Гидродинамическая электростанция

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Сычик Василий Андреевич Руденков Александр Евгеньевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Руденков Александр Евгеньевич(73) Патентообладатели Сычик Василий Андреевич Руденков Александр Евгеньевич(57) Гидродинамическая электростанция, содержащая корпус, водовод, вал с подшипниками-опорами, кинематически связанный с электрогенератором, отличающаяся тем, что на вертикально расположенном валу жестко закреплены водоводы спиралеобразной формы,сужающиеся по пологой экспоненте, на горизонтальных участках которых перпендикулярно и горизонтально сопряженно размещены полуцилиндрические вставки, основание корпуса выполнено в форме ступенчатого цилиндра, а сопла водоводов загнуты в сторону ступеней основания корпуса. 85692012.10.30 Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована при строительстве автономных электростанций средней и большой мощности. Известна гидроэлектростанция 1, содержащая электрогенераторы, турбинные колеса,жестко связанные с валом и закрытые защитным кожухом. Недостатками гидроэлектростанции являются сложность конструкции и невысокий КПД. Прототипом предлагаемой полезной модели является гидроэлектрическая станция, описанная в 2. Она состоит из водовода с водозаборником, в котором размещены турбины,установленные на домкратах электрогенераторы, кинематически связанные с турбинами. Недостатками устройства-прототипа являются 1. Сложность конструкции, обусловленная размещением электрогенераторов на домкратах с многоступенчатой системой передачи вращения от вала турбины к электрогенератору. 2. Невысокий КПД, обусловленный неэффективным использованием гидродинамических свойств текущей в водоводе жидкости и сложной системой передачи вращения от вала гидротурбины к электрогенератору, невысокая эффективность работы. Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы гидродинамической электростанции и ее КПД. Поставленная задача достигается тем, что в гидродинамической электростанции, содержащей корпус, водовод, вал с подшипниками-опорами, кинематически связанный с электрогенератором, на вертикально установленном валу жестко закреплены водоводы спиралеобразной формы, сужающиеся по пологой экспоненте, на горизонтальных участках которых перпендикулярно и горизонтально сопряженно размещены полуцилиндрические вставки, основание корпуса выполнено в форме ступенчатого цилиндра, а сопла водоводов загнуты в сторону ступеней основания корпуса. Сущность полезной модели поясняют фигуры, где на фиг. 1 изображен главный вид гидродинамической электростанции, а на фиг. 2 - сечение нижней части. Гидродинамическая электростанция (ГДЭС) конструктивно содержит корпус 1, в котором на подшипниках-опорах 2 вертикально установлен вал 3, который кинематически с помощью редуктора 4 соединен с валом 5 электрогенератора 6. На валу 3 жестко размещены водоводы 7, связанные с валом 3 перемычками 8, и сочленены друг с другом в верхней части в форме конической фигуры. На горизонтальных участках водоводов 7 перпендикулярно и горизонтально сопряженно размещены полуцилиндрические вставки 9. Сопла 10 водоводов 7 выполнены цилиндрической или эллипсообразной формы. Основание 11 корпуса 1 выполнено в форме ступенчатого цилиндра, а сопла 10 водоводов 7 загнуты в сторону ступеней основания 11 корпуса 1. Корпус 1 ГДЭС изготовлен из химически теплостойкого материала, например бетона,в форме вертикальных прямоугольных призм, соединенных балочной перемычкой, в которой установлены верхние подшипники-опоры 2. Основание 11 корпуса 1 выполнено из одноименного материала в форме ступенчатого цилиндра и имеет сливной канал. Число ступеней в основании 11 корпуса 1 зависит от его диаметра и составляет от 16 до 96 ступеней. Угол наклона рабочей части ступеней к радиусу основания корпуса 20-40. В центральной части основания 10 размещена цилиндрическая камера 12, в верхней части которой установлены нижние подшипники-опоры 2. В подшипники-опоры 2 впрессован вал 3, являющийся несущим валом, который через редуктор 4 соединен с валом 5 электрогенератора 6. На валу 3 жестко закреплены водоводы 7 спиралеобразной формы, сужающиеся по пологой экспоненте и заканчивающиеся соплами 10, которые загнуты в сторону ступеней основания 11. Как показали результаты эксперимента, оптимальное число водоводов 7 составляет от двух до восьми. Водоводы в верхней части, то есть в зоне поступающего водопотока, соединены в форме конической фигуры, из которой выходят спирали водоводов 7 с наклоном спиралей к горизонту под углом 40-60. Межосевое расстояниемежду валом 3 и каждым из водоводов 7 зависит от требуемой величины механического 2 85692012.10.30 момента на валу 3, то есть генерируемой мощности, и находится в пределах от 1 до 3 метров. Водоводы 7 механически жестко связаны с валом 3 перемычками 8 пустотелой формы. На горизонтальных участках водоводов 7 перпендикулярно им и сопряженно установлены полуцилиндрические вставки 9, плоская часть которых принимает напор текущей с высокой скоростью по водоводам 7 воды, создавая вращающий момент 1 на валу 3. Дополнительный крутящий момент 2 на валу 3 создают выходящие с высокой скоростью из загнутых в сторону ступеней основания 11 сопел 10 водоводов 7 потоки воды, соударяясь с рабочими гранями ступеней. Вал 3 изготовлен из прочного, химически стойкого материала, например из стали, а водоводы 7 - из химически стойких легких материалов, например из сплавов алюминия. Диаметр конической фигуры водоводов 7 в ее верхней части зависит от требуемых электромеханических параметров ГДЭС и находится в пределах 4-12 метров. Гидродинамическая электростанция устанавливается вблизи водоемов - рек, озер, вода из которых поступает по дополнительному водоводу (на фиг. 1 не показано), защищенному с погруженной в воду стороны сеточными фильтрами, а со стороны стока установлен на нем вакуумный насос, обеспечивающий перепад давлений и непрерывный поток воды по этому водоводу. Вытекающая из водоводов 7 вода по размещенному в основании 10 корпуса 1 каналу опять стекает в водоем. Режим работы редуктора 4 и электрогенератора 6 задает блок управления 13. Гидродинамическая электростанция работает следующим образом. При включении установленного в дополнительном водоводе вакуумного насоса с повышением вакуума в этом водоводе создается перепад давления , появляется водяной напор и поток воды через дополнительный водовод поступает в коническую фигуру водоводов 7. Объемный расход воды через дополнительный водовод,где- сечение водовода- скорость истечения воды. Движение водяного потока по водоводам 7 определяется гидродинамическим давлением, то есть водяной поток накапливает энергию(1)1/22,где- плотность жидкости (воды)- ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с 2- высота столба жидкости от верхнего уровня до оси полуцилиндрической вставки 9- скорость водяного потока на границе с полуцилиндрической вставкой 9. При воздействии водяного потока с энергиейна вертикальное сечение полуцилиндрической вставки 9 появляется сила 1,(2) где- масса воды в водоводе 7 до границы полуцилиндрической вставки 9- вертикальное сечение полуцилиндрической вставки 9 1- ускорение водяного потока на границе с . Для угла наклона спирального водовода 745 19,812/26,94 м/с 2. Следовательно,6,94. Силасоздает крутящий момент(3) 10(кгм),где- радиус крутящего момента - межосевое расстояние между валом 3 и каждым из водоводов 7. Поскольку каждый из водоводов 7 снабженполуцилиндрическими вставками 9, а их суммарное число приводоводах 7 равно , то результирующий крутящий момент на валу 3 равен 110. 3 85692012.10.30 Вытекающий из загнутых в сторону ступеней основания под углом 60-80 сопел 10 водовода 7 водяной поток воздействует перпендикулярно на рабочие плоскости ступеней цилиндрического основания 11, создавая дополнительный крутящий момент(4) 201,где- корректирующий коэффициент- длина горизонтального участка водовода 7 на уровне сопла 10 11/22,где- скорость вытекающего водяного потока из сопла 10- сечение сопла 10. Суммарный дополнительный крутящий момент 220,где- число водоводов 7. Полный крутящий момент на валу 312 и достигает высокого значения (десятки тоннм). Мощность на валу 3 ГДЭС,где- скорость вращения вала 3. Вырабатываемая электрогенератором 6 электрическая энергия мощностью(6)12,где 1 - КПД редуктора 4 2 - КПД электрогенератора 6. Водяной поток, текущий из водоема по дополнительному водоводу, непрерывно вытекает в коническую фигуру водоводов 7, обеспечивая вращение вала 3 и непрерывную выработку электроэнергии. Создан лабораторный макет гидродинамической электростанции по представленной на фиг. 1 и 2 конструкции, который, как показали результаты лабораторных испытаний,эффективно использует энергию водяного потока. Созданная ГДЭС с диаметром конической фигуры 8 м, диаметром двух водоводов у конической фигуры 3 м и их диаметром у сопла 0,5 м с четырьмя полуцилиндрическими вставками в каждом водоводе вырабатывает электроэнергию мощностью до 20 мегаватт. При этом существенно упрощается конструкция ГДЭС, повышается эффективность ее работы, а ее КПД более чем в 1,5 раза превышает КПД гидроэлектростанций-аналогов. Промышленное освоение предлагаемой гидродинамической электростанции возможно на предприятиях гидротехнического строительства и энергетики. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4