Мини-гидроэлектростанция
MINI-HYDROELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к машиностроению, в частности к 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-гидроэлектростанции, 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. Для мини-гидроэлектростанций характерно отсутствие зон затопления, быстрая окупаемость и экологичность. Проблемы и перспективы развития малой гидроэнергетики представлены в статье Инны Зубаревой. Киловатты в малых дозах. Российская газета. Специальный выпуск №6654 (83).
Из уровня техники известны мини-гидроэлектростанции (Листов П.П. Электростанция сельского хозяйства. М.: Колос, 1984, с. 20, 21), представляющие собой агрегаты малой мощности.
В качестве общего недостатка известных мини-гидроэлектростанций можно назвать их конструктивную сложность, довольно высокие внутренние энергетические потери водного потока (напора), дороговизна изготовления, связанная с необходимостью индивидуального проектирования. Все это снижает возможность повышения КПД известных мини-гидроэлектростанций и техническую привлекательность.
Из уровня техники известна мини-гидроэлектростанция (патент РФ №2439364 на изобретение, МПК F03B 3/00, F03B 13/00, 2012.01.10), содержащая водоподводящий канал и генератор, цистерну, 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.
Известная мини-гидроэлектростанция имеет серьезный недостаток, который заключается в сложности конструкции и дороговизне его изготовления, который существенно снижает эффективность мини-гидроэлектростанции.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является мини-электростанция (патент РФ №2635750 на изобретение, МПК F03B 3/00, F03B 13/00, 2017.11.15), содержащая водоподводящий канал, цистерну, состоящую из подвижно соединенных между собой обечайки, крышки и днища, внутреннюю полость, вертикальный вал в виде архимедова винта, соединенного муфтой с приводом электрогенератора и кинематической парой с днищем цистерны, зазор между обечайкой цистерны и валом, достаточный для свободного вращения вала относительно обечайки цистерны.
В известном устройстве электрическую энергию получают посредством архимедова винта, неподвижно соединенного с цилиндрической или конически расширяющейся по потоку воды трубой, и выводящих наружу водный поток каналов в форме гротов.
Недостатками прототипа являются наличие в конструкции трубы (кроме обечайки цистерны), неподвижно соединенной с валом, гротов для вывода воды, что увеличивает внутренние энергетические потери, усложняет и утяжеляет конструкцию мини-гидроэлектростанции, что, как следствие, удорожает производство и сборку мини-гидроэлектростанции, снижает КПД и эффективность использования.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, повышение КПД и упрощение конструкции мини-гидроэлектростанции.
Для достижения указанного технического результата предлагается мини-электростанция, содержащая водоподводящий канал, цистерну, состоящую из подвижно соединенных между собой обечайки, крышки и днища, внутреннюю полость, вертикальный вал в виде архимедова винта, соединенного муфтой с приводом электрогенератора, а кинематической парой с днищем цистерны, зазор, установочные узлы, в которой винт имеет две спиралевидные лопасти, расположенные симметрично относительно его продольной оси, внутренней полостью служит пространство между архимедовым винтом и обечайкой цистерны, а зазором служит расстояние между эквидистантными поверхностями обечайки цистерны и пространства, заметаемого лопастями, при этом нижний торец имеет хвостовик, образующий вращательную кинематическую пару с днищем цистерны.
Архимедов винт выполнен пустотелым. Обечайка цистерны, труба и архимедов винт могут иметь эквидистантные конусности, расширяющиеся по потоку. Новым является то, что архимедов винт закрыт снизу торцевой заглушкой, несущей соосный винту хвостовик.
Наличие у винта двух спиралевидных лопастей позволяет достичь более точной балансировки относительно продольной оси.
Кинематическая пара, образованная хвостовиком и днищем цистерны, служит опорой архимедова винта. В данном техническом решении отдается предпочтение архимедову винту, в форме усеченного конуса, расширяющегося по потоку. Это положительно сказывается на его прочности, устойчивости, на уменьшении энергетических потерь потока во внутренней полости, так как это отвечает его стремлению удаляться от вала при вращении.
Вода, попадающая в зазор со спиралевидных лопастей, падает с предыдущих их витков на последующие (сверху-вниз), отдает свою часть потенциальной энергии - П, делая свой вклад в формирование момента, вращающего вал, которая равна:
П=m⋅g⋅h,
где m - масса воды;
g - ускорение свободного падения;
h - длина вала (высота цистерны).
Следовательно, уменьшение энергетических потерь потока, которая равна разности энергий, приводит к увеличению КПД мини-гидроэлектростанции:
,
где m - масса воды;
g - ускорение свободного падения;
h - длина вала (высота цистерны);
1
V - скорость потока на входе мини-гидроэлектростанции;
2
V - скорость потока на выходе мини-гидроэлектростанции.
Архимедов винт выполнен пустотелым. Торец пустотелого винта закрыт водонепроницаемой заглушкой, подвижно соединенной с торцом, например, с помощью винтов.
Выполнение мини-гидроэлектростанции согласно заявленному изобретению, позволяет упростить конструкцию мини-гидроэлектростанции, ее изготовление, монтаж и повысить КПД.
Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
на фиг. 1 изображена конструктивная схема мини-гидроэлектростанции;
на фиг.2 изображена крышка мини-гидроэлектростанции;
на фиг. 3 изображена схема днища мини-гидроэлектростанции;
на фиг. 4 показана схема кинематической пары;
на фиг. 5 представлена схема работы мини-гидроэлектростанции.
Мини-гидроэлектростанция содержит водоподводящий канал 1, цистерну, состоящую из обечайки 2, днища 3 и крышки 4, архимедов винт 5, внутреннюю полость 6, зазор 7, муфту 8, электрогенератор 9, заглушку 10, хвостовик 11, кинематическую пару 12, установочные узлы 13.
Мини-гидроэлектростанция работает следующим образом.
Цистерну с помощью установочных узлов 13 устанавливают на берегу горной реки, откуда вода подается через водоподводящий канал 1 во внутреннюю полость 6 на спиралевидные лопасти 14 архимедова винта 5, приводя его вместе с муфтой 8 и приводным валом электрогенератора 10 во вращение относительно обечайки 2 цистерны под действием вращающего момента реактивных сил, формируемых взаимодействием водного потока с рабочей поверхностью спиралевидных лопастей 14. Поток, выходящий из внутренней полости 6 наружу, создает реактивный момент, дополняющий вращающийся момент архимедова винта 5.
В результате вращения архимедова винта 5 включается в работу электрогенератор 9, выдающий электрический ток, что является конечной целью изобретения.
Архимедов винт 5 выполнен пустотелым, его торец закрыт заглушкой 10, с которой соединен хвостовик 11, образующий с днищем 3 цистерны вращательную кинематическую пару 12. Обечайка 2 цистерны и архимедов винт 5 могут иметь эквидистантные конусности, расширяющиеся по потоку, разделенным малым, но достаточным для свободного вращения архимедова винта 5 в обечайке 2 с зазором 7.
Таким образом, предложенная мини-гидроэлектростанция обеспечивает повышение КПД и упрощение конструкции мини-электростанции.