1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29633
(51) F03B 13/00 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/1915.1
(22) 19.12.2013
(45) 16.03.2015, бюл. №3
(76) Батырбеков Копжасар Ахатович; Батырбеков
Дулат Копжасарулы; Дінасилов Мейірлан
Нұрланұлы
(56) KZ №22527, 2010
(54) ГИДРОЦИРКУЛИРУЮЩАЯ
ЭНЕРГОУСТАНОВКА "ДИОНИК" ПО
ВЫРАБОТКЕ МАЛОЗАТРАТНОЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
(57) Изобретение относится к области
гидроэнергетики для выработки малозатратной
электроэнергии в энергоустановке «ДиОНиК»,
собранной из труб замкнутым контуром в виде
сообщающихся сосудов, устанавливаемых
непосредственно на поверхность земли с малой
площадью и исключающей наличие сквозного
течения рек, строительства плотин, водохранилищ и
других комплексов гидротехнических сооружений,
удорожающих стоимость строительства в несколько
десятков раз и приносящей огромный вред
окружающей природной среде региона.
Используется наряду с действующими крупными
или малыми энергосистемами в энергодефицитных
местностях или автономно во всех регионах с
проблемами доставки и обеспечения
электроэнергией.
Цель изобретения:
- Создание альтернативной всем существующим
видам ГЭС, ТЭЦ, АЭС ветровой солнечной и
другим энергоустановкам и не уступающим им в
выработке энергии в сравнении по установленной
мощности гидроагрегатов и даже увеличивающая
эту мощность до 10 раз с увеличением удельного
веса воды содержащейся в системе, вездесущную
наземную энергоустановку;
- Обеспечение простоты всех конструкций при
их сборке и разборке, в том числе здания
энергоустановки;
- Повышение удобства эксплуатации с
применением современных ЭВМ и автоматизацией
всевозможных режимов работы гидроагрегатов и
других процессов управлений энергоустановки;
- Удовлетворение растущей потребности в
электроэнергии народного хозяйства в
труднодоступных регионах с обеспечением от
центральных сетей энергоснабжения;
- Созданием энергоустановки альтернативы,
снятие актуальности проблемы поиска нового вида
источника электроэнергии.
(19)KZ(13)A4(11)29633
2. 29633
2
Изобретение относится к области
гидроэнергетического машиностроения и
используется для выработки малозатратной
электрической энергии.
Суть изобретения сводится к созданию
гидроциркулирующей энергоустановки высокой
мощности с применением жидкости увеличенной
плотности и физического явления в двух коленно
сообщающихся сосудах с замкнутым контуром
составленных из труб и гидросилового
оборудования в единую конструкцию, где уровни
создания напора и подъема жидкости в коленах
обеспечивается физическим явлением природы при
заполнении системы и остающихся неизменным и
при работе энергоустановки.
Энергоустановка используется наряду с
действующими подстанциями крупных или малых
энергосистем в энергодефицитных местностях и
автономно во всех отдаленных регионах с
проблемами централизованного обеспечения
электроэнергией, освоения новых земель и
горнодобывающих отраслях.
Техническое решение
Со времени, когда М. Фарадей создал первый
электрогенератор, а Б.С.Якоби электродвигатель,
началось широкое использование человеком
электроэнергии в облегчении своего труда,
освещении, обогрева и т.д.
Одновременно с этим началось и создание
всевозможных видов машин, вырабатывающих
электрическую энергию, которые, чтобы совершить
такую работу используют энергию угля, нефти, газа,
энергию падающей воды, ветра, Солнца и ядерной
энергии. Однако ни один из этих видов энергии не
подается непосредственно к турбине машин, а
претерпевает ряд превращений из одной формы в
другую. В результате такой сложной цепи
преращение энергии, подводимая к машине,
неизбежно теряется часть первоначальной энергии
на потери так называемые механическую (силу
трения) и немеханическую (внутренную). Поэтому
решение задач с созданием машин заключается в
поиске формы машин и способа в ней
уменьшающий до доступного предела потери
подводимой к ней энергии (Уч. Физика 8 кл.
И.К. Кикоин. 1986 г. Главы 8,9.)
Наиболее близким по технической сущности к
предлагаемому изобретению является
гидроэнергетическая установака, содержащая
конусообразную водонапорную емкость, связанную
последовательно, посредством трубопровода с
водонагнетательным насосом, турбинным
двигателем и дополнительным насосом,
соединенным с конусообразной водонапорной
емкостью. (Патент KZ №22527 кл. F03B, 3/10 публ.
17.05.2010. бюл. №5)
Однако, в известной гидроэнергетической
установке имеется целый ряд недостатков
нарушающий закона сохранения энергии. Главным
из которых является механическое создание
высокого давления потока воды, подаваемый в
турбину установки посредством первого насоса и
затрачивая на эту работу огромное количество
энергии, по крайней мере равной мощности
выдаваемой самой турбиной, причем с исключением
1% напора создаваемый конусной емкости, который
теряется со входом в нагнетательный насос. Такой
же недостаток и со вторым насосом с местом его
установки и чистым подъемом воды с преодолением
острого угла водоотводной трубы, направленная в
противоположную сторону от направления
создаваемой этим же насосом и требующего
намного большей энергии, чем равного напору
водоподъемной трубы. При этом понижается и
мощность турбины на столько, насколько снижен
водоотвод. Несоизмеримый объем конусной
емкости с созданием напора при расходе всего 1%
от всего объема воды. Напор жидкости зависит от
высоты, а не от площади дна емкости.
Задача предлагаемого изобретения является
создание гидроциркулирующей энергоустановки,
вырабатывающей электрическую энергию с
повышением ее мощности до десяти или более раз,
удобства эксплуатации с автоинтегральным
управлением всех рабочих процессов
гидроагрегатов и обеспечение экологической
чистоты окружающей среды.
Поставленная задача достигается тем, что в
энергоустановке содержащей конусообразную
водонапорную емкость, связанную последовательно
посредством трубопровода с насосом, турбинным
двигателем и дополнительным насосом
соединенным с конусообразной емкостью,
отличающаяся тем, что гидроциркулирующая
энергоустановка выполнена в виде двух коленно
сообщающихся сосудов (фиг.1 или 2) с замкнутым
контуром верхних концов колен кратчайшим путем
в точке В, с посредством наклонной трубы 10,
замково-отводной трубы 9, и «у» образной отводной
трубы 7, и содержит установленные между трубами
колени в энергетических точках: первого осевого
насоса 11 в точке-А, реактивной гидротурбины 1 в
точке-С, и второго осевого насоса 14 в точке-Д и
составляют единую конструкцию энергоустановки
(или единую систему).
В целях пояснения превращения энергии
покоящейся жидкости в коленах сообщающихся
сосудов с замкнутым контуром в циркулирующий
поток в системе энергоустановки а, так же и тесно
взаимосвязанных энергетических и других
процессов происходящих при работе установки,
замкнутая система составленная из труб и
гидросилового оборудования, условно разделена на
два энергетическое колено по принципу
образования в них сил и энергии сонаправленного
действия.
Первая с названием потокообразующее ПО
колено или левое колено. (Фиг.1, вид от нас) в
которой процесс потокообразования полностью
предоставлен действию динамических сил двух
осевых насосов типа ОВ работающих совместно с
кинетической энергией потока жидкости
образованной правой НС коленом и содержит:
потокоотводящую трубу 17, осевые насосы 11 и 14,
вертикальную трубу 13 и наклонную трубу 10. А
вторая с названием напоросоздающее НС колено
3. 29633
3
или правое колено в которой процесс создания
напора предоставлено действию неиссякаемой силе
(поле) притяжения Земли, пробуждаемое мгновенно
с первыми оборотами колеса насосов в ПО колене и
поступающего из левого колена через точку В
потока жидкости с определенной кинетической
энергией и содержит: замковоотводную трубу 9,
”У”- образно отводную трубу 7, напорную трубу 5 и
реактивную гидротурбину 1, в точке С (фиг.3)
выполненная с верхним вертикальным подводом
напора жидкости в эксцентрично-полуспиральную
камеру (3) распределения энергии потока на 180°
образованной между передней стенкой корпуса
турбины и ободом 4 рабочего колеса 5 и нижним
горизонтальным патрубком 8 выхода жидкости из
турбины сонаправленно циркулирующему потоку и
содержит рабочее колесо с ковшовыми приводами 7.
Все энергохарактерные точки системы
обозначены заглавными буквами А, В, С и Д. при
этом точки В,С и Д являются точками превращении
энергии потока жидкости из одной формы в другую
а точка А и Д-точками образования потока и
циркуляции жидкости в системе, то есть пуска
установки, восстановления потерянной энергии в
гидротурбине и на поворотах труб в точках А, В и
Д, регулирования режимов работы турбины с
усилением или понижением кинетической энергии
циркулирующей жидкости в системе вплоть до
полной остановки энергоустановки осуществляется
(управляются) оборотами винта осевых насосов,
установленными в точках А и Д потокообразующего
колена.
При этом, сами насосы после получения
устойчивой циркуляции жидкости в системе
образованной при обороте винтов от 360 до
600 об/мин совершенно не перегружены
сонаправленностью действие потока жидкости с
кинетической энергией. Поэтому вся работа
энергоустановки и управление всеми процессами
системы находится в прямой интегральной
зависимости от частоты вращения винта насосов и
осуществляются с помощью ЭВМ и
мультиплексорной автоматики по нагрузке внешней
сети.
Создание постоянной разности давления в
коленах осуществляются насосами и кинетической
энергией потока жидкости с подъемом жидкости на
очень малую высоту и равной диаметру отводной
трубы 9, до точки В. Далее поток жидкости
перетекает свободным падением в НС колено. При
этом полость камеры свободного хода (К.С.Х)
потока переходит (занимает) в зону от границы
точки В до уровня В'-В' в НС колене с целью
создания разности давления в коленах, а
опустившийся уровень В'-В' в НС колене доливается
до этого уровня еще при пуске установки
автоматически через верх трубы 7.
При остановке установки качение жидкости в
коленах исключено с отключением насоса 14 в
точке Д, спуском объема долитой жидкости через
клапан 18 и замедленным сопровождением процесса
насосом в точке А, до полного покоя “У”-образная
отводная труба 7 с диффузором 6 предназначением
для общения трубы НС колена с атмосферой,
успокоения вихрей потока, удалений воздушных
пузырьков и пара жидкости а так же созданию
ламинарности течения в напорной трубе 5 при
прохождении ими диффузора. А на верхней части 8
(фиг.2) этой трубы 7 размещаются датчики
температуры, скорости потока, уровня жидкости и
трубы заливки системы, которые в фигуре условно
не показаны.
Развитие энергоустановки
С применением в предлагаемой энергоустановке
уже известных и широко применяющихся в
практике техники физических эффектов или
способов и т.д, намного повышается ее
характеристика как мощность, КПД и другие
показатели энергоустановки:
1) Если добавить в объем жидкости,
содержащейся в установке, сотую долю процента
некоторых полимерных порошков, то их длинные
молекулы располагаясь вдоль потока, гасят вихри,
воздушных пузырьков и пара, создает ламинарное
течение, делая жидкости более скользкой, снимает
до предела потери энергии на трение жидкости об
стенки труб или о детали оборудования, чем и
повышается КПД энергоустановки. (Г. Альтов “и
тут появился изобретатель”, Дет.лит. 1984 г с.55-56,
эффект В. Томса 1948 г.)
2) Энергоустановка может работать с любыми
жидкостями различной плотности с
антикоррозионным свойством по отношению к
металлу. Например с применением водных
растворов глицерина синтетического производства,
с плотностью 11,2 кг/дм3
, мощность
энергоустановки при том же напоре Н, работающей
с чистой водой увеличится более чем 11-раз. А это
равносильно подъему водного напора ГЭС на 11,2-
раза.
3) Повысить плотность жидкостей в установке,
например тосола (или воды) решается очень просто
с применением физического эффекта С. Ждан-
Пушкина. (Г. Альтов, там же с.132-133, обойти
Архимеда). Насыпается в поток жидкости в системе
установки мельчайший порошок железа, они
равномерно разносятся потоком по всей системе.
Если на этот поток с порошком железо
подействовать регулируемым полем низкоточной
электромагнитной катушкой, одетым на трубу в
любом месте, то удельный вес тосола повысится в
10-12 раз.
4) Эксплуатационная приспособленность
энергоустановки к климатическим условиям
местности обеспечивается с применением жидкости
«тосол» с наинизшим температурным показателем
местности и холодильной установкой,
обеспечивающей постоянную температуру
жидкости в установке +15°С которая
устанавливается в точке S трубы 17.
В энергоустановке применены осевые насосы
типа ОВ (фиг.4) с жестко закрепленными
лопастями. Они применяются при больших подачах
от 0,2 до 18 м3
/мин. С напором от 1,5 м до 22 м и
оборотами винта от 600 до 1800 об/мин.
(Гидротурбины и насосы, И.В. Смирнов,
4. 29633
4
Высш.школа 1969г). характеристика предостаточная
с учетом деления напора Нр установки на два
насоса. Однако правая часть этой характеристики
может измениться в большую сторону с учетом
содействия к насосам кинетической энергии потока
жидкости НС колена. Поэтому есть возможность
поднять обороты насосов до 3000 об/мин,
соответственно этому увеличивается и объем
подачи с постоянством высоты напора.
Принцип работы
Принцип работы энергоустановки с созданием
циркуляции жидкости и разности давления в
коленах замкнутой системы установки мало
отличается от полета самолета с созданием тяговой
силы и разности давления над и под крыльями
оборотами лопастных (пропеллерных) винтов их
двигателей. Работа лопастных винтов обеих машин
призвана на преодоление силы притяжения Земли.
Однако в энергоустановке сила тяжести в НС колене
со своей сонаправленностью действиям винта
насосов, усиливают их работу в создании выше
названных процессов в системе энергоустановки, а
этого в самолете нет. Поэтому двигатели самолета
развивают очень большие обороты их винта.
Работа энергоустановки
В целом работа энергоустановки состоит из
четырех режимов работ: запуска установки,
холостого хода, регулирования нагрузок
гидротурбины и остановки.
1. Режим запуска осуществляется при плавно
увеличивающихся оборотах винта насосов от “О” до
600 об/мин. При этом с первыми десятками их
оборотов с отсосом жидкости в точке С и подъемом
от уровня С-Д до точки В на очень мизерную
высоту h3 (по сравнению с высотой напора Нр)
появляется разность давлении в ПО и НС коленах,
одновременно с этим проявляется и сила тяжести т.е
напор жидкости в НС колене сонаправленная с
действием осевых насосов. Под действием этих сил
в системе образуется поток жидкости несущий
собой некоторую кинетическую энергию, берущую
начало движения от уровня В'-В' в НС колене и
двигаясь по часовой стрелке поднимается до точки
В. (При этом камера свободного хода КСХ
переместится в зону справо от точки В до уровня
В'-В' в НС колене а, пониженный уровень в правом
колене доливается автоматически спецнасосом
через верх трубы 7 с уровнем достаточной для
перекрытия доступа воздуха в новую КСХ. При
этом перелив жидкости сливается через спускной
клапан 18 трубы 17).
Далее, поток жидкости от точки В перетекает в
НС колено, зону КСХ с некоторой скоростью
неразрывно но намного разряжено. Потоки
жидкости левой и правой колены в этой зоне
замыкаются неразрывно. Перед диффузором
освобождается от воздушных пузырьков и паров
жидкости, затем проходя диффузор 6 приобретает
вид ламинарного течения в трубе 5, поступает в
экцентрично-спиральную камеру гидротурбины, где
после взаимодействия с ковшовым колесом,
продолжает двигаться дальше, повторяя весь этот
цикл пути движения. Таким образом в системе
создается циркуляционное движение жидкости
пускового периода, длящееся не более одной-две
минуты.
2. Режим холостого хода установки является
продолжением режима пуска с плавным
увеличением оборотов насосов от 600 до
900 об/мин, которая является границей между
режимом регулирования нагрузок турбины и
холостой работы установки. При этом обороте
насосов обеспечивается устойчивость циркуляции
жидкости в системе и вырабатывается
электрическая энергия, достаточная для апробации
собственных электросиловых оборудований и
подстанции без нагрузок внешней сети. При этом
питание энергоустановки переключается на
собственный источник электроэнергии.
3. Режим регулирования нагрузки гидротурбины
от внешних нагрузок осуществляется оборотами
насосов в диапазоне от 1000 до 2500 об/мин. С
автоинтегральным регулированием при помощи
ЭВМ.
4. Режим остановки осуществляются с плавным
понижением оборота насоса 11 в точке А от оборота
который имел в данный момент времени работы и
сопровождением до “О”. При этом перед остановкой
сливается объем жидкости долитая при режиме
пуска через клапан слива 18, а насос в точке Д
отключается.
Технический результат
Гидроциркулирующая энергоустановка высокой
мощности с КПД от 0,95÷1,0 автоинтегральное
управление режимов работ гидротурбины,
увеличение эксплуатационных сроков службы
элементов установки с отсутствием кавитационных
эррозий и других. Унифицированность и
несложность их конструкции, сборки и разборки
при обслуживании, малозатратность и дешевизна
вырабатываемой энергии, приспособленность к
любым климатическим условиям местности и
универсальная применяемость в народном хозяйстве
и промышленности.
Перечень фигур графических изображений
Фиг.1 2 (вертикальный разрез установки)
Фиг.1 - предпусковое состояние энергоустановки
заполненной водой до уровня В'-В'
Фиг.2 - рабочее состояние энергоустановки с
долитым уровнем воды от В'-В' и В-В
ПО-потокообразующее колено.
НС-напоросоздающее колено.
17 - водоотводная труба.
1 - реактивная гидротурбина с ковшовым
колесом.
2 - вал рабочего колеса турбины.
3 - экцентричная полуспиральная камера с
водовходным патрубком.
4 - рабочее колесо с ковшовыми
гидроприводами.
5 - водонапорная труба.
6 - диффузор.
7 - «У» образная водоотводная труба под углом
45°
8 - клапан общения системы с атмосферой.
9 - замково-отводная труба под углом 90°
5. 29633
5
10 - наклонная труба под углом 45°
11 - осевой насос ОВ с водоотводным корпусом
45°
12 - электродвигатель насоса-11.
13 - водоподъемная труба.
14 - осевой насос ОВ с водоотводным корпусом
90°
15 - электродвигатель насоса-14.
16 - теплообменник воды в системе.
17 - водоотводящая труба.
18 - патрубок слива жидкости из системы.
19 - железо бетонная основание энергоустановки.
20 и 20' - металлические станины крепления
установки.
21 - флянцы соединении деталей и труб.
Фиг.2а (крепление диффузора).
7 - «У» образная труба, нижний «У» образная
труба крепление диффузора
6 - диффузор.
21 - соеденительная флянец.
24 -закрепительные болты.
Фиг.2б (соединение труб).
5 - водонапорная труба.
7 - «У» образная отводная труба.
21 - флянцы соединения труб.
25 - соединительные болты.
26 - специальная резиновая прокладка.
Фиг.3 (реактивная гидротурбина).
1 - корпус реактивной турбины.
2 - вал рабочего колеса турбины.
3 - экцентрично-полуспиральная камера.
4 - прокатный обод рабочего колеса.
5 - рабочее колесо гидротурбины.
6 - диск рабочего колеса.
7 - ковшовые гидроприводы колеса.
8 - нижняя водоотводная патрубок турбины.
Фиг.3а (вид по А-А со станиной крепления).
1 - корпус гидротурбины.
8 - нижняя водоотводная патрубок турбины.
19 - железобетонная основание установки.
20 - 20' монолитные станины с ребрами
жесткости.
Фиг.4(осевой насос ОВ).
1 - лопасти винта осевого насоса ОВ.
2 - втулка вала насоса.
3 - крепежный фиксатор втулки вала.
4 - подшипники скольжения вала.
5 - соединительная муфта вала с эл.двигательем.
14-отводный корпус насоса.
Фиг.5 и 5а.
1 - гидротурбина.
2 - электрогенератор.
3 - пилон ферменный.
4 - хомутные крепления.
5 - напорная колена.
6 - «У»-образная отвод 45°.
7 - трансформатор.
8 - ячейка РУ.
9 - замково-отводная труба.
10 - наклонная труба.
11 - электронасос ОВ.
12 - эл.двигатель насоса.
13 - труба левого колена.
14 - электронасос ОВ.
15 - эл.двигатель насоса.
16 - колонны жб.
17 - водоотводная труба.
18 - ферменные ригели.
19 - галерея здании.
20 - пульт управления.
21 - входное крыльцо.
22 - стена здании.
23 - ферменные колонна.
24 - ферменные балки связи.
25 - ферменные балки кровли.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Гидроциркулирующая энергоустановка,
включающая конусообразную водонапорную
емкость, связанную последовательно посредством
трубопровода с насосом, турбинным двигателем и
дополнительным насосом соединенным с
водонапорной емкостью, отличающаяся тем, что
гидроциркулирующая энергоустановка выполнена
из труб в виде двухколенно-сообщающихся сосудов
с замкнутым контуром верхних концов колен
кратчайшим путем посредством наклонной трубы
левого колена и отводными трубами правого колена
и содержит первый осевой насос, вмонтированного
в углу между наклонной и вертикальной трубы
левого потокообразующего трубы и вертикальной
трубы левого колена, реактивной гидротурбины
вмонтированной в углу между вертикальной трубой
правого напоросоздающего колена и
горизонтального потокоотводящего колена и
составляет единую конструкцию энергоустановки.
2. Гидроциркулирующая энергоустановка по п.1,
отличающаяся тем, что реактивная гидротурбина
выполнена с экцентрично-полуспиральной камерой
распределения энергии потока жидкости на рабочее
колесо турбины с охватом на 180° с верхне
наливным подводом и нижним горизонтально
сонаправленным выходом и содержит рабочего
колеса с ковшовыми приводами.
