Гидротаранное устройство для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию, при возобновляемом цикле водоподачи

(51) 03 13/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ хвостовой части жестко прикреплен цилиндр поршня для преобразование давления воды от эффекта гидроудара, в механическую энергию в виде линейного возвратно-поступательного движения- в задней части головки поршня прикреплен шток проходящий сквозь заднюю стенку цилиндра. К штоку присоединен ромбоидный двигатель для преобразования энергии возвратно-поступательного движения поршня в вращательное движение. От ромбоидного двигателя вращательное движение,через стабилизирующий редуктор передается на электрогенератор вырабатывающий электроэнергию- от нижней отводящей трубы, также сформированной в виде замкнутого четырехугольника, вода поступает в расположенные перед ней в ряд двухкорпусные вытеснительные водоподъемники. Отдельный вытеснительный водоподъемник состоит из двух попеременноработающих корпусов. Также имеется гидротаранная водоотводная труба с возвратным клапаном и приспособление резервного водоподъема. Эти три узла устройства перекачивают воду в верхний канал водоподвода- всего водоподъемников несколько, так как подъем воды идет медленнее чем водосброс. Они расположены в ряд перед каждой стороной периметра образованного нижней отводящей трубой, и параллельно данной стороне. Часть из них может располагаться и внутри периметра. Небольшие потери воды от испарения,компенсируются за счет внешнего источника,например водопроводной сети. В отличие от аналога устройство имеет вытеснительные водоподъемники, гидротаранную водоотводную трубу и приспособление резервного водоподъема.(72) Исбеков Куаныш Байболатович Асылбекова Сауле Жангировна Ким Аркадий Игнатьевич(73) Товарищество с ограниченной ответственностью Казахский научноисследовательский институт рыбного хозяйства(54) ГИДРОТАРАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ВОДЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ, ПРИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОМ ЦИКЛЕ ВОДОПОДАЧИ(57) Гидротаранное устройство для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию при возобновляемом цикле водоподачи, относится к области малой энергетики и может использоваться для получения электричества, при использовании возобновляемого альтернативного источника энергии - возобновляемого цикла водоподачи. Задачами изобретения являются следующие выполнить канал водоподвода в гидротаранный привод преобразовать возвратно-поступательное движение поршня привода во вращательное, через ромбоидный двигатель преобразовать полученное вращательное движение в работу электрогенератора,и посредством его работы получить электроэнергию обеспечить возобновляемый цикл водоподачи через связку верхний канал водоподвода - труба гидротарана - нижняя отводящая труба - вытеснительные водоподъмники и приспособление резервного водоподъема верхний канал водоподвода. Достижение технического результата осуществляется следующим- из канала водоподвода в виде верхнего водонакопителя вода автоматически порционно поступает в водосбросную трубу гидротарана. В его Предлагаемое устройство имеет автономный возобновляемый цикл водоподачи, и поэтому не привязано к традиционным ресурсам водной энергетики - природным или искусственным водоемам. Изобретение направлено на расширение линейки способов и устройств работающих на экологически чистых возобновляемых источниках энергии. Область техники Изобретение относится к области малой энергетики и может использоваться для получения электричества, при использовании возобновляемого альтернативного источника энергии возобновляемого цикла водоподачи. Уровень техники Наиболее близким аналогом изобретения является гидротаранное устройство для преобразования энергии потока воды в электрическую, при осуществлении способа строительства малых гидроэлектростанций (Патент Российской Федерации 2412302, Опубликовано 20.02.2011 г. Бюллетень Роспатента 5, 2011 г.). В аналоге гидроагрегат сооружают в виде цельного блока гидротаранов. В них пропуском воды создают колебания давления, вызванные гидравлическими ударами. К гидротаранам присоединены линейные электрогенераторы,подвижные магнитные сердечники которых соединяют жесткими штоками с поршнямиклапанами гидротаранов для преобразования колебаний давления воды в них в колебания магнитных сердечников электрогенераторов. Помещают гидроагрегаты, в частности гидротараны,по уровень воды в реке, создавая тем самым искусственный порог-водослив, обеспечивающий дополнительный напор воды перед гидроагрегатами. Гидроагрегаты выполняют в виде отдельных модулей, количество модулей выбирают в зависимости от мощности потока реки, располагают гидроагрегаты, в частности гидротараны, под уровнем воды в поперечном створе реки параллельно друг другу и ее течению- гидроагрегаты, в частности гидротараны,помещают по уровень воды в реке ниже глубины промерзания водной поверхности для обеспечения круглогодичной эксплуатации гидроагрегатов- линейные электрогенераторы модульных гидроагрегатов электростанций при полном погружении их под уровень воды в реке выполняют водонепроницаемыми. В предложенном техническом решении достигается возможность получения электроэнергии без перекрытия русел рек плотинами, без заглубления гидроагрегатов под дно реки и без строительства длинных сифонных трубопроводов,обводных каналов и береговых бассейнов нижнего бьефа. Способ преобразования механической энергии потока воды из кинетической в потенциальную и наоборот в устройствах, которые называются гидротаранами, известен (см. Гидравлика. Н.Н. Кременецкий, Д.В. Штеренлихт, В.М. Алышев,Л.В. Яковлева. М. Энергия, 1973, с.215-217). Известны также линейные электрические генераторы, преобразующие механическую энергию возвратно-поступательного колебательного движения магнитного сердечника в электрическую такой же частоты (см. Патенты РФ 2209324,2304341, Н 02 35/02). Использование заявленного технического решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает выработку гидроэлектроэнергии на равнинных реках без специального возведения каскада плотин,обводных каналов, береговых бассейнов нижнего бьефа, заглубления гидроагрегатов под дно водоема и сооружения длинных сифонных трубопроводов при минимальном экологическом ущербе для прилегающих к рекам территорий. Однако недостатком аналога является то, что он привязан к традиционным ресурсам водной энергетики природным рекам, и не имеет возобновляемого цикла водоподачи. Причиной,препятствующей получению требуемого технического результата при использовании аналога является следующая- не имеется приспособления для автономного возобновляемого цикла водоподачи,что обусловливает привязку к природным или искусственным водоемам. Сущность изобретения Задачи 1) выполнить канал водоподвода в гидротаранный привод, преобразующий энергию потока сбрасываемой воды,в возвратнопоступательное движение поршня 2) преобразовать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное, через ромбоидный двигатель 3) преобразовать полученное вращательное движение в работу электрогенератора, и получить от него электроэнергию 4) обеспечить подъем отработанной воды в верхний канал водоподвода, при помощи вытеснительных водоподъемников, водоотводной трубы с возвратным клапаном и приспособления резервного водоподъема 5) обеспечить возобновляемый цикл водоподачи через связку верхний канал водоподвода - труба гидротарана - нижняя отводящая труба вытеснительные водоподъмники, водоотводная труба с возвратным клапаном и приспособление резервного водоподъема верхний канал водоподвода. Ожидаемый технический результат 1) Автоматический порционный сброс воды из канала водоподвода в гидротаранную трубу, с получением эффекта гидроудара, вызывающего возвратно-поступательное движение поршня 2) передача энергии поршня в вращательный ромбоидный двигатель 3) передача вращения ромбоидного двигателя в электрогенератор вырабатывающий электроэнергию 4) подъем отработанной воды в верхний канал водоподвода,при помощи вытеснительных водоподъемников,водоотводной трубы с возвратным клапаном и приспособления резервного водоподъема. Достижение технического результата осуществляется следующим- из канала водоподвода в виде верхнего водонакопителя вода автоматически порционно поступает в водосбросную трубу гидротарана. В его хвостовой части жестко прикреплен цилиндр поршня для преобразование давления воды от эффекта гидроудара, в механическую энергию в виде линейного возвратно-поступательного движения- в задней части головки поршня прикреплен шток проходящий сквозь заднюю стенку цилиндра. К штоку присоединен ромбоидный двигатель для преобразования энергии возвратно-поступательного движения поршня в вращательное движение. От ромбоидного двигателя вращательное движение,через стабилизирующий редуктор передается на электрогенератор вырабатывающий электроэнергию- от нижней отводящей трубы сформированной в виде замкнутого четырехугольника, вода поступает в расположенные перед ней в ряд двухкорпусные вытеснительные водоподъемники. Отдельный вытеснительный водоподъемник состоит из двух попеременно-работающих корпусов. Также имеется гидротаранная водоотводная труба с возвратным клапаном и приспособление резервного водоподъема. Эти три узла устройства перекачивают воду в верхний канал водоподвода- всего водоподьемников несколько, так как подъем воды идет медленнее чем водосброс. Они расположены в ряд перед каждой стороной периметра образованного нижней отводящей трубой, и параллельно данной стороне. Часть из них может располагаться и внутри периметра. Небольшие потери воды от испарения,компенсируются за счет внешнего источника,например водопроводной сети. Наиболее существенными отличительными признаками от аналога являются следующие- имеется гидротаранная водоотводная труба имеется приспособление резервного водоподъема. Совокупными признаками аналога и изобретения,обеспечивающими получение технического результата, являются следующие- имеется гидротаранный преобразователь механической потенциальной энергии потока воды,в кинетическую энергию привода электрогенератора- имеется шток поршня гидротарана- имеется электрогенератор. Перечень фигур чертежей 1) Фиг.1 - Гидротаранное устройство для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию при возобновляемом цикле водоподачи, разрез вид сбоку. 2) Фиг.2 - Двухкорпусной вытеснительный водоподъемник, разрез вид спереди 3) Фиг.3 - Схема открывания и закрывания водосбросного клапана верхней емкости корпуса водоподъемника. 4) Фиг.4 - Схема включения и отключения автоматического водопропускного клапана на нижней отводящей трубе. 5) Фиг.5 - Приспособление резервного водоподъема, вид сбоку. Сведения подтверждающие возможность осуществления изобретения Предлагаемое гидротаранное устройство для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию, при возобновляемом цикле водоподачи, может использоваться для получения электричества, при использовании возобновляемых альтернативных источников энергии. Устройство имеет автономный цикл водоподачи, и поэтому не привязано к традиционным ресурсам водной энергетики - природным или искусственным водоемам. В устройстве канал водоподвода выполнен в виде верхнего водонакопителя (ф 1, эл 1), из металлического лотка сечением 4050 см,сформированного в виде горизонтального замкнутого четырехугольника. Через боковую перегородку насквозь проходит питающая водосбросная труба (ф 1, эл 2) гидротарана, которая в головной части имеет автоматический водопропускной клапан (ф 1, эл 3). Питающая водосбросная труба длиной 300 см, внутренним диаметром 20 см, и углом наклона 20 о, выполнена в виде классического гидротаранного насоса/////.),однако без отбойного клапана. В хвостовой части питающей водосбросной трубы жестко прикреплен цилиндр (ф 1, эл 4) поршня(ф 1, эл 5), назначением которого является преобразование давления воды в механическую энергию. Фронтальная сторона головки поршня вогнутая, для лучшего улавливания давления воды. Головка поршня алюминиевая с уплотнительными кольцами. В задней части головки прикреплен шток(6) проходящий сквозь заднюю стенку цилиндра,через соответствующего диаметра канал с манжетой. Цилиндр,поршень,шток и уплотнительные кольца выполнены из высококачественных износостойких материалов, с высоким уровнем точности. Присоединенный к штоку поршня ромбоидный двигатель (7) служит для преобразования работы возвратнопоступательного движения поршня в работу вращательного движения. От ромбоидного двигателя вращательное движение,через стабилизирующий редуктор (ф 1, эл 8) передается на электрогенератор (ф 1, эл 9), который преобразует механическую энергию ромбоидного двигателя в электрическую. В задней части цилиндра поршня, снизу имеется округлая прорезь размером 1010 см. Она внутри имеет ребра жесткости, из металлических пластин. Они не препятствуют вытеканию воды и предназначены для усиления прочности цилиндра в месте прорези. При исходном положение, прорезь находится за головкой поршня. При отступлении последнего назад до точки упора, прорезь открывается и через нее вода вытекает в нижнюю отводящую трубу (ф 1,5, эл 10). Ширина прорези меньше длины головки поршня,поэтому вытекающая вода не выбрасывается в цилиндр за головку поршня. От нижней отводящей трубы,также сформированной в виде замкнутого четырехугольника, вода поступает в расположенные перед ней в ряд двухкорпусные вытеснительные водоподъемники(ф 1,эл 11). Отдельный вытеснительный водоподъемник состоит из двух попеременно-работающих корпусов. Отдельный корпус состоит из верхнего отсека (ф 2, эл 12) и нижнего отсека (ф 2, эл 13). Верхний отсек представляет собой открытую сверху толстостенную цилиндрическую стальную емкость,диаметром 55 см и высотой 53 см. Верхний край высотой 3 см загнут внутрь под углом 45 о, для избегания выплескивания воды при наполнении водой. На верхней кромке приварен жесткий распорный обруч (ф 2, эл 14), поверх которого приварена пирамидальная подъемная рамка(ф 2, эл 15) из четырех стальных стержней с кольцом на вершине,располагающимся строго по центральной вертикальной оси верхнего отсека. К кольцу крепится трос, через шкивы соединяющий вершины обеих корпусов. Днище жесткое, с армирующими ребрами. К днищу верхнего отсека герметично прикреплен такого же диаметра нижний отсек высотой в расправленном виде 50 см. Его складчатые горизонтально-гофрированные стенки выполнены из высокотехнологичной износостойкой силиконовой резины. Внутренние и наружные вершины гофр содержат металлические обручи из пружинистой стальной проволоки, для сохранения конфигурации. Герметичное днище из жесткого стального диска, закреплено на опорной раме. Внутри нижнего отсека, впритык к стенкам,располагаются вертикальные раздвижные телескопические стойки (ф 2, эл 16) свободного хода. Их верхушки прикреплены к днищу верхнего отсека, а пятки к днищу нижнего отсека. Пять стоек располагаются по кругу, их назначение предотвратить отклонение гибкого нижнего отсека от вертикальной оси. При подъеме-опускании гофрированных стенок стойки соприкасаются с металлическими обручами внутренних вершин гофр, и не контактируют с резиновыми стенками не допуская их протирания. На опорной раме водоподъемника закреплены вертикальные направляющие стойки, отдельно для каждого корпуса. Отдельная стойка выполнена из четырех вертикальных круглых консолей (ф 2, эл 17) толщиной 3,5 см, с нержавеющей отполированной 4 поверхностью. Консоли располагаются вокруг корпуса, две спереди и две сзади. Их верхушки,жестко соединены боковыми перекладинами образуя верхний горизонтальный периметр стойки квадратной формы. Пятки консолей приварены к опорной раме (ф 2, эл 18). Верхние горизонтальные периметры направляющих стоек смежных водоприемников в ряду, по бокам жестко соединены отрезками стального профиля длиной 10 см. Сзади эти периметры связаны с элементами общего для всего устройства опорного каркаса. Это придает жесткость связанной системе направляющих стоек. Боковины отсеков корпуса соединены с направляющими консолями посредством ручек с подшибниковым узлом (ф 2, эл 19), одетым на консоль. При движении отсеков вверх-вниз подшибниковые узлы обеспечивают равномерное скольжение, а направляющие консоли выдерживают вертикальную ось корпуса. Сверху ряда водоподъемников, параллельно ему расположена горизонтальная жесткая консольная балка (ф 2, эл 20), на общей для всего устройства опорной раме. На ней прикреплены роликовые желобчатые шкивы (ф 2, эл 21), расположенные на вершинах вертикальных осей центров верхних отсеков корпусов водоподъемников. Гибкий стальной трос (ф 2, эл 22) от кольца подъемной рамки первого корпуса водоподъемника перекинут через два шкива и присоединен к кольцу подъемной рамки второго корпуса. Вертикальная ось троса накинутого на желоб шкива расположена строго в центре окружности верхнего отсека. Длина троса связывающего оба корпуса, берется из расчета того положения, когда один корпус водоподъемника находится в исходной верхней точке, то другой - в исходной нижней. Для возвратно-поступательного движения поршня используется эффект гидротарана(////3840 200090 11). Работа гидротарана основана на использовании явления гидравлического удара кратковременного резкого повышения давления при внезапной остановке потока жидкости в жсткой трубе. Автоматически открывающийся и закрывающийся через заданный промежуток времени клапан водосбросной трубы, выпускает в трубу из верхнего водонакопителя определенную порцию воды, например 50 л. Данная масса воды разгоняясь при движении вниз, останавливается головкой поршня. Инерция резко остановленной воды создает гидроудар - скачок давления, под воздействием которого поршень движется назад. Отходящий шток поршня приводит в движение ромбоидный двигатель преобразующий работу возвратно-поступательного движения поршня в работу вращательного движения. От ромбоидного двигателя вращательное движение,через стабилизирующий редуктор передается на электрогенератор вырабатывающий электричество. Шток поршня двигается назад до точки упора. При отходе поршня назад, открывается прорезь внизу цилиндра и вся вода через нее вытекает в нижнюю отводящую трубу. Затем поршень возвращается на исходную точку, под воздействием возвратного механизма представленного противовесом, в виде тросика с грузом перекинутым через роликовый подшибниковый желобчатый шкив. Противовесы расположены с двух сторон шкива, горизонтальная ось тросиков расположена строго параллельно оси движения штока. При гидроударе резкий скачок давления,преодолевает давление столба воды в гидротаранной водоотводной трубе (ф 1, эл 23). Возвратный клапан (ф 1, эл 24) открывается и часть воды из водосбросной трубы проходит через него и поступает в водоотводную трубу и в воздушный колпак (ф 1, эл 25). Когда вода в питающей водосбросной трубе остановлена, давление падает и приходит к статической величине, возвратный клапан закрывается. Под давлением воздуха,поджатого в воздушном колпаке, поступившая в него порция воды продавливается в отводящую трубу и поднимается вверх на высоту 1,7 м, где и выливается в верхний водонакопитель. При высоте подъема 1,5 м количество воды возвращаемой в верхний водонакопитель составит примерно 1/3 часть случае водоподъм - единственная функция классического гидротарана, играет вспомогательную роль, участвуя в рециркуляции воды. Для предотвращения расходования воздуха в воздушном колпаке имеется приспособление. Например, он может быть разделен эластичной мембраной большого хода на водяную и воздушные части,причем в воздушную часть воздух накачивается через вентиль с золотником (Патент РФ 2468261, 27.11.2012 г). Из нижней отводящей трубы вода заливается в водоподъмники. В начале цикла водоподъема оба нижних отсека обеих корпусов водоподъемника заполнены водой. Затем через автоматический клапан (ф 1, эл 26) на нижней отводящей трубе, в верхний отсек правого корпуса сливают 100 л воды. Оседая вниз заполнившийся верхний отсек, давит на заполненный водой нижний отсек, из которого под давлением вода через вытеснительную трубку(ф 2, эл 27) перетекает в верхний водонакопитель. Данная трубка внизу имеет возвратный клапан(ф 2, эл 28), предотвращающий обратный отток воды в нижний отсек при поднимании последнего. Когда полный верхний отсек придавливает нижний почти до нижней исходной точки,водосбросный рычаг (ф 2,3, эл 29), проходящий через отверстие с осью для рычага и водонепроницаемой манжетой (ф 3, эл 30), в боковой стенке, упирается в нижний выступ (ф 3, эл 31) и соответственно поднимается наружным плечом вверх. При этом его внутреннее плечо, через подвижное осевое соединение (ф 3, эл 32), давит вниз ручку (ф 2,3, эл 33) шарового водопропускного крана (ф 2,3, эл 34),например модификация - диаметром 100 мм,расположенного в центре днища. В подвижном осевом соединении, верхняя половина ручки крана имеет прорезь для запаса хода, при подъеме опускании. При принудительном опускании ручки вниз шаровый кран открывается и свободно пропускает воду из верхнего отсека в нижний. В этот момент вода из нижней отводящей трубы поступает в верхний отсек левого корпуса. Тот аналогичным образом оседая вниз, посредством троса соединяющего вершины обеих корпусов и перекинутых через шкивы над ними, тянет вверх правый корпус, из верхнего отсека которого вода свободно проходит в нижний отсек. При подъеме опустошенного верхнего отсека правого корпуса вверх водосбросный рычаг упирается в верхний выступ и опускается наружным плечом вниз. Его внутреннее плечо, через подвижное осевое соединение, давит вверх и поднимает ручку шарового водопропускного крана,закрывая его. Когда пустой верхний отсек правого корпуса достигает верхней исходной точки, имеющаяся наверху Г-образная стрелка (ф 4, эл 35) давит на возвратную кнопку (ф 4, эл 36) на коробке включателя (ф 4, эл 37). Последний запускает механизм открывания клапана водяного вентиля. Вентиль открывается на определенный промежуток времени, задаваемый таймером после чего автоматически закрывается. Это обеспечивает пропуск определенного количества воды, в данном случае 100 л. Таймер настраиваемый, т.е. время пропуска воды может быть увеличено или уменьшено, с соответственным изменением объема разового сброса воды. Точно таким же образом работает и автоматический клапан водосброса из верхнего водонакопителя в питающую водосбросную трубу. Г-образная стрелка на штоке цилиндра, при возврате последнего на исходное положение, давит на возвратную кнопку коробки включателя автоматического водопропускного клапана питающей трубы гидротарана. Всего водоподьемников несколько, так как подъем воды идет медленнее чем водосброс. Они расположены в ряд перед каждой стороной периметра образованного нижней отводящей трубой, и параллельно данной стороне. Часть из них может располагаться и внутри периметра. Расстояние между водоподъемниками в ряду - 10 см. Остаток воды который они вместе с отводящей гидротаранной трубой, не успевают поднимать вверх, выкачивается из нижней отводящей трубы в верхний водонакопитель,приспособлением резервного водоподъема. Для этого на нижней отводящей трубе, имеется бак(ф 5, эл 38), емкостью 200 л, с сквозной трубкой (ф 5,эл 39) слива диаметром 50 мм. Верхние плоскости периметра нижней отводящей трубы и бака расположены на одной горизонтальной линии,однако днище бака расположено в два раза ниже. Когда уровень воды в нижней отводящей трубе поднимается на 4/5 высоты, он достигает отверстия трубки слива, и начинает перетекать в бак. На поверхности воды в баке установлен поплавок (ф 5,эл 40), с вертикальным стержнем (ф 5, эл 41), который наверху подвижно сочленен с рычагом шарового 5 водопропускного крана (ф 5, эл 42) наверху подъемной трубы (ф 5, эл 43). Верхняя часть ручки крана имеет прорезь для запаса хода при подъеме-опускании. Когда уровень воды в баке доходит до отверстия трубки слива,поднимающийся вместе с поплавком вертикальный стержень, поднимает ручку крана открывая его. При этом включается подача воды наверх малым вакуумным электронасосом(ф 5,эл 44) с механическим реле давления для автоматического включения-выключения////-.). При включении подачи воды, она из бака резервного водоподъема перекачивается в верхний водонакопитель. Когда уровень воды в баке падает, опускающийся стержень поплавка тянет вниз ручку крана закрывая его, при этом подъем воды вакуумным насосом прекращается. Стержень поплавка движется вверх-вниз в направляющем канале вертикальное положение. Электронасос работает за счет потребления части энергии вырабатываемой электрогенератором. Расход электроэнергии понижен, т.к. высота подъема воды незначительна. Небольшие потери воды от испарения,компенсируются за счет внешнего источника,например водопроводной сети. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Гидротаранное устройство для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию при возобновляемом цикле водоподачи, включающее в себя гидротаранный преобразователь энергии потока воды в энергию привода электрогенератора,поршень гидротарана,шток поршня и электрогенератор, отличающееся тем, что имеются вытеснительные водоподъемники, гидротаранная водоотводная труба и приспособление резервного водоподъема.