ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1999 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к области энергетики, а именно к электростанциям, преобразующим энергию текучей рабочей жидкости в электрическую энергию.

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.

Задачей изобретения является повышение КПД выработки электроэнергии и увеличение равномерности ее подачи потребителю.

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.

На фиг. 1 схематически представлен общий вид гидроэлектростанции, а на фиг. 2 вид А фиг. 1 на клапанное устройство в открытом положении.

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.

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.

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).

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.

Гидроэлектростанция работает следующим образом.

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.

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.

Поднимаемая поршнем 5 рабочая жидкость, достигнув точки 24, начинает сливаться на лопатки уже раскрученной воздушным потоком турбины 20, увеличивая скорость ее вращения.

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.

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.

После чего поршень 4 поднимается вверх и рабочий цикл повторяется, при этом вверх поднимается уже расчетный столб рабочей жидкости.

Таким образом на лопатки турбины 20 производится непрерывное последовательное воздействие потоков воздуха и рабочей жидкости в одном направлении.

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.

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.

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.

Устройство предназначено для получения электрической энергии. 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. Цилиндры частично заполнены текучей рабочей жидкостью, а их нижние концы сообщены между собой. 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. 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 - в виде диска с отверстием или отверстиями вдоль оси цилиндра и обратным клапаном или обратными клапанами для их перекрытия при движении поршня вверх. 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. В стенке третьего цилиндра выше уровня рабочей жидкости, но ниже турбины выполнены отверстия для сообщения с атмосферой. Конструкция гидроэлектростанции позволяет повысить КПД выработки электроэнергии и увеличить равномерность ее подачи потребителю. 2 ил.

Гидроэлектростанция, содержащая 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 торцев, при этом цилиндры частично заполнены текучей рабочей жидкостью, а их нижние концы сообщены между собой, отличающаяся тем, что она 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 концами 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 - в 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.