Технические науки/ 5. Энергетика

Лысенко В.С., Кулжабаев Б.Д., Сулейменов Б.Т., Рафиков И.Х.

Казахский Национальный Педагогический

университет им. Абая, г. Алматы, Республика Казахстан

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ВОДОСБРОСОВ И ИННОВАЦИИ ДЛЯ МИКРОГИДРОЭНЕРГЕТИКИ

В предгорных районах Казахстана находится густая сеть водосбросов для технических и бытовых нужд. Конструкция существующих водосбросов и их техническое состояние не соответствует современным требованиям экологии в аспекте сохранения естественной структуры воды. Материалы водоводов и их геометрия оказывают негативное влияние на воду, разрушая ее природную структуру и физико-химический баланс [1].

С другой стороны существующие водосбросы являются источником возобновляемой энергии, которую можно использовать для снабжения теплом и электричеством локальные объекты в предгорных районах.

Традиционные радиально-осевые, пропеллерные и ковшовые турбины [2] микрогидростанций, использующие энергию водосброса по трубопроводам, создают в воде интенсивную кавитацию. Это приводит не только к быстрому износу лопаток турбин, но и к снижению качества воды. Это обусловлено разрушением естественной внутренней молекулярной структуры воды. Причина разрушения воды кавитацией связана с эмиссией элементов и излучением кавитационных таверн. При этом механически вызванное давление и градиенты температур вызывают вибрации в воде на уровне молекулярных структур, которая при этом разрушаются [1].

Современные исследования структуры воды, наиболее полный анализ которых проведен в работе [3], базируются в основном на изучении химического состава и водородных связей в структуре воды. Влияние на структуру воды физических процессов было исследовано Виктором Шаубергером [1], который представлял воды как биоэнергетическую субстанцию и транспортную среду. В зависимости от физических градиентов и контактирующего окружения структура воды приобретает соответствующую конкретным условиям композицию и форму движения. Например, при свободном течении в воздухе струя воды формируется в пространственную конусно-винтовую спираль. Тоже происходит в объеме воды при опорожнении любых емкостей через отверстия в нижней части. Вода завихряется в объеме и образуется воронка. Формы этих пространственных водяных струй и их энергетический потенциал являются функциями целого ряда физических (температура, давление, скорость, магнитные поля и др.), геометрических (форма и размеры емкости и выпускного отверстия) и химических (состав воздуха, материал емкости и выпускного отверстия) аргументов. Упрощенная математическая модель и кинетическая энергия вихревых образований представлены в работе [4].

Таким образом, комплексные исследования свободного течения воды и влияния геометрии водоводов и их материала на её структуру и энергетический потенциал являются весьма актуальными как с позиции рационального использования водных ресурсов, так и для разработки эффективных и экологически чистых гидротурбин малой мощности.

В лаборатории инновационных технологий Казахского национального педагогического университета им. Абая разработана перспективная программа комплексных поэтапных исследований влияния геометрической формы и материала водоводов на структуру и энергетический потенциал водосбросов. А также исследований с целью создания микро гидравлических энергетических станций основанных на использовании естественного потока воды. Эти станции наряду с преобразованием потенциальной и кинетической энергии воды от напорных водоводов также должны стимулировать естественное ее течение и не разрушать ее природную структуру.

В соответствии с этой программой проведены предварительные эксперименты по исследованию влияния пространственной конфигурации водовода на скорость истечения воды. Эксперименты показали, что конусно-винтовая конфигурация водовода приводит к увеличению скорости течения воды на 6% по сравнению с прямым водоводом [5].

Анализ исследований и современных тенденций решения указанной проблемы позволили разработать конструкцию вихревой гидротурбины и технологию ее изготовления [6] и на ее базе энергетических установок для преобразования энергии течения воды в тепло и электричество [7].

Вихревая гидротурбина состоит из вихревой камеры, диффузора, турбины, сливной емкости и подшипниковых опор, в которой вращается вал жестко соединенный с турбиной. Подача воды в вихревую камеру осуществляется напорным водоводом через инжектор, а отбор воды из сливной емкости производится по сливному водоводу. Турбина выполнена в форме конуса со спиральными лезвиями и канавками, переходящими у основания в форсунки.

Особенностью турбины является то, что она не имеет лопастей. Спиральные лезвия или канавки выполнены по коническим винтовым линиям в виде штопора. Эти лезвия или канавки ввинчиваются в вихревой поток воды, не разрывая его и не создавая кавитации. В обычных турбинах лопасти пересекают поток воды и разрывают его. При этом много энергии расходуется впустую на преодоление сил поверхностного натяжения и сцепления молекул воды. Это ведет к потерям энергии и к появлению кавитационных явлений. Последние обуславливают эрозию металла турбины и значительно сокращают срок её эксплуатации. Предлагаемая конструкция турбины стимулирует естественные формы движения воды. Это позволяет снимать механическую энергию воды и сохранять ее природную структуру за счет обеспечения естественного течения.

На рисунке 1 представлен сборочный чертеж конусной турбины, поясняющий разработанную технологию. По этой технологии турбина с конусной частью 1 снабжена конусно-винтовыми лезвиями 2 и вкладышами 3, количество которых определяется целым числом m. Эти лезвия 2 и вкладыши 3 попарно в определенном количестве собираются на конусной части 1 турбины и стягиваются при помощи, жестко закрепленной на нижнем основании конусной части 1 турбины нижней планшайбы 4 изготовленной совместно с лопастями 5 и верхней планшайбы 6 при помощи гайки 7 или иного крепежного средства. Планшайбы 4 и 6 имеют специальные проточки для фиксации выходящих концов конусно-винтовых вкладышей 3.

Рисунок 1 – Сборочный чертеж турбины.

Из рисунка 1 легко определяется соотношение между геометрическими размерами лезвий 2 (толщина e, ширина l) и вкладышей 3 (толщина d, ширина k), числом их пар n, числом витков конусной спирали m и высотой сборки (конусной части турбины) h. Это соотношение будут иметь вид

h = m n (e+d).

Из этого выражения, задавая необходимые параметры, можно определить остальные. При этом следует учитывать то, что ширина винтовой канавки соответствует толщине вкладыша d, а высота или глубина канавки равна

c =( l – k ).

Технология изготовления турбины заключается в следующем.

Для каждого типоразмера (мощности) турбины изготавливаются шаблоны для навивки конусно-винтовых лезвий 2 и конусно-винтовых вкладышей 3 из листового материала в соответствии с разработанными математическими зависимостями и методикой расчета основных элементов вихревой гидротурбины [5]. После этого лезвия 2 и вкладыши 3 собираются попарно в необходимом количестве на конусной части 1 турбины и стягиваются при помощи планшайб 4, 6 и крепежных средств, в частности при помощи гайки 7.

Описанная технология позволяет значительно сократить механические операции и тем самым повысить производительность и снизить себестоимость изготовления турбин.

Теоретические и экспериментальные исследования указанной выше прикладной направленности финансировался за счет гранта ректора Казахского национального педагогического университета им. Абая.

Литература:

1. Шаубергер В. Энергия воды. – М.: Яуза, Эксмо, 2008. – 320 с.

2. Ковалев Н.Н., Гидротурбины. Конструкции и вопросы проектирования. Гидротурбины. Л., Машиностроение, 1971.- 584с.

3. Маленков Г.Г. Структура и динамика жидкой воды. Журнал структурной химии. 2006. том 47. С. 5-35.

4. Лысенко В.С., Сулейменов Б.Т., Рафиков И.Х. Кинетическая энергия природных вихрей. Materiály VIII mezinárodní vědecko - praktická conference «Aplikované vědecké novinky - 2012». - Díl 13. Technické vědy. Tělovýchova a sport: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o - 112 stran, s. 61-65.

5. Кулжабаев Б.Ж. Исследование конструкторско-технологических особенностей изготовления вихревой турбины микрогидростанции. Автореферат дисс. к.т.н., Алматы. 2009 г. 26 с.

6. Кулжабаев Б.Д., Лысенко В.С. Турбина и способ ее изготовления. Инновационный патент РК № 23032 Опубликованный 14.12.2010, бюл. № 12.

7. Лысенко В.С. Способ преобразования энергии и энергетическая установка для его осуществления. Предварительный патент РК № 17475. Опубликованный 15.06.2006, бюл. № 6.