СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКОВ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ И РУСЛОВАЯ ГИДРОУСТАНОВКА, РЕАЛИЗУЮЩАЯ ЕГО Российский патент 1997 года по МПК F03B3/00 F03B13/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии потока рек, каналов, быстротоков.

Известен способ преобразования энергии потока текучей среды в механическую энергию и устройство для его осуществления (заявка СССР N 1634814, F 03 B 17/00, опубл. 1991г.), содержащее вал отбора мощности, бесконечный рабочий орган, натянутый на поворотных шкивах, закрепленных выше и ниже по течению и связанных с валом отбора мощности в плавучие тела, выполненные в виде протяженных в одном направлении поплавков, закрепленных на рабочем органе.

Недостатком данного способа является сложность и громоздкость конструкции, осуществляющей его, сложность в эксплуатации и неоправданно большая занятость свободной поверхности водного бассейна.

Известен русловой гидроагрегат (авт. свид. СССР N 1700376, F 03 B 13/10, 7/00, опубл. 1991г.), в котором рабочее колесо гидротурбины с валом и лопастями симметричного профиля установлены в лотке с зазором относительно его донной и боковых стенок. Электрогенератор кинематически связан с валом. Перед гидротурбиной на донной стенке установлен пандус, причем высота пандуса и зазор между боковыми стенками лотка определяются из предложенных соотношений.

Недостатком такого устройства является необходимость наличия достаточно большого градиента давления для эффективной работы гидротурбины.

Известны способ и устройство для преобразования кинетической энергии в крутящий момент (заявка ЕПВ/ЕР/ N 0373310, F 03 B 3/00, 3/08, опубл. 1991 г. прототип), который предусматривает применение полого тела, приводимого во вращение подводимой водяной струей. Для преобразования кинетической энергии в крутящий момент полое тело взаимодействует с валом, вращающимся вокруг его продольной оси, а также с установленными на полом теле направляющими и дросселирующими элементами. Способ отличается тем, что водяная струя наклонно, тангенциально вводится в полое тело. При соударении с соответственно образованной внутренней стенкой полого тела она преобразуется во вращающуюся водяную спираль, энергия которой и преобразуется в крутящий момент.

Недостатками данного способа являются: потери энергии потока в процессе преобразования поступательного движения во вращательное и связанное с этим уменьшение КПД устройства, сложность конструкции, реализующей данный способ, связанная с наличием большого числа деталей, не имеющих отношения (непосредственного) к выработке энергии.

Известна гидросиловая турбинная установка (патент СССР N 10441, F 03 B13/00, 1929г. прототип), которая содержит остов, состоящий из стенок, образующих два раструба для приема воды потока, раструбы заканчиваются спиральными камерами, заключающими в себе турбины, закрепленные на вертикальных валах.

Недостатками данного устройства являются: неоправданно большая материалоемкость, связанная с созданием стенок раструба, играющих пассивную роль в данном устройстве, кроме того, для компенсации потерь давления в суживающемся канале необходима достаточно большая скорость потока для эффективной работы устройства.

Задачей, решаемой данным изобретением, является устранение указанных недостатков, а именно: упрощение конструкции, улучшение эксплуатационных свойств, повышение КПД устройства, реализующего предлагаемый способ.

Данная задача решается тем, что в способе преобразования энергии руслового потока в механическую или электрическую энергию путем изменения поступательного движения потока во вращательное движение жидкости и преобразователя энергии гидроустановки, причем данное изменение движения осуществляют образованием двух вихрей противоположного направления вращения, при глубине потока не превышающей трехкратно линейные размеры гидроустановки обеспечивают совпадение скоростей вихрей и потока с внешних боковых сторон вихрей кроме того в способе преобразования энергии руслового потока в механическую или электрическую энергию путем изменения поступательного движения потока во вращательное движение жидкости и преобразователя энергии гидроустановки, причем данное изменение движения осуществляют образованием двух вихрей противоположного направления вращения, при глубине потока превышающей трехкратно линейные размеры гидроустановки, обеспечивают противоположное направление скоростей вихрей и потока с внешних боковых сторон вихрей. Кроме того, данная задача решается тем, что в русловой гидроустановке, содержащей каркас с двумя вертикально расположенными полыми телами вращения, выполненными в виде полых цилиндров, и размещенные в последних валы отбора мощности с установленными друг над другом двумя лопастными турбинами, при этом валы установлены с возможностью вращения в противоположных направлениях. Каждый цилиндр снабжен внутренней стенкой, выполненной в виде трубы переменного сечения, закрепленной с образованием сужающегося кверху канала, валы выполнены трубчатыми и закреплены на внутренних осях, связанных с каркасом, лопасти верхних и нижних турбин расположены симметрично оси вращения и прикреплены к наружным боковым поверхностях валов и цилиндров, соответственно, причем последние прикреплены под острым углом, при этом стенки цилиндра, трубы и вала жестко связаны между собой с образованием единой системы ротора, а для обеспечения противоположного вращения роторов лопасти их турбин ориентированы в разные стороны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид русловой гидроустановки, при этом внутренняя невидимая часть одного из идентичных роторов изображена пунктирными линиями, на фиг.2 схема, поясняющая соотношения между размерами отдельных элементов ротора, на фиг. 3 и 4 схемы, поясняющие принцип реализации способа.

На вертикальных, жестко закрепленных стойках 1 установлены с помощью подшипников 4 и 5 с возможностью перемещения по вертикали две горизонтальные штанги 3, при этом подшипники 5 снабжены фиксаторами. С помощью подшипников той же конструкции 4 и 5 на горизонтальных штангах 3 установлены с возможностью перемещения по горизонтали две вертикальные стойки 2, на которых с помощью подшипников 6 крепится трубчатый вал отбора мощности 7, что обеспечивает возможность вращения вала вокруг вертикальной оси. На валу 7 с помощью системы жестких связей 14 и 15 крепится внутренняя стенка 11, 12 выполненная в виде трубы переменного профиля с начальным отрезком 12, обладающим малым входным сопротивлением. Кроме того, на валу 7 непосредственно над внутренней стенкой, симметрично относительно оси вращения закреплены вертикальные лопасти 10. С внутренней стенкой 11 жестко связана связями 13 внешняя стенка ротора 8, выполненная в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого закреплены лопасти 9. Внешняя стенка 8 с лопастями 9, внутренняя стенка 11, 12 и трубчатый вал отбора мощности 7 с лопастями 10 с помощью связей 13, 14, 15 образуют единую жесткую систему ротора.

На фиг.3 изображено размещение элементов ротора по высоте и их диаметры, при этом: D₀ внутренний диаметр полого цилиндра, D₁ диаметр огибающей лопасти цилиндра, D₂ внутренний диаметр конца входного канала, D₃ внутренний диаметр выходного отверстия, D₄ - внешний диаметр трубчатого вала отбора мощности. Диаметр огибающих лопастей, закрепленных на валу, равен или несколько меньше D₃, H₀ высота полого цилиндра, H₁ высота входного канала с малым входным сопротивлением, H₂ высота, на которой заканчиваются лопасти вала, H₃ высота внутренней стенки. Приведем ориентировочные соотношения: если принять D₀ 1, то D₁ 1,4D₀; D0,5D₀; D₃ 0,2 ₀; ₄ 00,6D₀; H₀= D₀; H₁ 0,2H₀; H₂ 1,25<H₀; H₃ 0,75H₀.

Русловая гидроустановка фиг. 1 своей плоскостью, проходящей через обе вертикальные оси вращения роторов, устанавливается поперек потока таким образом, чтобы, в случае относительно небольшой глубины бассейна (в 3 4 раза превышающей линейные размеры установки), скорость потока по направлению совпадала с направлениями линейных скоростей тех точек боковых поверхностей цилиндров 8, которые находятся на наибольшем удалении друг от друга (фиг.3, скорости V_ц), в противном случае, в относительно более глубоких бассейнах, эта плоскость разворачивается на 180 относительно положения, описанного выше. Глубину погружения роторов можно менять и фиксировать перемещением горизонтальных штанг 3 вдоль вертикальных стоек 1, а расстояние между роторами перемещениями вертикальных стоек 2 вдоль горизонтальных штанг, при этом верхняя горизонтальная штанга и валы отбора мощности 7 должны выступать над поверхностью воды при любом погружении, включая и случай эксплуатации установки в зимнее время, обеспечивая тем самым возможность передачи мощности с вала 7 потребителю каким-либо известным способом (на фиг. не показано).

Способ преобразования энергии потоков в механическую или электрическую энергию реализуется русловой гидроустановкой следующим образом.

Под действием набегающего поступательно движущегося потока жидкости на лопасти 9 и 10 оба ротора начинают вращаться вокруг своих вертикальных осей в противоположных направлениях. Вращательное движение роторов передается жидкости, при этом внутри полого цилиндра жидкость вращается как твердое тело с угловой скоростью, равной скорости вращения роторов, а вне цилиндра линейная скорость вращающейся жидкости убывает в зависимости от расстояния до оси вращения по определенному закону (фиг.3). Это вращательное движение передается вышележащим слоям жидкости, вовлекая тем самым весь объем жидкости от ротора до поверхности во вращательное движение, при этом на поверхности жидкости образуется вихревая воронка. Давление во вращающихся слоях жидкости распределено по определенному закону, меняясь от минимального значения на оси вращения до максимального на внешней границе вихревого движения, которое равно давлению в поступательно движущемся потоке жидкости. В нижележащих, под роторами, слоях жидкости, которые не вовлечены в вихревое движение, давление будет больше, чем в вышележащих вращающихся слоях, причем максимальный градиент давления будет вдоль осей вращения роторов. Под действием разности давлений жидкость движется вверх вдоль соответствующей осей вращения роторов и, проходя по внутреннему, конусообразному, вращающемуся каналу ротора, закручивается в спираль. На выходе внутреннего канала движущаяся по спирали жидкость воздействует на лопасти 10, расположенные на трубчатом валу отбора мощности 7 и тем самым энергия движущейся по спирали жидкости преобразуется в энергию вращательного движения роторов и через них в энергию вращательного движения жидкости, что в свою очередь поддерживает разность давлений, являющуюся движущей силой этого процесса, в который вовлекаются все более глубокие слои жидкости. В результате процесс образования вихря доходит до нижней границы потока жидкости, которой является дно бассейна, причем, как в процессе образования вихря, так и в процессе его существования в дальнейшем устойчивость вихря в потоке обеспечивается тем, что он существует в паре с другим противоположно закрученным вихрем, при этом пара ориентирована определенным образом. Так как ядром вихря является поверхность цилиндра, то лопасти 9 взаимодействуют с вращающимся потоком жидкости, имеющим скорость большую, чем скорость поступательно движущегося потока, что ведет к повышению эффективности работы роторов. В случае применения способа для глубоких бассейнов установка ориентируется относительно течения так, чтобы роторы вращались в направлениях, противоположных указанным на фиг. 3. В этом случае процесса вихреобразования не происходит, так как зарождающиеся вихри уносятся потоком. В то же время обеспечивается постоянная разность давлений между поверхностными вращающимися слоями жидкости и более глубокими слоями, под установкой, в результате чего энергия поступательного движения этих (глубоких) слоев преобразуется в энергию движущейся по спирали жидкости, которая преобразуется в механическую или электрическую, что также ведет к повышению эффективности работы роторов.

Использование предлагаемого способа преобразования энергии руслового потока в механическую или электрическую энергию, а также русловой гидроустановки, реализующей его, позволит упростить конструкцию, улучшить эксплуатационные свойства, повысить КПД устройства, реализующего предлагаемый способ.

Использование: в гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии потока рек, каналов, быстротоков. Сущность изобретения: преобразование энергии руслового потока в механическую или электрическую энергию осуществляется путем изменения поступательного движения потока во вращательное движение жидкости и преобразователя энергии гидроустановки, причем данное изменение движения осуществляют образованием двух вихрей противоположного направления вращения, при глубине потока, не превышающей трехкратно линейные размеры гидроустановки, обеспечивают совпадение скоростей вихрей и потока с внешних боковых сторон вихрей, а при глубине потока, превышающей трехкратно линейные размеры гидроустановки, обеспечивают противоположное направление скоростей вихрей и потока с внешних боковых сторон вихрей. В русловой гидроустановке, содержащей каркас с двумя вертикально расположенными полыми телами вращения, выполненными в виде полых цилиндров, и размещенные в последних валы отбора мощности с установленными друг над другом двумя лопастными турбинами, при этом валы установлены с возможностью вращения в противоположных направлениях, каждый цилиндр снабжен внутренней стенкой, выполненной в виде трубы переменного сечения, закрепленной с образованием сужающегося кверху канала, валы выполнены трубчатыми и закреплены на внутренних осях, связанных с каркасом, лопасти верхних и нижних турбин расположены симметрично оси вращения и прикреплены к наружным боковым поверхностям валов и цилиндров, соответственно, причем к последним прикреплены под острым углом, при этом стенки цилиндра, трубы и вала жестко связаны между собой с образованием единой системы ротора, а для обеспечения противоположного вращения роторов лопасти их турбин ориентированы в разные стороны. 3 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования энергии руслового потока в механическую или электрическую энергию путем изменения поступательного движения потока во вращательное движение жидкости и преобразователя энергии гидроустановки, причем данное изменение движения осуществляют образованием двух вихрей противоположного направления вращения, отличающийся тем, что при глубине потока, не превышающей трехкратно линейные размеры гидроустановки, обеспечивают совпадение скоростей вихрей и потока с внешних боковых сторон вихрей. 2. Способ преобразования энергии руслового потока в механическую или электрическую энергию путем изменения поступательного движения потока во вращательное движение жидкости и преобразователя энергии гидроустановки, причем данное изменение движения осуществляют образованием двух вихрей противоположного направления вращения, отличающийся тем, что при глубине потока, превышающей трехкратно линейные размеры гидроустановки, обеспечивают противоположное направление скоростей вихрей и потока с внешних боковых сторон вихрей. 3. Русловая гидроустановка, содержащая каркас с двумя вертикально расположенными полыми телами вращения, выполненными в виде полых цилиндров, и размещенные в последних валы отбора мощности с установленными друг на другом двумя лопастными турбинами, при этом валы установлены с возможностью вращения в противоположных направлениях, отличающаяся тем, что каждый цилиндр снабжен внутренней стенкой, выполненной в виде трубы переменного сечения, закрепленной с образованием сужающегося кверху канала, валы выполнены трубчатыми и закреплены на внутренних осях, связанных с каркасом, лопасти верхних и нижних турбин расположены симметрично оси вращения и прикреплены к наружным боковым поверхностям валов и цилиндров соответственно причем последние прикреплены под острым углом, при этом стенки цилиндра, трубы и вала жестко связаны между собой с образованием единой системы ротора, а для обеспечения противоположного вращения роторов лопасти их турбин ориентированы в разные стороны.