RU2127373C1

RU2127373C1 - Hydroelectric power plant

Info

Publication number: RU2127373C1
Application number: RU98113005A
Authority: RU
Inventors: Е.И. Осауленко
Original assignee: Осауленко Евгений Иванович
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 1999-03-10

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: power plant has electric generator and two vertical cylinders open at the top and mounted at same elevation; cylinders accommodate loosely mounted pistons and valve mechanism with actuator ensuring alternate shut-off of top ends. Cylinders are partially filled with working fluid and their bottom ends are intercommunicating. Power plant is also provided with third vertical cylinder placed between former ones, reversing drive, control unit, piston top position sensors, rolls with flexible coupling between reversing drive and piston. Bottom end of third cylinder is connected to bottom ends of first and second cylinders and its top end, to their top ends through uptake pipelines provided with check valves at points of connection. Water-wheel generator has its turbine placed above working fluid level in cylinders, and each piston is made in the form of disk with hole or holes along cylinder axis and with check valve or valves closing these holes when piston moves up. Piston density is higher than that of working fluid; piston top position sensors are placed level with lower points of connection of uptake pipelines to cylinders and are coupled with control unit connected to reversing drive and to mentioned valve mechanism actuator. Holes communicating with atmosphere are provided in third cylinder wall above working fluid level but below turbine. EFFECT: improved power generation efficiency and uniformity of its distribution among users. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, а именно к электростанциям, преобразующим энергию текучей рабочей жидкости в электрическую энергию. The invention relates to the field of energy, namely to power plants that convert the energy of a fluid working fluid into electrical energy.

Известно устройство для генерирования электричества, содержащее первый и второй цилиндры с открытыми верхними торцами. В первом и втором цилиндрах перемещаются соответственно первый и второй свободные поршни. Цилиндры сообщаются один с другим через трубопровод, соединенный с нижними концами цилиндров. Последовательное открывание и закрывание открытых торцов цилиндров осуществляется поворотной крышкой с приводом. В системе осуществляется прием жидкости, находящейся между частями устройства, ограниченными цилиндрами и трубопроводом, и между обоими поршнями. Устройство содержит приводимый в действие движущимся потоком жидкости электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию. Таким образом, давление текучей среды, воздействующей на первый поршень в первом цилиндре при закрытом крышкой втором цилиндре перемещает первый поршень внутрь цилиндра, при этом жидкость, находящаяся в первом цилиндре, перемещается по трубопроводу ко второму поршню и приводит в действие электрогенератор. После чего перемещением крышки закрывается первый цилиндр и открывается второй, что обеспечивает воздействие давления текучей среды на второй поршень и возврат первого поршня в исходное положение. Генерирование электроэнергии осуществляется также при перемещении второго поршня внутрь второго цилиндра (см. патент США N 4403154, МПК F 03 В 13/12, 1983 г. )
Однако данное устройство для генерирования электричества не может обладать высоким КПД, т. к. рабочая жидкость, приводящая электрогенератор, в процессе движения по трубопроводу в каждом рабочем цикле меняет свое направление, т. е. скорость потока изменяется от максимальной до нуля, когда электроэнергия не вырабатывается, при этом и сама выработка носит неравномерный пульсирующий характер. Кроме того, между крышкой и поднимающимся вверх поршнем будет находиться отработавшая текучая среда, препятствующая подъему поршня, что также снижает КПД устройства.A device for generating electricity, containing the first and second cylinders with open upper ends. In the first and second cylinders, the first and second free pistons move respectively. The cylinders communicate with each other through a pipe connected to the lower ends of the cylinders. Sequential opening and closing of the open ends of the cylinders is carried out by a rotary cover with a drive. The system receives liquid located between the parts of the device, limited by cylinders and piping, and between both pistons. The device comprises an electric generator driven by a moving fluid stream that generates electricity. Thus, the pressure of the fluid acting on the first piston in the first cylinder with the second cylinder closed by a cover moves the first piston inside the cylinder, while the liquid in the first cylinder moves through the pipeline to the second piston and drives the electric generator. Then, by moving the cap, the first cylinder is closed and the second is opened, which provides the effect of fluid pressure on the second piston and the first piston returns to its original position. Electricity is also generated by moving the second piston inside the second cylinder (see US Pat. No. 4,403,154, IPC F 03 B 13/12, 1983).
However, this device for generating electricity cannot have high efficiency, because the working fluid that drives the electric generator changes its direction during the movement through the pipeline in each working cycle, i.e., the flow rate changes from maximum to zero when electricity is not It is produced, while the development itself is unevenly pulsating in nature. In addition, between the cap and the piston rising upward, there will be spent fluid that prevents the piston from rising, which also reduces the efficiency of the device.

Задачей изобретения является повышение КПД выработки электроэнергии и увеличение равномерности ее подачи потребителю. The objective of the invention is to increase the efficiency of power generation and increase the uniformity of its supply to the consumer.

Указанный технический результат достигается за счет того, что гидроэлектростанция содержит электрогенератор и два вертикально установленных цилиндра с открытыми верхними торцами, расположенными на одном уровне, со свободными поршнями и клапанным устройством с приводом для поочередного перекрытия верхних торцов, при этом цилиндры частично заполнены текучей рабочей жидкостью, а их нижние концы сообщены между собой. Кроме того, гидроэлектростанция снабжена третьим вертикальным цилиндром, расположенным между первыми двумя цилиндрами, реверсивным приводом, блоком управления, датчиками верхнего положения поршней, роликами с гибкой связью для соединения реверсивного привода с поршнями, при этом нижний конец третьего цилиндра подключен к нижним концам двух первых цилиндров, а его верхний конец - к верхним концам данных цилиндров посредством наклонных вверх трубопроводов с обратными клапанами в местах подключения, электрогенератор выполнен в виде гидроагрегата, турбина которого расположена над уровнем рабочей жидкости в цилиндрах, а каждый поршень - виде диска с отверстием или отверстиями вдоль оси цилиндра и обратным клапаном или обратными клапанами для их перекрытия при движении поршня вверх, причем поршни выполнены с плотностью выше плотности текучей рабочей жидкости, датчики верхнего положения поршней расположены на уровне нижних точек подключения наклонных трубопроводов к цилиндрам и связаны с блоком управления, соединенным с реверсивным приводом и приводом упомянутого клапанного устройства, а в стенке третьего цилиндра выше уровня рабочей жидкости, но ниже турбины выполнены отверстия для сообщения с атмосферой. The specified technical result is achieved due to the fact that the hydroelectric power station contains an electric generator and two vertically mounted cylinders with open upper ends located at the same level, with free pistons and a valve device with a drive for alternately blocking the upper ends, while the cylinders are partially filled with fluid working fluid, and their lower ends are interconnected. In addition, the hydroelectric power station is equipped with a third vertical cylinder located between the first two cylinders, a reversing drive, a control unit, piston upper position sensors, rollers with flexible coupling for connecting the reversing drive with pistons, while the lower end of the third cylinder is connected to the lower ends of the first two cylinders and its upper end - to the upper ends of these cylinders by means of upward sloping pipelines with check valves at the connection points, the electric generator is made in the form of a guide unit, the turbine of which is located above the level of the working fluid in the cylinders, and each piston is in the form of a disk with a hole or holes along the axis of the cylinder and a check valve or check valves to block them when the piston moves upward, and the pistons are made with a density higher than the density of the fluid working fluid, sensors for the upper position of the pistons are located at the level of the lower points of connection of the inclined pipelines to the cylinders and are connected to the control unit connected to the reversing actuator and the actuator of the said valve nnogo device and a wall of the third cylinder above the working liquid level but below the turbine are provided with holes for communication with the atmosphere.

На фиг. 1 схематически представлен общий вид гидроэлектростанции, а на фиг. 2 вид А фиг. 1 на клапанное устройство в открытом положении. In FIG. 1 schematically shows a general view of a hydroelectric power station, and FIG. 2 view A of FIG. 1 on the valve device in the open position.

Гидроэлектростанция содержит электрогенератор 1 и два вертикально установленных цилиндра 2, 3 с открытыми верхними торцами, расположенными на одном уровне, со свободными поршнями 4, 5 и клапанным устройством 6 с приводом 7 для поочередного перекрытия верхних торцов, при этом цилиндры 2, 3 частично заполнены текучей рабочей жидкостью до уровня 8, а их нижние концы сообщены между собой. Кроме того, гидроэлектростанция снабжена третьим вертикальным цилиндром 9, расположенным между первыми двумя цилиндрами 2, 3, реверсивным приводом 10, блоком управления (на фиг. не показан), датчиками 11, 12 верхнего положения поршней 4, 5, роликами 13, 14 с гибкой связью 15 для соединения реверсивного привода 10 с поршнями 4, 5, при этом нижний конец третьего цилиндра 9 подключен к нижним концам двух первых цилиндров 2, 3, а его верхний конец - к верхним концам данных цилиндров 2, 3 посредством наклонных вверх трубопроводов 16, 17 с обратными клапанами 18, 19 в местах подключения к цилиндрам 2, 3, электрогенератор 1 выполнен в виде гидроагрегата, турбина 20 которого расположена над уровнем 8 рабочей жидкости в цилиндрах 2, 3, а каждый поршень 4, 5 - виде диска с отверстием 21 или отверстиями 21 вдоль оси цилиндра 2 или 3 и обратным клапаном 22 или обратными клапанами 22 для их перекрытия при движении поршня 4 или 5 верх, причем поршни 4, 5 выполнены с плотностью выше плотности текучей рабочей жидкости, датчики 11, 12 верхнего положения поршней 4, 5 расположены на уровне нижних точек 23, 24 подключения наклонных трубопроводов 16, 17 к цилиндрам 2, 3 и связаны с блоком управления, соединенным с реверсивным приводом 10 и приводом 7 упомянутого клапанного устройства 6, а в стенке третьего цилиндра 9 выше уровня 8 рабочей жидкости, но ниже турбины 20 выполнены отверстия 25 для сообщения с атмосферой. The hydroelectric power station contains an electric generator 1 and two vertically mounted cylinders 2, 3 with open upper ends located at the same level, with free pistons 4, 5 and a valve device 6 with actuator 7 for alternately closing the upper ends, while the cylinders 2, 3 are partially filled with fluid working fluid to level 8, and their lower ends are interconnected. In addition, the hydroelectric power station is equipped with a third vertical cylinder 9 located between the first two cylinders 2, 3, a reversible drive 10, a control unit (not shown in Fig.), Sensors 11, 12 of the upper position of the pistons 4, 5, rollers 13, 14 with flexible a connection 15 for connecting the reversing drive 10 with the pistons 4, 5, while the lower end of the third cylinder 9 is connected to the lower ends of the first two cylinders 2, 3, and its upper end to the upper ends of these cylinders 2, 3 through upwardly inclined pipelines 16, 17 with check valves 18, 19 in max connection to the cylinders 2, 3, the generator 1 is made in the form of a hydraulic unit, the turbine 20 of which is located above the level 8 of the working fluid in the cylinders 2, 3, and each piston 4, 5 is in the form of a disk with a hole 21 or holes 21 along the axis of the cylinder 2 or 3 and a non-return valve 22 or non-return valves 22 for their overlap when the piston 4 or 5 moves upward, and the pistons 4, 5 are made with a density higher than the density of the working fluid, the sensors 11, 12 of the upper position of the pistons 4, 5 are located at the level of the lower points 23 24 connection inclined pipeline 16, 17 to the cylinders 2, 3 and are connected to the control unit connected to the reversing actuator 10 and the actuator 7 of said valve device 6, and in the wall of the third cylinder 9 above the level 8 of the working fluid, but holes 25 are made below the turbine 20 for communication with the atmosphere.

Цилиндры 2, 3 и 9 заполняют текучей рабочей жидкостью до уровня 8, при котором соблюдается приблизительное равенство высот (Н) от данного уровня 8 до датчиков 11, 12 и до верхней поверхности поршня 4 или 5 в их крайнем нижнем положении. Cylinders 2, 3 and 9 are filled with fluid working fluid up to level 8, at which the approximate equality of heights (N) from this level 8 to the sensors 11, 12 and to the upper surface of the piston 4 or 5 in their extreme lower position is observed.

Обратные клапаны 22 могут быть выполнены в виде шарнирно закрепленной над отверстием (отверстиями) 21 пластины (пластин) 22 (поршень 4) или - в виде шара (шаров) 22 (поршень 5), размещенного в конусном отверстии (отверстиях) 21 с ограничительной сеткой сверху (на фиг. не обозначена). Check valves 22 can be made in the form of a plate (plates) 22 (piston 4) pivotally mounted above the hole (s) 21 (or piston 4) or in the form of a ball (balls) 22 (piston 5) placed in a conical hole (s) 21 with a restrictive mesh from above (not indicated in FIG.).

Для обеспечения полного слива рабочей жидкости по наклонным трубопроводам 16 и 17 блок управления может быть снабжен таймером, (на фиг. не показан), обеспечивающим временную задержку срабатывания реверсивного привода 10 и привода 7 клапанного устройства 6, которое может быть выполнено в виде разрезанной пополам шайбы с шарнирно соединенными половинами и центральными и периферийными уплотнительными элементами (на фиг. не показаны) для обеспечения герметичности цилиндров 2 и 3 при перекрытии их верхних торцов. To ensure complete draining of the working fluid through the inclined pipelines 16 and 17, the control unit can be equipped with a timer (not shown in Fig.), Which provides a time delay for the reversing actuator 10 and the actuator 7 of the valve device 6, which can be made in the form of a washer cut in half with pivotally connected halves and central and peripheral sealing elements (not shown in FIG.) to ensure the tightness of cylinders 2 and 3 when their upper ends overlap.

Гидроэлектростанция работает следующим образом. Hydroelectric power works as follows.

В исходном положении верхние торцы цилиндров 2 и 3 открыты, а поршни 4 и 5, как равные по весу и имеющие плотность выше плотности рабочей жидкости, погружены на одинаковую глубину, при этом турбина 20 электрогенератора 1 (гидроагрегата) расположена над уровнем 8 рабочей жидкости, в качестве которой может быть использована любая текучая неагрессивная среда (вода, масло и т. д. ). Для обеспечения начала работы приводится во вращение реверсивный привод 10 (т. е. привод, имеющий возможность вращаться в разные стороны) и посредством блока управления любой из поршней 4 или 5 подключается к нему посредством гибкой связи 15, огибающей ролики 13 и 14, например, подключен поршень 5. В данном случае блок управления дополнительно подает сигнал на привод 7 цилиндра 3, при этом его верхний торец перекрывается клапанным устройством 6, но с обеспечением движения гибкой связи 15 через центральный уплотнительный элемент. In the initial position, the upper ends of the cylinders 2 and 3 are open, and the pistons 4 and 5, as equal in weight and having a density higher than the density of the working fluid, are immersed to the same depth, while the turbine 20 of the electric generator 1 (hydraulic unit) is located above the working fluid level 8, which can be used any fluid non-aggressive medium (water, oil, etc.). To ensure the beginning of work, the reversible drive 10 is rotated (i.e., the drive that can rotate in different directions) and, by means of a control unit, any of the pistons 4 or 5 is connected to it by means of a flexible coupling 15, enveloping the rollers 13 and 14, for example, a piston 5 is connected. In this case, the control unit additionally provides a signal to the actuator 7 of the cylinder 3, while its upper end is blocked by the valve device 6, but with the flexible coupling 15 moving through the central sealing element.

При подъеме вверх поршня 5 перекрывается посредством обратного клапана 22 отверстие 21 в поршне и рабочая жидкость, расположенная над данным поршнем 5, также поднимается вверх, при этом воздух, имеющийся в верхней части цилиндра 3, сжимается, повышается его давление, открывается обратный клапан 19 и закрывается обратный клапан 18, воздух, поступая на лопатки турбины 20, приводит в движение электрогенератор 1. Возможна установка перед турбиной 20 направляющего аппарата, служащего и опорой для электрогенератора 1. После турбины 20 воздух через отверстия 25 выходит в атмосферу. When the piston 5 rises upward, the hole 21 in the piston is closed by means of the check valve 22 and the working fluid located above this piston 5 also rises, while the air present in the upper part of the cylinder 3 is compressed, its pressure increases, the check valve 19 opens and the non-return valve 18 is closed, the air entering the blades of the turbine 20 drives the electric generator 1. It is possible to install a guide apparatus in front of the turbine 20, which serves as a support for the electric generator 1. After the turbine 20, the air through the opening Tia 25 goes into the atmosphere.

Поднимаемая поршнем 5 рабочая жидкость, достигнув точки 24, начинает сливаться на лопатки уже раскрученной воздушным потоком турбины 20, увеличивая скорость ее вращения. Raised by the piston 5, the working fluid, having reached point 24, begins to merge onto the blades of the turbine 20, already untwisted by the air flow, increasing its rotation speed.

При этом поршень 4 соответственно опускается вниз. Рабочая жидкость при этом протекает через отверстие 21 и отжатый обратный клапан 22 и не мешает погружению поршня 4 до крайней нижней точки, определяемой заранее выбранной длиной гибкой связи 15, причем атмосферное давление, действующее через открытый торец цилиндра 2 на рабочую жидкость способствует поднятию поршня 5 и рабочей жидкости над ним. In this case, the piston 4 accordingly lowers down. In this case, the working fluid flows through the opening 21 and the squeezed check valve 22 and does not prevent the piston 4 from being immersed to the extreme lower point determined by the preselected length of the flexible connection 15, and atmospheric pressure acting through the open end of the cylinder 2 on the working fluid helps to raise the piston 5 and working fluid above it.

Когда поршень 4 погрузится до крайней нижней точки, поршень 5 достигнет своего крайнего верхнего положения, определяемого датчиком 12, выполненным, например, в виде концевого переключателя, последний дает сигнал блоку управления (аналогично блоку управления лифтом), который воздействует на привод 10 для изменения направления вращения и на приводы 7 цилиндров 3 и 2 для открытия и закрытия их клапанных устройств 6, соответственно. When the piston 4 plunges to its lowest point, the piston 5 reaches its extreme upper position determined by the sensor 12, made, for example, in the form of an end switch, the latter gives a signal to the control unit (similar to the elevator control unit), which acts on the actuator 10 to change direction rotation and to the actuators 7 of the cylinders 3 and 2 for opening and closing their valve devices 6, respectively.

После чего поршень 4 поднимается вверх и рабочий цикл повторяется, при этом вверх поднимается уже расчетный столб рабочей жидкости. After that, the piston 4 rises up and the working cycle is repeated, while the calculated column of the working fluid rises up.

Таким образом на лопатки турбины 20 производится непрерывное последовательное воздействие потоков воздуха и рабочей жидкости в одном направлении. Thus on the blades of the turbine 20 is a continuous sequential effect of air and fluid flows in one direction.

Если трубопроводы 16 и 17 не обеспечивают полный слив рабочей жидкости при подъеме поршней 4, 5 до датчиков 11, 12, то возможна временная задержка поршней 3, 4 в крайнем верхнем положении посредством таймера блока управления, т.е. поршни 4, 5 некоторое время будут неподвижны пока не сольется полностью рабочая жидкость. If the pipelines 16 and 17 do not provide a complete discharge of the working fluid when the pistons 4, 5 are raised to the sensors 11, 12, then the pistons 3, 4 may be temporarily delayed in their highest position by the timer of the control unit, i.e. the pistons 4, 5 will remain motionless for a while until the fully working fluid has merged.

Уровень 8 рабочей жидкости, место расположения турбины 20 и отверстий 25 выбираются исходя из того, чтобы турбина 20 и отверстия 2 располагались всегда выше уровня 8 в третьем цилиндре 9, т.е., чтобы рабочая жидкость не мешала вращению турбины 20 и не вытекала из отверстий 25, что возможно сделать, учитывая закон сообщающихся сосудов (цилиндры 2, 3 и 9), приблизительно соблюдая равенство высот (Н) от уровня 8 до датчиков 11, 12 и до верхней поверхности поршня 4 или 5 в их крайнем нижнем положении. The level 8 of the working fluid, the location of the turbine 20 and the holes 25 are selected based on the fact that the turbine 20 and the holes 2 are always located above the level 8 in the third cylinder 9, i.e. so that the working fluid does not interfere with the rotation of the turbine 20 and does not flow out holes 25, which can be done, taking into account the law of communicating vessels (cylinders 2, 3 and 9), approximately observing the equality of heights (H) from level 8 to sensors 11, 12 and to the upper surface of the piston 4 or 5 in their extreme lower position.

В качестве реверсивного привода 10 может быть использован любой двигатель (кроме электрического), способный менять направление вращения, но также возможно использование и двух двигателей, вращающихся в разные стороны и поочередно подключаемых посредством соединительных муфт к гибкой связи 15, например ветряки или водяные колеса. As a reversing drive 10, any engine (except an electric one) can be used, capable of changing the direction of rotation, but it is also possible to use two motors that rotate in opposite directions and are alternately connected via flexible couplings 15, for example, windmills or water wheels.

Claims

A hydroelectric power station containing an electric generator and two vertically mounted cylinders with open upper ends located at the same level, with free pistons and a valve device with a drive for alternately closing the upper ends, while the cylinders are partially filled with fluid working fluid, and their lower ends are interconnected, characterized in that it is equipped with a third vertical cylinder located between the first two cylinders, a reversible drive, a control unit, upper position sensors pistons, with flexible coupling rollers for connecting the reversing drive with pistons, while the lower end of the third cylinder is connected to the lower ends of the first two cylinders, and its upper end to the upper ends of these cylinders through upwardly inclined pipelines with check valves at the connection points, an electric generator made in the form of a hydraulic unit, the turbine of which is located above the level of the working fluid in the cylinders, and each piston is in the form of a disk with a hole or holes along the axis of the cylinder and a check valve or valves to shut them off when the piston moves upward, and the pistons are made with a density higher than the density of the working fluid, the upper position sensors of the pistons are located at the level of the lower points of connection of the inclined pipelines to the cylinders and are connected to the control unit connected to the reversing drive and the drive of the valve device and in the wall of the third cylinder above the level of the working fluid, but below the turbine holes are made for communication with the atmosphere.