СКВАЖИННЫЙ ВОДЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к гравитационным двигателям, принцип работы которых предусматривает преобразование потенциальной энергии рабочей среды, например воды, при падении ее или заполненных ею рабочих тел в механическую энергию, и может быть использована в различных отраслях народного хозяйства. Устройство позволит расширить номенклатуру нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) - средств малой энергетики, использующих нетрадиционные, в первую очередь возобновляемые ресурсы - природные естественные и искусственные водоемы в т.ч. подземные воды, а также реки с малыми водотоками.
Известно устройство ударно-канатного бурения (Шамшев Ф.А. и др. Технология и техника разведочного бурения. Издание третье, М., Недра, 1983 г., стр.464-469), включающее двигатель, реверсивный привод лебедки с канатом, к которому присоединен ударный снаряд с инструментом, находящимся в скважине. В устройстве ударный снаряд с инструментом периодически поднимается в скважине над забоем на определенную высоту и в последующем сбрасывается, последний падает под действием своего веса. Потенциальная энергия переходит в кинетическую и при ударе инструмента о забой скважины совершается работа. Для работы устройства подводится энергия извне. Устройство не позволяет получать энергию непрерывно.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является водяной двигатель по патенту на полезную модель РФ №.51681 «Водяной двигатель» (Заявка №2005113527/22 от 03.05.2005 г. М. кл. F03G 1/02, F03B 29/08, F03B 17/00, опубл. 27.02.2005 г.).
Данный водяной двигатель включает источник воды, питательную емкость, преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала с установленным на нем маховиком, две идентичные рабочие группы - первую и вторую, включающие полый поршень с выпускным клапаном, срабатывающим в его нижнем положении, рабочую камеру-гильзу цилиндра, расположенную ниже преобразователя движения поршня во вращательное движение выходного вала, при этом между поршнем и гильзой цилиндра имеется зазор без уплотнения, а также клапан с управляющим им устройством, например, кулачком, установленным на поршне, подводящий и отводящий каналы, причем детали, расположенные ниже преобразователя возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, установлены в вертикальных интервалах первой и второй буровых скважин сообщенных в нижней своей части с зоной ухода воды, которой является вскрытый скважинами подземный проницаемый поглощающий интервал, а в верхней - оборудованной установленными в ней двумя соосными колоннами обсадных труб большего и меньшего диаметра, при этом питательная емкость образована кольцевым объемом между обсадными колоннами и имеющим сообщение с источником воды, например, с подземным водоносным горизонтом, а рабочая камера образована объемом обсадной колонны меньшего диаметра, причем скважина сообщена с зоной ухода воды ниже обсадных колонн, подводящие каналы выполнены с обеспечением условия сообщения питательной емкости с полостью поршней и их заполнения водой самотеком в верхнем положении поршней, а поршни между собой соединены канатом, охватывающим два блока, установленных посредством муфт одностороннего действия, например, обгонных на входных валах преобразователя возвратно-поступательного перемещения поршней во вращательное движение выходного вала, представляющего собой двухвходовый реверсивный редуктор, либо мультипликатор.
Недостаток двигателя, принятого в качестве прототипа, заключается в том, что эффективность его использования ограничена определенными горными и гидрогеологическими условиями. Существуют условия, когда зона ухода воды, которой является вскрытый скважинами подземный проницаемый поглощающий интервал, является недоступной для добычи из нее воды, например исходя из технико-экономических соображений. В таких условиях «отработавшая» в водяном двигателе вода, стекающая в подобную зону ее ухода, практически изымается из обращения - не может быть применена для дальнейшего, в том числе хозяйственно-бытового, использования. При этом водяной двигатель не будет являться ресурсоэкономичным (материальный ресурс - вода; ГОСТ 30166. Ресурсосбережение. Основные положения.), а изготовленный с его использованием энергоисточник не будет возобновляемым и энергоэкономичным (Закон №28-ФЗ от 3 апреля 1996 г. «Об энергосбережении»; ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей. Общие положения. М., «Издательство стандартов», 1998 г.). Использование в качестве источника питания только подземной водоносной зоны ограничивает условия его применения.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение ресурсо- и энергоэкономичности водяного двигателя и расширение условий его применения.
Достигается поставленная задача следующим. В водяном двигателе, содержащем источник воды, питательную емкость, преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала с установленным на нем маховиком, две идентичные - первую и вторую рабочие группы, включающие полый поршень с выпускным клапаном, срабатывающим в его нижнем положении, рабочую камеру-гильзу цилиндра, расположенную ниже преобразователя движения поршня во вращательное движение выходного вала, при этом между поршнем и гильзой цилиндра имеется зазор без уплотнения, а также клапан с управляющим им устройством, например, кулачком, установленным на поршне, подводящий и отводящий каналы, причем детали, расположенные ниже преобразователя возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, установлены в вертикальных интервалах первой и второй буровых скважин, сообщенных в нижней своей части с зоной ухода воды, а в верхней - оборудованной установленными в ней двумя соосными колоннами обсадных труб бо'льшего и меньшего диаметра, при этом питательная емкость образована кольцевым объемом между обсадными колоннами и имеющим сообщение с источником воды, например, с подземным водоносным горизонтом, а рабочая камера образована объемом обсадной колонны меньшего диаметра, причем скважина сообщена с зоной ухода воды ниже обсадных колонн, подводящие каналы выполнены с обеспечением условия сообщения питательной емкости с полостью поршней и их заполнения водой самотеком в верхнем положении поршней, а поршни между собой соединены канатом, охватывающим два блока, установленных посредством муфт одностороннего действия, например, обгонных на входных валах преобразователя возвратно-поступательного перемещения поршней во вращательное движение выходного вала, представляющего собой двухвходовый реверсивный редуктор, либо мультипликатор, зоной ухода воды является интервал направленной дренажной скважины, пробуренной до сообщения с рекой в нижнем ее течении; пространственное положение осей вертикальных интервалов первой и второй скважин, а также оси интервала направленно пробуренной дренажной скважины совпадают с положением вертикально ориентированной плоскости; второй скважиной является вертикальный ее интервал более удаленный по вертикали от сообщения интервала дренажной скважины с рекой, причем этот интервал является продолжением ее вертикального интервала, а вместе они представляют собой единую вторую скважину; вертикальный интервал первой скважины пробурен до пересечения с направленно пробуренным интервалом второй скважины.
В скважинном водяном двигателе, далее СВД:
а) в случае непересечения первой скважины в нижней ее части с направленно пробуренным интервалом второй скважины они могут быть сообщены посредством каналов природной трещиноватости или вызванной путем гидроразрыва горных пород между ними;
б) источником воды могут быть - река в верхнем ее течении, озеро или водохранилище.
Реализация отличительных признаков обуславливает появление у СВД важного нового свойства - повышение ресурсо- и энергоэкономичности водяного двигателя. Достигается это тем, что «отработавшая» в нем вода посредством дренажной скважины отводится в поверхностный природный водоток - реку и не изымается из обращения, а изготовленный с его использованием энергоисточник является возобновляемым и энергоэкономичным.
Сочетание признаков заявляемого скважинного водяного двигателя позволяет, за счет повышения его ресурсо- и энергоэкономичности, расширить условия его применения.
Ниже приведены признаки обозначенных выше (п.а)-(п.б) дополнительных пунктов полезной модели, реализация которых направлена на повышение показателей назначения СВД и расширение условий его применения:
а) в случае непересечения первой скважины в нижней ее части с направленно пробуренным интервалом второй скважины они могут быть сообщены посредством каналов природной трещиноватости или вызванной путем гидроразрыва либо путем взрывания горных пород между ними;
Несмотря на то, что согласно первому пункту настоящей полезной модели направленно пробуренный интервал второй скважины (она является дренажной) и первая скважина расположены (должны быть расположены) в одной вертикальной плоскости, и должны иметь пересечение, благодаря которому вода из первой скважины приобретает возможность также поступать в дренажную первую скважину, такое пересечение не всегда обеспечивается. Объясняется это естественным искривлением стволов и первой и второй скважин, траектории которых могут отклоняться от теоретических. При этом скважины могут не пересекаться, но находятся на небольшом расстоянии друг от друга у точки предполагаемого пересечения. Путем гидроразрыва пород между первой и второй скважинами в окрестности точки предполагаемого пересечения, в них формируется система сообщающихся трещин, являющаяся каналом перетекания «отработавшей» в водяном двигателе воды из первой скважины во вторую (дренажную). Технология гидроразрыва горных пород в скважине известна (она широко применяется в при бурении эксплуатационных нефтяных и газовых скважин) и предусматривает: установку пакера на низ колонны бурильных труб; спуск колонны труб в скважину с установкой пакера на необходимой ее глубине с заполнением внутреннего объема труб и подпакерного объема скважины жидкостью и приведением его (пакера) в рабочее положение; создание в трубах и подпакерном объеме скважины давления жидкости достаточного для гидроразрыва пород контактирующих со стенками скважины ниже пакера в результате чего он (гидроразрыв) и происходит.В заявляемом СВД, для осуществления гидроразрыва горных пород между скважинами, пакер устанавливают в первой скважине на глубине близкой к ее забою. Технология огневого взрывания горных пород в скважине, с целью формирования в массиве горных пород в окрестности скважины зоны трещиноватых пород (с сообщенной трещиноватостью), также известна (она широко применяется в гидрогеологических скважинах и скважинах различных геотехнологий) и предусматривает установку на требуемой глубине скважины заряда и последующее его взрывание. В заявляемом СВД, для осуществления огневого взрывания горных пород, в том числе находящихся между скважинами, заряд устанавливают в первой скважине на глубине близкой к ее забою.
Реализация п.а) позволяет обеспечить работоспособность заявляемого двигателя в различных горно-геологотехнических условиях, которые могли бы отразиться на интенсивности естественного искривления буровых скважин;
б) источником воды могут быть - река в верхнем ее течении, озеро или водохранилище;
Для реализации п.б) питательная емкость, образованная кольцевым объемом между обсадными колоннами, расположена в поверхностном водоеме. При работе в таком конструктивном исполнении водяного двигателя вода забирается из реки в верхнем ее течении (либо из водохранилища или озера), а после совершения работы в нем отводится в реку в нижнем ее течении. Она не изымается из обращения и этим, не нарушается водный баланс природных водотоков, сохраняется экология его существования. Реализация п.б) позволяет обеспечить работоспособность заявляемого двигателя в различных, более широких горно-геологотехнических условиях, при наличии источников воды, представленных не только подземными, но и поверхностными, и этим расширить условия его применения.
Ниже приведен пример выполнения заявляемого скважинного водяного двигателя.
На фиг.1 в качестве примера приведена принципиальная схема устройства (для пояснения принципа работы) предлагаемого водяного двигателя. На фиг.2 приведена кинематическая схема двухвходового мультипликатора двигателя.
Скважинный водяной двигатель содержит: 1, 1' - питательную емкость; 2 - водоносную подземную зону; 3, 3' - впускные клапаны первой и второй рабочих групп, соответственно (в последующем обозначение со штрихом означает одноименный элемент относящийся ко второй рабочей группе); 4, 4' - гильзы; 5, 5' - поршни; 6 - канат; 7, 7' - шкивы; 8, 8' - муфты одностороннего действия; 9 - преобразователь попеременного реверсивного вращения входных валов во вращательное движение выходного вала, в последующем - преобразователь; 10, 10' - впускные кулачки; 11, 11' - выпускные клапаны поршней; 12, 12' - упоры выпускных клапанов поршней; 13, 13' - выходные каналы; 14, 14' - вертикальные интервалы второй и первой скважин, соответственно; 15, 15' - промежуточные шестерни первой и второй рабочих групп, соответственно; 16, 16' - выходные муфты одностороннего действия реверсивного редуктора (мультипликатора); 17 - выходная шестерня с выходным валом; 18 - маховик; 19 - выходной вал; 20 -воздушный колпак; 21 - штуцер; 22 - промежуточный ролик-шкив; 23 - интервал направленно пробуренной дренажной скважины (интервал второй скважины).
1
2
1
2
2
1
Работает водяной двигатель следующим образом. Питательные емкости 1 и 1' наполняются водой из подземной водоносной зоны 2 через фильтры, установленные в обсадной трубе большего диаметра. Один из поршней двигателя, например, поршень 5 подводится к своей верхней мертвой точке (ВМТ) - положение показано на фиг.1 (подводка поршня производится с помощью вспомогательного устройства в т.ч. ручного, которое на фиг.1 не показано). При этом соединенный с ним поршень 5' устанавливается в своей нижней мертвой точке (НМТ). В таком состоянии двигателя поршень 5 установленным на нем кулачком 10 открывает впускной клапан 3 и вода из питательной емкости 1 поступает в полость поршня 5, а выпускной клапан 11' поршня 5' взаимодействует с упором 12', открывается и вода из поршня 5' вытекает в выходной канал 13' (нижняя часть первой скважины 14') и далее в направленно пробуренный интервал дренажной (второй) скважины 23, по которой транспортируется к зоне ухода воды - реке. Полость поршня 5 заполняется водой, а полость поршня 5' освобождается от воды, при этом вес Р поршня 5 увеличивается, а вес Р поршня 5' уменьшается. После завершения процессов заполнения-истечения, за счет превышения P>P поршень 5 начинает движение вниз, при этом поршень 5' перемещается вверх. При движении поршня 5 вниз, а поршня 5' вверх перемещение каната 6 вызывает вращение шкивов 7 и 7' в направлении против часовой стрелки. Шкивы 7 и 7' сопряжены с валами посредством муфт одностороннего действия, например обгонных, установленных так, что при движении каната в каждом из направлений срабатывает одна из обгонных муфт. При движении поршня 5 вниз вращение передается от шкива 7 посредством обгонной муфты 8 на входной вал блока 7. Вращение входного вала шкива 7 посредством шестерен 15 и 17 (фиг.2), установленных в преобразователе попеременного реверсивного вращения входных валов во вращательное движение выходного вала 9, передается его выходному валу 19, на котором установлен маховик 18. При достижении поршнем 5 своей НМТ его выпускной клапан 11 взаимодействует с упором 12, установленным в скважине, и открывается, а поршень 5' достигает своей ВМТ, при этом установленным на нем кулачком 10' открывается впускной клапан 3'. При таком положении поршней вода из полости поршня 5 вытекает и по направленно пробуренному интервалу дренажной (второй) скважины 23 транспортируется к зоне ухода воды - реке, а полость поршня 5' наполняется водой. После завершения процессов заполнения-истечения, за счет превышения веса P>P, поршень 5' начинает двигаться вниз, при этом связанный с ним канатом 6 поршень 5 начинает перемещаться вверх. При движении поршня 5' вниз, а поршня 5 вверх перемещение каната вызывает вращение шкивов 7 и 7' в направлении по часовой стрелке. При таком направлении движения каната вращение шкива 7' посредством обгонной муфты 8' передается на входной вал шкива 7'. Вращение входного вала шкива 7' посредством шестерен 15' и 17 передается выходному валу 19. В последующем цикл работы двигателя повторяется.
В двигателе используется гравитационная составляющая рабочего хода поршня (за счет силы тяжести) на всем интервале от водоносной зоны до зоны ее ухода. При этом, теоретическая потенциальная энергия поршня наполненного водой может быть определена из выражения:
Wп=m·g·h, где
2
Wп - потенциальная энергия поршня, Дж; m - масса поршня, кг; g - ускорение свободного падения, м/с; h - высота падения поршня (разница между положениями глубин водоносной зоны и зоны ее ухода), м.
Рабочий ход двигателя может составлять от метров до нескольких их десятков.
Таким образом, в системе двух соединенных между собой канатом поршней, под действием гравитационных сил, попеременно заполняемых водой поршней, устанавливаются их периодические движения вниз - вверх. Мощность, развиваемая в такой динамической системе, изначально определяется усилием в канате и линейной скоростью его движения, а на выходном валу - с учетом потерь на трение.
В редукторе (мультипликаторе) преобразователя 9 дополнительно установлены выходные муфты одностороннего действия 16 и 16'. Применение в двигателе указанных муфт позволяет исключить холостое вращение шестерен 15 при передаче вращения от шкива 7' выходной шестерне 17, а также исключить холостое вращение входного вала шкива 7' при передаче вращения от шкива 7 посредством шестерен 15 выходной шестерне 17.
Остановка двигателя осуществляется с помощью сжатого воздуха, например, аккумулированного в баллоне (на фиг.1 не показан). Шлангом баллон с вентилем подсоединяется к штуцеру 21, и сжатый воздух поступает в кольцевой объем выше уровня жидкости - воздушный колпак 20. По мере увеличения давления в воздушном колпаке уровень жидкости в кольцевом объеме начинает перемещаться вниз, а объем воздушного колпака - увеличиваться. При положении уровня жидкости ниже впускного клапана 3' исключается возможность поступления воды из кольцевого объема 1' в полость поршня 5' при очередном достижении им ВМТ. Работа двигателя прекращается.
В предлагаемом двигателе рабочий ход поршня 5 (5') от ВМТ до НМТ составляет расстояние от водоносной зоны до положения упоров выпускных клапанов поршней 12 и 12', которое может составлять единицы или десятки метров.
Конструкцией и принципом работы предлагаемого водяного двигателя исключается неравномерность каждого из попеременных инициирующих усилий, воздействующих на поршень. Объясняется это идентичностью условий их формирования и наличием маховика 18, установленного на выходном валу 19 преобразователя 9.
При соблюдении условия, когда расход воды при работе двигателя не превышает естественного восполнения, истощения запасов подземных вод в данном водоносном горизонте не происходит, его гидростатическое давление сохраняется, и двигатель может работать бесконечно долго.
Возможны и другие варианты питания скважинного водяного двигателя водой, например когда питательная емкость представлена расположенными на поверхности водоемами природного (река, озеро) или искусственного (водохранилище) происхождения, в т.ч. техническими гидросистемами.
Двигатель может быть использован в качестве источника электрической энергии при соединении его выходного вала с электрогенератором.
Преимуществом предлагаемого нами технического решения по сравнению с водяным двигателем, принятым в качестве прототипа, являются более высокие показатели ресурсоэкономичности его работы, энергосбережения и более широкие горногидрогеологотехнические условия применения. Более высокая ресурсоэкономичность (экономичность расходования воды) заключается в том, что она не изымается из хозяйственного оборота, в полном объеме возвращается в реку и может быть использована для целей различного назначения. Эффект большего энергосбережения достигается тем, что при работе двигателя в качестве энергоисточника, он является возобновляемым, так как вода не изымается из ее кругооборота (не изымается из хозяйственного обращения, что может наблюдаться в некоторых условиях ее полного подземного поглощения в прототипе), а возобновляемые источники энергии являются технической основой энергосберегающих технологий. Более широкие горногидрогеологотехнические условия применения объясняются потенциальным разнообразием применяемых в нем источников воды - природные и искусственно созданные поверхностные и подземные.
Применение предлагаемого водяного двигателя позволяет расширить номенклатуру НВИЭ - средств «малой» энергетики, использующих нетрадиционные, в т.ч. возобновляемые ресурсы - не только подземные воды в естественных условиях их существования, но поверхностные природного и искусственного происхождения. При соблюдении условия, когда расход воды при работе двигателя не превышает естественного восполнения, истощения запасов подземных вод в данном водоносном горизонте, а также поверхностных не происходит, и двигатель может работать бесконечно долго. Преимуществом двигателя при его питании от водоносного горизонта и использовании в качестве источника электроэнергии, в сравнении с речными мини-ГЭС в холодное время в условиях резко континентального климата, является возможность эксплуатации его круглогодично в таких районах, в частности, при низких температурах, при которых реки замерзают, так как, используемое в нем рабочее тело - подземная вода не замерзает.
При других вариантах питания двигателя водой от ее источников природного происхождения, расположенных выше дневной поверхности (река, озеро и др.), использование двигателя позволяет реализовать возобновляемый нетрадиционный источник электроэнергии. При этом «отработавшая» в нем вода не изымается из оборота, а возвращается в поверхностный источник и может использоваться для питьевых и хозяйственно-бытовых целей - достигается эффект ресурсосбережения (сбережение воды). В его вариантах с питанием двигателя от источников искусственного происхождения (технические гидросистемы), в т.ч. сточных вод, использование двигателя может реализовать их гравитационный потенциал путем выработки электроэнергии. При этом, выполнившая свои функции в технических гидросистемах вода является вторичным энергетическим ресурсом.
При использовании предлагаемого двигателя в качестве источника энергии достигается эффект не только ресурсосбережения, но и энергосбережения, так как вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии является энергосберегающим мероприятием (Федеральный закон №28-ФЗ от 3 апреля 1996 г. «Об энергосбережении»).