Гидроэлектрический лопастной трубопроводный модуль

Полезная модель относится к области малой энергетики, в частности к устройствам, предназначенным для преобразования энергии текучей среды в электрическую энергию.
Известно устройство гидроэлектростанции конвейерного типа, частично погружаемой в текучую среду и выполненную из двух пар направляющих с установленными на них по противоположным сторонам валами, имеющими возможность вращения (см. патент RU 2515695 С2, F03B 9/00, F03B 17/06, Е02В 9/00, опубликовано 20.05.2014).
Недостатком данного устройства, помимо невозможности размещения в бытовых системах водоотведения, также является громоздкая конструкция с низким КПД, величина которого в данном случае характеризуется большими затратами кинетической энергии на перемещение и подъем цепной передачи с звеньями-каретками.
Известно устройство отбора энергии текучей среды, погружаемое в воду вдоль потока текучей среды и выполняемое из бесконечно длинной ленты с закрепленными на ней парашютами, способными раскрываться под напором воды и закрываться при обратном ходе (см. патент RU 2519297 С2, F03B 9/00, F03B 17/06, F03D 5/02, опубликовано 10.06.2014).
Недостатком данного устройства является низкая надежность, характеризуемая высокой зависимостью от чистоты текучей среды; при наличии в потоке воды крупнодисперсных частиц (в особенности краеугольных) или каких-либо движимых течением объектов, повышается вероятность разрушения парашютов, запутывания строп или обрыва бесконечной ленты.
Известно устройство погружной ГЭС с эластичными и жесткими лопатками на бесконечной ленте, выполненной из корпуса с верхними боковыми бортами, механизма отбора мощности и генератора, вращающихся барабанов и лопастей с поплавками, установленными на верхней части бесконечной движущейся эластичной ленты (см. патент RU 2395000 С2, F03B 9/00, опубликовано 20.07.2010).
Недостатком данного устройства является сложность установки и эксплуатации.
Известно устройство гидроэлектрической станции, выполненной из блока лопастных винтов осевого типа, которые размещаются внутри корпуса и сопла, пропускающего поток воды (см. патент RU 2527277 С1, F03B 17/06, опубликовано 27.08.2014).
Недостатком данного устройства является ограниченность сферы применения; невозможно применить в системах водоотведения и внедрить в существующие инженерные системы, предназначенные для перемещения текучей среды.
Известно устройство преобразования энергии отработанной воды в электрическую энергию, имеющее вертикальный прямоточный канал в виде трубы с гидрогенератором, подключенным к нагрузке в нижней части, в которой расположен винт гидрогенератора с лопатками (см. патент RU 2492352 С2, F03B 7/00, F03B 13/00, опубликовано 27.11.2012). Недостатком данного устройства является сложность монтажа и дороговизна конструкции
Наиболее близким техническим решением является устройство гидроэлектрической энергосистемы и турбины в трубе, состоящей из дуговых пластин, формирующих сегментарную сферу, путем соединения на единой оси вращения ротора электрогенератора (см. патент RU 2526604 С2, F03B 7/00, F28B 3/12, F03D 3/00, опубликовано 27.08.2014). Недостатком данного изобретения является малая площадь контакта с текучей средой, в результате чего установка данного устройства малоэффективна в безнапорной сети. А также имеется высокая вероятность засорения участка трубопровода со сферической турбиной, при размещении в системе водоотведения. Кроме того, установка данного устройства характеризуется высокой трудоемкостью и невозможна в трубопроводах малого диаметра.
Задачей полезной модели является - упрощение монтажа устройства при применении в безнапорной системе с любым диаметром трубопроводов для отведения сточных бытовых или атмосферных вод, при сопутствующем сохранении эффективности генерации электрической энергии, сокращении стоимости производства и повышении степени безопасности эксплуатации устройства, характеризуемой предотвращением вероятности засорения участка сети.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что гидроэлектрический лопастной трубопроводный модуль, включающий цилиндрической корпус с размещенным в нем осевым валом, имеющем закрепленные на нем лопасти с отбортовками, и при этом совмещенный с преобразующим элементом, который для выработки электрической энергии реализует возможность преобразования кинетической энергии падающей воды в механическую энергию с последующей генерацией электрической энергии и ее отвода по проводу через контроллер электрической сети и предохранитель в аккумулятор, который напрямую связан с инверторным блоком, стабилизирующим параметры электрического тока перед потребительской электрической сетью. При этом осевой вал размещается в подшипнике и размещается строго по центру цилиндрического корпуса с помощью дистанцинирующих элементов. А с целью сохранения гидравлического режима водоотводящей сети цилиндрический корпус выполняется с формированием в области преобразующего элемента местного увеличения диаметра.
Для возможности крепления гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля к трубопроводу на оконцовках цилиндрического корпуса предусмотрены раструбные развальцовки с герметизирующими резиновыми элементами.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на:
фиг. 1 изображен горизонтальный разрез А-А гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля.
фиг. 2 изображен горизонтальный разрез Б-Б гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля.
фиг. 3 изображен общий вид гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля.
фиг. 4 изображена электрическая схема подключения гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля.
Цилиндрический корпус 1 гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля содержит осевой вал 2 с вертикально закрепленными на нем лопастями 3. При этом лопасти 3 выполнены с образованием на их краях отбортовок 4 (см. фиг. 3), выполняющих функцию восприятия основной энергии потока сточных вод. А осевой вал 2 соединен с преобразующим элементом 5, вырабатывающим электрическую энергию, отводимую по проводу б.
Преобразующий элемент 5 выполнен из нержавеющей стали с гладкой полированной поверхностью. При этом преобразующий элемент 5 выполнен в конической форме, способствующей плавному обтеканию преобразующего элемента 5 потоком сточных вод и сохранению номинального гидравлического режима течения жидкости.
При этом лопасти 3 выполнены в форме продольных волнообразных элементов и размещены таким образом, чтобы в проекции сегментарно перекрывать друг друга по меньшей мере на 90° (см. фиг. 1). Что позволяет полностью улавливать объем текучей среды, проходящий через участок безнапорной системы водоотведения с установленным в ней гидроэлектрическим лопастным трубопроводным модулем.
Продольная волнообразная форма лопастей 3 является оптимальной для безнапорных систем водоотведения, по причине формирования в таких системах пристенного течения, обуславливаемого частичным заполнением сечения трубопровода.
Дополнительно на стадии производства, в зависимости от потребительских нужд, предусмотрена возможность варьирования угла изгиба лопастей 3 на более или менее пологий, в результате чего будет изменяться гидравлическое сопротивление и величина генерируемой электрической энергии. При повышении угла изгиба, величина генерируемой электрической энергии возрастет с сопутствующим повышением гидравлического сопротивления; при уменьшении угла изгиба - наоборот.
Для возможности осуществления крепления осевого вала 2 и преобразующего элемента 5 в объеме цилиндрического корпуса 1, основание осевого вала 2 и центр преобразующего элемента 5 соединяют со стенками цилиндрического корпуса 1 при помощи дистанцирующих элементов 7, которые выполнены в виде металлических стержней. При этом по крайней мере один из дистанцирующих элементов 7, соединяющих преобразующий элемент 5 и цилиндрический корпус 1, имеет неправильную цилиндрическую форму с продольным вырывом в нижней части, позволяющим компактно разместить провод 6 в сечении цилиндрического корпуса 1. Данное решение обусловлено необходимостью сохранения номинального гидравлического режима в водоотводящей сети.
Принцип работы гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля осуществляется посредством механической передачи энергии текучей среды лопастям 3, нагрузка на которые обуславливает вращение осевого вала 2, который характеризует работу преобразующего элемента 5.
При этом производство электрической энергии интенсифицируется отбортовками 4, которые, при формирующемся на них напоре воды, создают основную нагрузку, обуславливающую вращение лопастей 3 и осевого вала 2, на котором закреплены лопасти 3. Кроме того, отбортовки 4 также выполняют функцию направления потока сточных вод таким образом, чтобы поток не задевал преобразующий элемент 5.
Кроме того, лопасти 3 устроены таким образом, чтобы оставлять между цилиндрическим корпусом 1 и проекцией круговой траектории движения их крайних точек такой зазор 8, при котором максимально исключается вероятность засорения гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля. В случае засора и образования критического или нефункционального режима эксплуатации, преобразующий элемент 5 имеет функцию принудительного вращения осевого вала 2 и лопастей 3, с целью прочистки участка водоотводящей сети и удаления застрявших объектов. Активация данной функции осуществляется контроллером 9 электрической сети.
Кроме того, минимизация величины зазоров 8 позволяет перенаправить формирующийся пристенный поток сточных вод на лопасти 3 таким образом, чтобы напор образующегося течения дополнительно интенсифицировал нагрузку посредством центростремительного ускорения ориентированного в сторону отбортовок 4.
Отвод генерируемой электрической энергии (см. фиг. 4) от преобразующего элемента 5 осуществляется по проводам 6 через контроллер 9 электрической сети в аккумулятор 10. При этом после контроллера 9 электрической сети установлен предохранитель 11, осуществляющий функцию безопасного режима эксплуатации гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля. После аккумулятора 10 устанавливается инверторный блок 12, предназначенный для стабилизации электрических параметров выходящего электрического тока в потребительскую электрическую сеть 13.
Для возможности присоединения гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля к участку трубопровода безнапорной водоотводящей сети, по обоим концам цилиндрического корпуса 1 имеются раструбные развальцовки 14 с герметизирующими резиновыми элементами 15.
Дополнительно с целью сохранения гидравлического режима безнапорной водоотводящей сети, форма цилиндрического корпуса 1 выполнен с местным увеличением диаметра 16 в области преобразующего элемента 5, что повышает площадь проходного сечения цилиндрического корпуса 1 в месте максимального заполнения объема канала.
Гидроэлектрический лопастной трубопроводный модуль имеет возможность производства в различных вариативных габаритах для внедрения в участки безнапорной водоотводящей сети различного установочного диаметра. Однако производительность напрямую характеризуется величиной установочного диаметра также как и объемом перемещаемой текучей среды; (имеется минимально допустимый диаметр).
Внедрение гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля возможно на участках водоотводящих сетей зданий жилого, общественного, административно-бытового и производственного
назначения. Например, в канализационных стояках, ливневых трубах, ливневых каналах и т.п.
При этом предусмотрена функция каскадного размещения, при которой несколько гидроэлектрических лопастных трубопроводных модулей размещаются последовательно, что способствует кратному увеличению величины генерируемой электрической энергии.
Таким образом, в гидроэлектрическом лопастном трубопроводном модуле реализуется упрощение монтажа устройства при применении в безнапорной системе с любым диаметром трубопроводов для отведения сточных бытовых или атмосферных вод, при сопутствующем сохранении эффективности генерации электрической энергии, сокращении стоимости производства и повышении степени безопасности эксплуатации устройства, характеризуемой предотвращением вероятности засорения участка сети.
С целью облегчения конструкции и снижения потерь энергии на трение осевой вал 2 и лопасти 3 выполняются из полимерных материалов с применением аддитивных технологий производства (например, печать на 3D принтере). (удешевление)
Установка гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля осуществляется посредством замены участка трубопровода водоотводящей сети. При этом удаляется участок трубопровода длиной эквивалентной длине гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля.
При этом учитывается положение гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля; вертикальное положение гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля наиболее целесообразно, по причине восприятия лопастями потенциальной энергии падающих сточных вод. При образовании уклона или горизонтальном положении воздействие потенциальной энергии сточных вод сокращается, и эффективность работы гидроэлектрического лопастного трубопроводного модуля значительно падает.
Дополнительно, с целью предотвращения отложения бытовых отходов от сточных вод, на лопасти 3 и осевой вал 2 наносится слой грязезащитного покрытия.