Результат интеллектуальной деятельности: Гидрокомплекс

Изобретение относится к области техники преобразования кинетической энергии водного потока в электричество потребительского уровня и подъем воды из водного потока для автономных потребителей.

Аналогом является устройство RU 2619966, 15.05.2017.

Конструктивно это капсульный гидрогенератор мощностью 1 квт для автономного потребителя.

Кинематика аналога состоит из гидротурбины на горизонтальном валу, двухступенчатой зубчатой ускоряющей передачи привода вала электрогенератора.

Гидротурбина состоит из внешнего цилиндрического кольца с внутренними лопатками и определяет поперечный габарит устройства.

Кинематическая часть размещена в обтекаемом корпусе, который снабжен двумя вертикальными стойками для закрепления устройства в ложе водного потока.

Действует аналог при закреплении устройства стойками в ложе водного потока с погружением гидротурбины в водный поток. Вращение гидротурбины передается кинематической частью электрогенератору, который известным способом генерирует электричество автономным потребителям: рыбакам-охотникам.

Недостатки аналога:

1 - нет подачи воды потребителю;

2 - нет оптимизации процесса преобразования энергии,

3 - явно низкий кпд, примитивная гидротурбина.

Прототипом представляется RU 2673965, 03.12.2018.

Это автономный насосный гидроагрегат с центробежным насосом с приводом от пропеллерной гидротурбины, которая снабжена пирамидальным водоводом. Монтаж гидроагрегата по месту эксплуатации осуществляется парой вертикальных стоек с воротом. Кинематика устройства проста: турбина приводящая и приводимая смонтированы на едином горизонтальном валу.

Действует прототип под напором водного потока на приводящую пропеллерную гидротурбину, которая ускоренно вращается благодаря применению пирамидального водовода. Турбина центробежного насоса получая номинальную скорость вращения обеспечивает эффектный подъем воды из водного потока потребителю.

Недостатки прототипа:

1 - отсутствует генерация электричества,

2 - не оптимизирована внешняя поверхность корпуса центробежного насоса,

3 - ограничена устойчивость устройства применением двух стоек.

Задачей изобретения является создание автономного устройства для генерации стандартного электричества мощностью порядка 10 квт, номиналом 220×380 в, частотой 50 гц и поднимающее воду из водного потока на высоту 3-5 м производительностью 3-5 м³/час.

Указанная задача решается в гидрокомплексе, состоящем из пирамидального водовода на вертикальных стойках с воротами, пропеллерной гидротурбины совмещенной единым валом с центробежным насосом, согласно изобретению, пирамидальный водовод снабжен стабилизирующими гидродинамическими пластинами и поясом жесткости, горизонтальный вал пропеллерной гидротурбины снабжен зубчатой конической ускоряющей передачей в едином обтекаемом эллипсоидальном корпусе с центробежным насосом для привода вертикального вала с вторичной зубчатой конической ускоряющей передачей для привода электрогенератора, смонтированного на монтажном столе над уровнем водного потока, снабженного электрическим пультом управления и защитным зонтом.

Изобретение в качестве примера представлено схематично на фиг. 1-4.

На фиг.1 изображен гидрокомплекс.

На фиг.2 – обтекаемый корпус.

На фиг.3 – вид А на фиг.1.

На фиг.4 – пропеллерная турбина, установленная в водоводе.

Гидрокомплекс состоит из:

1 - водовода,

2 - кинематической части,

3 - центробежного насоса,

4 - электрогенератора,

5 - обтекаемого корпуса,

6 - опорной системы,

7 - пульта управления с защитным зонтом.

Водовод 1 состоит из усеченной пирамиды 8 состыкованной с цилиндром 9 и стабилизирующих пластин 10, на входе усеченная пирамида 8 снабжена поясом жесткости 11. Места стыков водовода выполнены плавными переходами для предотвращения завихрений водного потока внутри и вне водовода 1.

Водовод 1 является энергоисточником для привода центробежного насоса 3 и электрогенератора 4. Гидродинамическое сопротивление движению в жидкостях определяется формулой, см. БСЭ-3, т 6, с. 482,

где - плотность жидкости, для воды

- скорость потока жидкости,

S - площадь контакта жидкости с обтекаемым телом.

Из формулы следует, что поверхность водовода должна минимизироваться. Оптимальный режим с высоким кпд обеспечивается при отсутствии завихрений в потоке на обтекаемых поверхностях.

Кинематическая передача энергии исходного водного потока 28 центробежному насосу 3 и электрогенератору 4 состоит из горизонтального вала 12 с пропеллерной турбиной 13, первичной конической зубчатой ускоряющей передачи 14, вертикального вала 15, вторичной конической зубчатой ускоряющей передачей 16, радиально-упорных подшипников 17 и радиального подшипника 18. Она обеспечивает номинальную частоту вращения турбины центробежного насоса 3 и ротора электрогенератора 4.

В обтекаемом корпусе 5 изготовлен корпус центробежного насоса 3, его турбина смонтирована на горизонтальном валу. Вода из центробежного насоса отводится по вертикальной трубе 19.

Электрогенератор 4 типовой: 10 квт, 220×380 в, 50 гц, см Герасимов ВГ и др. “Электротехнический справочник” М. Энергоиздат 1981 т. 2, с. 226, 228, 233.

Копылов ИП и др. “Справочник по электрическим машинам” М. Энергоиздат 1988 т. 1, с. 178-182.

Прищеп ЛГ “Учебник сельского электрика” М. Колос 1981 с. 282-283.

Электрогенератор 4 смонтирован на монтажном столе 25. Вторичная коническая зубчатая ускоряющая передача 15 закрыта коробкой 33.

Обтекаемый корпус 5 геометрически представляет собой эллипсоид вращения с горизонтальной осью симметрии и состоит из двух частей стыкуемых по экватору через экваториальный диск 32 известным способом. В передней части сформован всасывающий вход воды 20 в форме однополостного гиперболоида вращения и улитка центробежного насоса 3 с всасывающим конусом. См. Яковлев К.П. “Краткий физико-технический справочник” М. ФМ 19 60, т. 1, с. 80-81. В задней части обтекаемого корпуса 5 сформованы гнезда для радиально-упорных подшипников 17. Горизонтальный вал 12 монтируется соосно с осью симметрии обтекаемого корпуса 5.

Технологически все три части обтекаемого корпуса 5 вполне доступны для изготовления даже на типовом токарном станке токарем 4-5 разряда, если нет координатно-расточного станка. Заготовку можно отлить из алюминия, а модель для отливки выточить из древесного чурбака.

Заливка смазки для первичной конической зубчатой ускоряющей передачи 14 осуществляется известным способом.

Обтекаемый корпус 5 крепится к стабилизирующим пластинам 10 известным способом.

Опорная система 6 состоит из двух пар вертикальных стоек 21 со скользящими втулками 22 на водоводе т.е. поясе жесткости 11 и стабилизирующих пластинах 10. Вертикальные стойки 21 снизу жестко крепятся к бетонным фундаментам 23, а сверху они попарно снабжены воротами 24, которые тросами соединены с водоводом 1 и стабилизирующими пластинами 10 известным способом.

Пульт управления 7, площадка оператора 26 и защитный зонт 27 жестко смонтированы к водоводу 1 и стабилизирующим пластинам 10. К площадке оператора 26 с берега установлен трап.

28 набегающий водный поток.

29 ускоренный водный поток.

30 отработанный водный поток.

31 верхний уровень водного потока.

Действует предполагаемое изобретение следующим образом.

Набегающий водный поток 28 ускоряется в пирамидальной части водовода 8 по теореме непрерывности струи жидкости по формуле

где - входная площадь основания пирамиды,

- площадь цилиндра пропеллерной гидротурбины, 13,

- скорость набегающего водного потока 28,

- скорость ускоренного водного потока 29.

“Курс общей физики” М 1957, т. 1, с. 140. Дополнительное ускорение важно для равнинных рек европейской части РФ, где оно редко достигает 1 м/сек.

Ускоренный поток 29 аксиально давит на лопатки пропеллерной гидротурбины 13, которые смонтированы под углом к горизонтальному валу 12, поэтому он вращается и приводит в действие непосредственно центробежный насос 3 и через кинематическую передачу электрогенератор 4.

Оператор со своей площадки 26 с помощью пульта управления 7 подает воду и электричество потребителям. При необходимости он меняет положение гидрокомплекса относительно уровня водного потока 31 обеспечивая полное погружение только водовода 1 в водный поток.

В предполагаемом изобретении применены типовые устройства: центробежный насос и электрогенератор, которые в современном исполнении способны работать по 30-40 лет при нормативной эксплуатации.

Особой оригинальностью отличается обтекаемый корпус 5, он компактен, его внешняя поверхность минимальна и поэтому гидродинамическое сопротивление минимально. Всасывание воды центробежным насосом осуществляется из отработанного потока 30, что тоже улучшает гидродинамику гидрокомплекса.

Обтекаемый корпус 5 является существенным дополнением к прототипу и позволяет обеспечить функционирование основных преобразователей энергии водного потока: пропеллерной гидротурбины 13, горизонтального вала 12, центробежного насоса и первичной конической зубчатой передачи 14. Внешняя поверхность в форме эллипсоида вращения способствует ламинарному обтеканию внешним отработанным потоком 30. Эллипсоид вращения технологичен для изготовления на токарном станке.

Гидрокомплекс устойчив в работе благодаря стабильности природных водных потоков.

Предполагаемое изобретение по компонентам в общей конструкции доступно для изготовления на типовом машиностроительном предприятии. Эксплуатация гидрокомплекса доступна оператору средней квалификации и обеспечивать потребителя раздельно или одновременно водой и электричеством стандартных номиналов.

При скорости водного потока 1 м/сек каждый кубометр воды несет 9,7 квт кинетической энергии, следовательно габариты установки будут весьма компактными.

По результатам натурных испытаний первого экземпляра мощность гидрокомплекса можно увеличить.

Гидрокомплекс экологичен.