Способ преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления -”Вихревая ГЭС”

(51) 02 21/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ полученного вращательного движения на ротор электрогенератора, согласно изобретению, в качестве механизма формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил принят способ преобразования кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение по механизму конусообразной спирали, при этом рабочий угол конуса водоворота для создания центробежного ускорения составляет более 36 градусов и менее 90 градусов, а в нижней усеченной конусообразной части гидротехнической установки вода течет по траекторий -образной трубы до уровня нижнего бьефа воды с полным преобразованием вращательного движения воды обратно в ускоренное прямолинейное движение. При этом, в гидроэнергетической установке, осуществляемой по предлагаемому способу, состоящей из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора, гидротехническое сооружение выполнено конусообразной формы с направляющими лопастями в виде лент,расположенными в воронке по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, альтернативно выполненными - однозаходными, двухзаходными и трехзаходными, причем в нижней конусообразной части гидротехническая установка переходит в образную трубу в конце которой на уровне нижнего бьефа воды установлена турбина. Кроме того, на уровне верхнего бьефа на входных участках конусообразной части гидротехнической установки установлены в качестве гидравлических преобразователей закручивающие аппараты,выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных и тангенциально-лопаточных аппаратов.(72) Баубеков Куат Талгатович Баубеков Арсланбек Куатович Омаров Курмангазы Куралович(73) Акционерное общество Казахский агротехнический университет им. Сакена Сейфуллина(56) Бубнов Ю. Малые вихревые гравитационные гидроэлектростанции. Сантехника, 2010, с.20-22(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ - ВИХРЕВАЯ ГЭС(57) Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве способа преобразования гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек в электрическую энергию, а также способа улучшения качества воды. Технической задачей предложенного изобретения является создание способа и устройства для эффективного преобразования гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек в электрическую энергию, а также повышение уровня обитания живых организмов в реках путем побочной аэрации и улучшения качества воды. Технический результат достигается тем, что в известном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую, состоящем из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток за счет тангенциального подвода воды, создания перепада уровня воды между верхним и нижним бьефом,формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил, а также передачи Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве способа преобразования гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек в электрическую энергию, а также, способа улучшения качества воды. Известен с древнейших времен способ преобразования гидравлической энергии в механическую с помощью простейшего гидравлического двигателя в виде водяного колеса,приводимого в действие энергией потока воды (см. Большую советскую энциклопедию, 3-е издание. М. изд. Советская энциклопедия. 1971, т. 5, с.201),которое позднее применялось для привода водяных мельниц, рабочих машин и механизмов мелких производств. Недостатками в указанном способе преобразования гидравлической энергии в механическую с помощью водяного колеса являются малые мощность, частота вращения и коэффициент полезного действия, а также громоздкость. Известен также способ преобразования гидравлической энергии в электрическую,значительно устраняющий недостатки вышеописанного способа, состоящий из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток и передачи полученного движения последних на ротор электрогенератора (см. Большую советскую энциклопедию, 3-е издание. М изд. Советская энциклопедия. 1971, т.6, с.510-512). При этом гидроэнергетическая установка состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений и оборудования, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора преобразующего энергию движущейся под напором в гидротурбине воды в механическую энергию вращения, которая в свою очередь, в электрогенераторе преобразуется в электрическую энергию. Напор ГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной или деривацией. В горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации-до 1500 м. При этом мощность турбины для ГЭС выражается формулой т 9,81 Нтг, кВ (1) где- расход воды через турбину, м 3/с Н подведенный к турбине напор, определяемый разностью уровней верхнего и нижнего бассейна, с учетом гидравлических потерь, м т-к.п.д. турбины г-к.п.д. генератора. Недостатками в указанном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую,осуществляемой в гидроэнергетической установке,являются необходимость аккумулирования громадных потоков воды на большой высоте над гидротурбиной путем создания капиталлоемкой плотины и затопление огромных полезных и плодородных площадей. Кроме того, в указанном 2 способе преобразования гидравлической энергии крайне неэффективно используется потенциальная энергия. Наиболее близким прототипом является способ преобразования гидравлической энергии в электрическую,значительно устраняющий недостатки вышеописанного способа, состоящий из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток за счет тангенциального подвода воды,создания перепада уровня воды между верхним и нижним бьефом, формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил, а также передачи полученного движения на ротор электрогенератора (см. статью Ю. Бубнова Малые вихревые гравитационные гидроэлектростанции в журнале РФ Сантехника, 2, 2010, с.20-22.). При этом в гидроэнергетической установке,осуществляемой по приведенному способу,состоящей из комплекса гидротехнических сооружений,рабочих органов турбины и электрогенератора, плотина гидротехнического сооружения выполнена в виде шахты из бетонного цилиндра с диаметром и водоворотом 6,5 м и рабочем перепаде высот воды 1,5 м. Причем по оси водоворота устанавливается ротор турбины,который передает вращательное движение последнего валу электрогенератору. Недостатками в указанном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую,осуществляемой в гидроэнергетической установке, является слабый напор, который создается слабым водоворотом вращения воды на используемом горизонтальном участке и при обычно малых скоростях воды создает малую мощность и соответственно громоздкость гидротурбины. Также,слабым звеном по эффективности водоворота является шахта из бетонного цилиндра и рабочий орган турбины гидроэнергетической установки, который в тому же преждевременно гасит вихревую энергию в воде. Технической задачей предложенного изобретения является создание способа и устройства для эффективного преобразования гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек в электрическую энергию, а также повышение уровня обитания живых организмов в реках путем побочной аэрации и улучшения качества воды. Технический результат достигается тем, что в известном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую, состоящем из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток за счет тангенциального подвода воды, создания перепада уровня воды между верхним и нижним бьефом,формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил, а также передачи полученного вращательного движения на ротор электрогенератора, согласно изобретению, в качестве механизма формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил принят способ преобразования кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение по механизму конусообразной спирали, при этом рабочий угол конуса водоворота для создания центробежного ускорения составляет более 36 градусов и менее 90 градусов, а в нижней усеченной конусообразной части гидротехнической установки вода течет по траекторий -образной трубы до уровня нижнего бьефа воды с полным преобразованием вращательного движения воды обратно в ускоренное прямолинейное движение. При этом, в гидроэнергетической установке, осуществляемой по предлагаемому способу, состоящей из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора, гидротехническое сооружение выполнено конусообразной формы с направляющими лопастями в виде лент,расположенными в воронке по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, альтернативно выполненными - однозаходными, двухзаходными и трехзаходными, причем, в нижней конусообразной части гидротехническая установка переходит в образную трубу в конце которой на уровне нижнего бьефа воды установлена турбина. Кроме того, на уровне верхнего бьефа на входных участках конусообразной части гидротехнической установки установлены в качестве гидравлических преобразователей закручивающие аппараты,выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных и тангенциально-лопаточных аппаратов. На фиг.1 изображена простейшая принципиальная схема для осуществления способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления- Вихревая ГЭС, где 1 - конусообразная часть гидротехнической установки (воронка) 2 закручивающие аппараты(выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных и тангенциально-лопаточных) 3 - -образная труба 4 - перепад уровня воды между верхним и нижним бьефом 5 -турбина 6 - соединительная муфта 7 передаточный механизм 8 -электрогенератор 9 направляющие лопасти в виде лент, расположенные в воронке по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности на фиг.2 изображена простейшая принципиальная схема для осуществления способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления- Вихревая ГЭС (вид сверху), где 1 конусообразная часть гидротехнической установки 2 - закручивающие аппараты (выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных и тангенциально-лопаточных) 3 - -образная труба 4 - перепад уровня воды между верхним и нижним бьефом 5 - турбина 6 - соединительная муфта 7 передаточный механизм 8 - электрогенератор 9 направляющие лопасти в виде лент, расположенные в воронке по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности на фиг.3 изображены профили конической части гидротехнических установок соответствующие ускорениям , 2, 3. Применение предлагаемого способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройства для его осуществления может быть реализовано следующим образом. В известном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую,состоящем из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток за счет тангенциального подвода воды, создания перепада уровня воды между верхним и нижним бьефом, формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил, а также передачи полученного вращательного движения на ротор электрогенератора,в качестве механизма формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил принят способ преобразования кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение по конусообразной спирали (фиг.1, 2), при этом рабочий угол конуса водоворота для создания центробежного ускорения (от 1 до 3, где 9,81 м/с 2) составляет более 35 градусов и менее 90 градусов (фиг.3), а в нижней усеченной конусообразной части гидротехнической установки вода течет по траекторий -образной трубы до уровня нижнего бьефа воды с полным преобразованием вращательного движения воды обратно в ускоренное прямолинейное движение. При этом, в гидроэнергетической установке,осуществляемой по предлагаемому способу,состоящей из комплекса гидротехнических сооружений,рабочих органов турбины и электрогенератора, гидротехническое сооружение(фиг.1, 2) выполнено конусообразной формы 1 с направляющими лопастями в виде лент 9,расположенными в воронке 1 по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности. Конструктивно они могут быть выполнены альтернативно однозаходными,двухзаходными или трехзаходными. В верхнюю часть конусообразной части 1 гидротехнической установки (фиг.1, 2) вода подводится тангенциально через закручивающие аппараты 2 (выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных и тангенциальнолопаточных). В нижней конусообразной части гидротехническая установка переходит в образную трубу 3 в конце которой на уровне нижнего бьефа воды 4 установлена турбина 5. Через соединительную муфту 6, передаточный механизм 7 турбина 5 соединена с электрогенератором 8. Таким образом, в конусообразной части гидротехнической установки,во-первых,происходит разгон (так как ускорение прямо пропорционально квадрату скорости воды и обратно пропорционально радиусу вращения) и, во-вторых,преобразование вращательного движения воды обратно в ускоренное прямолинейное движение как бы через сообщающиеся сосуды без погашения вихревой энергии (это одно из удивительных свойств вихревого движения). Пример конкретного выполнения. Предлагаемый способ преобразования гидравлической энергии в электрическую и работа устройства для его осуществления в вихревых мини 3 гидроэлектростанциях (вихревых мини ГЭС) реализуется следующим образом. Необходимым условием реализации способа является механизм создания искусственного перепада уровня воды между верхним и нижним бьефом путем альтернативного применения барьера,обводного канала, суживающегося участка. В вихревых мини гидроэлектростанциях, как правило, монтируются несколько однотипных гидротехнических установок. Вода тангенциально подводится к конусообразной части гидротехнической установки (к воронке) (фиг.1, 2) 1 через закручивающие аппараты (например, через тангенциальные). Далее вода, двигаясь по направляющим лопастям в виде лент 9,расположенными в воронке 1 по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, получает ускоренное центробежное вращательное движение. В центре образующегося водоворота происходит подсос воздуха из атмосферы и аэрация воды. В нижней конусообразной части гидротехническая установка переходит в -образную трубу 3 в конце которой на уровне нижнего бьефа воды установлена турбина 5. В -образной трубе 3 вращательное движение воды обратно переходит в ускоренное прямолинейное движение как бы через сообщающиеся сосуды без погашения вихревой энергии и по инерции вращает лопасти шнековой турбины 5,соединенной с ротором электрогенератора 8 через соединительную муфту 6 и передаточный механизм 7 (фиг.1, 2). В результате вырабатывается электроэнергия которая через кабели передается потребителям, например, для освещения набережной города. В равнинных реках, где обычно скорость течения воды бывает небольшой примерно в среднем 1,0-1,5 м/с, из-за застойных процессов в реках процесс обновления и самоочищения сильно ограничен, и качество воды неуклонно снижается из-за нехватки кислорода. Река может в выборочных местах успешно аэрироваться в специально построенных системах, представляющие собой воронки с вихревым гравитационным вертикальным водоворотом воды, как например, в предлагаемом способе преобразования гидравлической энергии в электрическую (фиг.1, 2). Улучшение качества воды повышает уровень обитания живых организмов в реках. При этом качество воды в реках будет сохраняться и контролироваться. Водоемы-пруды с искусственно созданным перепадом воды и аэраторами при работе предлагаемых гидротехнических установок являются важной частью в системе очистки воды путем увеличения биологического разложения загрязнителей и питательных веществ. Благодаря такому подходу,вода в таких прудах может всегда оставаться свежей и биологически активной. Таким образом,предлагаемые вихревые мини ГЭС являются надежным средством для активации процессов биологического самоочищения именно в равнинных реках с застойной водой. Самое большое преимущество вихревых мини ГЭС состоит в том,что не нужно предусматривать отдельную систему 4 для безопасной жизнедеятельности рыб. Рыбы свободно могут проходить через водный поток мини ГЭС. При этом, если в прошлом требовалась дополнительная энергия для аэрации воды то теперь- аэрация это часть естественного процесса по производству электрической энергии. При этом,выполнение конусообразной формы 1 гидротехнического сооружения вихревой мини ГЭС с направляющими лопастями в виде лент 9,расположенными в воронке 1 по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, например,однозаходными,двухзаходными или трехзаходными,способствует увеличению центробежного ускорения, а также, процессу аэрации воды (фиг.1,2). На фиг.3 показаны расчетные профили гравитационных воронок соответствующие ускорениям 1, 2, 3 (где 9,81 м/с 2). Из фиг.3 видно, что с увеличение угла конусности от 36 градусов (при ускорении 3) до 90 градусов (при ускорении 1) непрерывно уменьшается ускорение. При ускорении равном менеегравитационная сила будет преобладать над центробежным в результате чего будет происходить затухание вращательного движения. При ускорении равном более 3 центробежная сила будет намного превышать гравитационную силу в результате чего будет ухудшено в -образной трубе обратное преобразование центробежного ускорения в прямолинейное движение. Оптимальное центробежное ускорение при вихревом спиралевидном движении по направляющим лопастям в виде лент 9, расположенными в воронке 1 по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности будет находиться в пределах от 1 до 3, чему соответствует угол конусности от 36 градусов (при ускорении менее 3) до 90 градусов(при ускорении более 1 ). Крупномасштабное применение предлагаемого способа преобразования гидравлической энергии воды в электрическую,количество и неиспользуемый запас которого составляет довольно значительную величину в Казахстане и в мире, позволит увеличить долю зеленной энергетики, быть надежным средством для активации процессов биологического самоочищения в равнинных реках с застойной водой, снизить антропогенное воздействие теплоэнергетических установок на окружающую среду, а также снизить темпы глобального изменения климата. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ преобразования гидравлической энергии в электрическую, состоящий из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток за счет тангенциального подвода воды, создания перепада уровня воды между верхним и нижним бьефом,формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил, а также передачи полученного вращательного движения на ротор электрогенератора, отличающийся тем, что в качестве механизма формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил принят способ преобразования кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение по механизму конусообразной спирали, при этом рабочий угол конуса водоворота для создания центробежного ускорения составляет более 36 градусов и менее 90 градусов, а в нижней усеченной конусообразной части гидротехнической установки вода течет по траекторий-образной трубы до уровня нижнего бьефа воды с полным преобразованием вращательного движения воды обратно в ускоренное прямолинейное движение. 2. Гидроэнергетическая установка, состоящая из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора,отличающаяся тем,что гидротехническое сооружение выполнено конусообразной формы с направляющими лопастями в виде лент,расположенными в воронке по винтовой линии перпендикулярно к ее поверхности, альтернативно выполненными - однозаходными, двухзаходными и трехзаходными, при этом, в нижней конусообразной части гидротехническая установка переходит вобразную трубу в конце которой на уровне нижнего бьефа воды установлена турбина. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что на уровне верхнего бьефа на входных участках конусообразной части гидротехнической установки установлены в качестве гидравлических преобразователей закручивающие аппараты,выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных и тангенциальнолопаточных аппаратов.