ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ Российский патент 2016 года по МПК F03B17/00 

Изобретение относится к прикладной механике, а именно к технике получения механической энергии и преобразования ее в электрическую энергию, и может быть использовано в гидроэнергетике.

Современная цивилизация с постоянным ростом населения выдвигает все новые и новые задачи, решение которых в существенной мере связано с растущим применением электрической энергии во всем многообразии форм. Увеличение спроса на энергию ставит вопрос о поисках принципиально новых путей решения энергетической проблемы. В мире самым гарантированным возобновляемым источником для получения электрической энергии является вода. В нашей стране построены сотни малых, средних и крупных гидроэлектрических станций /ГЭС/. Известна ГЭС, включающая плотину, перегораживающая реку и создающая подъем уровня воды, и здание станции, в котором размещаются гидравлические турбины, генераторы электрического тока и другое механическое и электрическое оборудование /1/. Основным недостатком этой ГЭС является строительство плотины для концентрации потока воды и сопутствующих ей других сооружений. Здесь требуются большие капитальные вложения, трудовые и денежные средства. Под водохранилище затапливаются огромные полезные территории. С точки зрения экологии водохранилище сильно влияет на климат планеты.

Наиболее близким техническим решением является ГЭС, включающая опорный фундамент с турбинной камерой, соединенной с напорным трубным водоводом и трубным водоотводом, гидравлическую турбину гидрогенератора, размещенную в турбинной камере, резервуар воды, соединенный с напорным трубным водоводом, устройства автоматического управления и контроля, вспомогательное оборудование и распределительное устройство высокого напряжения /2/.

Недостатком этой ГЭС является необходимость строительства гидротехнических сооружений, ограниченные возможности использования водной энергии, большой расход воды и невозможность строительства станции на равнинных территориях.

Целью настоящего изобретения являются повышение экологической безопасности окружающей среды, резкое снижение расхода воды и расширение диапозона строительства источника электрической энергии в равнинных территориях.

Поставленная цель достигается тем, что известная гидроэлектрическая станция, включающая опорный фундамент с турбинной камерой, соединенной с напорным трубным водоводом и трубным водоотводом, гидравлическую турбину гидрогенератора, размещенную в турбинной камере, резервуар воды, соединенный с напорным трубным водоводом, устройства автоматического управления и контроля, вспомогательное оборудование и распределительное устройство высокого напряжения, снабжена разгонно-взрывными бронированными камерами с разгонными трубами, вакуумообразующими машинами, пневмо- и гидроаккумуляторами, генератором сжатого воздуха и демпферами, при этом напорный трубный водовод и трубный водоотвод соединены между собой, выполнены в форме кольцевой трубы и вместе с турбинной камерой образуют замкнутую кольцевую камеру, к которой закреплены разгонно-взрывные бронированные камеры с разгонными трубами, вакуумообразующие машины, пневмо- и гидроаккумуляторы, генератор сжатого воздуха, демпферы и резервуар воды, причем замкнутая кольцевая камера и каждая разгонно-взрывная бронированная камера с разгонными трубами являются сообщающимися сосудами.

Кольцевая камера снабжена дополнительной турбинной камерой с гидравлической турбиной гидрогенератора, трубопроводами с затворами, а ее кольцевая труба выполнена с переменным сечением и имеет форму круга, или квадрата, или треугольника, или прямоугольника со сводом.

Предложенная конструкция ГЭС содержит замкнутую напорную кольцевую камеру, которую один раз заправляют технической водой и воздухом /газом/, разгоняют их до расчетной скорости, продолжительное время /годы/ вращают гидравлическую турбину и получают энергию. Эстафетное расположение разгонных труб и вакуумообразующих машин внутри напорной кольцевой камеры способствует созданию не только внутренней системе эжекторных и волновых струй гидропотока, но и устойчивого цепного вакуумного процесса, который является ускорителем гидропотока в кольцевой камере. Достойно удивления, что рассматриваемая конструкция ГЭС позволяет разрушить свойства воды, изменять ее состояние и вместе с газами и ударными волнами формировать новое техническое явление в кольцевой камере. При этом внутренняя потенциальная энергия воды и воздуха переходит в кинетическую, а затем в механическую работу вращения вала гидравлической турбины и получения электрической энергии.

Взаимодействие и взаимосвязь конструктивных элементов ГЭС позволяет создать гидро- и аэродинамическую систему для получения в круговом процессе непрерывного устойчивого режима турбулентного движения управляемых вихрей /смерчей/ внутри кольцевой камеры.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показан общий вид ГЭС в плане. На фиг.2 изображена схема турбинной камеры с горизонтальной ковшовой турбиной. На фиг.3 изображена схема турбинной камеры с вертикальной ковшовой турбиной /вариант/. На фиг.4 представлена схема замкнутой кольцевой камеры с горизонтальной и вертикальной турбинами. На фиг.6 представлено сечение кольцевой трубы с центральной разгонной трубой. На фиг.5 показана схема замкнутой кольцевой камеры с двумя гидравлическими турбинами. На фиг.7 показано сечение кольцевой трубы с боковыми разгонными трубами. На фиг.8 представлена схема кольцевой трубы с переменным сечением. На фиг.9 показано сечение кольцевой трубы с внутренними вакуумообразующими машинами. На фиг.10 изображена форма кольцевой трубы: а - круглая; б - квадратная; в - треугольная; г - прямоугольно-сводная. На фиг.11 показано машинное здание с кольцевой трубой.

Гидроэлектрическая станция содержит фундаменты 1 и 2, на которых установлены кольцевая труба 3 и турбинная камера 4. На фундаменте 2 закреплены гидрогенератор электрического тока 5 с осью 6 и гидравлической турбиной 7. Внутри кольцевой трубы 3 закреплены Г-образные разгонные трубы 8, которые соединены с взрывной бронированной камерой 9, внутри которых закреплены взрывные механизмы 10. Кольцевая труба 3 снабжена демпферами 11 и контрольно-измерительными датчиками 12 и приборами 13. К кольцевой трубе 3 присоединен резервуар воды 14 посредством трубы 15 с краном 16 и гидравлический аккумулятор 17 посредством трубы 18 с краном 19, при этом гидравлический аккумулятор 17 посредством трубы 20 с кранами 21 и 22 соединен с резервуаром воды 14 и посредством трубы 23 с краном 24 закреплен с пневматическим аккумулятором 25, который связан с генератором сжатого воздуха 26. Гидрогенератор 5 размещен в здании машинного зала 27, где расположены устройства автоматического управления и контроля 28 и другое вспомогательное оборудование. Гидрогенератор 5 посредством кабеля 29 соединен с распределительным устройством высокого напряжения 30 и ЛЭП 31. Резервуар воды 14 посредством трубы 32 с краном 33 соединен с насосной системой 34, которая размещена на берегу реки или озера. Между кольцевой трубой 3 и турбинной камерой 4 расположен потоконаправляющий аппарат с соплом 35 и шаровой затвор 36. Потоконаправляющий аппарат с соплами 5 соединен со спиральной камерой 37 /вариант/.

Кольцевая труба 3 содержит дополнительную турбинную камеру 38 с гидрогенератором 39, гидравлической турбиной 40 и трубопроводами 41 и 42. Внутри кольцевой трубы 3 размещены вибрационные устройства 43 и вакуумообразующие машины 44. Сплошной стрелой показан вектор движения гидропотока внутри кольцевой трубы 3.

Гидроэлектрическая станция работает следующим образом.

Вариант 1. Из водоема /река, озеро, пруд/ подают воду в резервуар 14 посредством насосной системы 34 через трубу 32 и кран 33, при этом воду фильтруют и обогащают химическими реагентами. Отметим, что длина трубы 32 может составить от 7 м до сотни километров. Затем из резервуара 14 через трубу 15 и кран 16 заполняют водой кольцевую трубу 3 и трубную камеру 4 до 97% /±2,5%/ их объема. Из резервуара 14 через трубу 20 и краны 21 и 22 подают воду в гидроаккумулятор 17. Из генератора сжатого воздуха /компрессора/ 26 подают сжатый воздух в пневмоаккумулятор 25, где давление составляет порядка 70 ати. Сжатый воздух из пневмоаккумулятора подают в гидроаккумулятор 17, где давление воды значительно больше расчетного рабочего давления в кольцевой трубе 3. Гидроаккумулятор 17 предназначен для регулирования рабочего давления в трубе 3. Затем в бронированных камерах 9 посредством взрывного механизма 10 производят последовательные и направленные взрывы и через разгонные трубы 8 в кольцевую камеру 3 под воздействием ударной волны поступают вихревые потоки воды и газа, сумма которых позволяет разгонять воду внутри кольцевой камеры. Одновременно в трубе 3 посредством вакуумообразующих машин 44 образуют "поток" вакуума, который позволяет обеспечить скорость и инерционную силу водяного потока в круговороте кольцевой камеры. Через сопло 35 гидропоток входит в турбинную камеру 4 и вращает гидравлическую турбину 7, на одном валу с которой находится ротор /не показан/ генератора электрического тока 5. В турбине 7 гидравлическая энергия превращается в механическую энергию вращения ее рабочего колеса вместе ротором генератора, а в роторе происходит преобразование механической энергии в электрическую. В турбинной камере 4 могут быть установлены известные конструкции гидравлических турбин: активные /рабочее колесо состоит из ковша и не погружено внутрь потока/и реактивные /пропеллерные, поворотно-лопастные и др., когда лопасти погружены внутрь потока/.

После взрыва жидкости в бронированной камере 9 резко повышается давление воды в замкнутой кольцевой камере и количество вредных механических колебаний. Эти негативные явления заглушают и предотвращают посредством демпферов 11.

Скорость движения потока воды и давления в кольцевой камере измеряют контрольно-измерительными датчиками 12 и приборами 13. Внутреннюю поверхность кольцевой трубы выполняют шероховатой, чтобы снизите трение. В рассматриваемом изобретении важную роль играет форма поперечного сечения кольцевой трубы. На наш взгляд, оптимальным вариантом может служить треугольная форма трубы 3. Разгонные трубы 8 размещают как в центре, так на боковой поверхности трубы 3. Рациональный вариант может быть найден только после проведения экспериментальных работ. Предварительные расчеты показывают, что в конструкции ГЭС можно одновременно соединить две турбинные камеры и вращать 2 гидравлические турбины.

В разгонно-бронированных камерах ГЭС следует применять известные методы взрыва, основанные на использовании энергии взрыва бризантных взрывчатых веществ /ВВ/, порохов, взрывчатых газовых смесей, электрогидравлический эффект Л.А.Юткина [3], эффект имплозии [4] и др. При этом для разгона воды в кольцевой камере должны быть применены как отдельные, так и комбинированные методы взрыва. Особо отметим, что при использовании электрогидравлического эффекта ЮТКИНА и эффект ИМПЛОЗИИ /от лат. - внутрь бью/ при взрыве жидкости не образуются продукты взрыва и газов.

Рассмотрим простой пример реализации эффекта имплозии, который является главным образователем "потока" вакуума в кольцевой камере и движителем гидропотока.

В высоконапорной трубе с манометром и объемом 1 м³ размещают пустую капсулу /например, лампу накаливания или герметичную бутылку/, заполняют водой трубу, повышают давление воды в трубе до 30 ати и взрывают пустую капсулу. Манометр фиксирует давление до 180 ати! Причем такой вакуумный "взрыв" рождает и ударную волну, и импульсные силы, и разрыв жидкости. В предложенном изобретении следует применять вакуумообразующие машины типа поршневых машин, в которых роль пустой капсулы будут выполнять поршни.

Для полного раскрытия технологии разгона и кругового вращения воды в кольцевой камере следует рассмотреть их физико-механические основы. Известно, что ударная волна после взрыва представляет собой практически мгновенное сжатие среды, т.е. увеличение ее плотности и давления. Существует новое открытие, которое гласит:

"Установлено неизвестное ранее явление образования ударных волн разрежения в однофазных средах, заключающееся в том, что в условиях сильного межмолекулярного взаимодействия, приводящего к уменьшению скорости звука с ростом давления, область разрежения распространяется в виде ударной волны. " /5/

Явление образования ударных волн разрежения позволяет точно оценить поведение воды при резких разрывах в напорной кольцевой камере и в области фазовых превращений, когда при ударной волне разрежения происходит уменьшение плотности и давления воды. Сочетание этих двух явлений при взрыве в сопровождении вакуумных взрывов позволяет утверждать, что в напорной кольцевой камере непрерывно происходит цепной вакуумный процесс и рождение высокоэнергетического вихревого рабочего тела наподобие смерча - торнадо в океане. Ведь современная наука доказывает, что циклоны в океане рождаются преимущественно при наличии перепадов температуры и давления воды и воздуха.

Цепной вакуумный процесс-реакция разрушения сжатой воды в напорной кольцевой камере под воздействием вакуумных взрывов, в каждом акте которой число вакуумных пузырьков непрерывно возрастает и возникает самоподдерживающийся процесс движения наподобие природного явления образования вихря в океане. Главной характеристикой развития цепного вакуумного процесса служит непрерывное размножение вакуумных пузырьков в круговом процессе с появлением активного импульса вакуумной энергии и вихреобразования. Под воздействием ударной волны и вакуумной энергии на воду и газы изменяется агрегатное состояние воды в замкнутой камере. В вакуумном поле молекулы газа и воды распадаются на составляющие их атомы, которые затем могут превращаться в ионы, при этом в системе плотность положительных и отрицательных ионов равна. Таким образом, сплошность воды в замкнутой камере нарушается и формируется многофазная система /вода + газы + ударная волна + вакуумная энергия/ наподобие вихревой плазмы /от греч. - вылепленное/, которая в потоках ударной волны повышения и понижения давления, как вылепленный плотный ветер, приобретает инерционные силы и непрерывное самовозбуждение.

Следовательно, в замкнутой кольцевой камере рассматриваемой конструкции ГЭС рождается волновой гидро- и аэродинамический поток в форме управляемой вихревой плазмы. Важно отметить, что после разгона воды в кольцевой камере и формирования вихревой плазмы для кругового вращения ее требуются лишь незначительные затраты энергии по сравнению с получаемой энергии.

Для полного движения к истине следует рассмотреть еще одно новое научное открытие, которое гласит:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление образования в открытом океане перемещающихся синоптических вихрей, заключающееся в том, что в толще океана происходит формирование систем движущихся циклонических и антициклонических вихрей размерами в десятки и сотни километров и кинетической энергией, превосходящей энергию крупномасштабных течений" /6/.

Отметим, что авторы данного открытия исследовали синоптические вихри на глубине океана до нескольких километров.

На наш взгляд, рассматриваемая конструкция ГЭС частично есть физическая модель перемещающихся синоптических вихрей в океане, где общим фундаментом является упорядоченное движение воды и механизмы формирования циркуляции синоптических вихрей.

В предложенной конструкции ГЭС общая длина кольцевой трубы может составить от 36 м до 3600 м, а внутренний диаметр трубы от 0,7 м до 12 м. Расход воды на выходе из сопла может быть от 12 м³/с до 2000 м³/с.

Настоящее изобретение является пионерным решением и позволяет создать новое поколение ГЭС для получения электрической энергии. Преимущество рассматриваемой ГЭС очевидно. Внедрение этих ГЭС позволить резко сократить количество ЛЭП. Строительство ГЭС не создает экологические проблемы и не захватывает полезные земли и археологические объекты. ГЭС не нарушает ритмы рек и других водоемов и не наносит вред рыбному хозяйству. ГЭС не может создать опасность для населения при прорыве кольцевой камеры. При этом расход воды минимальный по сравнению со всеми известными электрическими станциями. Расходы строительных материалов незначительны. Продолжительность строительства может составить порядка 2-3 лет. Важно и то, что конструкцию ГЭС можно собрать из модульных элементов. ГЭС можно строить во всех климатических зонах нашей страны.

Источники информации

1. Шавелев Д.С. и др. "Использование водной энергии". Л., "Энергия", 1976, с.66 и 423.

2. То же, с.406 и 427.

3. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и некоторые возможности его применения: ЛДНТП, 1959 г.

4. Политехнический словарь. М.,"Советская энциклопедия», 1980, с.189.

5. Открытия в СССР. 1986. ВНИИПИ, Москва, 1987, с.3-4.

6. Открытия в СССР. 1978. ЦНИИПИ, Москва, 1979, с.16-18.

Изобретение относится к прикладной механике, а именно к технике получения механической энергии и преобразования ее в электрическую. Целью изобретения является расширение диапазона использования водной энергии. Гидроэлектрическая станция содержит фундаменты, на которых сооружено здание машинного зала, установлены и закреплены электрический генератор с гидравлическими турбинами, замкнутая кольцевая камера, резервуар воды, устройства автоматического управления и контроля, вспомогательное оборудование, распределительное устройство высокого напряжения, генератор сжатого воздуха и пневмо- и гидроаккумуляторы. Причем замкнутая кольцевая камера состоит из турбинной камеры, в которой размещена гидравлическая турбина, и кольцевой трубы, к которой присоединены разгонно-бронированные камеры с разгонными трубами, вакуумообразующие машины, пневмо- и гидроаккумуляторы, генератор сжатого воздуха, демпферы, резервуар воды и контрольно-измерительная аппаратура. Взаимосвязь и взаимодействие конструкции станции позволяет один раз заправить водой и воздухом замкнутую кольцевую камеру, разгонять эту смесь по кругу, формировать рабочее тело и продолжительное время (годы) вращать гидравлическую турбину и получать электрическую энергию. 2 н.п. ф-лы, 11 ил.

1. Гидроэлектрическая станция, включающая опорный фундамент с турбинной камерой, соединенной с напорным трубным водоводом и трубным водоотводом, гидравлическую турбину гидрогенератора, размещенную в турбинной камере, резервуар воды, соединенный с напорным трубным водоводом, устройства автоматического управления и контроля, вспомогательное оборудование и распределительное устройство высокого напряжения, отличающаяся тем, что с целью повышения экологической безопасности окружающей среды, резкого снижения расхода воды и расширения диапазона строительства источника электрической энергии на равнинных территориях, она снабжена разгонно-взрывными бронированными камерами с разгонными трубами, вакуумообразующими машинами, пневмо- и гидроаккумуляторами, генератором сжатого воздуха и демпферами, при этом напорный трубный водовод и трубный водоотвод соединены между собой, выполнены в форме кольцевой трубы и вместе с турбинной камерой образуют замкнутую кольцевую камеру, к которой закреплены разгонно-взрывные бронированные камеры с разгонными трубами, вакуумообразующие машины, пневмо- и гидроаккумуляторы, генератор сжатого воздуха, демпферы и резервуар воды, причем замкнутая кольцевая камера и каждая разгонно-взрывная бронированная камера с разгонными трубами являются сообщающимися сосудами.

2. Гидроэлектрическая станция, отличающаяся тем, кольцевая камера снабжена дополнительной турбинной камерой с гидравлической турбиной гидрогенератора, трубопроводами с затворами, а ее кольцевая труба выполнена с переменным сечением и имеет форму круга, или квадрата, или треугольника, или прямоугольника со сводом.