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

(51) 02 21/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ аппаратами, а на участках с малыми скоростями течения воды - комбинированный конвейерный суммирующий механизм и механизм создания искусственного перепада путем альтернативного применения барьера,обводного канала,суживающегося участка. При этом, в гидроэнергетической установке,осуществляемой по предлагаемому способу,состоящей из комплекса гидротехнических сооружений,рабочих органов турбины и электрогенератора, гидротехническое сооружение выполнено в виде закрепленного на дне и берегу реки конвейерного устройства, а в качестве рабочих органов турбины установлен механизм последовательного преобразования потенциальной и кинетической энергии течения воды во вращательное движение ротора электрогенератора,который выполнен в виде машины непрерывного действия, представляющее собой замкнутое полотно с тяговым органом, огибающим ведущий и направляющий барабаны, и прикрепленными к нему рабочими лопатками,при этом машина непрерывного действия выполнена не менее чем с тремя барабанами и с возможностью вращения в вертикальной и горизонтальной плоскостях с прикрепленными к нему рабочими лопатками в виде ковша. Кроме того, для работы в вертикальной плоскости машина непрерывного действия выполнена не менее чем с одним барабаном,приподнятым над уровнем нижнего бьефа воды, и вытянутыми по ширине барабана ковшами и стабилизирующими щитами, а для работы в горизонтальной плоскости машина непрерывного действия выполнена не менее чем с двумя барабанами, и прикрепленными к нему рабочими лопатками в виде ковша, профилированные внутренние поверхности которых входят в сопряжение с профилированными внутренними поверхностями направляющих лопаток. При этом,барабан выполнен в виде полого цилиндра и содержит снаружи лопастную турбину, а внутри совмещенный с ней электрогенератор.(72) Баубеков Куат Талгатович Баубеков Арсланбек Куатович Омаров Курмангазы Куралович(73) Акционерное общество Казахский агротехнический университет им. Сакена Сейфуллина(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ - КУАТ(57) Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве способа полного преобразования гидравлической энергии течения горных и равнинных рек в электрическую энергию. Технической задачей изобретения является создание способа и устройства для эффективного преобразования гидравлической энергии течения различных рек, отличающихся по длине перепадами уровня и скоростью течения, в электрическую энергию. Технический результат достигается тем, что в известном способе преобразования гидравлической энергии течения рек в электрическую, состоящем из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток и передачи полученного движения последних на ротор электрогенератора, согласно изобретению, процесс полного преобразования энергии движущегося потока воды рек во вращательное движение ротора электрогенератора включает операцию суммирования гидравлической энергии течения воды с помощью конвейерного суммирующего механизма, при этом на участках вертикального водопада используется гравитационный суммирующий механизм барабана,на участках с большими скоростями течения воды используется горизонтальный конвейерный суммирующий механизм с направляющими Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве способа полного преобразования гидравлической энергии течения горных и равнинных рек в электрическую энергию. 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 (например, известное устройство,работающее по такому принципу - конструкции Б. Кажинского - развивает мощность 6 кВт при скорости воды 1,5 м/с и при следующих размерах колеса -6 м рабочих лопаток (24 шт.) - 4,51,0 м. Число оборотов 10-12 об/мин.). 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 тг, 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 потоков воды на 2 большой высоте над гидротурбиной путем создания капиталлоемкой плотины и затопление огромных полезных и плодородных площадей. 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 и передачи полученного движения последних на ротор электрогенератора (см. Предварительный патент РК 19646, 16.06.2008,бюл. 6). При этом гидротехническая установка выполнена в виде плота, а гидротурбина исполняет роль суммирующего устройства и выполнена из ряда параллельных рабочих лопаток на гусеничном ходу в виде турбогусеницы со шпорами. Однако,указанный способ и гидротехническая установка,слабо обеспечивает необходимую концентрацию потока воды и создание напора преобразующего энергию движущейся воды в механическую энергию вращения,которая в свою очередь,в электрогенераторе преобразуется в электрическую энергию. Недостатками в указанном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую,осуществляемой в гидроэнергетической установке, является слабый напор, который создается слабой концентрацией падения реки на используемом горизонтальном участке и при обычно малых скоростях воды создает малую мощность и громоздкость гидротурбины. Технической задачей изобретения является создание способа и устройства для эффективного преобразования гидравлической энергии течения различных рек, отличающихся по длине перепадами уровня и скоростью течения, в электрическую энергию. Технический результат достигается тем, что в известном способе преобразования гидравлической энергии течения рек в электрическую, состоящем из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток и передачи полученного движения последних на ротор электрогенератора, согласно изобретению, процесс полного преобразования энергии движущегося потока воды рек во вращательное движение ротора электрогенератора включает операцию суммирования гидравлической энергии течения воды с помощью конвейерного суммирующего механизма, при этом на участках вертикального водопада используется гравитационный суммирующий механизм барабана,на участках с большими скоростями течения воды используется горизонтальный конвейерный суммирующий механизм с направляющими аппаратами, а на участках с малыми скоростями течения воды - механизм создания искусственного перепада путем альтернативного применения барьера, обводного канала, суживающегося участка и комбинированного конвейерного суммирующего механизма. При этом, в гидроэнергетической установке, осуществляемой по предлагаемому способу, состоящей из комплекса гидротехнических сооружений,рабочих органов турбины и электрогенератора, гидротехническое сооружение альтернативно установлено после барьера, на обводном канале, на суживающемся участке и выполнено в виде закрепленного на дне и берегу реки конвейерного устройства, а в качестве рабочих органов турбины установлен механизм последовательного преобразования потенциальной и кинетической энергии течения воды во вращательное движение ротора электрогенератора,который выполнен в виде машины непрерывного действия, представляющее собой замкнутое полотно с тяговым органом, огибающим ведущий и направляющий барабаны, и прикрепленными к нему рабочими лопатками,при этом машина непрерывного действия выполнена не менее чем с тремя барабанами и с возможностью вращения в вертикальной и горизонтальной плоскостях с прикрепленными к нему рабочими лопатками в виде ковша. Кроме того, для работы в вертикальной плоскости машина непрерывного действия выполнена не менее чем с одним барабаном,приподнятым над уровнем нижнего бьефа воды, и вытянутыми по ширине барабана ковшами и стабилизирующими щитами, а для работы в горизонтальной плоскости машина непрерывного действия выполнена не менее чем с двумя барабанами, и прикрепленными к нему рабочими лопатками в виде ковша, профилированные внутренние поверхности которых входят в сопряжение с профилированными внутренними поверхностями направляющих лопаток. При этом,барабан выполнен в виде полого цилиндра и содержит снаружи лопастную турбину, а внутри совмещенный с ней электрогенератор. На фиг.1 изображена простейшая принципиальная схема для осуществления способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления на фиг.2 - то же, продольный разрез на фиг.3 - то же, вид сверху где (см. на фиг.1, 2 и 3) 1 - ведущий барабан 2 - электрогенератор 3 - редуктор 4 муфта 5 - замкнутое сплошное полотно из шарнирно-соединенных звеньев 6 -направляющий барабан 7 - рабочие лопатки в виде ковша 8 опоры для крепления устройства 9 - направляющие лопатки 10 - рассекатель потока воды 11 - барьер на обводном канале на фиг. 4 - схема профилирования суммирующего механизма барабана с вытянутыми по ширине барабана ковшами и стабилизирующими щитами где 12 барабан 13 - рабочие лопатки в виде ковша 14 стабилизирующие щиты. Применение предлагаемого способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройства для его осуществления может быть реализовано следующим образом. В предлагаемом способе полного преобразования гидравлической энергии течения рек в электрическую,состоящем из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток и передачи полученного движения последних на ротор электрогенератора,процесс полного преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение ротора электрогенератора включает операцию суммирования гидравлической энергии вертикального и горизонтального течения воды с помощью комбинированного конвейерного суммирующего механизма (см. фиг.1, 2, 3), при этом на участках вертикального водопада используется гравитационный суммирующий механизм барабана 1 (см. фиг.4) с вытянутыми по ширине барабана ковшами 2 и стабилизирующими щитами 3, на участках с большими скоростями течения воды используется горизонтальный конвейерный суммирующий механизм с рабочими 7 и направляющими аппаратами 9 (фиг.2, 3), а на участках с малыми скоростями течения воды механизм создания искусственного перепада,например с помощью барьера 11, обводного канала,суживающегося участка и комбинированного конвейерного суммирующего механизма(см. фиг.1, 2, 3). При этом в гидроэнергетической установке,осуществляемой по предлагаемому способу,гидротехническое сооружение выполнено в следующем виде. Гидротехническое сооружение установлено с созданием искусственного перепада уровня воды и выполнено в виде закрепленного на дне и берегу конвейерного устройства, механизм действия которого позволяет в вертикальной и горизонтальной плоскостях при расчетном минимальном перепаде уровня воды последовательно преобразовывать потенциальную и кинетическую энергию течения воды во вращательное движение ротора электрогенератора. Кроме того, с помощью направляющих лопаток 9 осуществляют организацию направленного движения воды с получением центробежного ускорения на рабочих лопатках 7. При этом,турбина выполнена в виде машины непрерывного действия не менее чем с тремя барабанами и с возможностью вращения в вертикальной и горизонтальной плоскостях с прикрепленными к нему рабочими лопатками 7 в виде ковша и представляет собой замкнутое полотно из шарнирно-соединенных звеньев 5 с тяговым органом, огибающим ведущий 1 и направляющий 6 барабаны, и прикрепленными к нему рабочими лопатками 7 в виде ковша. Кроме того, в горизонтальной плоскости для усиления тягового усилия профилированные внутренние поверхности рабочих лопаток 7 входят в сопряжение с профилированными внутренними поверхностями направляющих лопаток 9, при этом для работы в горизонтальной плоскости машина непрерывного действия выполнена не менее чем с двумя барабанами. Гидротехническое сооружение способно эффективно преобразовывать энергию как естественного, так и искусственного водопада(см. фиг.4), при этом для работы в вертикальной плоскости машина непрерывного действия выполнена по ширине реки, не менее чем с одним барабаном 12, приподнятым над уровнем нижнего 3 бьефа воды, и вытянутыми по ширине барабана ковшами 13 и стабилизирующими щитами 14. При этом, барабан выполнен в виде полого цилиндра и содержит снаружи лопастную турбину, а внутри совмещенный с ней электрогенератор. Установка барабанов в воздухе позволяет полнее использовать кинетическую энергию падающей воды, что ускоряет вращение роторов, а также, предотвращает замедление скорости рабочих лопаток в воде слабонаклонных рек. Пример конкретного выполнения. Предлагаемый способ преобразования гидравлической энергии в электрическую и работа устройства для его осуществления реализуется следующим образом. Гидротехническое сооружение, выполненное в виде закрепленного на берегу конвейерного устройства,устанавливается,например,на обводном от основного русла реки канале. При этом на обводном канале с помощью заслонки 11 создается подпор при минимальном перепаде уровня воды, например, от 0,2 до 1,0 м, а механизм действия конвейерного устройства позволяет сначала в вертикальной плоскости за счет падения воды на рабочие лопатки в виде ковша последовательно преобразовывать потенциальную энергию тяжести воды в тяговое усилие (фиг.1, 2, 3). Затем в горизонтальной плоскости можно последовательно преобразовывать кинетическую энергию течения воды во вращательное движение ротора электрогенератора. При этом, за счет рассекателя 10 и направляющих лопаток 9 вода строго под оптимальным (определяемым в зависимости от скорости течения воды) углом атаки направляется на рабочие лопатки 7. При этом,профилированные внутренние поверхности последних входят в сопряжение с профилированными внутренними поверхностями направляющих лопаток, что приведет к созданию мощного тягового усилия в рабочих органах турбины,выполненной в виде машины непрерывного действия, представляющее собой замкнутое полотно из шарнирно-соединенных звеньев 5 с тяговым органом, огибающим ведущий 1 и направляющий 6 барабаны, и прикрепленными к нему рабочими лопатками 7 в виде ковша. Таким образом, предлагаемый способ и гидротехническое устройство эффективно направляет и преобразовывает энергию потока воды во вращательное движение вала ведущего барабана конвейерного устройства и передачи полученного движения вала через редуктор 3 и муфту 4 на ротор электрогенератора 2, который конструктивно может быть расположен внутри полого барабана 1. В таблице приведена зависимость размеров рабочих лопаток гидроэнергетической установки,выполненной в виде закрепленного на берегу конвейерного устройства от перепада уровня воды и его скорости течения. Расчеты (выполненные по формулам,приведенным в прототипе предварительный патент РК 19646, 16.06.2008,бюл. 6) показывают, что с увеличением скорости потока уменьшаются размеры рабочих лопаток и эффективность гидроэнергетической установки и наоборот (см. таблицу). Таблица Зависимость размеров рабочих лопаток гидроэнергетической установки, выполненной в виде закрепленного на берегу конвейерного устройства от перепада уровня воды и его скорости течения и сравнение его с показателями гидроэнергетической установки инженера Б. Кажинского (водяное колесо). Показатели Перепад уровня воды, Н, м Скорость течения воды, ,м/с Площадь смоченного(активного) сечения, , м Диаметр колеса или барабана, м Количество активных лопаток в воде, шт Мощность гидроэнергетической установки, кВт Коэффициент полезного действия,Площадь одной активной лопаты, , м 2 Размеры единичной лопатки,, мм Расстояние между осями ведущего и натяжного барабанов, м 4 Показатели предлагаемой гидроэнергетической установки, при различных перепадах воды и скоростях его течения 0,115 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 1,5 2,0 2,43 2,8 3,13 3,43 3,71 Это подтверждает целесообразность создания расчетного минимального перепада уровня воды и оптимального подбора количества барабанов конвейерного устройства, которое обходится намного дешевле и проще сооружения капиталоемких плотин для крупных и малых ГЭС. В предлагаемом способе обосновано эффективное и минимальное количество барабанов конвейерного устройства, что упрощает конструкцию и повышает надежность работы гидроэнергетической установки. Крупномасштабное применение предлагаемого способа полного преобразования гидравлической энергии течения рек в электрическую, количество и неиспользуемый запас которого составляет довольно значительную величину в Казахстане и в мире, позволит увеличить долю зеленной энергетики и снизить антропогенное воздействие теплоэнергетических установок на окружающую среду, а также снизить темпы глобального потепления климата. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ преобразования гидравлической энергии рек в электрическую, состоящий из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток и передачи полученного движения последних на ротор электрогенератора,отличающийся тем, что процесс полного преобразования энергии движущегося потока воды рек во вращательное движение ротора электрогенератора включает операцию суммирования гидравлической энергии течения воды с помощью конвейерного суммирующего механизма, при этом на участках вертикального водопада используется гравитационный суммирующий механизм барабана, на участках с большими скоростями течения воды используется горизонтальный конвейерный суммирующий механизм с направляющими аппаратами, а на участках с малыми скоростями течения воды комбинированный конвейерный суммирующий механизм и механизм создания искусственного перепада путем альтернативного применения барьера, обводного канала, суживающегося участка. 2. Гидроэнергетическая установка, состоящая из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора,отличающаяся тем,что гидротехническое сооружение выполнено в виде закрепленного на дне и берегу реки конвейерного устройства, а в качестве рабочих органов турбины установлен механизм последовательного преобразования потенциальной и кинетической энергии течения воды во вращательное движение ротора электрогенератора,который выполнен в виде машины непрерывного действия, представляющее собой замкнутое полотно с тяговым органом, огибающим ведущий и направляющий барабаны, и прикрепленными к нему рабочими лопатками,при этом машина непрерывного действия выполнена не менее чем с тремя барабанами и с возможностью вращения в вертикальной и горизонтальной плоскостях с прикрепленными к нему рабочими лопатками в виде ковша. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что для работы в вертикальной плоскости машина непрерывного действия выполнена не менее чем с одним барабаном, приподнятым над уровнем нижнего бьефа воды, и вытянутыми по ширине барабана ковшами и стабилизирующими щитами. 4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что для работы в горизонтальной плоскости машина непрерывного действия выполнена не менее чем с двумя барабанами, и прикрепленными к нему рабочими лопатками в виде ковша,профилированные внутренние поверхности которых входят в сопряжение с профилированными внутренними поверхностями направляющих лопаток. 5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что барабан выполнен в виде полого цилиндра и содержит снаружи лопастную турбину, а внутри совмещенный с ней электрогенератор.