СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В КИНЕТИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ Российский патент 1996 года по МПК F03B1/00 

Изобретение относится к области гидравлических преобразователей энергии, в частности, к водоводам гидроэлектростанций и гидроструйным пушкам, используемым, например, в угледобывающей промышленности.

Известен способ преобразования потенциальной энергии в кинетическую с помощью гидромеханических преобразователей, например, гидравлических реактивных турбин гидроэлектростанций[1]
Недостатком такого способа является сложность его реализации, связанная с преобразованием на турбине не только формы энергии гидравлической в механическую, но и качества энергии потенциальной в кинетическую. Использование реактивных турбин требует специальной регулировки их лопастей, в противном случае изменение оптимальной нагрузки приводит к резкому уменьшению коэффициента полезного действия турбины-преобразователя энергии.Кроме того, реактивные турбины требуют, как правило,при очень малых скоростях жидкости на выходе, герметичных напорных водоводов, включая улитку направляющего аппарата, и отсасывающих труб, что усложняет применение известного способа и не способствует насыщению воздухом послеплотинных вод.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию в большей степени, за счет силового поля давления, используя конфузорное сопло, и в меньшей степени за счет разгона потока жидкости в водоводе силой земного притяжениям. Качественно преобразованная энергия потока /кинетическая/ окончательно преобразуется по форме из гидравлической в механическую ковшовой турбиной, простота конструкции которой обусловлена, по сравнению с реактивной турбиной, меньшей функциональной нагрузкой преобразовании. Регулирование нагрузки турбины ковшовой осуществляется только количеством поступающей через напорный водовод жидкости и, по сравнению с реактивной турбиной, где такое регулирование в большем диапазоне сохраняет коэффициент полезного действия. Прототип сохраняет напорный водовод, поток которого после лопаток турбины может только на коротком участке насыщаться кислородом воздуха.

Недостатком способа-прототипа следует считать: нестабильность скорости потока, поступающего на лопасти турбины, при изменении расхода, что обусловлено изменением, в большей степени, инерционными потерями в сопловом конфузоре и водоводе /до сопла/, характерными для непрерывного потока жидкости; недостаточная аэрация потока жидкость, что негативно сказывается на экологической обстановке послеплотинных водоемов; невозможность получать скорость частиц потока больше ограничения, налагаемого законами сохранения энергии, при заданной потенциальной энергии, в частности, больше чем , где Н геометрический напор бьефов гидроэлектростанции.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что способ преобразования энергии потока жидкости кинетической в потенциальную энергию, включающий подвод непрерывного потока с потенциальной энергией, разгон его в силовом поле и подачу его на воспринимающие элементы гидромеханического преобразователя, осуществляют так, что подводимый поток преобразуют в дискретный, а разгон дискретных частиц в силовом поле осуществляют без сцепления с иноскоростными частицами, вплоть до попадания на воспринимающие элементы Кроме того, для получения скоростей дискретного потока, превышающих расчетные, например, из уравнения Бернулли, для непосредственного преобразования энергий, разгон дискретных частиц в силовом поле без сцепления с иноскоростными частицами осуществляют вплоть до вхождения их в конфузорное сопло перед попаданием на воспринимающие элементы.

Заявляемый способ позволяет практически всю энергию подведенного потенциального потока жидкости преобразовать в кинетическую энергию. Так, рабочую массу воды, поступающую к отметке верхнего бьефа имеющего уровень превышения над рабочими лопатками турбины Н, путем сброса дискретными порциями заставляют развить скорости в поле тяжести Земли у лопаток турбины, где g ускорение силы тяжести земного притяжения. Мощность турбины регулируется количеством или массой порций, при этом скорость поступающей жидкости, как и скорость турбины остается неизменной, что положительно влияет на сохранении высокого к. п.д. при изменении нагрузки на турбине. Величину /массу/ порции разгоняемой в силовом поле жидкости в каждом конкретном случае следует выбирать особо. Критерием выбора массы и формы порции являются: минимизация потери энергии при контакте с окружающей средой, например, на трение и испарение в потоке воздуха; характеристика мощностных, прочностных и кинематических свойств гидромеханического преобразователя; характеристика расходная подводящих трубопроводов и емкостная /аналог электрической емкости/ камеры, из отверстия которой происходит отбор порции, при использовании способа для разгона жидкости в силовом пневматическом, гидравлическом или другом подобном поле; область использования устройств базирующихся на предложенном способе.

Использование предложенного способа можно рекомендовать при проектировании и эксплуатации гидроэлектростанций, преимущественно небольших, располагаемых на малых реках и имеющих малый бьефовый перепад, нуждающихся в минимальных затратах на сооружение и эксплуатацию. В частности, предлагаемый способ позволяет уменьшать габариты ковшовых турбин за счет увеличения скорости потока, не требует герметичных и высокопрочных водоводов, трудоемких и дорогих реактивных турбин.

Использование предложенного способа с применением конфузорного сопла для улавливания разогнанных в силовом поле порций жидкости, позволяет получать на выходе из сопла прерывистый струй, скорость которых существенно превышает скорость входящих в сопло за счет проявления комулятивного эффекта, и рекомендовать его внедрение в строительство, например, для гидравлического разрушения твердых пород, дробления камней, горнодобывающую промышленность. Кроме того, разгон порций жидкости может происходить и в электрическом или магнитном поле, что принципиально не отличается от их разгона в силовом поле Земли. С использованием последнего мы покажем возможность реализации предложенного способа.

Способ осуществляют следующим образом. У верхней отметки бьефа сделаем дискретизатор устройство преобразующее непрерывный поток жидкости в дискретный, например, в виде лотка, выливающего непрерывно жидкость в ковши колеса, поворот которого приводит к выливанию из ковшей поочередно порций жидкости. Последние, в свою очередь, разгоняясь в гравитационном поле земли, пролетают расстояние Н и попадают на воспринимающие элементы гидромеханического преобразователя ковши гидротурбины. При этом, считая высоту дискретизатора пренебрежимо малой по сравнению с высотой Н, по закону сохранения энергии, пренебрегая сопротивлением воздуха, получим скорость V, развиваемую жидкостью при попадание на ковши гидротурбины:

где Е_п потенциальная энергия порции жидкости: Е_к - кинетическая энергия порции жидкости; m масса порции жидкости; g ускорение гравитационного поля. При заданном массовом расходе мощность, реализуемая предложенным способом составит:

где N мощность, развиваемая расходом жидкости M [кг/с] и скоростью V².

В то же время, использование способа прототипа, т.е. его основу -непрерывность потока, дает следующие результаты по скорости и мощности при идентичной высоте Н и массовом расходе М. Рассмотрим вертикальную трубу, по которой с высоты Н жидкость поступает на воспринимающие элементы гидромеханического преобразователя. В верхнюю часть трубы вода поступает от верхней кромки бьефа, расположенной выше ореха трубы примерно на 3 диаметра, с целью исключения образования воронки, причем этим превышением в расчетах пренебрежем, по сравнению c высотой H. Жидкость из трубы будет выливаться с постоянной скоростью, V^', которая будет обусловлена по величине потенциальной энергией где масса столба жидкости в вертикальной части трубы m^'; без учета /за вычетом/ кинетической энергии этой же массы m^', т.e., которую она уже имеет. Остальная часть потенциальной энергии затратился на сообщение такой же массе жидкости скорости V^' за время полной замены столба жидкости в трубе высотой H. Согласно закону сохранения энергии:

При сопоставимом массовом расходе M мощность непрерывного потока по способу прототипа составит:

т. е. в два раза меньше, чем по предлагаемому способу. Потери в трубе мы не учитывали.

Кроме того, в предложенном способе, по сравнению с прототипом, вода за время свободного полета сможет гораздо больше насытиться кислородом воздуха, что положительно сказывается на экологии воды, вытекающей из водоемов обедненных кислородом, что влечет развитие там вредных для рыб бактерий и простейших водорослей.

Если по способу прототипа водоводную трубу окончить конфузорным соплом, то при сокращении расхода можно увеличить скорость непрерывного потока почти до , где геометрический напор H можно принять в качестве меры потенциальной энергии, но и только.

При использовании предложенного способа на пути порций жидкости, уже достигших скорости устанавливается конфузорное сопло и закрепляется в этом положении. Порция жидкости, входя в широкую часть сопла испытывает комулятивный эффект [3] и часть ее ускоряется, приобретая на выходе из узкой части скорость , где К>1, и зависит от конкретных параметров сопла, Н и геометрии ускоренной порции жидкости.

Таким образом предложенный способ дает возможности получать такую плотность кинетической энергии на единицу массы, которая принципиально не достижима при использовании известных способов преобразования потенциaльной энергии жидкости в кинетичеcкую.

Источники информации
1. Волков Э.П. и др. Энергетические установки гидроэлектростанций: Под. ред. Волнова Э.П.-М: Энергоатомиздат, 1983.-280с.ил.

2. Н.М Щапов, Турбинное оборудование гидростанций, М.Л. Госэнергоиздат, 1961, с.14, рис 1,1.

Сущность изобретения: преобразование потенциальной энергии потока жидкости в кинетическую энергию включает подвод потока жидкости с последующим его разгоном под действием силового поля и подачу на силовоспринимающие элементы гидромеханического преобразователя. Поток жидкости перед разгоном преобразуют в дискретный, а перед подачей на силовоспринимающие элементы возможно, что поток жидкости дополнительно разгоняют в конфузорном сопле. 1 з. п. ф-лы.

1. Способ преобразования потенциальной энергии потока жидкости в кинетическую энергию, включающий подвод потока жидкости с последующим разгоном его в силовом поле и подачей на силовоспринимающие элементы гидромеханического преобразователя, отличающийся тем, что поток жидкости перед разгоном преобразуют в дискретный. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед подачей на силовоспринимающие элементы поток жидкости дополнительно разгоняют в конфузорном сопле.