Содержание

	ВВЕДЕНИЕ	………………….	6
1 1.1 1.2 2	КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ВЕТРЯНЫХ СТАНЦИЙ Комплексные технологии для гидравлических станций Комплексные технологии для ветряных станций МИКРО ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ	…………………. …………………. …………………. ………………….	8 8 14 16
2.1 2.2 2.3	Методика испытания опытных образцов микро ГЭС Результаты испытаний опытных образцов дисковой гидротурбины Экспериментальные исследования вязкого трения	…………………. ………………… …………………	16 17 21
3 3.1 3.2 3.3 4 4.1 4.2	ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ВЕТРЯНОЙ СТАНЦИИ Разработка методики испытания опытного образца ветростанции Результаты испытаний опытного образца ветростанции Конструкторские и технологические особенности новой ветростанции. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОБОСНОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНЕРЦИОННОГО ПЕРЕДАТОЧНОГО МЕХАНИЗМА (ИПМ) Теоретические исследования динамики ИПМ Опытный образец инерционного передаточного механизма	………………… ………………… ………………… …………………. …………………. …………………. ………………….	27 27 27 29 30 30 33
	ЗАКЛЮЧЕНИЕ	………………….	36
	СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРИЛОЖЕНИЕ А Научно-организационная деятельность в 2015 г ПРИЛОЖЕНИЕ Б – Акт испытания гидротурбины ПРИЛОЖЕНИЕ В – Акт внедрения опытных образцов гидротурбин для микро ГЭС ПРИЛОЖЕНИЕ Г – Календарный план	…………………. ………………… ………………… ………………… …………………	38 41 43 44 45

Введение

Проблема экологически чистого и эффективного использования энергии возобновляемых источников, в частности энергии рек, горных водосбросов и ветра, является весьма актуальной. Особенно с учетом все возрастающего дефицита энергетических ресурсов в южных и отдаленных районах Республики Казахстан.

Для преобразования энергии потоков воды в микро гидроэнергетических станциях (микро ГЭС мощностью от 3 до 100 кВт) в настоящее время используются традиционные осевые, радиальные, радиально-осевые, пропеллерные и ковшовые гидротурбины, а также их разнообразные модификации [1, 2]. Для традиционных турбин методики расчета достаточно разработаны [3]. Основным недостатком традиционных гидротурбин являются кавитационные процессы, возникающие от воздействия воды на лопасти турбин как на преграду [4]. В связи с этим для изготовления лопастей этих гидротурбин требуются дорогостоящие износостойкие марки стали. Это сказывается на себестоимостигидротурбин. Кроме того, кавитация оказывает негативное влияние на структуру воды.

Устранение кавитации и связанного с этим интенсивного износа турбин в настоящее время является одной из самых сложнейших проблем производства и эксплуатации традиционных гидротурбин [4].

Основными недостатками традиционных ветростанций [5] является возникающие при вращении ветродвигателя встречные сопротивления лопастей и необходимость использования передаточных мультипликаторов, которые имеют значительные потери мощности при механической передачи.

Современные тенденции развития микро гидроэнергетики и ветроэнергетики все больше склоняются к комплексным подходам и минимизации влияния для гидроэнергетики на естественную структуру воды [6], а для ветроэнергетики на безопасность для окружающей среды.

Традиционные микро ГЭС основаны на использовании статического напора воды в напорных водоводах. При этом гидравлические потери мощности водосбросов принимаются как не устранимые.

Это обстоятельство в совокупности с возможностями современных технологий и послужило главной основой разработки теоретических основ экологически чистых и эффективных комплексных микро ГЭС и ветростанций.

Новые комплексных технологии [7, 8] для гидравлических и ветряных станций связаны не только с ориентацией их на производство экологически чистой электрической и тепловой энергии, но и с модернизацией основных узлов станций на уровне изобретений, а именно:

• Напорных трубопроводов и воздуховодов с целью снижения гидравлических потерь (новая технология снижения гидравлических потерь в трубопроводах[9]);

• Гидротурбин с целью повышения их эффективности и минимизации кавитационных явлений (новая технология преобразования возобновляемой энергии потока воды и новая конструкция дисковой гидротурбины, методика расчета дисковых гидротурбин [10-22],);

• Ветродвигателей с целью повышения их эффективности и безопасности (новая технология преобразования энергии ветра и новая конструкция ветродвигателя [7]);

• Инерционного передаточного механизма с целью снижения потерь на передачу энергии (новая технология преобразования энергии центробежных сил инерции [23], и новые конструкции инерционных передаточных механизмов (НОУ ХАУ);

• Теплогенераторов для прямого преобразования механической энергии гидротурбин и ветродвигателей непосредственно в тепловую энергию (новая технология преобразования энергии механического вращения в тепло и новая конструкция теплогенератора [24]).

В результатепромежуточных этапов проекта были разработаны концепция комплексных технологий иконструкции основных элементов для гидравлических и ветряных станций, методики расчета дисковых гидротурбин и инерционных механизмов, методика экспериментального определения коэффициентов вязкого трения и трения о смоченную поверхностьи проведено экспериментальное их определение для материалов дисков турбины, которые необходимы для анализа теоретических зависимостей динамического взаимодействия воды с дисками гидравлической турбины. Так же проведены экспериментальные исследования инерционного механизма и разработаны и изготовлены опытные образцы дисковых гидротурбин для микро ГЭС мощностью 3 и 5 кВт.

Задачами заключительного этапа проекта являлось:

• разработка комплексных технологий для микро ГЭС и ветростанций;

• экспериментальные исследования коэффициентов вязкого трения для разных материалов дисков;

• разработка и изготовление опытного образца ветростанции;

• разработка методик испытания и производственные испытания опытных образцов гидротурбин мощностью 3 и 5 кВт;

• испытания опытного образца ветродвигателя;

• теоретические исследования инерционного передаточного механизма.

Решения этих задач является предметом настоящего отчета и представлены в нижеследующих разделах.

1 КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ВЕТРЯНЫХ СТАНЦИЙ

1.1 Комплексные технологии для гидравлических иветряных станций

Традиционные технологии преобразования энергии текучей среды, основаны на подаче текучей среды по трубопроводам под давлением в преобразующее устройство (пропеллерные, радиально-осевые, диагональные и ковшовые гидротурбины), в котором энергия воды преобразуется во вращение ротора турбины и передается генератору тока [1, 2].

Недостатком существующих традиционных технологий является значительные потери в напорном трубопроводе, которые принимаются как не устранимые, и низкая эффективность преобразования энергии потока текучей среды.

Технической задачей новой технологии является снижение гидравлических потерь и повышение эффективности преобразования энергии.

Поставленная задача достигается тем, что технология преобразования энергии текучей среды, включающий операции подачи среды через трубопровод в конфузор, где осуществляется изменение момента инерции текущей среды и подача её в преобразующее устройство, в котором осуществляется преобразование кинетической энергии среды рабочим огранном в его механическое вращение, которое через передаточный механизм передается генератору энергии и вывода среды из преобразующего устройства, дополнен операцией изменения момента инерции текучей среды в напорном трубопроводе и/или в преобразующем устройстве и/или передаточного механизма; при этом изменение момента инерции текучей среды в напорном трубопроводе осуществляется за счет формирования ламинарного вихревого потока среды, изменение момента инерции текучей среды в преобразующем устройстве осуществляется за счет формирования ламинарного вихревого потока при центростремительной и/или центробежной подачи среды по волновым и/или винтовым каналам рабочего органа, а изменение момента инерции передаточного механизма осуществляется за счет изменения положения масс элементов механизма путем механических и/или гидравлических и/или пневматических и/или электромагнитных и/или магнитных воздействий.

Техническая задача изобретения достигается благодаря практическому использованию известного закона сохранения (постоянства) момента количества движения вращающейся системы. Изменение момента инерции вращающихся систем в соответствии с законом сохранения момента количества движения приводит к изменению угловой скорости вращения и соответственно к изменению кинетической энергии вращающейся системы.

Так в напорных трубопроводах происходят потери напора из-за гидравлического трения и турбулентных процессов до 30% в зависимости от их материалов, длины и диаметра. Если в трубопроводах обеспечить периодические вихревые образования за счет конструкции водопроводов и при помощи специальных лопастей или каналов можно добиться не только устранения гидравлических потерь, но и прироста кинетической энергии напорного движения жидкости или газа. Это приведет к повышению эффективности преобразования энергии.

В преобразующем устройстве (турбина) особой конструкции также организуются вихревые процессы за счет изменения момента инерции текучей среды, которые приводят к возрастанию её кинетической энергии взаимодействия с рабочими органами турбины. Что также приведет к повышению эффективности преобразования энергии.

Припередачи энергии вращения рабочего органа турбины генератору тока или другому энергетическому устройству также возникают механические потери энергии в передаточном механизме. Изменение момента инерции элементов передаточного механизма также позволят добиться импульсов изменения кинетической энергии всего механизма, что также положительно отразится на эффективности преобразования энергии.

Способ преобразования энергии текучей среды, например, воды, осуществляется следующим образом.

Вода из реки под напором подается в специальной конструкции водопровод, где за счет пространственной конфигурации и при помощи винтовых направляющих или каналов она периодически изменяет свой объемный момент инерции и соответственно получает импульсы прироста кинетической энергии, что в итого приводит к устранению гидравлических потерь и повышению суммарной кинетической энергии потока воды. Попадая в гидротурбину (преобразующее устройство) вода по винтовым или волновым каналам движется центростремительно и уменьшает свой момент инерции, создавая импульс кинетической энергии на рабочем органе турбины. Далее, под действием центробежных сил инерции вода попадает в винтовые или волновые каналы, где также ускоряется и выбрасывается через специальные форсунки, создавая дополнительный реактивный импульс на рабочем органе турбины. Отработанная вода по выводному каналу сбрасывается обратно в реку или подается к следующей турбине.

Вращательное движение рабочего органа турбины передается генератору тока при помощи специального передаточного механизма, в котором при помощи механических средств обеспечивается периодическое изменение его момента инерции за счет изменения положения эксцентрических масс элементов механизма. Это приводит к импульсам скорости вращения и, соответственно, к импульсам кинетической энергии вращения. В итоге компенсируются механические потери и повышается суммарная эффективность преобразования энергии движения воды в электричество.

В связи с тем, что вариантов исполнения конкретных узлов и механизмов для реализации данного способа много, а их конструкции и технология изготовления является предметом НОУ-ХАУ авторов, в данном описании их конструктивные особенности не раскрываются.

Следует отметить, что разработанная технология приемлема как для гидроэнергетических станций, так и для ветряных установок. Общим механизмом в конструкции комплексных микро ГЭС и ветряных станций будет наличие инерционного передаточного механизма, который предназначен для кинематической передачи механического вращения гидротурбины или ветродвигателя генератору тока или роторно-вихревому теплогенератору. Это позволит сократить механические потери в передаточном механизме и, соответственно, повысить эффективность преобразования энергии в указанных установках.Концепция инерционных передаточных механизмов и теоретические предпосылки их практического применения для гидроэнергетики и ветроэнергетики будут рассмотрены ниже.

Основным элементом гидравлических энергетических установок являются напорные водоводы. Проблема снижения гидравлических потерь в трубопроводах является весьма актуальной не только для микро ГЭС, но и для инженерных и магистральных водопроводов. Это обусловлено для микро ГЭС повышением эффективности преобразования энергии воды, а для инженерных и магистральных трубопроводов снижение энергетических затрат на транспортировку воды и других жидких продуктов.

Современные решения проблемы снижения гидравлического трения связаны в первую очередь со снижением шероховатости внутренних поверхностей труб. Также эта проблема решается при помощи разнообразных синтетических и полимерных добавок вводимых в транспортируемую жидкость [25]. При помощи воздействия на пограничный слой жидкости или газа переменным электромагнитным полем [26], а также путем накладывания на стенки трубопровода или канала импульсных колебаний, направленных по нормали к поверхности соприкосновения потока со стенками трубопровода или канала [27].

Нетрадиционный подход к проблеме транспортировки воды, основанный на использовании естественного течения воды, предложил еще в середине прошлого века австрийский исследователь Виктор Шаубергер, который разработал и запатентовал спиральную трубу для жидких и газообразных субстанций [28]. В соответствии с проведенными исследованиями конструкций этих труб, которые позволяют сохранять скорость течения благодаря тому, что форма сечения трубы состоит из нескольких полукругов и сама труба закручена в спиральную конфигурацию. Сечение трубы яйцевидное, с изгибом у более узкого конца яйца. Тестирование этих труб в Институте Гигиены при Штутгартском Технологическом университете (Германия) от 1952 года показало, что при расходе воды, равном 310 см3/сек, всасывающая способность спиральной трубы из меди в 4 раза больше, чем у прямой стеклянной трубы, и в 1,85 раза больше, чем у прямой медной [29, c. 310]. Это связано с увеличением скорости течения воды в спиральной трубе, что обусловлено снижением гидравлических потерь.

В чем же причина снижения гидравлических потерь в спиральной трубе? Шаубергер разработал конструкцию этих труб в результате многолетних наблюдений за динамикой естественного течения воды. Действительно, если внимательно посмотреть на конфигурацию струи воды истекающей из водопроводного крана, то становится понятным источник аналогии запатентованных труб Шаубергера. К тому же, как известно, любое тело или вещество, будучи предоставлено само себе, стремится принять наиболее энергетически выгодное состояние, и перемещается по наиболее выгодной траектории, обеспечивающей минимальные сопротивления среды. Это значит, что естественное композиционно закрученное (вихревое) течение жидкости энергетически более выгодно, чем прямолинейное. На первый взгляд это противоречит традиционной гидродинамики, да и реальная техническая практика подтверждает, что потери при ламинарном движении существенно меньше, чем при турбулентном режиме, и потому инженеры стараются предотвратить или хотя бы сократить образование турбулентностей.

На самом же деле никаких противоречий здесь нет. Турбулентное движение обусловлено беспорядочно зарождающимися и исчезающими вихрями жидкости, которые хаотично сталкиваются друг с другом, а также с ограничивающими поток стенками и тем самым бесполезно растрачивают кинетическую энергию, превращая её в тепло. Естественное природное течение жидкости, да и газа тоже, представляет собой композитное согласованное сообразно окружающей среде вихревое движение. При свободном течении (падании) жидкости, как в выше описанных примерах в воздухе, который является менее плотным, она движется по естественной наиболее энергетически выгодной траектории, а именно в виде закрученной сужающейся к низу спирали.

В традиционных трубах круглого сечения жидкость стремится к естественной закрученной сужающейся форме потока. Эта форма потока не соответствует форме трубы. Вернее форма трубы не соответствует естественной геометрии потока жидкости. В связи с этим, при движении жидкости в круглой трубе в периферийных зонах возникает интенсивная турбулентность, которая приводит к дополнительным гидравлическим потерям.

Анализ современных концепций снижения гидравлического трения в напорных трубопроводах позволил разработать новую комплексную технологию снижения гидравлических потерь в напорных трубопроводах. Суть технологии заключается в комплексном обеспечении концентрических по диаметру трубопровода и направленных к центру потока импульсных вибраций и/или промежуточного периферийного пристеночного винтового вихревого слоя жидкости и/или бегущей стоячей волны вдоль направления потока. При этом создаются, по крайней мере, три винтовых потоков жидкости в виде вихревых шнуров, бегущая стоячая волна обеспечивается за счет создания встречных импульсов вибраций с разной частотой, а параметры концентрических вибраций выбирают в зависимости от свойств жидкости и диаметра трубопровода. Приоритет на данное техническое решение установлен заявкой на Евразийский патент.

Положительный эффект изобретения достигается за счет того, что импульсные вибрации в потоке жидкости в трубопроводе создаются концентрически по его диаметру и направлены к центру потока. При этом обеспечивается интерференционная фокусировка волн в центре потока. Это приводит при оптимальных условиях к возрастанию амплитуды и частоты кольцевых концентрических волн в центре потока жидкости. Принцип действия концентрических волн аналогичен механизму работы плетки, которая изготавливается таким образом, что у рукоятки плетка имеет наибольший диаметр, сужающийся к концу плетки. Когда на рукоятке создается небольшой импульс, то волна на конце плетки за счет постепенного уменьшения диаметра будет большей амплитуды и частоты. Этим свойством пользуются пастухи, закрепив на конце плетки гайку. Маленьким импульсом рукоятки достигают существенного удара гайкой. Если концы множества одинаковых плеток связать между собой, а рукоятки растянуть по диаметру, то получится механическая аналогия предлагаемого технологического приема. Если произвести одинаковое и одновременное импульсной воздействие на все рукоятки этого множества плеток, то это приведет к интерферированному всплеску их связанных концов.

Волна возбуждения без учета сопротивления среды и степени затухания колебаний будет связана с фокусированной волной в общем виде через объем активной массы или через площади [30]:

, (1.1)

где – амплитуды, соответственно возбуждения и фокусированной волны;

– площадь возбудителя и площадь, где была зафиксирована фокусированная волна с амплитудой .

Из соотношения (1.1) в первом приближении можно определить амплитуду фокусированной волны

. (1.2)

Из выражения (1.2) видно, что если, например, у плетки диаметр у рукоятки будет равен 20 мм, а на конце плетки диаметр будет равен 5 мм, то амплитуда конца плетки при отсутствии внутреннего и внешнего сопротивления будет в 4 раза больше амплитуды возбудителя.

То же самое будет происходить с жидкостью, если обеспечить по диаметру трубы концентрические волны, направленные к центру потока. Поскольку жидкость имеет направленный градиент скорости, то центральный поток жидкости будет получать импульсы ускорений. Периодическое создание таких импульсов ускорений приведет в итоге к возрастанию скорости потока, снижению хаотических турбулентных потоков и, как следствие, к снижению гидравлических сопротивлений и увеличению пропускной способности трубопровода.

Операция периодического создания винтовых потоков жидкости в области её контакта со стенками трубопровода позволяет создавать промежуточный обкатывающий стенки трубы поток жидкости, которая будет служить естественным жидким «подшипников качения» между стенками трубопровода и центральным потоком жидкости. Это приведет к снижению турбулентности и соответственно к уменьшению гидравлических потерь. Кроме того, вращающиеся по винтовым линиям периферийные потоки жидкости будут закручивать, и разгонять внутренний поток жидкости за счет тангенциальных силовых импульсов, придавая ему вихревое ламинарное движение, при котором снижается турбулентность и, соответственно, гидравлические потери минимизируются.

Физическая сущность третьего признака изобретения сводится к следующему. Если навстречу друг другу в материальной среде от двух источников вибрации, которые создают колебания, например по синусоидальному закону на одинаковой частоте, то в среде возникнут стоячие волны. Если частоту колебаний одного из источников изменить, то стоячие волны превратятся в бегущие. Они будут перемещаться от одного источника к другому. Среда же начнет перемещаться в обратном направлении. Таким образом, если вдоль трубопровода обеспечить стоячую бегущую волну, то вода в трубопроводе будет перемещаться сообразно параметрам этой волны. Природой этот принцип реализован в системе кровообращения и желудочно-кишечного тракта. Стоячая волна в системе кровообращения человека проявляется в виде пульса и обеспечивает совместно с сердцем движение крови по сосудам артериальной и венозной систем [30].

Практическое использование отмеченных физических приемов, как по отдельности, так и в совокупности в зависимости от технологической и экономической целесообразности позволят значительно снизить гидравлические потери жидкости в напорных трубопроводах. Это позволит сократить затраты энергии на транспортировку разнообразных жидкостей (вода, нефть и другие), а также повысить эффективность преобразования энергии воды в гидроэнергетических установках за счет снижения гидравлических потерь и повышения энергии потока в напорных трубопроводах.

Следует отметить, что описанная технология применима и для воздуховодов с некоторыми технологическими дополнениями, связанными с особенностью газовой (воздушной) среды. Эти технические решения обладают промышленной новизной и в донной работе не рассматриваются.

Теоретическое обоснование описанных выше технологических приемов снижения гидравлического трения достаточно объемны и выходят за рамки данного проекта.