Пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води

Реферат: Пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води містить корпус, ротор з лопатями та направляючий пристрій, установлений на корпусі, ротор з лопатями має можливість обертання навколо вала під дією потоків води на лопаті. Корпус виконано у вигляді важеля, який установлений на нерухому опору з можливістю повороту. Ротор з лопатями установлений на одному із кінців корпусу, на другому кінці якого установлені противаги. Направляючий пристрій виконаний у вигляді напрямної, нижня поверхня якої установлена дотично до зовнішньої бокової поверхні ротора та під гострим кутом до поверхні потоку, на одному валу з ротором установлений щонайменше один генератор електричної енергії. UA 112727 U (12) UA 112727 U UA 112727 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до гідроенергетики і призначена для перетворення кінетичної енергії малих і середніх потоків води в електричну енергію на річках, каналах, каналізаційних колекторах та інших пристроїв для транспортування міських стічних вод або трубопроводів, що проводять рідину. Відома міні-гідроелектростанція, [патент України на корисну модель № 31721, МПК (2006.01) F03B 5/00, F03B 13/00, F03B 3/00, пріоритет від 17.10.2007], що містить проточний корпус з послідовно розташованим вхідним, турбінним і вихідним відсіками, турбінне колесо з вихідним валом, встановленим у турбінному відсіку, електрогенератор систему автоматичного керування енергоблоком, згідно з корисною моделлю на вході проточного корпусу введений накопичуючий резервуар в місці зі вхідними трубами зливання відпрацьованої води, на виході резервуара на початку проточного корпусу установлений криволінійний конфузор безпосередньо перед турбінним колесом, проточний корпус підключений до каналізаційної системи для отримання енергії від каналізаційних стоків. Пристрій дозволяє підвищити рентабельність перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію за рахунок використання відпрацьованої води на підприємствах, високого ступеня автоматизації процесом перетворення та дистанційного контролю і управління. Недоліком даного пристрою є неефективне перетворення енергії від каналізаційних стоків при зміні швидкості та рівня потоків води. Також відомий пристрій для генерації електроенергії від каналізаційних стоків [патент Республіки Корея на винахід № 101463063, МПК (2013.01) F03B 13/00, F03B 15/00, F03B 17/06, пріоритет від 03.07.2013], що містить електрогенератор і турбіну з лопатями, установлену у каналізаційному каналі на валу для обертання під дією стічних вод, одна сторона каналізаційного каналу має обвідний канал та напрямну пластину для підйому турбіни з лопатями при зміні рівня стічних вод. Пристрій обладнаний спускним та переривчастим клапанами і датчиком рівня стічних вод. Напрямна пластина призначена для регулювання рівня занурювання лопатей турбіни у струм стічних вод для забезпечення обертання лопатей турбіни в одному напрямку. Обвідний канал призначений для відводу стічних вод під регулюванням спускного та переривчастого клапанів і датчика рівня стічних вод при значному підвищенні їх швидкості та об'єму. Відомий пристрій дозволяє підвищити ефективність перетворення кінетичної енергії в електричну енергію. Однак недоліком даного пристрою є неповне використання енергії від каналізаційних стоків, тому що значна частина потоку відводиться в обвідний канал. Більш того, така конструкція з відведенням частини потоку в обвідний канал значно ускладнює загальну конструкцію каналізаційних колекторів, а використання додаткового обладнання для управління потоків стічних вод (спускного та переривчастого клапанів і датчика рівня стічних вод) значно знижує рівень надійності роботи конструкції в цілому в умовах агресивного середовища, в якому вони знаходяться. Недоліком також є незручне обслуговування генератора під час ремонту пристрою, тому що для цього необхідно відводити стічні води в обвідний канал. Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого технічного рішення, вибраний як прототип, є пристрій перетворення потенціальної енергії гідравлічного потоку в механічну енергію [деклараційний патент України на корисну модель № 6654, МПК (2004.01) F03B 17/06, F03B 13/00, пріоритет від 25.10.2004], що містить циліндричний корпус з вхідними і вихідними вікнами, ротор з лопатями встановлений в корпус, а також направляючий пристрій, з'єднаний з вхідним вікном корпуса, виконаний у вигляді декількох конфузорів, виходи яких розташовані у вхідному вікні корпусу послідовно в площині обертання ротора. Ознаками даного відомого рішення, що співпадають з ознаками рішення, що заявляється, є: пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в механічну енергію, що містить корпус, ротор з лопатями та направляючий пристрій, установлений на корпусі, ротор з лопатями має можливість обертання навколо вала під дією потоків води на лопаті. Відомий пристрій забезпечує збільшення кількості енергії, що відбирається від гідравлічного потоку. Потік води через конфузори і їхні виходи одночасно надходить до розташованих проти виходів ряду лопатей і віддає їм енергію. Декілька конфузорів з таким розташуванням виходів дозволяють зменшити число лопатей, що екрануються від потоку іншими лопатями. Це дає можливість збільшити кількість енергії, що відбирається від потоку. 1 UA 112727 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Однак відомий пристрій перетворення енергії гідравлічного потоку має суттєві недоліки, які полягають у тому, що ефективність перетворення кінетичної енергії гідропотоку не є максимально можливою за рахунок того, що швидкість гідравлічного потоку гаситься при розділенні потоку на конфузори і проходженні їх через конфузори, що звужуються перед проходженням потоку до вхідних вікон і попаданням на лопаті ротора. Окрім того, втрати енергії перетворення гідропотоку можуть бути також при значному збільшенні об'єму або/та швидкості потоку води, тому що конфузори можуть пропускати обмежену кількість об'єму води. Таким чином кількість енергії перетворення обмежена кількістю конфузорів та їх геометричними розмірами. Звужені конфузори при присутності твердих включень та сміття у гідравлічному потоці, що особливо має місце в каналізаційних потоках, можуть захаращувати конфузори, це може привести до механічного зламування як лопатей ротора, так і конфузорів та вхідних і вихідних вікон, що знижує також надійність роботи пристрою в цілому. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію, у якого за рахунок конструктивних особливостей забезпечується підвищення ефективності перетворення кінетичної енергії потоків води в електричну енергію та підвищення надійності роботи пристрою в умовах зміни рівня потоків води шляхом забезпечення автоматичного регулювання заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води. Особливістю даної конструкції також є розширення функціональних можливостей пристрою шляхом забезпечення можливостей роботи пристрою в умовах забрудненої відпрацьованої води, наприклад, шляхом установки пристрою в каналізаційних колекторах або інших каналізаційних трубопроводах великого діаметра. Поставлену задачу вирішено новими технічними рішеннями заявленого пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води, що містить корпус, ротор з лопатями та направляючий пристрій, установлений на корпусі, ротор з лопатями має можливість обертання навколо вала під дією потоків води на лопаті, відповідно до корисної моделі, корпус має вигляд важеля, який установлений на нерухому опору з можливістю повороту, ротор з лопатями установлений на одному із кінців корпусу, на другому кінці якого установлені противаги, направляючий пристрій виконаний у вигляді напрямної, нижня поверхня якої установлена дотично до зовнішньої бокової поверхні ротора та під гострим кутом до поверхні потоку, на одному валу з ротором установлений щонайменше один генератор електричної енергії. Пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води, відповідно до корисної моделі установлений в трубопроводі зливання відпрацьованої води, а нерухома опора установлена на квадратну трубу, жорстко зафіксовану у протилежні стінки трубопроводу зливання відпрацьованої води. Пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води, відповідно до корисної моделі напрямна виконана порожнистою із пластмаси. Між сукупністю суттєвих ознак пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води, що заявляється, і досягнутим результатом існує причинно-наслідковий зв'язок, який пояснюється наступним. Пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію побудований за принципом автоматичного регулювання заглиблення ротора з лопатями, установленого на одному із кінців корпусу в потік води в умовах зміни рівня потоку. Пристрій має корпус, виконаний у вигляді важеля, що має можливість повороту відносно нерухомої опори, яка може бути як у вигляді стійки, вмонтованої у дно відкритого водоймища, так і у вигляді нерухомої опори, яка установлена на квадратну трубу, жорстко зафіксовану у протилежні стінки трубопроводу зливання відпрацьованої води, наприклад, у каналізаційних колекторах. Корпус, як важіль, у вихідному положенні установлюється у зрівноваженому стані так, що вага ротора з лопатями і генераторів з герметичними кожухами зрівноважується противагами, установленими на другому кінці корпусу. При підвищенні рівня води у каналі або трубопроводі ротор під дією сили виштовхування знову спливає на поверхню води, звільнює торець лопатей і знову починає обертання в постійному напрямку. 2 UA 112727 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Підйом ротора додатково забезпечує також підйомна сила, що виникає від реакції потоку на напрямну, виконану у вигляді листа, закріпленого до корпусу і розміщеного під гострим кутом до потоку води, причому сила дії на лист буде підвищуватися з підвищенням рівня води в каналі або трубопроводі. Зрештою вся система приходить до рівноваги і ротор починає обертання у стабільному режимі, що забезпечує стабільне вироблення електроенергії. При зниженні рівня води в каналі або трубопроводі, коли сила виштовхування води стає рівною практично нулю, ротор під своєю вагою починає опускатися до рівня води, що приведе до того, що лопаті знову запрацюють всією поверхнею і таким чином знову відновиться стабільна робота пристрою. В такому положенні корпусу бокова поверхня ротора розміщується дотично рівню потоку води так, що в потоці води будуть занурені практично тільки лопаті без занурення тіла самого ротора, що дозволить забезпечити рівномірне навантаження на генератори, і як наслідок забезпечується підвищення ефективності перетворення кінетичної енергії в електричну енергію та підвищення коефіцієнта корисної дії пристрою в цілому. За рахунок зміни противаг можливо регулювати рівновагу корпусу з ротором з лопатями, що дозволяє змінювати плавність роботи пристрою. Це дозволить установлювати даний пристрій на каналах з малою швидкістю потоку. При роботі пристрою в умовах малої швидкості можливо передбачити зміну кута нахилу напрямної відносно рівня потоку води. Указані признаки складають суть корисної моделі. Сукупність ознак, що наведена у формулі корисної моделі повною мірою забезпечує можливість вирішення поставленої задачі. Нижче наводиться опис запропонованого пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води, який ілюструється кресленнями, де на фіг. 1 зображена загальна структурна схема пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води. На фіг. 2 зображений вигляд зверху пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води. На фіг. 3 зображена конструкція пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води установлена в трубопроводі зливання відпрацьованої води. На фіг. 4 зображена конструкція пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води, установлена в трубопроводі зливання відпрацьованої води (вигляд з торця трубопроводу). Дана корисна модель пояснюється конкретними прикладами виконання, які однак не є єдино можливими, але наочно демонструють можливість досягнення даною сукупністю ознак заданого технічного результату. Пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води, показаний на фіг. 1 містить корпус 1 з установленими на одному із його кінців порожнистим герметичним ротором 2 з лопатями 3, закріпленими по периметру зовнішньої бокової поверхні 4 та направляючим пристроєм, виконаним у вигляді напрямної 5. На другому кінці корпусу 1 (на фіг. 1 зліва) для зрівноваження ваги механізмів, установлених на першому кінці корпусу 1 (на фіг. 1 справа), установлені противаги 6. Нижня поверхня напрямної 5 виконана у вигляді відбійного листа 7, який установлений дотично до зовнішньої бокової поверхні 4 ротора 2 та під гострим кутом до поверхні потоку води. Ротор 2 з лопатями 3 у вихідному положенні установлений так, що має можливість обертання навколо вала 8 під дією потоків води на лопаті 3. Корпус 1 має вигляд важеля, який установлений з можливістю повороту на нерухому опору 9, яка може бути виконана як у вигляді стійки (на фіг. 1 не показана), вмонтованої у дно відкритого водоймища, так і у вигляді нерухомої опори 9, яка установлена на квадратну трубу 10, жорстко зафіксовану у протилежних стінках, наприклад, трубопроводів зливання відпрацьованої води, наприклад, у каналізаційних колекторах. 3 UA 112727 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 До квадратної труби 10 приварені з двох протилежних сторін відносно корпусу 1 пластини 11 зі скосами 12 та 13, що обмежують як з однієї сторони піднімання корпусу 1 (з допомогою скоса 12), так і з другої сторони опускання корпусу 1 (за допомогою скосу 13). Пластини 11 установлені таким чином, що не дозволяють торцям лопатей 3 ротора 2 занурюватись на дно каналу, що не приводить до поломки лопатей 3. На фіг. 2 зображений вигляд зверху пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора 2 з лопатями 3 у потік при зміні рівня води. Вал 8 ротора 2 за допомогою муфт з'єднаний з валами генераторів 14 та 15 електричної енергії з герметичними кожухами 16 та 17. Ротор 2 установлюється на корпус 1, що складається з рами із двох швелерів 18 та 19, які скріплені між собою болтами 20 з гайками 21 та дистанційними трубами 22, установленими на болтах 20 між швелерами 18 та 19. На протилежному кінці корпусу 1 установлюються противаги 6, які можуть бути змінені для забезпечення зрівноваження ваги ротора 2 з лопатями 3, генераторів 14 та 15 електричної енергії з герметичними кожухами 16 та 17. При підборі противаг 6, що зрівноважують корпус 1 з установленими на ньому механізмами, необхідно забезпечити невелике перенавантаження на сторону ротора 2. В центральній частині рами установлюють вал 23 з підшипниками 24. Вал 23 проходить через два кронштейни 25, що жорстко з'єднані з пластинами 11. На фіг. 3 зображена конструкція пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора 2 з лопатями 3 у потік при зміні рівня води, установлена в трубопроводі 26 зливання відпрацьованої води. На фіг. 4 зображена конструкція пристрою для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора 2 з лопатями 3 у потік при зміні рівня води, установлена в трубопроводі 26 зливання відпрацьованої води (вигляд з торця трубопроводу). Нерухома опора 9 жорстко установлена на квадратну трубу 10, яка, в свою чергу, жорстко зафіксована у протилежних стінках трубопроводу 26 зливання відпрацьованої води, наприклад, у каналізаційних колекторах. Квадратна труба 10 може бути також закріплена фіксаторами 27 для зменшення деформації кручення квадратної труби 10. Пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора 2 з лопатями 3 у потік при зміні рівня води, для перетворення потенціальної енергії каналізаційних стоків в електроенергію працює в наступний спосіб. Корпус 1, як важіль, у вихідному положенні установлюється у зрівноваженому стані так, що вага ротора 2 з лопатями 3 і генераторів 14 та 15 з герметичними кожухами 16 та 17 зрівноважується противагами 6, установленими на другому кінці корпусу 1. Причому в такому зрівноваженому положенні корпусу 1 зовнішня бокова поверхня 4 ротора 2 установлюється дотично до поверхні потоку води, так що лопаті 3 ротора 2 оптимально занурюються у потік і ротор 2 починає обертатися навколо вала 8 під дією потоку води на лопаті 3. Обертання вала 8 через муфти передається на вали генераторів 15 та 16 електричної енергії. При підвищенні рівня води у каналі або трубопроводі 26, якщо ротор 2 починає занурюватись у воду, під дією сили виштовхування води ротор 2 знову спливає на поверхню води, звільнює торець лопатей 3 і ротор 2 знову подовжує обертання в постійному напрямку. Підйом ротора 2 додатково забезпечує також підйомна сила, що виникає від реакції потоку на напрямну 5, виконану у вигляді відбійного листа 7, закріпленого до корпусу 1 і розміщеного під гострим кутом до потоку води, причому сила дії на відбійний лист 7 буде підвищуватися з підвищенням рівня води в каналі або трубопроводі 26. Для підвищення підйомної сили за рахунок поліпшення плавучості відбійний лист 7 плоским або порожнистим. Нарешті вся система приходить до рівноваги і ротор 2 починає обертання у стабільному режимі, що призводить до стабільного вироблення електроенергії. При зниженні рівня води в каналі або трубопроводі 26, коли сила виштовхування води стає практично рівною нулю, ротор 2 під своєю вагою починає опускатися до поверхні потоку води, що приведе до того, що лопаті 3 знову запрацюють всією поверхнею, і таким чином знову відновиться стабільна робота пристрою. В такому положенні корпусу 1 нижня бокова поверхня 4 ротора 2 розміщується дотично рівню потоку води так, що в потоці води будуть занурені практично тільки лопаті 3 без занурення тіла самого ротора 2, що дозволить забезпечити рівномірне навантаження на генератори 15 та 16 електричної енергії, і як наслідок забезпечується підвищення ефективності 4 UA 112727 U 5 10 15 перетворення кінетичної енергії в електричну енергію та підвищення коефіцієнта корисної дії пристрою в цілому. За рахунок зміни противаг 6 можливо регулювати рівновагу корпусу 1 з ротором 2 з лопатями 3, що дозволяє змінювати плавність роботи пристрою. Це дозволяє установлювати даний пристрій на каналах з малою швидкістю потоку. При роботі пристрою в умовах малої швидкості можливо передбачити зміну кута нахилу напрямної 5 відносно рівня потоку води. В разі різкої зміни швидкості або/та об'єму потоку води в каналі або трубопроводі 26 в пристрої передбачено установлення пластин 11 зі скосами 12 та 13, що обмежують відповідно як різкий підйом ротора 2, так і різке його занурення при швидкій зміні параметрів потоку, що забезпечує підвищення надійності роботи пристрою у цілому. Таким чином заявлений пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію за рахунок конструктивних особливостей забезпечує підвищення ефективності перетворення кінетичної енергії потоків води в електричну енергію та підвищення надійності роботи пристрою в умовах зміни рівня потоків води шляхом забезпечення автоматичного регулювання заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 1. Пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води, що містить корпус, ротор з лопатями та направляючий пристрій, установлений на корпусі, ротор з лопатями має можливість обертання навколо вала під дією потоків води на лопаті, який відрізняється тим, що корпус виконано у вигляді важеля, який установлений на нерухому опору з можливістю повороту, ротор з лопатями установлений на одному із кінців корпусу, на другому кінці якого установлені противаги, направляючий пристрій виконаний у вигляді напрямної, нижня поверхня якої установлена дотично до зовнішньої бокової поверхні ротора та під гострим кутом до поверхні потоку, на одному валу з ротором установлений щонайменше один генератор електричної енергії. 2. Пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води за п. 1, який відрізняється тим, що нерухома опора установлена на квадратну трубу, жорстко зафіксовану у протилежні стінки трубопроводу зливання відпрацьованої води. 3. Пристрій для перетворення кінетичної енергії потоків води в електроенергію з автоматичним регулюванням заглиблення ротора з лопатями у потік при зміні рівня води за будь-яким з пп. 12, який відрізняється тим, що напрямна виконана порожнистою із пластмаси. 5 UA 112727 U 6 UA 112727 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7