Устройство для выработки энергии и полива в условиях малых водотоках

Устройство для выработки энергии и полива в условиях малых водотоках

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ И ПОЛИВА В УСЛОВИЯХ МАЛЫХ ВОДОТОКАХ

1 – магистр, 1 д. т.н., профессор, академик РАЕ, 2 к. т.н., доцент 

№Таразский инновационно-гуманитарный университет (ТИГУ), МОН РК,  080000, Республика Казахстан,  б, Тел.:[phone], Факс: [phone],*****@***ru

2Филиал Акционерного Общества «Национальный центр повышения квалификации «ОРЛЕУ»  «Институт повышения квалификации педагогических работников по Жамбылской  области» МОН РК,  080000, Республика Казахстан,  г. Тараз, пр-т. Жамбыла 121,  , *****@***ru

......

РЕЗЮМЕ

Работа  относится к  малой гидроэнергетики  и может быть использовано сельским потребителем, проживающим рядом с небольшими водотоками для получения надежного, дешевого  и легкодоступного источника электроэнергии и позволяет расширить их технологические возможности.

Ключевые слова: микрогэс, малый водоток, энергия, полив

DEVICE FOR POWER AND ENERGY DEVELOPMENT IN THE CONDITIONS OF SMALL WATERCARBONS

1Baubekov S. D. doctor of engineerings sciences, professor, chl-koor Rossiskoy of academies natural science, 2Taukebayeva K. S. - cand. tech. sci., the prof. RAM,

№Тarazsky innovative humanities university, Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan,  080000, Republic of Kazakhstan, Taraz, Zheltoksan St. 69, Ph.:  8(7262) 50-13-55,  Fax: [phone], *****@***ru

2Branch of Joint-stock Company the «National center of in-plant training «ORLEU»  «Institute of in-plant training pedagogical workers on Zhambylskoy  of area», 080000, Republic of Kazakhstan, Taraz, Zhambyl St.121.  Ph.:  8(7262)438095, *****@***ru

SUMMARY

The work relates to small hydropower and can be used by a rural consumer living next to small watercourses to obtain a reliable, cheap and easily accessible source of electricity and allows expanding their technological capabilities.

Key words: microgeas, small watercourse, enoergy, irrigation

Работа  относится к  малой гидроэнергетики  и может быть использовано сельским потребителем, проживающим рядом с небольшими водотоками для получения надежного, дешевого  и легкодоступного источника электроэнергии и позволяет расширить их технологические возможности.

Состояние вопроса.

  Известны способы [1,2,3] преобразования гидравлической энергии в равномерное вращательное движение маховика, который заключается в формировании сосредоточенного напора, накоплении энергии в момент рабочей паузы и высвобождении её в виде взрывного гидроимпульса на инерционный маховик с последующим повторением циклов.  Однако, в этом способе используется в качестве гидроимпульса  гидравлический удар в подвижном коротком трубопроводе, что является неэффективным, т. к. длина трубопровода короткий и подвижный, что не дает увеличить величину силы удара гидроимпульса.

  Известно устройство [4] по патенту KG 680, содержащее напорный трубопровод выходное отверстие, которое снабжено ударным клапаном с наклонным опорным седлом, воздушный колпак с отверстием снизу, зубчатую рейку, контактирующую с шестерней, размещенной на валу маховика и электрогенератор. Входное отверстие напорного трубопровода снабжено обратным клапаном, напорный трубопровод закреплен неподвижно. Полость напорного трубопровода гидравлически сообщена с полостью мембраны. Последний посредством штока связана с подпружиненным рычагом, один конец которого шарнирно закреплен на штоке и другой конец снабжен радиальной зубчатой рейкой, входящей в зацепление с шестерней аналоговой обгонной муфты, посаженной на вал маховика соединенной с валом электрогенератора. При этом  отверстие воздушного колпака снабжен нагнетательным клапаном, а воздушный колпак в нижней своей части снабжен трубопроводом с вентилем.

Однако, в данном устройстве имеется следующие недостатки: необеспечивает постоянной скорости вращения оси маховика, т. к. обгонная муфта вращающая ось маховика при обратном ходе не вращает ось маховика; диафрагма мембраны имеет недостаточную  силу для быстрого подъема рычага, т. е. рейки для поворота шестерни на оси которой закреплен обгонная муфта; пружина возврата рычага в исходное нижнее положение препятсвует подъему рычага связонной со штоком мембраны, т. е. часть импульсной силы от напорной трубы израсходуется на сопротивления пружины. В результате теряется скорость вращения маховика, что непозволяет увеличить вырабатываемый ток.

Также известно микрогэс [5] по патенту KG 1455, содержащее напорный трубопровод выходное отверстие, которое снабжено ударным клапаном с наклонным опорным седлом, воздушный колпак с отверстием снизу, зубчатую рейку, контактирующую с шестерней, размещенной на валу маховика и электрогенератор. Входное отверстие напорного трубопровода снабжено обратным клапаном, напорный трубопровод закреплен неподвижно. Воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом и отверстием снизу, перекрываемым магистральным клапаном, маховик соостно соединен с гидротурбиной, размещенной над опорным седлом ударного клапана, содержащее струенаправляющее сопло, с радиальными верхними гранями и контактирущее  с гидротурбиной снизу, а нагнетательный трубопровод воздушного клапана содержит на конце коническое сопло, контактирущее с гидротурбиной сверху. Шкив вала маховика соединен ременной передачей со швивом вала электрогенератора. Однако, в данном устройстве имеется следующие недостатки: неодинаковый ударный напор как сверху, так и снизу турбины, что приводит не постоянству скорости вращения маховика; разные импульсы приводит к ухудшению динамики инерционного маховика. В результате теряется скорость и сила вращения маховика.

  Существуют малые и микро - ГЭС [6, с.94] индивидуального пользования, рассчитанные на одно или несколько обособленных хозяйств, выпускаемые за рубежом. Их принцип основан на традиционном способе создания статического рабочего напора и падачи воды на лопасти турбины.  Рабочий напор требует применения микро ГЭС, в основном, в условиях горной местности и создания гидротехнических сооружений значительных параметров, что повышает себестоимость выработанной электроэнергии.

  Известен, что гидравлический таран [6, с.125], не нуждаясь в источнике энергии и не имея двигателя, поднимает воду на высоту нескольких десятков метров. Он может месяцами непрерывно работать без присмотра, регулировки и обслуживания, снабжая водой небольшой посёлок или ферму. В основе работы гидротарана  лежит так называемый гидравлический удар - резкое повышение давления в трубопроводе, когда поток воды мгновенно перекрывается заслонкой. Всплеск давления может разорвать стенки трубы, и, чтобы избежать этого, краны и вентили перекрывают поток постепенно.

Гидротараны применяются для орошения возвышенных участков богарных земель, наполнение  бассейнов и резервуаров, создание давлений в трубопроводной сети при круглосуточном функционировании. Однако, таран тут  не используется для выработки тока.

Цель работы заключается  в разработке устройства позволяющего, получить ток используя малоточных вод и  повышение эффективности устройства.

В нашем случае гидротаран выполняет две работы: для орошения возвышенных участков богарных земель и наполнение  резервуара. Далее от последнего поток воды падая с определенной высоты вращает колесо Банки. Причем, форма сечения лопастей выполняются по определенной дуге -  эвольвенте. Затем вращения колеса Банки передается через ременную передачу на электрогенератор, где вырабатывается ток. Таким образом, одновременно устройство  применяется для полива и выработки электроэнергий.

На рис.1 приведена кинематическая схема устройства.

  Устройство состоит из обема проточной воды 1, рис.1, наклонно расположенной напорного трубопровода 2, магистрального клапана 3 и ударного клапана 4, воздушнего колпака 5, нагнетательного трупровода 6, специальной емкости  7 для поднятой воды гидротараном, вентиля 8, для регулировки подачи количества падающей воды по трубопроводу 9,  направителя 10, оси 11, стока воды 12, лопастей 13, крышки колеса 14, ротора 15, корпуса 16, ременной передачи 17, электрогенератора 18, токораспределии трубопровода для полива 20.

  Устройство работает следующим образом. Из водоёма 1, ( см. рис.1),  вода по трубе 2 поступает внутрь устройства и вытекает через отбойный клапан 4. Скорость потока нарастает, его напор увеличивается и достигает величины, превышающей вес клапана 4. Клапан 4 мгновенно перекрывает поток, и давление в трубопроводе резко повышается - возникает гидравлический удар. Возросшее давление открывает напорный клапан 3, через который вода поступает в напорный колпак 5, сжимая в нем воздух. Давление в трубопроводе 2 падает, напорный клапан 3 закрывается, а отбойный клапан 4 - открывается, и цикл повторяется снова. Сжатый в колпаке 5 воздух гонит воду по трубе 6  в верхний резервуар 7  на высоту h2.. Откуда через вентиль 8, отрегулированное количество падающей воды подается по  трубопроводу 9,  на  направитель 10, последний обеспечивает равномерную подачу потока воды по  лопостям 13, причем форма сечения лопастей выполняются по определенной дуге -  эвольвенте.  Колесо ротора 15 установлен с помощью шпонки на оси 11. Сток воды 12, проливаясь сверху колеса вниз попадает второй раз, ударяясь об  нижнюю лопасть 13,вращая колесо 15 дополнительно. Колесо 15 с тыльной стороны закрывается крышкой 14 и сверху корпусом 16. На  другом конце оси 11 установлен шкив ременной передачи 17, последний вращет ось электрогенератора 18, оттуда через распределитель  19.

  В нижней части корпуса 16 наклонно установлен трубопровод 20. Причем этот трубопровод расположен от уровня протекаемой воды на высоте h4 , что позволяет использовать воду для орошения возвышенных участков богарных земель, наполнение  бассейнов и резервуаров, создание давлений в трубопроводной сети при круглосуточном функционировании.

  Гидравлический таран можно установить стационарно или сделать съёмным, предусмотрев отводной канал для воды, текущей из отбойного клапана 4.

Особенностью предлагаемого устройство является то что, малый поток воды за счет подъема ее на определенную высоту с помощью гидротарана и использования энергий падающей воды от емкости на колесо, а также специально изготовленный профиль (форма сечения лопастей выполняются по определенной дуге -  эвольвенте) лопастей дает возможность увеличить скорость вращения колеса и количества получаемого тока.

Технический результат достигается тем, что за счет подъема воды на высту h2 гидротараном на специальный емкость, с высоты h3 вода падает вниз на колесо Банки с значительной скоростью, что позволяет увеличения частоты вращения колеса, причем величина объема потока регулируется вентилем 8;

  Энергия падающего потока воды на колесо Банки регулируемое,  за счет изменения  h3;

  Увеличения частоты вращения колеса, увеличивает получения получаемого тока через генератор 18;

  Наличия высоты расположенияколеса Банки h4 позволяет поднимать воду для полива

  Наивысший коэффициент полезного действия водяного колеса Банки может быть когда форма сечения лопастей выполняются по определенной дуге -  эвольвенте;

  Появляется возможность выбирать в широких пределах диаметр (Д -1) и частоту вращения рабочего колеса, независимо от расхода воды;
Учитывая, положительные свойства турбины - можно выбирать в широких пределах диаметр и частоту вращения рабочего колеса, и в зависимости от расхода воды изготовить более мощные гидротурбины работающие на генераторах 220 вольт;

  Итак, в итоге  малый поток воды за счет подъема ее на определенную высоту с помощью гидротарана и использования энергий падающей воды от спец емкости появляется возможность увеличить скорость вращения колеса и увеличить количества получаемого тока в разы;

  За счет изменения (форма сечения лопастей выполняются по определенной дуге -  эвольвенте) профиля лопастей колеса по дуге  эвольвента, также увеличивается  коэффициент полезного действия колеса;

  Регулируя высоты h2,h3 и h4 при малом h1 появляется возможность увеличения получаемого тока  через электрогенератор 18.

  Все это в совокупности увеличивет  эффективность предлагаемого устройства перед известными аналогами.

  Новым в устройстве  является то, что:

Количество подаваемой воды на колесо Банки регулируемо за счет изменения  h3; Увеличения частоты вращения колеса, увеличивает получения получаемого тока через генератор 18; Наличия высоты расположенияколеса Банки h4 позволяет поднимать воду для полива; Наивысший коэффициент полезного действия водяного колеса Банки может быть когда форма сечения лопастей выполняются по определенной дуге -  эвольвенте; Появляется возможность выбирать в широких пределах диаметр (Д -1) и частоту вращения рабочего колеса, независимо от расхода воды;
  Итак, устройства имеет следующие достойнства: За счет подъема воды на высту h2 гидротараном на специальный емкость, с высоты h3 вода падает вниз до колеса Банки с значительной скоростью, что позволяет увеличения частоты вращения колеса, причем величина объема потока регулируется вентилем 7; Количество подаваемой воды на колесо Банки регулируемо за счет изменения  h3; Увеличения частоты вращения колеса, увеличивает получения получаемого тока через генератор 18; Наличия высоты расположенияколеса Банки h4 позволяет поднимать воду для полива Наивысший коэффициент полезного действия водяного колеса Банки может быть, когда форма сечения лопастей выполняются по определенной дуге -  эвольвенте; Появляется возможность выбирать в широких пределах диаметр (Д -1) и частоту вращения рабочего колеса, независимо от расхода воды;

- Учитывая, положительные свойства турбины - можно выбирать в широких пределах диаметр и частоту вращения рабочего колеса, и в зависимости от расхода воды изготовить более мощные гидротурбины работающие на генераторах 220 вольт; Итак, в итоге  малый поток воды за счет подъема ее на определенную высоту с помощью гидротарана и использования энергий падающей воды от спец емкости появляется возможность увеличить скорость вращения колеса и увеличить количества получаемого тока в разы; За счет изменения профиля лопастей колеса по дуге  эвольвента, также увеличивается  коэффициент полезного действия колеса; Регулируя высоты h2,h3 и h4 при малом h1 появляется возможность увеличения получаемого тока  через электрогенератор 18.

Выводы:

Перечисленные преимущества и достоинства  в совокупности увеличивет  эффективность предлагаемого устройства перед известными аналогами.

Данное устройство можно выгодно использовать одновременно для выработки электроэнергий и полива багорных бахчевых культур в условиях малого вотдотока.

Устройство легкодоступны, конструктивно несложны, мобильны и дает достаточной мощьности (до 5 кВатт) энергий.

Дневное время работает только для накачки достаточного колическтва воды для полива в специальный емкость, тем самым регулируется мощьность вырабатываемого тока в зависимости количества потока воды из накопленной водой емкости, т. е. независимо от естественного водотока.

Освободивщаяся вода после выработки электроэнергий применяется для полива.

Рисунок-1. Кинематическая схема устройства.

Список использованных литератур

Патент KG  (в Кыргызстане), KG № 000, 2003  Патент № 000 ( в Евразийском патентном ведомстве), 2003 г. Патент KG  № 000,  2003, Патнгт KG № 000,  кл. D05B 17/00, D05B 21/00, 1985) Патент № 000, кл. D05B 17/00, D05B 21/00, 1985) г , Машинатанудағы инновациялар. Теория және практикасы. Оқулық Типография ТОО "Эверо" Алматы, - 285 б.