Электрический ток – это высокотехнологичный продукт, созданный техническим прогрессом. Электрический ток возможно использовать и в качестве энергоносителя, но только в исключительных случаях, например для отопления МКС, авиалайнеров и инкубаторов.

Генерация электричества на тепловых и атомных станциях происходит за счет превращения тепловой энергии в крутящий момент на валу генератора с КПД 15-25%. Очевидно при обратном превращении электроэнергии в тепловую энергию будет потеряно 75-85% тепла, которое может быть получено при непосредственном использовании тепловой энергии расцепления атома урана для отопления, минуя генерацию электричества.

Рационально, чтобы электрический ток питал компьютеры, технологическое оборудование, светодиоды в системах освещения, электрическую дугу электросварки, пополнял заряд аккумуляторных батарей электромобилей и создавал магнитное поле, которое, сжигая газ, нефть и другие энергоносители получить невозможно.

Магнитное поле создает крутящий момент на валу электродвигателей, а они вращают компрессоры, насосы, шпинделя станков и ленточных пил, двигают поезда, троллейбусы и электромобили. Поэтому использовать для выравнивания нагрузок в часы ночного провала потребления электрический ток в качестве энергоносителя экономически не эффективно и слишком затратно.

По моему мнению, излишки электроэнергии в часы графика провала нагрузок должны либо пополнять заряд аккумуляторных батарей, либо увеличивать гидроэнергетический потенциал водохранилищ на гидроэлектростанциях и гидроаккумулирующих электростанциях.

В последние годы во многих странах начато строительство малых гидроэлектростанций (ГЭС). Среди возобновляемых источников энергии гидроэнергетика относится к высокоэффективным экологически чистым источникам энергии и повышает надежность электроснабжения. Наряду с этим ГЭС кроме чисто энергетического назначения несут и другие важные народнохозяйственные и социально-экономические функции (водоснабжения, орошения, судоходство, рыболовства и др.).

Значительный интерес представляет также использование гидроэнергетики для выравнивания нагрузок в часы максимального потребления и ночного провала. Одновременно с этим малые гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) позволят существенно повысить эффективность функционирования атомных электростанций. Учитывая большой опыт использования энергии малых рек за рубежом, в частности, в Китае, Франции и Японии можно ожидать, что в обозримом будущем роль гидроэнергетики в зеленой энергетике существенно возрастет.

Исследования ведущих гидротехников показывают, что наряду с модернизацией известных типов гидротурбин требуется одновременно разработка и принципиально новых гидроагрегатов, особенно в диапазоне низких, и высоких напоров. В целом проблема создания нового стандартного оборудования является важнейшей, от ее эффективного решения зависит успех развития малой энергетики и степень использования гидроэнергетического потенциала малых рек.

Детальное изучение технической базы малых ГЭС показало, что дальнейшее совершенствование технологического оборудования необходимо осуществить на новом техническом уровне, а именно: использовать для преобразования потенциальной энергии воды объемные гидромашины с высоким, близким к 95% КПД. При этом объемная гидромашина обратима и при необходимости может быть использована как насос для пополнения запаса воды в водохранилище в течение ночного провала графика нагрузок, обеспечивая, тем самым, полезную нагрузку тепловых и атомных станций.

ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ВАРИАНТ

Основа разработки — роторная лопастная гидромашина, позволяющая в широком диапазоне изменения напора и расхода воды обеспечить высокий КПД гидроагрегата в турбинных и насосных режимах, а также бесшумную работу и экологическую безопасность любой ГЭС. Конструктивно роторная лопастная гидромашина может работать как на низких, так и на высоких напорах с расходом воды одним гидроагрегатом до 20 м3/с. Для этого разработаны соответствующие конструктивные варианты ее исполнения мощностью до 5 МВт.

Конструкция гидромашины довольно проста и может быть изготовлена на небольшом машиностроительном предприятии. Роторная лопастная гидромашина (рис. 1,2) содержит корпус 1, внутренняя полость которого образована двумя цилиндрическими поверхностями равного радиуса R и торцовыми крышками. Внутри корпуса на валах, связанных между собой синхронизирующими шестернями, установлены два лопастных ротора 2 и 3 с возможностью вращения в разных направлениях. Первый ротор 2 опережает по фазе вращения второй ротор 3 на угол φ, равный

φ = 180/n,

где n – количество лопастей в роторе.

Межосевое расстояние между роторами находится в пределах А = 1,15—1,4 R.

При этом центральный угол, соответствующий цилиндрической поверхности корпуса, больше, чем двугранный угол между лопастями. Опоры валов каждого ротора оборудованы стандартными самоустанавливающимися роликовыми подшипниками. Уплотнения подшипников не нуждаются в техническом обслуживании. К валу ротора крепятся четыре или пять радиально направленных и равномерно расположенных лопастей 4. В основании лопастей выполнены углубления замыкателей 5, причем величина углубления такова, что в момент выхода лопасти одного ротора из зацепления с замыкателем другого, ближайшая лопасть этого ротора начинает взаимодействовать с замыкателем первого ротора, и наоборот, постоянно разделяя, таким образом, приемную и отдающую полости гидромашины.

При всех положениях роторов 2 и 3 зазор между вершиной лопасти 4 и поверхностью замыкателя 5 остается постоянным. Вершина каждой лопасти 4 снабжена высокопрочной накладкой 6, а входное и выходное окно – противорежущими ножами 7. Последние при взаимодействии с высокопрочными накладками 6 многократно измельчают различные водоросли и мусор, находящийся в воде, что предотвращает налипание волокон растений на цилиндрической поверхности корпуса 1 и поверхности замыкателей 5.

Такая эффективная очистка контактирующих поверхностей роторов и корпуса обеспечивает надежную и долговечную работу гидроагрегата.

И ЕГО РАБОТА

Вода из водохранилища под напором, превышающим давление в отдающей полости, подается в приемную полость гидромашины. В любой момент времени один из роторов находится в равновесии (на рис. 1- ротор 2), а другой ротор (на рис. 2 — ротор 3) в это время работает как поворотный гидродвигатель и имеет одну рабочую лопасть 4, от которой в результате разности давлений в приемной и отдающей полостях образуется крутящий момент.

Роторы 2 и 3 начинают синхронно, за счет кинематической связи посредством синхронизирующих зубчатых колес, вращаться в разных направлениях, а лопасти 4, поочередно взаимодействуя с замыкателями 5 взаимодействующих роторов, постоянно перекрывают межосевое пространство и препятствуют свободному переливу воды из приемной в отдающую полость.

При этом часть воды (20—40%) и газа находящихся в полости 0 (рис. 1) в момент выхода вершины лопасти 4 одного ротора из зацепления с замыкателями 5 другого переносится из отсасывающей трубы обратно в приемную полость. Вследствие этого в отсасывающей трубе создается и всегда поддерживается давление ниже атмосферного и повышается мощность гидромашины.

Отметим, что при взаимодействии вершины лопасти и замыкателя расстояние от линии их контакта до оси ротора постоянно изменяется, соответственно изменяется и крутящий момент на валу ротора. В результате этого гидромашина в зависимости от взаимного расположения роторов имеет максимальный и минимальный крутящий моменты.

Чтобы получить более равномерный крутящий момент на валу гидромашины, применяют роторы с несколькими смещенными по фазе вращения и разделенными перегородками секциями. В этом случае каждая последующая секция смещается по фазе на угол

γ = 360/n^xm,

где γ – угол смещения секций на роторе, n – количество лопастей в роторе, m – количество секций в одном роторе.

При необходимости для снижения нагрузки на зубья синхронизирующих шестерен каждый ротор соединяют с маховиком и отдельным генератором. Гидромашина вместе с генератором устанавливается на сухой платформе выше уровня нижнего бьефа на 2—5м. Вода к гидромашинам подводится по специальным напорным водоводам с газоотводными вертикальными трубопроводами (не показаны на рис. 1,2) для перепуска воздуха из напорной полости в атмосферу. Отсасывающая труба или воронка герметично присоединяется к выходному окну гидромашины.

В отсасывающей воронке скорость потока воды снижается до естественной его скорости в реке. При снижении скорости движущегося потока изменяется и кинетическая энергия воды, что приводит к образованию в отсасывающей трубе разряжения и увеличению крутящего момента на валу гидромашины.

Таким образом отработавшая вода, покидающая гидроагрегат, не имеет никакой потенциальной или кинетической энергии. Вся накопленная и аккумулированная в водохранилище энергия воды трансформируется в механическую работу гидроагрегата и генерируется в электроэнергию.

Очевидно, что чем ниже скорость отработанной воды, покидающей гидроагрегат, тем совершеннее гидроагрегат, и больше электроэнергии будет получено на любой ГЭС.

Интересно отметить, что вода, сходящая с лопастей турбин, установленных на ГЭС Сибири еще имеет такую скорость и энергию, что в лютые морозы не замерзает на участке реки 40 км ниже ГЭС. Следовательно, использование в гидросиловом оборудовании вместо динамических турбин предлагаемых объемных гидромашин позволит увеличить выработку электроэнергии на существующих ГЭС по меньшей мере в 2-2,5 раза.

Предлагаемая лопастная гидромашина — новый вид роторных объемных гидромашин, и не имеет аналогов в мире. Она была защищена пат. BY 3161, 5228, 12278, 14939. Гидромашина при постоянном напоре на различных расходах воды имеет практически постоянный крутящий момент и КПД, что позволяет посредством механической передачи изменить частоту вращения роторов в зависимости от нагрузки генератора и рационально использовать гидроэнергетический потенциал водохранилища.

Роторы этого гидроагрегата обладают простыми по форме лопастными системами. Выполнены расчетные исследования по энергетическим характеристикам низконапорного гидроагрегата. Разработана конструкторская документация его опытного образца.

Рисунок 1. Низконапорный объемный, обратимый гидроагрегат

Рисунок 2. Объемный низконапорный обратимый гидроагрегат с четырехлопастным ротором

• А – межосевое расстояние
• В – напорная полость гидромашины
• Н – отдающая полость гидроагрегата
• Р – сектор между лопастями ротора
• R – наружный радиус лопасти ротора

Применение предлагаемой конструкции гидросилового оборудования в малой гидроэнергетике позволит повысить степень использования гидроэнергетического потенциала малых рек, увеличить техническую, экономически выгодную в освоении полезную часть гидроэнергетических ресурсов и обеспечить эффективное выравнивание графика нагрузок атомной и возобновляемой энергетики.

• С уважением, изобретатель Александр Николаевич Антоненко
• e-mail: dvsantonenko@gmail.com
• Тел. (+375 17 ) 374-62-69 (раб.), (+375 29 ) 532-98-07 (моб.)
• Адрес: г. Минск, Беларусь, ул. Столетова 3-10, почтовый индекс 220037