Водяной двигатель
Водяной двигатель относится к энергетике, он позволяет преобразовать потенциальную энергию воды, при падении заполненных ею рабочих тел в механическую энергию, которая непосредственно или путем последующего ее преобразования в электрическую энергию может быть использована в различных отраслях народного хозяйства. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение энергоэффективности двигателя в разных горногидрогеологотехнических условиях, в скважинах путем более полного использования гравитационного энергетического потенциала при большой разнице глубин положения водоносного горизонта и проницаемого поглощающего интервала. На фиг.1 в качестве примера схематично показано устройство и принцип действия предлагаемого водяного двигателя. На фиг.2 приведена упрощенная кинематическая схема преобразователя попеременного реверсивного вращения входных валов (возвратно-поступательного движения поршней) во вращательное движение выходного вала. Преимуществом предлагаемого водяного двигателя являются более высокие показатели энергоэкономичности его работы в более широких горногидрогеологотехнических условиях, в т.ч. меньший удельный расход воды, большая развиваемая мощность в разных гидрогеологотехнических условиях при прочих равных условиях. Применение предлагаемого водяного двигателя позволяет расширить номенклатуру нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) - средств «малой» энергетики, использующих нетрадиционные, в т.ч. возобновляемые ресурсы - подземные воды в естественных условиях их существования, а также воды поверхностных водоемов. При соблюдении условия, когда расход воды при работе двигателя не превышает естественного восполнения, истощения запасов подземных вод в данном
водоносном горизонте не происходит, его гидростатическое давление сохраняется, и двигатель может работать бесконечно долго. Также преимуществом двигателя при его питании от водоносного горизонта и использовании в качестве источника электроэнергии в сравнении с речными мини - ГЭС является возможность безпроблемной эксплуатации его круглогодично в районах с резкоконтинентальным климатом, в частности, при низких температурах, при которых реки замерзают, так как, используемое в нем рабочее тело - подземная вода не замерзает.
Полезная модель относится к гравитационным двигателям, принцип работы которых предусматривает преобразование потенциальной энергии рабочей среды, например воды, при падении ее или заполненных ею рабочих тел в механическую энергию, и может быть использована в различных отраслях народного хозяйства.
Устройство позволит расширить номенклатуру нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) - средств малой энергетики, использующих нетрадиционные, в первую очередь возобновляемые ресурсы - природные естественные и искусственные водоемы в т.ч. подземные воды, а так же реки с малыми водотоками.
Известно устройство ударно-канатного бурения (Шамшев Ф.А. и др. Технология и техника разведочного бурения. Издание третье, М., Недра, 1983 г., стр.464-469 [1]), включающее двигатель, реверсивный привод лебедки с канатом, к которому присоединен ударный снаряд с инструментом находящимся в скважине. В устройстве ударный снаряд с инструментом периодически поднимается в скважине над забоем на определенную высоту и в последующем сбрасывается, последний падает под действием своего веса. Потенциальная энергия переходит в кинетическую и при ударе инструмента о забой скважины совершается работа. Для работы устройства подводиться энергия из вне. Устройство не позволяет непрерывно получать энергию.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является водяной двигатель по патенту на изобретение РФ №2224134 «Водяной двигатель». М. кл. F 03 C 1/02, опубл. бюл. №5 20.02.2004 г. [2].
Водяной двигатель включает питательную емкость, коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, шатуны, поршень, рабочие камеры, гильзы цилиндров, расположенные ниже коленчатого вала. Между поршнем и гильзой цилиндра имеется зазор без уплотнения. Водяной
двигатель снабжен впускным и выпускным клапанами, распределительным устройством, взаимодействующим с впускными и выпускными клапанами, направляющим стержнем с направляющей втулкой. Поршень снабжен кронштейном, выполнен полым и снабжен клапанами перетока, срабатывающими в его нижнем и верхнем положениях. Детали, расположенные ниже коленчатого вала, установлены в горной выработке, например буровой скважине, пересекающей проницаемый поглощающий интервал с установленными в ней двумя соосными колоннами обсадных труб большего и меньшего диаметра. Питательная емкость образована кольцевым объемом между обсадными колоннами и имеющим сообщение с возобновляемым источником воды, например, с подземным водоносным горизонтом. Такими источниками могут быть и поверхностные воды природного и искусственного происхождения - река, озеро, водохранилище, накопительные резервуары сточных и промышленных вод и др. Рабочая камера образована объемом обсадной колонны меньшего диаметра, в которой установлен впускной клапан, выпускной клапан установлен в скважине ниже рабочей камеры. Ниже обсадных колонн расположен пересекаемый скважиной проницаемый поглощающий интервал.
Недостаток известного двигателя заключается в том, что при «питании» его от подземного водоносного горизонта эффективность его использования ограничена определенными горными и гидрогеологическими условиями. При этом при глубоком положении водоносного горизонта и его статического и динамического уровней неэффективность двигателя объясняется большими геометрическими размерами стержня, длина которого должна достигать десятков метров, и, как следствие, элементов кривошипно-шатунного механизма. С большими геометрическими размерами связаны возникающие силы сопротивления его движению за счет характерных больших сил трения, момента инерции. Эти силы уменьшают силы инициирующие движение поршня при работе двигателя, и, как следствие, снижают (ухудшают) энергоэффективность, например развиваемую
мощность при идентичных других условиях. Практически, реализация таких размеров кривошипно-шатунного механизма технически и экономически нецелесообразна.
Кроме того, недостаток известного двигателя заключается в том, что при большой разнице в глубинах положения водоносного горизонта и проницаемого поглощающего интервала определяемый ею гравитационный потенциал «питающей» (водоносного горизонта) воды, используется не в полном объеме.
Разница в глубинах положения водоносной зоны и проницаемого поглощающего интервала может составлять десятки и более метров.
Теоретически, целесообразно использовать гравитационную составляющую рабочего хода (за счет силы тяжести) на всем интервале от водоносной зоны до проницаемого поглощающего интервала. Потенциальная энергия поршня наполненного водой может быть определена из выражения:
Wп=mgh, где
Wп - потенциальная энергия поршня, Дж;
m - масса поршня, кг;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
h - высота падения поршня (разница между положениями глубин водоносной зоны и проницаемого поглощающего горизонта), м.
При этом рабочий ход двигателя может составлять до нескольких десятков метров и более. С учетом положений теории механизмов и машин, а также приведенных выше доводов о возрастающих силах сопротивления, противодействующих инициирующим движение силам, использование кривошипно-шатунного преобразователя при больших ходах движения поршня, на практике, как технически, так и экономически нецелесообразно и трудно осуществимо. Этим и объясняется невозможность реализации с использованием известного двигателя гравитационного энергетического потенциала «питающей» воды в указанных скважинных условиях.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение энергоэффективности двигателя в разных горногидрогеологотехнических условиях, в скважинах путем более полного использования гравитационного энергетического потенциала при большой разнице глубин положения водоносного горизонта и проницаемого поглощающего интервала.
Поставленная задача достигается следующим. Водяной двигатель, содержащий питательную емкость, преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала с установленным на нем маховиком, первую рабочую группу, включающую полый поршень с выпускным клапаном, срабатывающим в его нижнем положении, рабочую камеру-гильзу цилиндра, расположенную ниже преобразователя поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала. При этом между поршнем и гильзой цилиндра имеется зазор без уплотнения, а так же клапан с управляющим им устройством, например кулачком, установленным на поршне, подводящий и отводящий каналы причем детали расположенные ниже преобразователя поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, установлены в горной выработке, например буровой скважине, пересекающей проницаемый поглощающий интервал, с установленными в ней двумя соосными колоннами обсадных труб большего и меньшего диаметра. Питательная емкость образована кольцевым объемом между обсадными колоннами и имеющим сообщение с источником воды, например с подземным водоносным горизонтом, а рабочая камера образована объемом обсадной колонны меньшего диаметра. При этом, пересекаемый скважиной проницаемый поглощающий интервал расположен ниже обсадной колонны меньшего диаметра. Дополнительно, двигатель снабжен второй рабочей группой аналогичной первой. Подводящие каналы выполнены с обеспечением условия сообщения питательной емкости с полостью поршней и их заполнения водой самотеком в их верхнем положении, а поршни между собой соединены канатом, охватывающим два шкива, установленные
посредством муфт одностороннего действия, например обгонных муфт, на входных валах преобразователя, например редуктора или мультипликатора, попеременного реверсивного вращения входных валов в одностороннее вращение выходного вала.
На фиг.1 в качестве примера схематично показано устройство и принцип действия предлагаемого водяного двигателя. На фиг.2 приведена упрощенная кинематическая схема преобразователя попеременного реверсивного вращения входных валов (возвратно-поступательного движения поршней) во вращательное движение выходного вала, в последующем - преобразователя.
Скважинный водяной двигатель содержит: 1, 1' - питательную емкость; 2 - водоносную подземную зону; 3, 3' - впускные клапаны первой и второй рабочих групп, соответственно (в последующем обозначение со штрихом означает одноименный элемент относящийся ко второй рабочей группе); 4, 4' - гильзы; 5, 5' - поршни; 6 - канат; 7, 7' - шкивы; 8, 8' - муфты одностороннего действия; 9 - преобразователь попеременного реверсивного вращения входных валов во вращательное движение выходного вала, в последующем - преобразователь; 10, 10' - впускные кулачки; 11, 11' - выпускные клапаны поршней; 12, 12' - упоры выпускных клапанов поршней; 13, 13' - выходные каналы; 14 - проницаемый поглощающий интервал; 15, 15' - промежуточные шестерни первой и второй рабочих групп, соответственно; 16, 16' - выходные муфты одностороннего действия реверсивного редуктора (мультипликатора); 17 - выходная шестерня с выходным валом; 18 - маховик; 19 - выходной вал; 20 - воздушный колпак; 21 - штуцер; 22 - промежуточный ролик-шкив.
Работает водяной двигатель следующим образом. Питательные емкости 1 и 1' наполняются водой из подземной водоносной зоны 2 через фильтры установленные в обсадной трубе большего диаметра. Один из поршней двигателя, например, поршень 5 подводится к своей верхней мертвой точке (ВМТ) - положение показано на фиг.1 (подводка поршня
производится с помощью вспомогательного устройства в т.ч. ручного, которое на фиг.1 не показано). При этом соединенный с ним поршень 5' устанавливается в своей нижней мертвой точке (НМТ). В таком состоянии двигателя поршень 5 установленным на нем кулачком 10 открывает впускной клапан 3 и вода из питательной емкости 1 поступает в полость поршня 5, а выпускной клапан 11' поршня 5' взаимодействует с упором 12', открывается и вода из поршня 5' вытекает в скважину 13' и далее в проницаемый поглощающий интервал 14. Полость поршня 5 заполняется водой, а полость поршня 5' освобождается от воды, при этом вес P1 поршня 5 увеличивается, а вес Р2 поршня 5' уменьшается. После завершения процессов заполнения-истечения, за счет превышения P1>Р 2 поршень 5 начинает движение вниз, при этом поршень 5' перемещается вверх. При движении поршня 5 вниз, а поршня 5' вверх перемещение каната 6 вызывает вращение шкивов 7 и 7' в направлении против часовой стрелки. Шкивы 7 и 7' сопряжены с валами посредством муфт одностороннего действия, например обгонных, установленных так, что при движении каната в каждом из направлений срабатывает одна из обгонных муфт. При движении поршня 5 вниз вращение передается от шкива 7 посредством обгонной муфты 8 на входной вал блока 7. Вращение входного вала шкива 7 посредством шестерен 15 и 17 (фиг.2), установленных в преобразователе попеременного реверсивного вращения входных валов во вращательное движение выходного вала 9, передается его выходному валу 19 на котором установлен маховик 18. При достижении поршнем 5 своей НМТ его выпускной клапан 11 взаимодействует с упором 12, установленным в скважине и открывается, а поршень 5' достигает своей ВМТ, при этом установленным на нем кулачком 10' открывается впускной клапан 3'. При таком положении поршней вода из полости поршня 5 вытекает, а полость поршня 5' наполняется водой. После завершения процессов заполнения-истечения, за счет превышения веса P2>P1, поршень 5' начинает двигаться вниз, при этом связанный с ним канатом 6 поршень 5 начинает перемещаться вверх. При движении поршня
5' вниз, а поршня 5 вверх перемещение каната вызывает вращение шкивов 7 и 7' в направлении по часовой стрелке. При таком направлении движения каната вращение шкива 7' посредством обгонной муфты 8' передается на входной вал шкива 7'. Вращение входного вала шкива 7' посредством шестерен 15' и 17 передается выходному валу 19. В последующем цикл работы двигателя повторяется.
Таким образом, в системе двух соединенных между собой канатом поршней, под действием гравитационных сил попеременно заполняемых водой поршней, устанавливаются их периодические движения вниз - вверх. Мощность, развиваемая в такой динамической системе, изначально определяется усилием в канате и линейной скоростью его движения, а на выходном валу - с учетом реверсивной трансмиссионной системы редукторного (мультипликаторного) типа.
В редукторе (мультипликаторе) преобразователя 9 дополнительно установлены выходные муфты одностороннего действия 16 и 16'. Применение в двигателе указанных муфт позволяет исключить холостое вращение шестерней 15 при передаче вращения от шкива 7' выходной шестерне 17, а также исключить холостое вращение входного вала шкива 7' при передаче вращения от шкива 7 посредством шестерней 15 выходной шестерне 17.
Остановка двигателя осуществляется с использованием сжатого воздуха, например, аккумулированного в баллоне (на фиг.1 не показан). Шлангом баллон с вентилем подсоединяется к штуцеру 21. Для остановки двигателя баллон подключается к штуцеру 21 и сжатый воздух поступает в кольцевой объем выше уровня жидкости - воздушный колпак 20. По мере увеличения давления в воздушном колпаке уровень в жидкости в кольцевом объеме начинает перемещаться вниз, а объем воздушного колпака - увеличиваться. При положении уровня жидкости ниже впускного клапана 3' исключается возможность поступления воды из кольцевого объема и 1' в
полость поршня 5' при очередном достижении им ВМТ. Работа двигателя прекращается.
В предлагаемом двигателе рабочий ход поршня 5 (5') от ВМТ до НМТ составляет расстояние (S свд) от водоносной зоны до проницаемого поглощающего интервала, которое может составлять десятки и более метров и многократно превышает рабочий ход поршня (Sвд) кривошипно-шатунного механизма водяного двигателя по прототипу. При равных объемах полостей поршней работа выполняемая равным объемом воды при рабочем ходе поршня (Асвд) в предлагаемом двигателе Асвд=RG*S cвд многократно может превышать работу (А вд) выполняемую при рабочем ходе поршня в прототипе А вд=RG*Sвд, то есть Асвд>Авд , т.к. Sсвд>Sвд . В формулах приняты следующие обозначения:
R G - гравитационная сила, определяется силой тяжести поршня заполненного водой в воздухе, кг*м/с2 (с целью упрощения упущены силы сопротивления движению поршней, действующие и в прототипе);
RG=m*g, где
m - масса поршня с водой, кг;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
Гравитационный потенциал определяемый разницей глубин положения водоносного горизонта и поглощающего проницаемого интервала в предлагаемом водяном двигателе реализуется в полном объеме.
При этом, удельный расход воды, представляющий собой ее расход на совершение единицы работы и являющийся показателем энергоэффективности (энергоэкономичности) [3] у предлагаемого водяного двигателя существенно ниже (лучше) чем у прототипа, в условиях, большой разницы в глубинах положения водоносной зоны и проницаемого поглощающего горизонта.
Конструкцией и принципом работы предлагаемого водяного двигателя исключается неравномерность каждого из попеременных инициирующих
усилий, воздействующих на поршень. Объясняется это идентичностью условий их формирования.
Возможны и другие варианты питания скважинного водяного двигателя водой, например когда питательная емкость представлена расположенными выше устья скважины водоемами природного или искусственного происхождения, в т.ч. техническими гидросистемами.
Преимуществом предлагаемого нами технического решения по сравнению с водяным двигателем, принятым в качестве прототипа, являются более высокие показатели энергоэкономичности его работы в более широких горногидрогеологотехнических условиях, в т.ч. меньший удельный расход воды (расход воды на выполнение единицы работы), большая развиваемая мощность в разных гидрогеологотехнических условиях при прочих равных с прототипом условиях.
Двигатель может быть использован для обеспечения энергоснабжения в качестве преобразующего силового элемента в источнике электрической энергии при соединении его выходного вала (с маховиком) с электрогенератором.
Применение предлагаемого водяного двигателя позволяет расширить номенклатуру НВИЭ - средств «малой» энергетики, использующих нетрадиционные, в т.ч. возобновляемые ресурсы - подземные воды в естественных условиях их существования. При соблюдении условия, когда расход воды при работе двигателя не превышает естественного восполнения, истощения запасов подземных вод в данном водоносном горизонте не происходит, его гидростатическое давление сохраняется, и двигатель может работать бесконечно долго. Также преимуществом двигателя при его питании от водоносного горизонта и использовании в качестве источника электроэнергии в сравнении с речными мини - ГЭС является возможность эксплуатации его круглогодично в районах с резкоконтинентальным климатом, в частности, при низких температурах, при которых реки
замерзают, так как, используемое в нем рабочее тело - подземная вода не замерзает.
При других вариантах питания двигателя водой от ее источников природного происхождения расположенных выше дневной поверхности (река, озеро и др.) использование двигателя позволяет реализовать возобновляемый нетрадиционный источник электроэнергии. При осуществлении питания двигателя от источников искусственного происхождения (технические гидросистемы), в т.ч. сточных вод, использование двигателя может реализовать их гравитационный потенциал путем выработки электроэнергии. При этом, выполнившая свои функции в технических гидросистемах вода является вторичным энергетическим ресурсом.
При использовании предлагаемого двигателя в качестве источника энергии достигается эффект энергоресурсосбережения в сравнении с применением традиционных источников энергии и схем энергоснабжения.
Источники информации, принятые во внимание
1. Шамшев Ф.А. и др. Технология и техника разведочного бурения. Изд. 3-е, М., Недра, 1983 г., стр.464-469).
2. Патент РФ №2224134 «Водяной двигатель». М. кл. F 03 C 1/02, F 03 B 29/08, F 03 B 17/00, опубл. бюл. №5 20.02.2004 г. - прототип.
3. ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей. Общие положения. М., «Издательство стандартов», 1998 г.
Водяной двигатель, содержащий питательную емкость, преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала с установленным на нем маховиком, первую рабочую группу, включающую полый поршень с выпускным клапаном, срабатывающим в его нижнем положении, рабочую камеру-гильзу цилиндра, расположенную ниже преобразователя движения поршня во вращательное движение выходного вала, при этом между поршнем и гильзой цилиндра имеется зазор без уплотнения, а также клапан с управляющим им устройством, например, кулачком, установленным на поршне, подводящий и отводящий каналы, причем детали, расположенные ниже преобразователя возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, установлены в горной выработке, например, буровой скважине, пересекающей проницаемый поглощающий интервал с установленными в ней двумя соосными колоннами обсадных труб большего и меньшего диаметра, при этом питательная емкость образована кольцевым объемом между обсадными колоннами и имеющим сообщение с источником воды, например, с подземным водоносным горизонтом, а рабочая камера образована объемом обсадной колонны меньшего диаметра, причем пересекаемый скважиной проницаемый поглощающий интервал расположен ниже обсадных колонн, отличающийся тем, что он снабжен второй рабочей группой аналогичной первой, подводящие каналы выполнены с обеспечением условия сообщения питательной емкости с полостью поршней и их заполнения водой самотеком в верхнем положении поршней, а поршни между собой соединены канатом, охватывающим два блока, установленные посредством муфт одностороннего действия, например, обгонных на входных валах преобразователя возвратно-поступательного перемещения поршней во вращательное движение выходного вала, представляющего собой двухвходовый реверсивный редуктор, либо мультипликатор.
