Глубинная электростанция

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Автор Сычик Василий Андреевич(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Глубинная электростанция, содержащая корпус, смонтированный на основании, гидротурбину с подшипниками-опорами, кинематически связанную с электрогенератором, и водоводы, отличающаяся тем, что она снабжена вакуумным насосом, блоком управления, корпус смонтирован с гидротурбиной на основании вертикально и выполнен в форме цилиндра, на образующей которого расположены впускные сопла водоводов, причем корпус снабжен гидравлическим аккумулятором, выполненным в виде усеченного пустотелого конуса, сопряженного меньшим основанием с цилиндрическим корпусом, а большим основанием с полусферическим пустотелым телом вращения, причем водоводы размещены концентрично корпусу и соединены с ним тангенциально впускными соплами, а нагнетательные сечения заборных сопел водоводов расположены в основании корпуса,при этом продольная ось каждого водовода расположена под острым углом к основанию корпуса, выполненному в виде горизонтальной платформы и смонтированному на вертикальных опорах, электрогенератор смонтирован на верхнем сечении корпуса, а под электрогенератором на корпусе смонтированы вакуумный насос и дисковый отражатель, под которым размещены выпускные сопла. Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована при строительстве гидроэлектростанций на глубоководных реках, озерах, морских акваториях. Известна гидроэлектростанция 1, которая содержит снабженный поплавками с балластными емкостями проточный корпус с сужающимся по потоку горизонтальным входным патрубком, вертикальной камерой и коленообразным выходным патрубком,гидроагрегат с лопастной турбиной, электрогенератор с силовым кабелем для связи генератора с потребителем. Недостатками такой электростанции являются сложность конструкции и невысокий коэффициент полезного действия. В патенте США 2 описана гидроэлектростанция, включающая электрогенераторы,установленные на основании, турбинное колесо, жестко связанное с валом генераторов и закрытое защитным кожухом. Этот тип электростанций также обладает невысокой надежностью работы и низким КПД. Прототипом предлагаемой полезной модели является гидроэлектростанция, описанная в 3. Она содержит электрогенератор, несущую раму, погруженную под уровень воды,горизонтальный ряд установленных на раме гидротурбин, размещенных в отдельных корпусах и соединенных при помощи зубчатых передач с выходными валами. Гидротурбины соединены с выходными валами при помощи муфт свободного хода, валы выполнены за одно целое с образованием общего вала отбора мощности и установлены на основании рамы. Недостатками устройства-прототипа являются 1. Сложность конструкции, обусловленная размещением ряда гидротурбин в отдельных корпусах, наличием ряда выходных валов, обладающих сложной кинематической связью с гидротурбинами. 2. Невысокий КПД, обусловленный неэффективным использованием гидродинамических свойств воды и сложной системой передачи вращения от гидротурбины к генератору. Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы электростанции, ее КПД, оптимальное использование гидродинамических свойств жидкости и упрощение конструкции электростанции. Поставленная задача достигается тем, что глубинная электростанция, содержащая корпус, смонтированный на основании, гидротурбину с подшипниками-опорами, кинематически связанную с электрогенератором, и водоводы, снабжена вакуумным насосом,блоком управления, корпус смонтирован с гидротурбиной на основании вертикально и выполнен в форме цилиндра, на образующей которого расположены впускные сопла водоводов, причем корпус снабжен гидравлическим аккумулятором, выполненным в виде усеченного пустотелого конуса, сопряженного меньшим основанием с цилиндрическим корпусом, а большим основанием с полусферическим пустотелым телом вращения, причем водоводы размещены концентрично корпусу и соединены с ним тангенциально впускными соплами, а нагнетательные сечения заборных сопел водоводов расположены в основании корпуса, при этом продольная ось каждого водовода расположена под острым углом к основанию корпуса, выполненному в виде горизонтальной платформы и смонтированному на вертикальных опорах, электрогенератор смонтирован на верхнем сечении корпуса, а под электрогенератором на корпусе смонтированы вакуумный насос и дисковый отражатель, под которым размещены выпускные сопла. 86102012.10.30 Сущность полезной модели поясняют фигуры, где на фиг. 1 изображен главный вид глубинной электростанции, а на фиг. 2 - сечение ее корпуса на уровне впускных сопел. Глубинная электростанция (ГЭС) содержит корпус 1 с размещенной внутри его гидротурбиной 2. Корпус 1 посредством гидравлического аккумулятора 3 жестко связан с основанием 4, выполненным в виде горизонтальной платформы, размещенной на вертикальных опорах 5. Гидротурбина 2 посредством вала 6 кинематически связана с электрогенератором 7. Водоводы 8 в форме цилиндрических труб снабжены соплами впускными соплами 9,заборными соплами 10 с нагнетательными сечениями и защищены кожухом 11. На корпусе 1 под электрогенератором 7 смонтирован дисковый отражатель 12, под которым размещены выпускные сопла 13 ГЭС. На корпусе 1 под электрогенератором 7 смонтирован вакуумный насос 14 и установлены электромагнитные заслонки 15 с датчиками уровня воды. Блок управления осуществляет контроль за работой глубинной электростанции. Корпус 1 ГЭС выполнен цилиндрической формы из высокопрочного, устойчивого к химическим средам материала, например из чугуна, железобетона, керметных материалов. Диаметр корпуса 1 выбирается с учетом требуемых гидроэнергетических параметров водяного потока, размеров гидротурбины 2, величины номинальной мощности ГЭС и может составлять величину 220 метров. В стенках средней части корпуса 1 по его образующей размещены тангенциально впускные сопла 9 водоводов 8, которые сдвинуты относительно друг друга в плоскости образующей на одинаковые расстояния или углы 120, , 90,45. Число впускных сопел 9 в ряду на образующей корпуса 1 зависит от диаметра корпуса 1, диаметра водоводов 8 и составляет 316 штук для каждого ряда. Число рядов водоводов 8, размещенных на корпусе 1, зависит от требуемых гидродинамических параметров водяного потока в корпусе 1, то есть мощности ГЭС, и составляет от 2 до 10, причем водоводы 8 каждого ряда смещены по направляющей корпуса 1 относительно водоводов 8 соседнего ряда на угол /2, что существенно повышает свойства водяного потока. В верхней части корпуса 1 по его оси может быть размещена винтообразная спираль 14, которая усиливает вращательное движение водяного потока, т.е. улучшает его гидродинамические свойства. В верхней части корпуса 1 размещена на опорах-подшипниках гидротурбина 2,размеры которой сопряжены с диаметром и длиной верхней части корпуса 1 и определяются требуемой генерируемой мощностью и производительностью ГЭС, причем лопасти гидротурбины 2 расположены на уровне выпускных сопел для получения высокого крутящего момента на валу 6. Корпус 1 ГЭС нижним основанием сопряжен с гидравлическим аккумулятором 3,верхняя часть корпуса которого выполнена в виде усеченного пустотелого конуса и сопряжена большим основанием со второй своей частью, выполненной в форме полусферического пустотелого тела вращения. Такая конструкция гидравлического аккумулятора 3 воспринимает вращение создаваемого водоводами 8 потока и образует маховик, что обеспечивает оптимальное вращение водяного потока на требуемых оборотах, его резкое ускорение вверх без затухания вращательного движения водяного потока. Он также выполнен из прочного, устойчивого к агрессивным средам материала. Соотношение конической и сферической частей гидравлического аккумулятора 3 составляет 3111. Сопряженный с гидравлическим аккумулятором 3 корпус 1 смонтирован с гидротурбиной 2 на основании 4 ГЭС вертикально. Водоводы 8 выполнены в форме цилиндрических труб двойного диаметра из прочного, устойчивого к агрессивным средам материала, например чугуна, фторопласта, керметных материалов. Для получения высокой скорости истечения воды через входные сопла 9 водоводы 8 выполнены в виде двух труб разных диаметров с учетом зависимости 1122, где 1, 2 - сечения нижнего и верхнего участков водоводов 8 1, 2 - скорость течения воды в этих участках. При этом 12, где 1, 2 - диаметр трубы водовода 8 у заборного сопла 10 и у впускного сопла 9. Цилиндрический участок водовода 8 сечением 1 может быть заменен коническим с сечением большего основания 1 и меньшего основания 2. Водоводы 8 наклонены к основанию 4 ГЭС под острым углом 3 86102012.10.303060, который определяется требуемым перепадом давления в каждом водоводе 8,т.е. скоростью истечения водяной струи через впускное сопло 9. Водоводы 8 расположены спиральными рядами и в каждом ряду размещены концентрично корпусу 1 и концентрично к основанию 4. Нагнетательные сечения заборных сопел 10 водоводов 8 расположены в теле горизонтальной платформы основания 4. Водоводы 8 создают за счет перепада давлений в нем направленный водяной поток, который, истекая через впускные сопла 9, приобретает вращательное движение в корпусе 1. При этом перепад давленийзависит от уровней расположения входного сопла 9 и заборного сопла 10 и составляет(1-2),где 1, 2 - уровени расположения выходного сопла 9 и заборного сопла 10- плотность воды 9,81 м/с 2 - ускорение свободного падения. Требуемый перепад давлений и внутренние диаметры водоводов 8 определяются необходимой скоростью вращательнопоступательного движения водяного потока в цилиндре 1, и этот перепад давлений может составлять 104107 Па. Для повышения скорости поступающего в корпус 1 объема воды и скорости ее слива через выпускные сопла 13 установлен на корпусе 1 вакуумный насос 14,который обеспечивает дополнительный перепад давленийв корпусе 1 на уровне выпускных сопел 13, причем 1-2, где 1 - атмосферное давление на уровне водоема 2- давление, создаваемое вакуумным насосом в корпусе 1 на уровне выпускных сопел 13. Отработанные в корпусе 1 потоки воды начинают вытекать через выпускные сопла 13 после срабатывания датчика уровня воды, подачи от блока управления 16 электропитания на электромагнитные заслонки 15 и их открывания. Нормальную работу вакуумного насоса 14 и электромагнитных заслонок обеспечивает блок управления 16. Для повышения коэффициента истечения входного и заборного сопел 9 и 10 их наружные кромки выполнены полукруглыми. Нагнетательные сечения заборных сопел 10 защищены фильтрами. Гидротурбина 2 стандартного типа размещена вертикально в верхней части корпуса 1 на подшипниках-опорах требуемых габаритов и мощности. Выше гидротурбины 2 на корпусе 1 размещены выпускные сопла 13, расположенные выше уровня водяной поверхности озера,моря или другого водоема, через которые осуществляется слив прошедшего через гидротурбину 2 водяного потока в окружающий водоем. Под электрогенератором 7 смонтированы вакуумный насос 14 и дисковый отражатель 12, который также расположен выше уровня водяной поверхности водоема. Он защищает выпускные сопла 13 от изменения параметров окружающей среды (ветер, волнение, дождь и т.д.), то есть обеспечивает беспомеховое истечение водяного потока через выпускные сопла 13. Электрогенератор 7 смонтирован на верхнем сечении корпуса 1 и выбран стандартной формы на заданную мощность. Для обеспечения нормальной скорости вращения ротора электрогенератора 7 он может содержать редуктор, связанный с валом 6 гидротурбины 2. Вертикальные опоры 5 основания 4 удерживают ее горизонтальную платформу на заданном от дна водоема расстоянии. Их число и размеры определяются общим весом ГЭС. Кожух 11 жестко и герметично соединен с основанием 4 и корпусом 1, изготовлен из прочного и стойкого к агрессивным средам материала и защищает основание 4, водоводы 8 и корпус 1 от воздействия биоорганизмов и агрессивных сред. При установке глубинной электростанции на дно водоема (озера, моря) так, чтобы выпускные сопла 13 оказались выше уровня воды, вследствие перепада давлений воды в нижнем и верхнем сечениях водоводов 8 и тангенциального размещения впускных сопел 9 происходит преобразование поступательного движения водяных потоков через водоводы 8 во вращательное движение водяного потока в цилиндрическом корпусе 1. Получив от гидравлического аккумулятора 3 вращательно-поступательное движение вверх, водяной поток воздействует на гидротурбину 2, заставляя ее вращаться с заданной скоростью. Вал 6 гидротурбины 2 приводит во вращение ротор электрогенератора 7 с требуемой скоростью, которая при необходимости корректируется редуктором электрогенератора 7. Электрогенератор 7 вырабатывает электроэнергию заданной мощности. 4 86102012.10.30 В результате использования вакуумного насоса 14 с электромагнитными заслонками 15,установки цилиндрического корпуса 1 с гидротурбиной 2 вертикально на основании 4, на образующей которого расположены тангенциально впускные сопла 9 водоводов 8, и сопряжения корпуса 1 с гидравлическим аккумулятором 3, который выполнен в форме усеченного пустотелого конуса, сопряженного с полусферическим пустотелым телом вращения, причем водоводы 8 выполнены в виде сопряженных конической поверхностью двух труб, большего диаметра у основания и меньшего у впускного сопла 9, наклонены под острым углом к оси корпуса 1, решается поставленная техническая задача в сравнении с прототипом и аналогами упрощается конструкция электростанции, повышается ее КПД, оптимально используются гидродинамические свойства жидкости. Сконструированные в соответствии с фиг. 1 и 2 глубинные электростанции можно серийно размещать на озерном водоеме на близких расстояниях друг от друга (200 м) и получать электроэнергию с такого водоема мегаваттной мощности. Создан лабораторный макет глубинной электростанции по представленной на фиг. 1 и 2 конструкции, который, как показали результаты лабораторных испытаний, эффективно использует энергию озер, глубоководных рек, морских акваторий. Созданная ГЭС, длина корпуса 1 которой вместе с гидравлическим аккумулятором 3 составляет 15 м, внутренний диаметр корпуса - 1-4 м, диаметр водовода 8 у основания - 1 м, у впускного сопла - 9-0,15 м,угол наклона водоводов - 45, число водоводов в ряду - 4, число рядов - 3, уровень вакуума в зоне действия вакуумного насоса 14 210-2 Па, позволяет генерировать электроэнергию мощностью 510 МВт, при этом ее КПД более чем в 2 раза превышает КПД электростанций-аналогов. Промышленное освоение предлагаемой глубинной электростанции возможно на предприятиях гидротехнического строительства, энергетики и машиностроения. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5