значительную величину в Казахстане и в мире, позволит увеличить долю зеленой энергетики, быть надежным средством для активации процессов биологического самоочищения в равнинных реках с застойной водой, снизить антропогенное воздействие теплоэнергетических установок на окружающую среду, а также снизить темпы глобального изменения климата.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Гидроэнергетическая установка, состоящая из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора, отличающаяся тем, что гидротехническое сооружение выполнено конусообразной формы с направляющими лопастями в виде лент, расположенными в воронке по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, альтернативно выполненными однозаходными, двухзаходными и трехзаходными, при этом в нижней конусообразной части гидротехническая установка переходит в ϋ-образную трубу, в конце которой на уровне нижнего бьефа воды установлена турбина.
2. Установка по п.2, отличающаяся тем, что на уровне верхнего бьефа на входных участках конусообразной части гидротехнической установки установлены в качестве гидравлических преобразователей закручивающие аппараты, выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных и тангенциально-лопаточных аппаратов.
3. Способ работы гидроэнергетической установки, охарактеризованной в п.1, отличающийся тем, что при формировании постоянного водоворота под действием гравитационных сил преобразование кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение производят по конусообразной спирали по винтовой линии лопастей, альтернативно выполненных однозаходными, двухзаходными и трехзаходными, при этом рабочий угол конуса водоворота для создания центробежного ускорения составляет более 36 и менее 90°, а в нижней усеченной конусообразной части гидротехнической установки вода течет по траектории ϋ-образной трубы до уровня нижнего бьефа воды с полным преобразованием вращательного движения воды обратно в ускоренное прямолинейное движение.