ГЭС НА СПИРАЛЬНОМ ПОТОКЕ ВОДЫ
RIVER PLANT DRIVEN BY SWIRLED WATER FLOW

Изобретение относиться к области гидроэнергетики, в частности для получения электроэнергии от кинетической энергии массы потока воды, движущегося по спиральному лотку, с искусственным или естественным разгоном.
Известные, подобного типа, малые гидроэлектростанции, в которых напор создается, в основном, естественным уклоном потока реки или быстротоком, а силовые установки помещаются непосредственно в поток. Аналоги заявки: RU 2003122970 А, патент RU 2183899 С2, 20.06.2002, Н02К 44/08. Недостатком аналога является то, что данный тип ГЭС, используя прямой поток реки, после завихрения, попадает в центральную воронку, куда и помещается стандартная турбина с генератором тока. Эта схема имитирует «улитку» крупных плотинных ГЭС, только бассейн является открытым и форма его - цилиндрическая, а не в виде улитки. Подобная ГЭС требует большое количество воды, при малом напоре (0,7-1,0 м) на единицу мощности. Нерационально увеличивать диаметр бассейна (более 5 м), т.к. резко возрастает расход материалов и стоимость единицы мощности, усложняется обслуживание, а сама мощность ГЭС вырастет незначительно (кпд падает). Размещение агрегатов в центре водоворота также затрудняет его монтаж, обслуживание и особенно ремонт, необходимо спускать бассейн полностью и извлекать агрегат.
Наиболее близким техническим решением является ГЭС, содержащая водозабор от реки, быстроток или напорный трубопровод, разгонную емкость, закрученную по спирали и направляющую поток на турбину, генератор, связанный с турбиной (US 6835043 В2, 28.12.2004, F03B 15/06). Отличие заключатся в том, что труба в виде спирали закручена в вертикальной плоскости с уменьшением выходного напорного сопла, в диффузор которого помещаются лопасти винтовой турбины.
Задачей изобретения является обеспечение потребителей независимой индивидуальной энергетикой с возможностью самостоятельного строительства подобных ГЭС. Потребителем может быть организация, фермер, воинская часть, или единоличный хозяин, или несколько скооперированных потребителей.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что ГЭС на спиральном потоке воды, содержащая водозабор от реки, быстроток или напорный трубопровод, закрученную по спирали разгонную емкость, направляющую поток на турбину и генератор, связанный с турбиной, разгонная емкость выполнена в виде спирального лотка, выходная часть которого проходит под дном входной части лотка со смещением, а на внешнем и внутреннем бортах лотка установлены, по замкнутому кругу, монорельсы для перемещения на роликах турбины, представляющей собой пространственную сегментную конструкцию, под нижней частью которой прикреплены лопатки, контактирующие с водным потоком в лотке, при этом перед выходом потока из лотка установлен подвижный в вертикальной плоскости порог.
Устройство ГЭС на спиральном потоке воды объясняется схемами где:
Фиг.1 - схема (поперечный разрез по диаметру) спиралевидного лотка с естественным напором воды не менее 1 м;
Фиг.2 - примерная схема в плане, каскада спиралевидных микро-ГЭС, размещаемых по естественному уклону ландшафта на одном быстротоке.
Разгонный канал устраивается почти по спирали с водовыпуском, «ныряющим» под входную часть кольца, ниже уровня его дна, и затем отработанная вода как бы продолжает свой путь дальше по тому же первоначальному направлению. При такой схеме кольцевого бассейна (в виде одной спирали гигантской пружины), при тех же параметрах напора, сила потока, ее кинетическая энергия, может увеличиваться и может использоваться эффективней, если лопастную турбину разместить на направляющих, закрепленных по верхнему краю окружности обеих бортов бассейна, т.е. появляется дополнительный момент сил. Турбина также может крепиться своей осью в центре бассейна (при диаметре наружного борта не более шести метров), или с возможностью опоры роликами на внутренний монорельс, если диаметр кольца больше 6 м, при этом турбина становится планетарным механизмом, в виде сегментной конструкции, а генераторы могут устанавливаться, или внутри свободной полости кольца, или за внешним бортом кольцевого канала.
Рабочие лопатки турбины погружены в поток воды кольцевого лотка. Глубина воды в лотке, ширина кольцевого лотка и напор рассчитываются отдельно для каждого диаметра бассейна и напора потока, применяемого типа генератора и ожидаемой его мощности. Подобные кольцевые спиралевидные бассейны могут составляться, по уклону ландшафта, в каскад с минимальными затратами материалов фиг.1, фиг.2, где отработанный поток первой микро-ГЭС является рабочим потоком следующей микро-ГЭС
У этой схемы ГЭС (с верхним расположением турбины и генераторов) большой диапазон использования как по месту расположения относительно источника напора (реки) или потребителя энергии, так и по форме сечения кольцевых бассейнов, их размеров и комплектации в каскады, а главное расширяются возможности и совсем иные новые способы извлечения электрической энергии с помощью кинетической энергии спирального потока.
ГЭС работает следующим образом: поток воды, взятый с помощью деривации из реки, по подводящему лотку 5 направляется, например, по железобетонному спиральному лотку 1 (фиг.1), расчетного диаметра, может использоваться пластиковый лоток. Вода, по подводящему лотку 5, входит в спиральный лоток 1, закручиваясь, приобретает дополнительное ускорение и «ныряет» под переднюю входную часть спирали со смещением и уходит через сбросной лоток 6 или в деривацию на следующую станцию (фиг.2). Перед сбросным лотком 6 установлен подвижный в вертикальной плоскости порог 7, регулирующий автоматически уровень потока в спиральном лотке 1. Если спиралевидный канал небольшого диаметра (до 6 м), то турбина 9 может быть размещена своей осью 3 вращения на упоре в центре конструкции, во внутренней полости, а лопатки 4, размещенные по краю окружности турбины, контактируют с водным быстротоком в спиральном лотке 1, вращаются под действием кинетической энергии воды.
Турбина, вращаясь от потока воды, через любую известную редукцию передает вращение на генератор, и чем меньше потери на редукторах, тем больше получаемая мощность. Мощность может быть больше при увеличении диаметра спирального лотка до 10-12 м (больше не рационально), но при этом случае турбина 9 при вращении опирается роликами 11 на кольцевые монорельсы 8, установленные по верхним краям бортов лотка, и представляет турбину 9 уже в виде пространственной сегментной конструкции с лопатками 4 (фиг.4). Отбор мощности вращения у такой планетарной турбины также требует особых технических решений и представляет (ноу-хау). «Отработанная» вода после первой микро-ГЭС по сбрасываемому лотку направляется по водоводу или обратно в реку, на следующую станцию в каскаде, если позволяет уклон местности.
Технический результат, получаемый от изобретения, состоит в том, что ГЭС с отбором потока от реки, лотковая спираль, «ныряющая» под себя, в виде одной спирали пружины, простая и не дорогая в изготовлении, дает возможность получить дешевую и автономную электрическую энергию при низкой стоимости строительства энергоустановки, особенно методом «мокрого торкрета», технологична (по сравнению с аналогами) в эксплуатации и ремонте, т.к. турбины и генераторы находятся на открытых площадках и доступны со всех сторон. Гидроустановки могут быть выполнены непосредственно на месте (не заводского традиционного исполнения), в мастерских потребителя энергии.