Мини-ГЭС на базе архимедова винта Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 53

МИНИ-ГЭС НА БАЗЕ АРХИМЕДОВА ВИНТА

© 2016 О.А. Тиняков1, М. В. Соколова2, В. С. Соколов3, И.В.Власов4, Г.А. Мельников5

1 - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. общетехнических дисциплин Курский государственный университет, oatinyakov@mail.ru;

2 - канд. технич. наук, доктор университета Кастилья-Ла Манча, Альбасете, Испания,marina.v.sokolova@gmail.com;

3 - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. общетехнических дисциплин Курский государственный университет, ral943@mail.ru.

4 - канд. пед. наук, доц. ОГБУ ДПО КИРО;

5 - канд. физ.-мат. наук, доц. Курский юго-западный государственный университет

Малые (мин-) ГЭС небольшой мощности (до 20 Квт), получили широкое распространение во многих странах. Они служат экологически чистыми источниками дешёвой и возобновляемой энергии. Возводятся они на горных речках и ручьях, где обычное электроснабжение нецелесообразно. Авторами предлагается мини-ГЭС, построенная на основе винта Архимеда, что повышает КПД и упрощает конструкцию станций такого типа.

Предлагаемый материал статьи может быть интересен тем, кого волнуют проблемы альтернативной энергетики.

Ключевые слова: мини-ГЭС, трение, энергетические потери, архимедов винт, сила Архимеда, закон рычага

Среди учёных, опередивших своё время, Архимед, чьи идеи привлекли внимание ученых и инженеров спустя лишь тысячелетия.

Среди его учителей были: Фалес (625-547), Демокрит (IV век до н.э.), Евдокс (408355), Эвклид (325-265), а ближайшими учениками: - Ктесибий (ок. II - I вв. до н.э.), Витрувий (вторая половина I в. до н.э.), Герон (ок. I века). и, гораздо позже, - Леонардо да Винчи (1452-1519) - Галилей (1564-1642), Ньютон (1643-1727) и Лейбниц (1646-1716) и далее многие другие.

Подвижническая жизнь Архимеда, отданная служению науке, - живой пример настоящего творца. Результаты его научно-технического творчества и методы исследования во многих областях математики физики, астрономии обогатили кладезь, мудрости, откуда и теперь его последователи «черпают» новые идеи, развивая и используя их в своей научной, инженерной и педагогической практике.

Посмотрим, хотя бы мельком, что в этом кладезе великий пращур оставил потомкам по механике. Он первым выделил её в отдельную науку из общего знания о природе (натурфилософии), разработал теорию известных ему пяти «простых механизмов», изобрёл множество механизмов (часть которых эффективно применил при обороне Сиракуз во II-ой Пунической войне), изобрёл бесконечный винт - «улитку» (по-немецки- «шнек»), известную теперь как «архимедов винт». Архимед вывел законы равновесия рычага (рис. 1) и формулу силы, («архимедовой» рис. 2), составившие основы статики и гидростатики, предложил способ определения состава сплавов их взвешиванием, ввёл такие понятия как: сила, центр тяжести, вес, плотность тел, плечо и момент силы и др., но достаточно и этого!

Важное место в технике и быту заняли его «бесконечный» винт и формула архимедовой выталкивающей силы, так как находят новые технические приложения. Остановимся на двух из них. Малые ГЭС на основе архимедова винта

Количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива столь велико, что всё более возрастает проблема защиты природы от загрязнения её продуктами сгорания. Отрицательное влияние этих машин на окружающую среду связано с ростом потребления кислорода из атмосферы и концентрации углекислого газа, ведущей к

парниковому эффекту, (к повышению температуры атмосферы Земли), загрязнением атмосферы азотными и серными соединениями, вредными для человека. При этом более половины загрязнений даёт транспорт, выбрасывая в атмосферу оксид углерода, соединения азота, свинец [1].

точка опоры

и

Рисунок 1 Закон рычага - заключён в пропорции: Р • Вр = К • Бг , Р и К - силы, Вр и Бг - плечи сил

Рисунок 2 Сила Архимеда: Г = pgV, р -плотность жидкости, V -объём тела, g - ускорение свободного падения

Наука указывает на ускоряющее истощение запасов углеводородного сырья, ведущее к энергетичбеской катастрофе. Но сказанное выше настораживает: её может опередить катастрофа экологическая! Так как избежать ухудшения экологической ситуации, как рачительнее расходовать дары Природы?! Такова насущная проблема.

Её решение учёные видят в выходе мировой энергетики на альтернативные, сначала гибридные, а затем и на чистые возобновляемые источники энергии [1-6]. Лучшими из них, согласно ранжировке, проведенной Стенфордским университетом в 2009 году, оказались ветровая, солнечная, геотермальная, приливная и гидроэнергетика, первичными источниками для которых служат ветер, вода и Солнце (ВВС, рис. 3).

Лидерами на планете по внедрению альтернативной энергетики пока являются: Китай (ветроэнергетика); США (ветро- и геотермальная энергетика); Германия (ветроэнергетика); Япония (малые ГЭС, гидротермальные станции); Дания (ветро - и биоэнергетика); Норвегия (переход к электромобилю); Иран (солнечные и ветряные станции); Индия (солнечная энергетика); Бутан (переход на электромобиль); Нигерия (солнечная энергетика). В России гидро - и атомная энергетика, ветер и солнце используются слабо, и тому есть объективные причины.

Рисунок 3. ВЕТЕР ВОДА СОЛНЦЕ

На прошедшей в начале июня 2016 года в Нью-Йоркском университете конференции «Архимед в XXI веке», где обсуждалось влияние идей ученого на математику и технику, в частности, была предложена конструкция электрогенератора на основе Архимедова винта (рис. 4).

Многие столетия люди использовали его для подъёма воды в оросительные каналы из расположенных ниже водоемов, (с этой целью он до сих пор используется в Египте).

Рисунок. 4

В результате этот винт оказался удачным приобретением для мини-гидроэлектростанций. Мощность таких источников энергии скромная (до 20 кВт), но достаточная для нужд небольших горных деревень. Плюсом малых ГЭС является не только их минимальное воздействие на окружающую среду: отсутствие плотин и затоплений выше над ними, но и тем, что рыбы могут без вреда проплывать через архимедов винт, тогда как лопатки плотин служат для них серьезным препятствием. Подобные генераторы уже действуют в Европе, например, в Англии, где созданы микро-ГЭС Torrs Hydro и Settle Hydro, а еще один генератор, построенный по заказу Елизаветы II, снабжает электроэнергией королевский Виндзорский замок.

Механизм состоит из наклоненной под углом а к горизонту полой трубы с винтом внутри. Винт можно принять за наклонную плоскость, навёрнутую на цилиндр с углом подъёма ß, который вращается обычно с помощью ветряного или водяного колёс, либо вручную. Поворачиваясь, винт нижним концом трубы собирает некоторый объём воды, который скользит вверх по спиральной трубе во время вращения вала, пока наконец вода не станет выливаться из верхнего конца трубы в оросительную систему. В самом простом случае винт устанавливается в водный поток и вращается течением воды. Труба с винтом обычно имела 4^6 метров длиной и позволяла поднимать воду на 4^4.5 метра, откуда а ~ 40^ 450 (рис. 5). При этом а > ß.

Рисунок 5. Архимедов винт

Уже гораздо позже (спустя почти 18 веков) Галилей, очарованный им, писал: «Это изобретение, — не только великолепно, но просто чудесно, поскольку мы видим, что вода подымается в винте, беспрерывно опускаясь».

Среди множества видов «чистых» источников энергии достойное место занимают микро и малые гидростанции (мини-ГЭС). Основанная на них альтернативная энергетика оказалась перспективной и успешно развивается. Они широко применяются в гористых регионах многих стран, и строятся на руслах речек и ручьёв там, где обычное электроснабжение невыгодно, и уже существуют в Горном Алтае, Южном Казахстане, Таджикистане, Китае, США. Мини-ГЭС не требуют сооружения платин и представляют собой небольшие агрегаты малой мощности, обеспечивающие энергией малые посёлки и предприятия, пастбища и т.д. В них, как на обычных ГЭС, горная вода по подводящему каналу падает на лопасти гидротурбины, вал которой соединён с приводом электрогенератора, превращая энергию водного потока в энергию электрическую.

Достоинствами мини-ГЭС являются их небольшие габариты, высокий КПД и низкая себестоимость электроэнергии. Для них характерны быстрое сооружение и окупаемость. И, кроме того, что немаловажно, мини-ГЭС - это не только чистые, но и восполняемые источники энергии.

Общими недостатками существующих мини-ГЭС являются конструктивная сложность, внутренние энергетические потери (напора), влияющие на величину КПД, дороговизна изготовления и необходимость индивидуального проектирования. Подобные недостатки можно показать на примере мини-ГЭС [7], которая содержит цистерну 1, (рис. 6, указаны лишь некоторые конструктивные элементы) в которой размещены: внутренняя полость 2 в виде усечённого конуса, вертикальный вал 3 со ступенчато установленными на нём дисками 4 с лопастями 5, соединённый с приводом электрогенератора 6, на дне полости установлено с возможностью вращения колесо 7, представляющее собой корпус с отводящими трубами 11, смонтированными в форме свастики, и соединённый с валом 3 муфтой 14. В колесе 7 установлены регуляторы расхода воды 12 с возможностью изменения диаметра выходного отверстия, водоподводящий трубопровод 8.

Рисунок 6: а - конструкция ГЭС, б - колесо с отводящими трубами

По мнению авторов, недостатками этой станции являются сложность конструкции, насыщенность конструктивными элементами (наличие дисков с лопастями, колеса с отводными трубами в форме свастики) и, как следствие, определённые трудности её изготовления и сборки. К этому следует добавить энергетические потери на трение и вихреобразование (на входе во внутреннюю полость цистерны, в системе дисков с лопастями, на сужающейся по потоку конической поверхности внутренней полости, в коленах свастики выводящих труб). На поддержание вихрей в названных выше зонах теряется энергия потока: при его деформации происходит перемешивание частиц и обмен количеством движения между ними, что вызывает нагрев воды.

Всё сказанное удорожает производство и сборку станции, снижает её КПД и эффективность использования.

На снижение КПД этой станции влияет и форма внутренней полости в виде сужающегося по потоку конуса (см. рис. 6а). В ней имеет место замедление скольжения потока воды вниз (в смерче или циклоне в таком конусе сплошная среда стремится двигаться вверх). Здесь энергетические потери вызваны увеличением силы трения Р скольжения воды

вдоль трубы, которая, согласно формуле Кулона-Амонтона, равна (см. рис. 7в) Б = Ш = £(N1

2

+ Здесь N и N - проекции сил центробежной Рц = - шМ Я и тяжести С = ^ /-ой частицы воды массой ш на нормаль к внутренней поверхности конуса, f — коэффициент трения скольжения, М — угловая скорость вращения вала, Я - расстояние /-ой частицы до оси вала, внутренними энергетическими потерями на искусственное вихреобразование во внутренней полости, трением и турбулентностью в зоне дисков с лопастями, потерями, связанными с перемещением частиц воды по дну внутренней полости к его центру против центробежных сил Рц.

Силы трения скольжения, действующие на /-ю частицу воды для различных форм внутренней полости, показаны ниже:

в

N2

Ре = Г (N1 - N2) = ^ N2 Рв = Г (N1 + N2)

Рисунок 7. О - вес чачстицы воды массой т; а - в конусе, расширяющемся по потоку, б - в цилиндрической трубе; в - в конусе, сужающемся по потоку. < Бб < Бв

Недостатки малых ГЭС, подобных рассмотренной выше, можно устранить, используя в качестве гидротурбины винт Архимеда (шнек) (рис.8).

Рисунок 8. От шадуфа к винту Архимеда

Дело в том, что пару десятилетий назад инженеры обнаружили, что этот винт можно использовать и при его обратном (реверсивном) вращении.

Конструкция мини-ГЭС, использующей архимедов винт (предложена авторами), представлена на рис. 9.

Рис. 9.1 Рис. 9.2 Рис. 9.3 Рис. 9.4

Мини-ГЭС содержит цистерну, состоящую из обечайки 9 с окнами (вырезами) 2, днище 3 и крышку 4; водоподводящие каналы 5, архимедов винт 6, трубу 7, внутреннюю полость 8, муфту 9, электрогенератор 10, кинематическую пару 11, отводящие каналы 12 и монтажные узлы 13.

На рис. 9 изображена конструктивная схема мини-электростанции; на рис. 9.1 представлена схема дна внутренней полости с отводящими каналами (вид А); на рис. 9.2 показана схема кинематической пары; на рис. 9.3 дан вид окна цистерны; на рис.9.4 представлена зарешеченная крышка 4 цистерны.

Станцию (цистерну) с помощью монтажных узлов 13 устанавливают на берегу горной реки, откуда вода подаётся через водоподводящие каналы 5 во внутреннюю полость 8 и падает на архимедов винт 6, приводя его вместе с трубой 7, муфтой 9 и приводным валом электрогенератора 10 во вращение относительно обечайки 1 цистерны под действием вращающего момента реактивных сил, формируемых по всей длине винта 6 взаимодействием водного потока с его рабочей поверхностью. Из внутренней полости 8 вода по её дну поступает в отводящие каналы 12 с регуляторами скорости истечения и, выходя из них, создаёт реактивный момент, дополняющий момент архимедова винта 6, для чего винт и отводящие каналы 12 соединены синхронно. Покидая внутреннюю полость 8, вода через окна 2 обечайки 1 цистерны выходит наружу.

В кинематической паре 11 могут использоваться шаровая опора или конический подшипник, на которые опирается хвостовик архимедова винта 6, выходящего сквозь дно внутренней полости 8.

Все приведенные выше энергетические потери отсутствуют в предлагаемой мини-ГЭС: за счёт использования архимедова винта, неподвижно соединённого с цилиндрической трубой, отсутствия искусственного завихрения потока на входе в полость и трения между водой и внутренней поверхностью полости, дисков с лопастями, колеса с отводящими водный поток трубами, в виде свастики, что привело к упрощению конструкции, изготовления и монтажа мини-ГЭС, и повышению КПД.

Следует отметить, что при создании станции разработчики могут воспользоваться давно отработанной технологией изготовления как отдельных архимедовых винтов, так и конструкциями, в которых они неподвижно соединены с трубами (путём склеивания смолами или литья из бронз и пластмасс), что ослабляет требования к индивидуальному проектированию.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гибилиско С. А. Альтернативная энергетика без тайн / Стэн Гибилиско; [пер. с англ. А.В.Соловьёва]. М.: Эксмо, 210. — 368 с.

2. Заявка на изобретение №2016148199 от 07.12.16 г. Мини-электростанция/Соколова М.В., Власов И.В., Мельников Г.А., Соколов В.С., Тиняков О. А.

3. Кудрявцев П.С. Курс истории физики: Учеб.пособие для студентов пед. ин-тов по физ. спец. М.: Просвещение, 1982 г. — 448 с. — С. 30-35.

4. Листов П.П. Электростанция сельского хозяйства. — М.: Колос, 1984. — С. 20-21.

5. «Наука. Величайшие теории: выпуск 7: Эврика! Радость открытия. Архимед»: Де Агостини; 2012

6. Патент РФ на изобретение № 2439364. Мини-электростанция. Каскулов М.Х. (ЯИ), Каскулов А.М. (ЯИ). 3/00, 13/00. Опубл. 10.01.2012.

MINI-HYDROELECTRIC POWER STATIONS ON THE BASIS OF THE

ARCHIMEDES SCREW

© 2016 O. A. Tinyakov1, M. V. Sokolova2, V. S. Sokolov3, I.V.Vlasov4, H.A. Melnikov5

1 - candidate. Fiz.-Mat. Sciences, Assoc. Dep. technical disciplines Kursk state University, oatinyakov@mail.ru;

2 - candidate. tech. Sciences, Ph. D., University of Castilla-La Mancha, Albacete, Spain, marina.v.sokolova@gmail.com;

3 - candidate. Fiz.-Mat. Sciences, Assoc. DEP. technical disciplines Kursk state University, ra1943@mail.ru;

4 - candidate. PED. Sciences, Assoc. OGBUDPO KIRO;

5 - candidate. Fiz.-Mat. Sciences, Assoc. KurskSouth-Western state University

Small (mini-) hydroelectric power stations of small capacity (up to 20 kW) have become widespread in many countries. They serve as environmentally friendly sources of cheap and renewable energy. They are built on mountain rivers and streams, where conventional power supply is not practical. The authors propose a mini hydroelectric power station, built on the basis of the Archimedes screw, which increases the efficiency and simplifies the construction of stations of this type.

The proposed article can be of interest to those who are concerned about the problems of alternative energy.

Key words: mini-hydro, friction, energy loss, Archimedes screw, the Archimedes force, the law of the lever.