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

(51) 02 21/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН потока подбирается из условия- внешний радиус траектории закрученного в гидроэнергетической установке, осуществляемой по предлагаемому способу, состоящей из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора, гидротехническое сооружение выполнено в виде секции из сборных коллекторов, проложенных по дну реки с возможностью расположения поперек и вдоль направления течения реки, а в качестве турбины используется индивидуальная установка,выполненная в виде закрытого с торцов коллектора длиною от 2 до 4 калибров, внутри которого вращается вал с рабочими лопастями, при этом снаружи коллектора на входе установлены направляющие и закручивающие аппараты, а на выходе - патрубки и раструбы. Кроме того, рабочие органы турбины выполнены в виде альтернативных валов с винтовыми, ленточными, пропеллерными лопастями расположенных в коллекторе по винтовой линии однозаходными, двухзаходными и трехзаходными, а на входных участках турбины снаружи коллекторов установлены в качестве гидравлических преобразователей закручивающие аппараты, выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных, аксиально-лопаточных и тангенциально-лопаточных аппаратов. При этом,гидротехническое сооружение выполнено в виде подводных автономных контейнеров, проложенных по дну реки с возможностью расположения поперек и вдоль направления течения реки, с сухим размещением внутри гидроизолируемых контейнеров секции из сборных коллекторов, передаточных механизмов,электрогенераторов,кабели,вспомогательного оборудования для регулирования заслонок между контейнерами, при этом автономные контейнеры используются в качестве барьерных рифов и для увеличения напора воды у входа в турбину, а работа последнего не зависит от сезонного колебания уровня воды и от промерзания поверхности воды.(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 - ПОДВОДНАЯ ГЭС(57) Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве способа преобразования гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек и океанических течений в электрическую энергию. Технической задачей предложенного изобретения является создание упрощенного и надежного способа и устройства для эффективного преобразования гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек и океанических течений в электрическую энергию. 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 и передачи полученного движения последних на ротор электрогенератора, согласно изобретению, в качестве преобразователя гидравлической энергии течения воды во вращательное движение ротора электрогенератора принят механизм преобразования кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение для получения центробежного ускорения, при этом предельный внешний радиус траекторий закрученного водного Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве способа преобразования гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек и океанических течений 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. 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, кВт (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 большой высоте над гидротурбиной путем создания капиталлоемкой плотины и затопление огромных полезных и плодородных площадей. Кроме того, в указанном 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 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. 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 соответственно громоздкость гидротурбины. Также,слабым звеном по надежности является тяговый орган установки, который в тому же находится в воде, а также, зависимость работы последнего от сезонного колебания уровня воды и от промерзания поверхности воды. Технической задачей предложенного изобретения является создание упрощенного и надежного способа и устройства для эффективного преобразования гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек и океанических течений в электрическую энергию. 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 и передачи полученного движения последних на ротор электрогенератора, согласно изобретению, в качестве преобразователя гидравлической энергии течения воды во вращательное движение ротора электрогенератора принят механизм преобразования кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение для получения центробежного ускорения, при этом внешний радиус траекторий закрученного водного потока подбирается из условия радиус траектории закрученного водного потока, м- скорость течения воды, м м ускорение свободного падения. При этом в гидроэнергетической установке,осуществляемой по предлагаемому способу,состоящей из комплекса гидротехнических сооружений,рабочих органов турбины и электрогенератора, гидротехническое сооружение выполнено в виде секции из сборных коллекторов, 28383 проложенных по дну реки с возможностью расположения поперек и вдоль направления течения реки, а в качестве турбины используется индивидуальная установка, выполненная в виде закрытого с торцов коллектора длиною от 2 до 4 калибров, внутри которого вращается вал с рабочими лопастями, при этом снаружи коллектора на входе установлены направляющие и закручивающие аппараты, а на выходе - патрубки и раструбы. Кроме того, рабочие органы турбины выполнены в виде альтернативных валов с винтовыми, ленточными, пропеллерными лопастями расположенных в коллекторе по винтовой линии однозаходными, двухзаходными и трехзаходными, а на входных участках турбины снаружи коллекторов установлены в качестве гидравлических преобразователей закручивающие аппараты,выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных, аксиально-лопаточных и тангенциально-лопаточных аппаратов. При этом,гидротехническое сооружение выполнено в виде подводных автономных контейнеров, проложенных по дну реки с возможностью расположения поперек и вдоль направления течения реки, с сухим размещением внутри гидроизолируемых контейнеров секции из сборных коллекторов,передаточных механизмов, электрогенераторов,кабели, вспомогательного оборудования для регулирования заслонок между контейнерами, при этом автономные контейнеры используются в качестве барьерных рифов и для увеличения напора воды у входа в турбину, а работа последнего не зависит от сезонного колебания уровня воды и от промерзания поверхности воды. На фиг.1 изображена простейшая принципиальная схема для осуществления способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления- Подводная ГЭС (размещение установки при поперечном направлений течения реки) где 1 сборный коллектор, содержащий вал с рабочими лопастями 2 -направляющие и закручивающие аппараты 3 - выходные патрубки и раструбы 4 секции из сборных коллекторов (с аксиальнолопаточными закручивающими аппаратами) 5 передаточный механизм 6 -соединительная муфта 7 - электрогенератор 8 - стенки туннеля на фиг. 2 изображена простейшая принципиальная схема для осуществления способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления - Подводная ГЭС (план при продольном размещений установки вдоль направления течения реки) где 1 - сборный коллектор, содержащий вал с рабочими лопастями 2 направляющие и тангенциальные закручивающие аппараты 3 - выходные патрубки и раструбы 4 - секции из сборных коллекторов 5 передаточный механизм 6 - соединительная муфта 7 - электрогенератор 8 - стенки туннеля на фиг. 3 показана схема закручивающего аппарата с тангенциальным подводом воды к коллектору на фиг.4 - схема закручивающего аппарата с улиточным подводом воды к коллектору на фиг.5 схема закручивающего аппарата с тангенциальнолопаточным подводом воды к коллектору на фиг.6 схема закручивающего аппарата с аксиальнолопаточным подводом воды к коллектору на фиг.7 показана схема вала турбины с винтовыми рабочими лопастями на фиг.8 -схема вала турбины с ленточными рабочими лопастями на фиг.9 - схема вала турбины с пропеллерными рабочими лопастями на фиг.10 - схема подводной мини ГЭС с подводным расположением автономных контейнеров, где 9 - уровень воды до подтопления подводных автономных контейнеров 10 - уровень воды после подтопления подводных автономных контейнеров 11 - перепад уровня воды 12 подводные автономные контейнеры 13 регулируемые заслонки между контейнерами 14 труба для вывода кабели 15 - кабель 16 - опоры для электропроводов. 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 и передачи полученного движения последних на ротор электрогенератора, в качестве преобразователя гидравлической энергии течения воды во вращательное движение ротора электрогенератора принят механизм преобразования кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение для получения центробежного ускорения, при этом внешний радиус траекторий закрученного водного потока подбирается из условия где- внешний радиус траекторий закрученного водного потока, м- скорость течения воды,9,81 Пример конкретного выполнения. Предлагаемый способ преобразования гидравлической энергии в электрическую и работа устройства для его осуществления реализуется следующим образом. Гидротехническое сооружение устанавливается на дне реки (или на обводном канале) и выполнено из секции с многоуровневым и многорядным расположением индивидуальных турбин,выполненных в виде заглушнных с торцов коллекторов 4 с установленными на входе направляющими и закручивающими аппаратами 2, а на выходе - патрубками и раструбами 3 (см. фиг.1). Оно может устанавливаться как поперек течения реки (фиг.1), так и вдоль берега реки (фиг.2). На фиг.1 показано гидротехническое сооружение,состоящее из сборных коллекторов 1, содержащих 3 внутри вал с рабочими лопастями и соединенных в секции 4. На фиг.7-9 показаны альтернативные варианты выполнения вала коллектора,используемого в качестве турбины, с различными рабочими лопастями винтовыми(фиг.7),ленточными (фиг.8), пропеллерными (фиг.9). Гидротехническое сооружение установлено поперек течения реки. При этом, направляющие и закручивающие аппараты расположены перпендикулярно коллектору и навстречу потоку воды (см. фиг.1). Стенки туннеля 8 защищают передаточный механизм 5, соединительную муфту 6 и электрогенератор 7 от попадания воды и создают безопасный режим обслуживания и эксплуатации. При продольном расположению гидротехнического сооружения направляющие и закручивающие аппараты 2 с помощью отвода на 90 градусов развернуты параллельно коллектору 1 (см. фиг.2) и навстречу потоку воды. При этом, в качестве гидравлических преобразователей с оптимальным радиусом могут быть использованы приспособления, выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных, аксиальнолопаточных и тангенциально-лопаточных аппаратов(см. фиг.3, 4, 5, 6), а в качестве рабочих органов турбины могут быть использованы альтернативные валы с винтовыми, ленточными, пропеллерными лопастями (см. фиг.7, 8, 9 ) и секции из сборных коллекторов 4. Предлагаемое гидротехническое сооружение полностью погружено в воду, не зависит от сезонного колебания уровня воды, от промерзания поверхности воды и работает следующим образом. В каждой секции поток текущей воды попадает в направляющие устройства 2 и тангенциально входит в коллектор 1 с минимальным радиусом завихривания . При этом, эффективность преобразования гидравлической энергии воды будет зависит от длины коллектора 1 и радиуса закрутки. Если радиусбудет больше оптимального минимального радиуса, то будет преобладать гравитационная составляющая, которая приведет к затуханию крутящего движения воды. При 9,81 м/с центробежное ускорение а будет равно ускорению свободного паденияи эффективность будет незначительной. Прибольшебудет достигнуто значительное центробежное ускорение,при этом, как известно, центробежное ускорениебудет прямо пропорционально скорости и обратно пропорционально радиусу закручивания потока воды. В таблице показана зависимость внешнего радиуса траекторий закрученного водного потокаот скорости течения воды . При этом, при большой скорости течения воды можно брать меньшие значения радиуса закручивания потока воды в несколько раз, что будет только увеличивать центробежное ускорение. Таблица Зависимость предельного внешнего радиуса траекторий закрученного водного потокаот скорости течения воды . Важным показателем преобразования энергии закрученного потока на валу с рабочими лопастями является количество лопастей на валу и соответственно длина коллектора. Если длина коллекторабудет меньше 1,5-2 калибров ( калибр - это отношение длины коллекторак его диаметру ), то будет неполное использование рабочими лопастями коллектора энергии закрученного водного потока. Если длина коллекторабудет больше 4 калибров, то при обычно небольших скоростях течения равнинных рек (1,5-3,0 м/с) будет происходить замедление скорости закрученного потока. При длине коллектора 2-4 калибра будет наиболее полное и эффективное использование рабочими лопастями энергии закрученного потока воды. Гидротехническое сооружение может компоноваться по разному в виде как многорядного и многоуровневого крупного энергетического комплекса, так и в виде небольших и локальных агрегатов мини ГЭС как с возможностью 4 расположения оси коллекторов поперек направления течения реки (фиг.1), так и - вдоль направления течения реки (фиг.2). Другим показателем при преобразовании энергии является надежность в работе рабочих органов и деталей предлагаемой конструкции,которые исключают прямой контакт их с водой за счет размещения их функционально важных частей в туннели (галерее) 8 (фиг.1, 2) или контейнере 12(фиг.10). В зависимости от размеров, глубины,рельефа местности и скорости течения воды гидротехническое сооружение может компоноваться по разному как подводными, так и надводными или полупогруженными. Это достигается тем, что основные части сборных коллекторов 4,передаточный механизм 5, соединительная муфта 6 и электрогенератор 7 располагаются в туннели (или галереи) 8, легко доступны для контроля и обслуживания (фиг.1 и 2). Таким образом, для удобства обслуживания предусматриваются туннели, которые в зависимости от типа гидротехнического сооружения, размеров и глубины реки могут устанавливаться надводными или полупогружными. Места прохода корпусов коллекторов через стенки тоннеля при этом могут быть хорошо заделаны и гидроизолированы. Подводное гидротехническое сооружение может компоноваться в виде автономных подводных блоков из контейнеров 12 (фиг.10), проложенных по дну реки с возможностью расположения поперек и вдоль направления течения реки, с сухим размещением внутри гидроизолируемых контейнеров 12 секции из сборных коллекторов 4,передаточных механизмов 5, электрогенераторов 7,кабели 15, вспомогательного оборудования для регулирования заслонок 13 между контейнерами. При этом автономные контейнеры 12 могут использоваться в качестве барьерных рифов и для увеличения напора воды 11 у входа в турбину, а работа последнего не будет зависеть от сезонного колебания уровня воды и от промерзания поверхности воды. Для удобства обслуживания и эксплуатации устанавливаются мостовые краны,которые располагаются над линией барьерного рифа(на фигурах не приведены). Крупномасштабное применение предлагаемого способа преобразования гидравлической энергии воды в электрическую,количество и неиспользуемый запас которого составляет довольно значительную величину в мире, позволит увеличить долю зеленной энергетики, снизить антропогенное воздействие теплоэнергетических установок на окружающую среду, а также снизить темпы глобального потепления климата. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ преобразования гидравлической энергии 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 в качестве преобразователя гидравлической энергии течения воды во вращательное движение ротора электрогенератора принят механизм преобразования кинетической энергии прямолинейного движения воды во вращательное движение для получения центробежного ускорения, при этом предельный внешний радиус траекторий закрученного водного потока подбирается из внешний радиус траекториизакрученного водного потока, м- скорость течения воды, м 9,81 с- ускорение свободного падения. с 2. Гидроэнергетическая установка, состоящая из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора отличающаяся тем,что гидротехническое сооружение выполнено в виде секции из сборных коллекторов, проложенных по дну реки с возможностью расположения поперек и вдоль направления течения реки, а в качестве турбины используется индивидуальная установка,выполненная в виде закрытого с торцов коллектора длиною от 2 до 4 калибров, внутри которого вращается вал с рабочими лопастями, при этом снаружи коллектора на входе установлены направляющие и закручивающие аппараты, а на выходе - патрубки и раструбы. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что рабочие органы турбины выполнены в виде альтернативных валов с винтовыми, ленточными,пропеллерными лопастями расположенных в коллекторе по винтовой линии однозаходными,двухзаходными и трехзаходными, а на входных участках турбины снаружи коллекторов установлены в качестве гидравлических преобразователей закручивающие аппараты,выбранные из альтернативной группы тангенциальных, улиточных, аксиально-лопаточных и тангенциально-лопаточных аппаратов. 4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что гидротехническое сооружение выполнено в виде подводных автономных контейнеров, проложенных по дну реки с возможностью расположения поперек и вдоль направления течения реки, с сухим размещением внутри гидроизолируемых контейнеров секции из сборных коллекторов,передаточных механизмов, электрогенераторов,кабели, вспомогательного оборудования для регулирования заслонок между контейнерами, при этом автономные контейнеры используются в качестве барьерных рифов и для увеличения напора воды у входа в турбину, а работа последнего не зависит от сезонного колебания уровня воды и от промерзания поверхности воды.