МИНИ-ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
MINIPOWER PLANT

Изобретение относится к машиностроению, в частности массовой электрификации сельского хозяйства и быта сельского населения, проживающего у берегов горных рек с большими уклонами и небольшими расходами воды. На них устанавливаются бесплотинные мини-электростанции, обеспечивающие энергией крестьянские хозяйства, пастбища, малые предприятия и т.д.
В связи с постоянным удорожанием углеводных энергоносителей большое внимание обращается на использование альтернативных источников электроэнергии, получаемой более экономными способами с учетом экологического аспекта.
Из уровня техники известны мини-электростанции, представляющие собой агрегаты малой мощности. В известных мини-электростанциях горная вода по подводящему каналу направляется на лопасти гидротурбины, вал которой соединен с приводом электрического генератора, непосредственно превращая энергию водного потока в энергию электрическую.
Общим недостатком известных мини-электростанций являются их конструктивная сложность, внутренние электрические потери водного потока (напора), дороговизна изготовления и необходимость индивидуального проектирования.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является мини-электростанция (патент РФ №2439364 на изобретение, МПК F03B 3/00, F03B 13/00, 2012.01.10), содержащая цистерну, водоподводящий канал, внутреннюю полость, вертикальный вал, муфтой соединенный с приводом электрического генератора, отводящие каналы с регуляторами изменения выходного отверстия. В известной мини-электростанции электрическую энергию получают путем создания искусственного водоворота в цистерне, внутри которой размещен вертикальный вал, со ступенчато установленными на нем дисками с лопастями, внутренняя полость цистерны выполнена в виде усеченного конуса, на дне которого установлено с возможностью вращения колесо, представляющее собой корпус с отводящими трубами, причем корпус колеса соединен с валом. В колесе установлены регуляторы расхода воды с возможностью изменения диаметра выходного отверстия.
Недостатками этой мини-электростанции являются:
- сложность конструкции, насыщенность конструктивными элементами (наличие дисков с лопастями) и, как следствие, определенные трудности ее изготовления и сборки;
- энергетические потери на трение и вихреобразование (на входе во внутреннюю полость цистерны, в системе дисков с лопастями, на сужающейся по потоку конической поверхности внутренней полости, в прямоугольных коленах свастики выводящих труб). На поддержание вихрей в названных выше зонах теряется энергия потока: при его деформации происходит перемешивание частиц и обмен количеством движения между ними, что вызывает нагрев воды.
Все сказанное удорожает производство и сборку станции, снижает ее КПД и эффективность использования.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, - повышение КПД и упрощение конструкции мини-электростанции.
Для решения данной задачи предлагается мини-электростанция, содержащая цистерну, водоподводящий канал, внутреннюю полость, вертикальный вал, муфтой соединенный с приводом электрического генератора, отводящие каналы с регуляторами изменения выходного отверстия, в которой цистерна состоит из обечайки, днища и крышки, имеющих болтовое соединение с обечайкой, внутренней полостью служит пространство между неподвижно соединенными между собой трубой и валом в виде архимедова винта, полость ограничена дном, плоскость которого перпендикулярна продольной оси винта и соединена с днищем цистерны вращательной кинематической парой, внизу обечайка цистерны имеет окна, а из полости, касательно ее внешней поверхности, горизонтально выходят отводящие каналы в форме гротов, основанием которых служат продолжения дна внутренней полости, между обечайкой цистерны и поверхностью полости есть зазор, достаточный для свободного вращения полости с отводящими каналами относительно цистерны.
По второму пункту формулы обечайка цистерны, труба и архимедов винт могут иметь эквидистантные конусности, расширяющиеся по потоку.
По третьему пункту формулы архимедов винт может быть пустотелым.
По четвертому пункту формулы окна цистерны могут быть зарешечены металлической сеткой.
По пятому пункту формулы цистерна может быть выполнена в виде зарешеченного цилиндрического каркаса, крышки и окна.
При использовании внутренней полости цистерны в виде усеченного конуса, сужающегося по движению водного потока, происходит замедление водного потока при движении вниз (в смерче или циклоне в таком конусе сплошная среда стремиться двигаться вверх).
Такая полость влечет за собой энергетические потери за счет:
а) увеличения силы трения скольжения воды F вдоль винта и трубы, которая согласно формуле Кулона-Амонтона равна:
1
2
F=ƒ⋅N=ƒ⋅(N+N),
1
2
ц
где f - коэффициент трения скольжения воды вниз; N и N - проекции сил центробежной F и веса G:
ц
F=m⋅ω⋅R,
где m - масса i-й частицы воды; ω - угловая скорость вращения вала; R - расстояние i-й частицы воды до оси вала,
G=m⋅g,
где m - масса i-й частицы воды; g - ускорение свободного падения.
ц
Движение потока вниз по сужающейся полости замедляется (см. фиг. 3), где проекция силы F направлена по конусу вверх, подобно тому, как это имеет место в смерче (торнадо).
Силы трения скольжения F, действующие на i-ю частицу воды для различных форм внутренней полости, показаны:
на фиг. 1 - в конусе, расширяющемся по потоку,
1
1
2
F=ƒ⋅(N-N),
на фиг. 2 - в цилиндрической трубе
2
2
F=ƒ⋅N,
на фиг. 3 - в конусе, сужающемся по потоку,
3
1
2
F=ƒ⋅(N+N).
Отсюда следует, что
1
2
3
F<F<F;
б) искусственного вихреобразования во внутренней полости, трением и турбулентностью в зоне дисков с лопастями;
в) местных сопротивлений (трение, вихреобразование) в прямоугольных коленах отводящих трубах, собранных в виде свастики;
ц
г) перемещения частиц воды по дну внутренней полости к его центру - колесу против центробежных сил F.
Все названные энергетические потери отсутствуют в предлагаемой мини-электростанции за счет использования внутренней полости в виде цилиндрической трубы, архимедова винта, неподвижно соединенного с цилиндрической трубой, отсутствия искусственного завихрения потока на входе в полость, дисков с лопастями, колеса с отводящими водный поток трубами в виде свастики, трения между водой и внутренней поверхностью полости, что привело к упрощению конструкции мини-электростанции, ее изготовления, монтажа и повышению КПД.
Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
на фиг. 1 показаны проекции сил, действующие на i-ю частицу воды для полости в виде конуса, расширяющегося по потоку;
на фиг. 2 показаны проекции сил, действующие на i-ю частицу воды для полости в виде цилиндрической трубы;
на фиг. 3 показаны проекции сил, действующие на i-ю частицу воды для полости в виде конуса, сужающегося по потоку;
на фиг. 4 изображена конструктивная схема мини-электростанции;
на фиг. 5 представлена схема дна внутренней полости с отводящими каналами (вид А);
на фиг. 6 показана схема кинематической пары;
на фиг. 7 дан вид окна цистерны;
на фиг. 8 представлена крышка цистерны.
Мини-электростанция содержит цистерну, состоящую из обечайки 1 с окнами 2, днища 3 и крышки 4, водоподводящие каналы 5, архимедов винт 6, трубу 7, внутреннюю полость 8, муфту 9, электрогенератор 10, кинематическую пару 11, отводящие каналы 12 и монтажные узлы 13.
Мини-электростанция работает следующим образом.
Цистерну с помощью монтажных узлов 13 устанавливают на берегу горной реки, откуда вода подается через водоподводящие каналы 5 во внутреннюю полость 8 и падает на архимедов винт 6, приводя его вместе с трубой 7, муфтой 9 и приводным валом электрогенератора 10 во вращение относительно обечайки 1 цистерны под действием вращающего момента реактивных сил, формируемых по всей длине винта 6 взаимодействием водного потока с его рабочей поверхностью. Из внутренней полости 8 вода по ее дну поступает в отводящие каналы 12 с регуляторами скорости истечения и, выходя из них, создает реактивный момент, дополняющий момент архимедова винта 6, для чего винт и отводящие каналы 12 соединены синхронно. Покидая внутреннюю полость 8, вода через окна 2 обечайки 1 цистерны выходит наружу.
Величина зазора между трубой 7 и обечайкой 1 цистерны обеспечивает свободное вращение трубы 7 (внутренней полости 8) с водоотводящими каналами 12 относительно цистерны. Длина этих каналов минимальная. Привод генератора может быть снабжен мультипликатором, в частности волновым.
Таким образом, предложенная мини-электростанция за счет использования внутренней полости в виде цилиндрической трубы, архимедова винта, неподвижно соединенного с цилиндрической трубой, позволяющей исключить искусственное завихрение потока на входе в полость, обеспечивает повышение КПД, упрощение конструкции мини-электростанции.