ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОДЫ В МЕХАНИЧЕСКУЮ

Область техники.
Полезная модель относится к энергетике, а более конкретно к гидравлическим машинам и двигателям и может быть использована в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства для получения дешевой механической или электрической энергии.
Уровень техники.
Известны: «Устройство и система выработки энергии за счет перемещения воды» WO 2007143021 публикация от 20.07.2010 МПК F03B 13/00 (Конвенционный приоритет: 02.06.2006 US 11/446,497).
Система для выработки энергии за счет перемещения воды, содержащая группу приводимых в действие турбиной, гидравлически соединенных друг с другом гидравлических насосов, причем группа составлена из насосов во взаимозаменяемом модульном расположении, а ячейки расположены для получения кинетической энергии из перемещения воды, при этом ячейки преобразуют получаемую за счет перемещения воды энергию посредством турбины, приводящей в действие гидравлический насос.. При этом ячейки соединены с энергосистемой через генератор, а генератор представляет собой синхронизированный асинхронный двигатель переменного тока; группы поставлены на якорь на дне океана.
Система громоздкая, содержит большое количество маломощных ячеек, имеющих низкий к.п.д (коэффициент полезного действия), имеет пониженную надежность, сложна в эксплуатации т.к., рассчитана на глубокие подводные течения, зависит от скорости и направления течения.
Устройства по патентам: Р.Ф. №№2256092, 2324068, 2334120; США №8035243; CN 102182641, 101046184, 2011488935; JP 2007270738, 2009235951, 2010090822; KR 20090038180 в различной степени обладают аналогичными недостатками.
Известен «способ преобразования энергии гидропотока и вихревая гидротурбина для его реализации» по патенту Р.Ф. №2424444 от 08.02.2010 г., F03B 3/00, F03B 13/00. По данному изобретению вихревая гидротурбина, содержит каркас с вертикально расположенной полой емкостью, в которой размещены валы отбора мощности с установленными друг над другом двумя лопастными турбинами, соосными оси вращения, и внутренняя стенка, выполнена в виде трубы переменного сечения с образованием сужающегося кверху канала, вертикальная полая емкость установлена неподвижно и выполнена в виде стакана с формой дна в виде полуторовой поверхности, образующей в дне осевое сквозное отверстие, в верхней части стакана на его периферии установлен сопловый ввод с входным раструбом, параллельный направлению движения основного гидропотока, первая лопастная турбина, расположенная на одном уровне с сопловым вводом, выполнена радиальной, вторая лопастная турбина выполнена осевой.
Вихревая гидротурбина устанавливается в гидропотоке на стационарной или наплавной платформе (на чертежах не показаны) таким образом, чтобы сопловый ввод с входным раструбом были параллельны направлению основного течения.
По мнению авторов в вихревой гидротурбине, реализующей предлагаемый способ, осуществляется эффективное преобразование энергии гидропотока за счет формирования рекуперативного вихревого потока при снижении габаритных размеров гидротурбины.
Однако, авторами не приведено никаких доводов, подтверждающих эффективность предложенного способа и устройства. Более того, анализ показывает, что кинетическая энергия гидропотока срабатывается на первой лопастной турбине и давление воды на стенки емкости будет незначительным, поступательная скорость вниз и наверх по внутренней стенке из-за наличия трения по стенкам емкости, внутренней стенке и полуторовой поверхности будет также незначительной, что создаст дополнительное сопротивление вращению первой турбины за счет второй турбины. Вращательная составляющая восходящего потока также будет незначительной из-за трения и не окажет существенного влияния на работу турбины.
Таким образом, указанное устройство добавляет к недостаткам известных гидроагрегатов сложность конструкции и низкий коэффициент полезного действия.
Известно «Устройство для преобразования кинетической энергии жидкости в механическую энергию» (патент США 7222313, от 25.05.2010 г., МПК F03B 3/00). Как следует из описания к патенту, устройство подсоединяется к источнику давления жидкости или газа и содержит: неподвижную трубу - приемник текучей среды, играющий роль корпуса турбины и подсоединенный своим отверстием к источнику, подвижную трубу, коаксиально установленную на неподвижной трубе и несущую на своем свободном конце ротор, работающий от аксиального потока текучей среды. Ротор снабжен водосборной ступицей с дефлектором и сообщающимися с ней пустотелыми радиальными лопастями, установленными на ступице и снабженными на своих концах эжекторными отверстиями для эжектирования жидкости, поступающей из неподвижной трубы и вращения ротора. Ротор на своем торце несет по оси вращения приводной вал для передачи механической энергии электрическому генератору или другим потребителям механической энергии.
По мнению авторов патента такое выполнение позволит повысить выход механической энергии, т.е повысить к.п.д. Установки.
Однако, использование малоскоростных течений потребует увеличения размеров турбины, что приведет к увеличению потерь в лопастях на трение и к снижению эффективности устройства. Кроме того, значительно увеличатся габариты и масса устройства.
Таким образом, существующие энергетические установки характеризуются низким к.п.д., малой достигаемой мощностью на одном агрегате, требуют создания систем из большого количества агрегатов, обладающих сложностью конструкции, сложны и трудоемки в эксплуатации.
Сущность полезной модели.
Задачей полезной модели является разработка конструкции такой энергетической установки, которая позволила бы получать дешевую механическую или электрическую энергию, была бы простой по конструкции и в эксплуатации, не требовала бы для своей работы дорогостоящих технических сооружений.
Более того, конструкция установки и требования к обеспечению ее работы должны позволять получение в одном агрегате значительной мощности независимо от наличия скорости подводных течений.
Согласно полезной модели поставленная задача достигается тем, что в. Энергетической установке для преобразования энергии воды в механическую, содержащей турбину, выполненную с корпусом, представляющим статор, содержащий цилиндрический круговой канал с входным и выпускным устройствами, и ротором, снабженным выходным валом, и устройство для подачи воды под давлением, входное устройство выполнено с последовательно расположенными связанными между собой конфузора с входным отверстием, сообщающимся с окружающей средой, и диффузора, сообщающегося своим выходным отверстием с каналом статора, и снабжено нагнетательной камерой, сообщающейся своим входом с устройством для подачи воды под давлением, и выполненной с выпускными соплами, расположенными в выходной части диффузора по всему его периметру и направленными своими осями под углом 7-30° к оси входного устройства при виде на поверхность корпуса в плане, а канал выполнен с вихревой камерой, расположенной между диффузором и турбиной таким образом, чтобы струи текучей среды, вытекающие из сопел, создавали в потоке воды, проходящий через канал статора, вихрь, направленный своим вектором вдоль оси канала.
Более того, выхлопные сопла выполнены отклоненными дополнительно в диаметральной плоскости по направлению к оси входного устройства на угол, равный 0,5-8°.
Кроме того, устройство для подачи воды под давлением выполнено в виде осевого лопастного насоса с электродвигателем, снабженного выходным и заборным патрубками, при этом, выходной патрубок подсоединен к входному патрубку нагнетательной камеры, ротор выполнен центробежно-осевым, с осевым входом и центробежным выходом, а выходной вал ротора связан с помощью муфты с валом электрического генератора.
Целесообразно установку выполнять так, чтобы корпус турбины был выполнен из последовательно расположенных и связанных между собой корпусов конфузора, нагнетательной камеры, вихревой камеры, выполненной на конце с раструбом для размещения центробежно-осевого статора и задней стенкой, несущей подшипниковый узел для установки статора, и связанной с раструбом вихревой камеры съемными стойками.
Такое выполнение энергетической установки позволит значительно снизить стоимость получаемой механической или электрической энергии, упростить ее эксплуатацию за счет установки на небольших глубинах, независимо от наличия течений или значительного перепада давлений, отказаться от необходимости возведения дорогостоящих потенциально опасных гидротехнических сооружений.
Перечень фигур на чертежах.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых:
- Фиг.1. - показывает общий вид энергетической установки, установленной на платформе;
Фиг.2 - показывает продольный разрез турбины по оси симметрии.
Осуществление полезной модели.
Энергетическая установка для преобразования энергии воды в механическую реализуется следующим образом.
Пример реализации установки приведен на Фиг.1. Энергетическая установка смонтирована на платформе 1, установленной на водной поверхности водоема. Платформа может быть выполнена любой известной конструкции, обеспечивающей целостность и устойчивость от возникающих нагрузок. Она может быть плавающей и снабженной элементами плавучести или жестко установленной на сваях.
В качестве водоема может быть использован любой водоем, несколько превышающий по площади и глубине габаритные размеры установки. На нижней поверхности платформы 1 установлены турбина 2 и электрогенератор 3 с помощью кронштейнов 4, 5 и 6, 7 соответственно. Выходной вал турбины связан с помощью муфты 8 с валом электрического генератора.
Установка снабжена устройством для подачи воды под давлением, выполненным в виде осевого лопастного насоса 9 связанного с электродвигателем 10 муфтой 13, установленных на платформе сверху. Насос 9 снабжен выходным 11 и заборным 12 патрубками, при этом, выходной патрубок 11 подсоединен к входному патрубку турбины 2.
Турбина 2 (см. Фиг.2), выполнена с корпусом, представляющим статор, содержащий цилиндрический круговой канал 35 с входным и выпускным устройствами, и ротором 14, снабженным выходным валом 15.
Входное устройство выполнено с последовательно расположенными связанными между собой конфузора 16 с входным отверстием 17, сообщающимся с окружающей средой, и диффузора 18.
Корпус турбины выполнен из последовательно расположенных и связанных между собой корпусов конфузора 20, диффузора 25, вихревой камеры 21, выполненной на конце с раструбом 22 для размещения ротора, и задней стенки 23, связанной с раструбом вихревой камеры съемными стойками 26..
Кроме того, статор снабжен нагнетательной камерой 19, служащей для подачи под давлением внутрь канала эжектирующей воды.
Нагнетательная камера 19 выполнена в корпусе диффузора 25 и представляет собой в поперечном сечении симметричный относительно вертикальной оси кольцевой канал, выполненный вокруг диффузора, образованный передней 27, задней 28 и кольцевой 29 стенками, сопряженными между собой радиусными переходами. В верхней своей части нагнетательная камера 19 выполнена с входным каналом 30, выполненном в входном патрубке 31 турбины. Входной патрубок 31 снабжен фланцем для подсоединения к выходному патрубку 11 насоса 9. Задняя стенка 28 выполнена плоской и снабжена по всей своей окружности входными отверстиями для выпускных сопел 32. Сопла 32 расположены в выходной части диффузора по всему его периметру и направлены своими осями 33 под углом 34, равным 7-30° к оси входного устройства при виде на поверхность корпуса в плане.
Выхлопные сопла могут быть выполнены отклоненными дополнительно в диаметральной плоскости канала 35 по направлению к оси входного устройства на угол 36, равный 0,5-8°.
При выполнении сопл с углами отклонения от оси входного устройства меньшими 7° пропадает эффект влияния вихря на эффективность установки, а при выполнении углов отклонения большими 30° увеличиваются потери осевой составляющей потока, что также приводит к снижению эффективности установки.
Канал 35 выполнен с вихревой камерой 37, расположенной между диффузором 32 и ротором турбины 14 и выполненной по длине таким образом, чтобы струи текучей среды, вытекающие из сопл, создавали в потоке воды, проходящий через канал статора, вихрь 38, направленный своим вектором вдоль оси канала. Длина вихревой камеры 37 выбирается достаточной для создания в потоке устойчивой вихревой структуры и зависит от угла отклонения сопел, т.е. При меньшем угле отклонения сопл длина вихревой камеры будет больше.
Турбина может быть выполнена любой известной конструкции: осевой, центробежной. Так при использовании осевой турбины, она может быть установлена своей втулкой в подшипниках, закрепленных в канале с помощью стоек.
Однако, целесообразно выполнять турбину центробежно-осевой для более эффективного использования создаваемого потока.
В приведенном примере ротор 14 турбины выполнен центробежно-осевым, с осевым входом 39 и центробежным выходом 40. Задняя стенка 23 выполнена плоской и несет подшипниковый узел 24 для установки ротора 14. Ротор выполнен в виде центрального профилированного конусообразного с вогнутыми криволинейными образующими тела 41, опирающегося на плоское основание и несущего на своей поверхности профилированные лопатки 42. В теле 41 установлен выходной вал 15, с помощью которого ротор установлен в задней стенке в подшипниковом узле 24 и закреплен фиксирующей втулкой 43. Подшипниковый узел 24 закреплен на задней стенке и может быть выполненным любым известным способом. В простейшем случае подшипниковый узел может состоять из корпуса с установленными подшипниками скольжения, выполненными из антифрикционных материалов. Лопатки 42 выполнены с плоским участком 43, ориентированным по радиусу, для срабатывания на нем и выпрямления вращательной составляющей потока. Выходная часть лопатки 42 выполнена криволинейной, загнутой в сторону противоположную направлению вращения ротора для более полного использования поступательного потока.
Выходной вал 15 ротора 14 на своем конце может быть снабжен различными устройствами (шкивами, муфтами и т.п.) Для передачи механической различным потребителям. В приведенном примере выходной вал 15 связан с помощью муфты 8 с валом электрического генератора 3, а сама установка предназначена для выработки и передачи электроэнергии потребителям. Для этого установка снабжена распределительным щитом, установленным на платформе (на чертежах не показано) и связанным своим входом кабелем с выходом электрогенератора 3. При этом кабель и сам генератор выполнены в водозащитном исполнении.
Установка может быть выполнена с пультом управления, обеспечивающим ее работоспособность.
Установка не требует для своего изготовления каких либо специальных материалов и технологий, и может быть изготовлена по известным технологиям на существующем оборудовании. Так корпус конфузора может быть изготовлен из пластических полимерных материалов в виде каркаса с оболочками; корпус диффузора может быть выполненным из легких литейных сплавов; вихревая камера, ротор - из металла с антифрикционным покрытием.
Установка работает следующим образом.
При включении электродвигателя 10 насос 9 через выходной патрубок 11 подает воду 47 в нагнетательную камеру 19. Далее вода через сопла 32 впрыскивается под давлением в вихревую камеру 37, где струи воды, вытекающие из сопел, где ускоряют воду, находящуюся в канале и создают в ней вихрь 38. Возникающий вихрь 38 создает в центральной области канала разрежение, благодаря чему создается поток воды 46, устремляющийся в канал 35 независимо от наличия течения в окружающей воде. Поток воды 46 в канале турбины смешивается с эжектирующей водой из сопел, получает дополнительную энергию и превращается в вихревой ускоренный поток. Вихревой поток поступает на турбину, где он срабатывается и выбрасывается в окружающую среду в виде потока. Таким образом на турбине создается механическая энергия, которая может быть использована различными потребителями, в том числе и для получения электроэнергии.
Таким образом, для работы установки не требуется: наличие подводных течений, строительство дорогостоящих потенциально опасных сооружений. Установка может работать в любом водоеме: реке, море, озере и т.д., и не требует больших объемов. При этом, установка проста по конструкции, надежна и безопасна в работе, проста, в обслуживании и экологична.
Кроме того, вихревой поток на входе канала создает разрежение, благодаря чему используется энергия окружающей среды (энергия вакуума), что приводит к повышению эффективности устройства, к.п.д. Его значительно превышает к.п.д. Известных установок. Конструкция установки позволяет получить значительную энергию в одном агрегате.
Таким образом, использование предложенного технического решения позволит получить дешевую механическую или электрическую энергии.