ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03B13/00 F03B13/12 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к гидроэнергоустановкам, использующим энергию потока воды для выработки электроэнергии.

В настоящее время для выработки электроэнергии широко используются гидроэнергетические установки (гидроэлектростанции), в гидротехнических сооружениях которых создается напор водного потока. Строительство гидротехнических сооружений очень дорогостоящее и сложное мероприятие, которое может быть осуществлено только с учетом рельефа местности, полноводности реки, судоходной обстановки на реке и других технических и экологических факторов.

Для снабжения электроэнергией в сельской местности и отдаленных местах при наличии рек весьма перспективным и недорогим является использование энергии речного потока для выработки электроэнергии, при котором не предусматривается строительство гидротехнических сооружений.

Так, широко известна гидроэнергетическая установка, содержащая средство создания напора водного потока и турбину, на одном валу с которой установлен ротор электрогенератора (Политехнический словарь/ Гл.ред. И.И.Артоболевский. М. Сов. энциклопедия, 1976, с.116).

В известной гидроэнергетической установке в качестве средства для создания напора водного потока использована плотина, обеспечивающая повышение уровня воды за счет накопления больших объемов воды перед плотиной и создания необходимого напора. Строительство плотины требует больших материальных затрат и приводит к необходимости затопления прилегающих к реке территорий для повышения уровня воды и создания необходимого напора, что вызывает заболачивание земель и ухудшение экологической обстановки. Кроме того, такая гидроэнергетическая установка является стационарной, что затрудняет ее использование потребителями, находящимися от нее на удаленном расстоянии из-за дороговизны строительства линий электропередач и потери энергии при ее передаче.

Известна также гидроэлектростанция (авт. св. СССР N1462020, М. кл. F 03 В 13/12, 1989). Данная электростанция может быть принята в качестве прототипа к заявленному изобретению.

Недостаток известного устройства при выработке электроэнергии заключается в его низком КПД, связанном с тем, что статор 5 электрогенератора соединен с валом 10 и скорость его вращения определяется скоростью вращения емкостей 1, зависящей от скорости потока воды. В предложенном изобретении скорость вращения ротора 20, соединенного осью 16 с жидкостной турбиной 17, определяется напором жидкости на выходе из рабочего органа 1, поэтому скорость его вращения будет больше, чем в прототипе по а.с. 1462020. Второй причиной низкого КПД известного устройства по сравнению с заявленным является то, что турбина 6 работает одновременно на газовом и жидкостном потоках, а так как газ и жидкость обладают разной сжимаемостью, то турбина не может максимально эффективно реализовать перепады давления (напор) газа и жидкости. В заявленном изобретении воздушный и жидкостный напоры срабатывают на разных турбинах, повышая тем самым эффективность выработки электроэнергии. Другим недостатком известного устройства является значительно большие его габариты по сравнению с изобретением при одинаковой производительности (напоре), так как емкости размещены вдоль радиуса внутри полых лопастей, объемы которых уменьшаются от входа к выходу вследствие выполнения герметичных полостей, размещенных на полом валу. В заявленном же изобретении последовательно сообщенные емкости представляют собой канал, образованный витками спирали, где нет нерационального использования внутреннего объема емкостей. Это позволяет использовать внутреннюю полость вала для размещения электрогенератора.

Техническим результатом изобретения является создание гидроэнергетической установки со средством создания напора водного потока, которое позволило бы исключить использование сложных гидротехнических сооружений и создать автономный, мобильный, экологически чистый источник электроэнергии.

Поставленный технический результат достигается тем, что в гидроэнергетической установке, содержащей средство создания напора водного потока и турбину, на одном валу с которой установлен ротор электрогенератора, герметично отделенные друг от друга, согласно изобретению, средство создания напора водного потока представляет собой насос необъемного вытеснения с одновременной перекачкой воды и воздуха, имеющий рабочий орган, выполненный в виде горизонтально расположенной цилиндрической спирали с герметично соединенными с ней торцевыми стенками, между витками которой образован канал для прохождения воды и воздуха, а внутри цилиндрической спирали установлена труба, в которой соосно на одном валу размещены жидкостная турбина и ротор электрогенератора, статор которого закреплен на другом валу и снабжен газовой турбиной, а в верхней части участка трубы, в котором размещен электрогенератор, и в нижней части участка трубы, в котором размещена жидкостная турбина, выполнены окна, при этом ротор и статор электрогенератора и труба установлены с возможностью вращения относительно рабочего органа и друг друга, причем концевые участки трубы расположены за пределами торцевых стенок и служат выходными патрубками, а вдоль образующей последнего витка спирали расположены лопасти.

Кроме того, над окнами установлены крышки.

Предлагаемая гидроэнергетическая установка, в которой для создания напора потока воды использован насос необъемного вытеснения с одновременной перекачкой воды и воздуха, представляет собой экологически чистый, автономный и мобильный источник электроэнергии.

На фиг. 1 изображен общий вид гидроэнергоустановки; на фиг.2 продольный разрез установки; на фиг.3 разрез А А установки на фиг.2.

Гидроэнергетическая установка содержит рабочий орган 1, установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, выполненный в виде свернутого по спирали плоского листового материала 2, витки которой размещены с зазором между собой, образуя спиралевидный канал. К торцам витков органа 1 герметично прикреплены стенки 3. Рабочий орган 1 содержит входное окно 4, образованное на его периферии последним, предпоследним витками и боковыми стенками 3. К наружной поверхности рабочего органа 1 вдоль его цилиндрической поверхности прикреплены жестко лопатки 5, образуя лопастное колесо. Внутри рабочего органа 1 размещена труба 6, установленная на подшипниках 7 с возможностью вращения относительно рабочего органа 1, к стенкам 3 которого прикреплены выходные патрубки 8 и 9, установленные в опорах 10, подвешенных на тягах 11, длина которых обеспечивает заданную глубину погружения рабочего органа 1 в реку. Труба 6 разделена перегородкой 12, герметично прикрепленной к ней и содержащей подшипниковый узел 13, на жидкостную (левую) и газовую (правую) полости, а в выходном патрубке 8 на пилонах 14 установлен второй подшипниковый узел 15. В узлах 13 и 15 установлен вал 16 с закрепленной на одном из его концов турбиной 17. В трубе 6 жидкостной полости в нижней части выполнено окно 18, сообщающее ее с жидкостной полостью рабочего органа 1, над которым размещена крышка 19. На другом конце вала 16 закреплен ротор 20 электрогенератора, статор 21 которого размещен на другом валу 22, установленном в подшипниковом узле 23, размещенном в пилонах 24 выходного патрубка 9, и в подшипниковом узле 25, установленном на валу 16. На статоре 21 закреплено рабочее колесо второй турбины 26. В трубе в газовой полости в верхней части выполнено окно 27, сообщающее ее с газовой полостью рабочего органа 1, над которым размещена крышка 28 для предотвращения попадания в нее жидкости. К нижней части трубы 6 прикреплены поплавки 29, обеспечивающие постоянное положение трубы 6, изображенное на фиг.2, или ее качание около этого положения при работе энергоустановки (узлы съема электроэнергии с электрогенератора и узлы уплотнения подвижных соединений на чертеже условно не показаны).

Энергоустановка, изображенная на фиг. 2, работает следующим образом. Поток речной воды вращает лопастное колесо с рабочим органом 1 относительно трубы 6. Рабочий орган 1, вращаясь, захватывает за один оборот окном 4 порцию жидкости и газа. За второй оборот рабочего органа 1 жидкость и газ подают из первого витка во второй и т.д. до заполнения всех витков спиралевидного канала. Поскольку объемы витков от периферии к оси рабочего органа 1 уменьшаются, то жидкость (при отсутствии сопротивления на выходе установки) будет свободно переливаться из предыдущих витков в последующие до тех пор, пока вода не разместится на одном уровне в каждом витке (как в сообщающихся сосудах). За один полный оборот рабочего органа 1 каждая точка спирали последовательно находится в среднем, верхнем и среднем нижнем положениях. В результате этого за каждый оборот в виток поступает порция газа и воды. Вращение рабочего органа 1 заставляет воду, находящуюся в нижней части витков под действием сил гравитации, перемещаться к центру спирали, перемещая одновременно и порции газа, заключающегося между порциями воды. Перекачиваемые порции газа, при сопротивлении на выходе из установки, сжимаются по мере движения вдоль спирального канала от входа к выходу, а вода в витках все сильнее отклоняется от равновесного положения. В витках, расположенных ближе к оси, уровень достигает своего предельного отклонения раньше, избыток воды или газа, возникший при этом в каком-либо витке, устраняется самоперетеканием (возвращением) в предыдущий виток спиралевидного канала рабочего органа, что и создает в нем предельное положение уровней воды. Такое положение уровней воды в витках является оптимальным, так как при этом достигается максимальное повышение давления в витке за счет максимальной разности высот столбов воды в витках. Вследствие подобной самонастройки обеспечивается оптимальный расход воды и газа в рабочем интервале давлений с максимальной эффективностью, т.е. во внутренней полости рабочего органа создается максимальное давление воды и газа.

За счет расслоения воды и газа вода располагается в нижней части внутренней полости рабочего органа, а газ в верхней. При вращении рабочего органа 1 труба 6 лишь покачивается в подшипниковых узлах 7 относительно него за счет размещения на трубе 6 в нижней части грузов поплавков 29 в положении, изображенном на фиг.2, при этом окно 27 располагается в верхнем положении и сообщает в процессе работы установки газовую внутреннюю полость органа 1 с газовой полостью трубы 6, а окно 18 располагается в нижнем положении, сообщая жидкостную внутреннюю полость органа 1 с жидкостной полостью трубы 6. Крышка 28 предохраняет от попадания в окно 27 воды при работе установки. Жидкостный поток поступает на гидротурбину 17, приводя ее во вращение, и связанный с ней валом 16 ротор 20 электрогенератора, а газовый поток поступает на газовую турбину 26, заставляя вращаться связанный с ней статор 21, установленный на втором валу 22. С щеток электрогенератора снимается электроэнергия и поступает потребителю, а отработанные вода и газ соответственно возвращаются в поток реки и в атмосферу. Таким образом энергия потока реки преобразуется рабочим органом 1 в давление рабочего тела (жидкости и газа), а затем в электроэнергию. С целью снижения вероятности попадания жидкости в полость электрогенератора он размещается в газовой полости трубы 6. В случае протечек жидкости и газа через уплотнения по валу 16 в перегородке выполняют полость, которую сообщают с атмосферной (условно не показано), что исключает взаимное проникновение рабочих тел в противоположные полости трубы 6. Это исключает возможность попадания воды внутрь электрогенератора, повышая его надежность. Крышка 19 также служит для предотвращения попадания газа внутрь жидкостной полости трубы 6 в случае его прорыва из жидкостной полости рабочего органа 1. Взаимное противовращение ротора и статора электрогенератора обеспечивает максимальную выработку электроэнергии.

Таким образом за счет более полного использования энергии избыточного давления каждого рабочего тела (жидкости и газа) в отдельности повышается КПД энергоустановки, что особенно важно для снабжения электроэнергией в труднодоступных местах, не обжитых районах или в местах с высокой стоимостью электроэнергии.

В целом предлагаемая гидроэнергетическая установка проста в изготовлении, дешева и обеспечивает возможность получения электроэнергии на любых реках без строительства сложных гидротехнических сооружений.

Использование: в гидроэнергетике, в частности в гидроустановках, использующих энергию потока воды для выработки электроэнергии. Сущность изобретения: гидроэнергоустановка содержит рабочий орган 1, выполненный в виде цилиндрической спирали 2, образующей с торцевыми стенками 3 канал для прохождения через окно 4 воды и воздуха. Внутри спирали 2 вдоль ее оси установлена трубка 6, в которой соосно установлена жидкостная турбина 17, на одном валу 16 с которой закреплен ротор 20 электрогенератора, а его статор 21 закреплен на другом валу 22 и снабжен лопатками 26 газовой турбины. Труба 6 разделена перегородкой 12 на две части, в одной из которой, где размещена турбина 17, внизу выполнены окна 19, а в другой, где размещен электрогенератор, окна 27 выполнены вверху. Ротор 20 и статор 21 электрогенератора и труба 6 установлены с возможностью вращения относительно рабочего органа 1 и друг друга. На наружной поверхности спирали 2 установлены лопасти 5, которые приводят во вращение рабочий орган 1 потоком воды. При вращении рабочего органа 1 вода попадает в его канал порциями с воздухом, постепенно перетекая к его центру, при этом воздушные порции сжимаются жидкостными в каждом витке спирали. Избыточное давление воздуха и воды поступает соответственно через окна 27 и 18 на лопатки турбин 26 и 17, раскручивая статор 21 и ротор 20 электрогенератора, производя выработку электроэнергии. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Гидроэнергетическая установка, содержащая насос необъемного вытеснения с одновременной перекачкой воды и воздуха, рабочий орган которого выполнен в виде последовательно сообщающихся между собой емкостей, размещенных с возможностью вращения на полом валу, полость которого соединена с выходом из рабочего органа, и электрогенератор, статор и ротор которого установлены с возможностью вращения в противоположные стороны, при этом на статоре закреплена турбина, сообщенная с выходом из рабочего органа, а выход из турбины сообщен с атмосферой, и лопасти, отличающаяся тем, что рабочий орган выполнен в виде горизонтально расположенной вокруг вала цилиндрической спирали с герметично соединенными с ней боковыми стенками, вход в которую размещен на периферии и образован последним и предпоследним витками, а выход образован полым валом и первым витком спирали, при этом внутри полого вала осесимметрично размещена ось, на которой размещены жидкостная турбина и ротор электрогенератора, статор которого закреплен на другой оси и снабжен газовой турбиной, причем газовая и жидкостная полости внутри вала отделены поперечной перегородкой, а в верхней части вала, в которой размещен электрогенератор, и нижней части участка вала с жидкостной турбиной выполнены окна, при этом рабочий орган, статор и ротор установлены с возможностью вращения относительно полого вала, концевые участки которого образуют выходы из турбин, а лопасти размещены снаружи и вдоль образующей последнего витка спирали. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что над окнами установлены крышки.