ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ТРЕЩАЛОВА В СВОБОДНОПОТОЧНЫХ ГИДРОТУРБИНАХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Статья поступила в редакцию 28.01.13. Ред. рег. № 1541

The article has entered in publishing office 06.02.12. Ed. reg. No. 1541

УДК 621.311

ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ТРЕЩАЛОВА В СВОБОДНОПОТОЧНЫХ ГИДРОТУРБИНАХ

Г. В. Трещалов

Инженерно-исследовательская группа «ЭРГ» Ташкент, Узбекистан, 100098, Кара-Камыш-2/1-3-43 Тел./факс: (99871) 2790590, E-mail: erg@list.ru

Заключение совета рецензентов: 12.02.13 Заключение совета экспертов: 20.02.13 Принято к публикации: 24.02.13

В статье рассмотрены возможности технических решений высокоэффективных свободнопоточных гидравлических турбин, использующих гидродинамический эффект усиления мощности потока, и их применение в качестве приводов насосов и электрогенераторов.

Ключевые слова: энергия, энергоэффективность, мощность, турбина, свободнопоточный, поток, водяное колесо, глубина, гидродинамический, эффект, обратная связь, гидравлический прыжок.

APPLICATION OF THE HYDRODYNAMIC TRESHALOV'S EFFECT OF BOOSTING POWER IN FREE-FLOW HYDRAULIC TURBINES

G.V. Treshchalov

Engineering and Research Group "ERG" Kara-Kamish-2/1-3-43, Tashkent, 100098, Uzbekistan Tel./fax: (99871) 2790590; e-mail: erg@list.ru

Referred: 12.02.13 Expertise: 20.02.13 Accepted: 24.02.13

The article analyses the specific hydrodynamics effect that appears in free flow of liquid as a result of its acceleration and transition through a critical state. Article also describes an application of the effect for the energy purposes.

Keywords: energy, ejection effect, hydrodynamics, turbulent, critical, sub critical, super critical, hydraulic jump, depth, effect, feedback.

*

Герман Владиславович Трещалов

Сведения об авторе: канд. техн. наук. Отмечен сертификатом конкурса "Energy Globe Award"-2008, 2010. Большой опыт работы на гидроэлектростанциях. Диагностика и оптимизация работы гидротурбин, гидрогенераторов и насосов.

Образование: Ташкентский Государственный технический университет (1986 г.).

Основной круг научных интересов: альтернативные возобновляемые источники энергии, гидроэнергетика, ветроэнергетика, исследования в гидродинамике, разработка свободнопоточ-ных гидротурбин, ветрогенераторов.

Публикации: 31.

Введение

В материалах [1] и [2] был проведен анализ особого гидродинамического эффекта усиления мощности, названного в некоторых источниках «эффектом Трещалова», по имени исследователя, первым проанализировавшего этот эффект как самостоятельное физическое явление. Научная суть этого эффекта была обоснована рядом публикаций в научных и на-

учно-технических изданиях [3-5], в которых также были проанализированы энергетические аспекты этого эффекта и рассмотрены некоторые варианты гидравлических свободнопоточных турбин оригинальной конструкции, в которых возможно его применение.

В [1] и [2] было показано, что выходная мощность турбин, в которых может применяться этот гидродинамический эффект, в значительной степени

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 q |-© Научно-технический центр «TATA», 2013 ■*

и нелинейно зависит от высоты турбины, а также имеет ярко выраженный экстремум при определенных параметрах потока.

Это отражено в выведенной ранее (в [5]) уникальной формуле, позволяющей рассчитывать ориентировочную мощность таких турбин:

e = pL {их g + h1 ^(HV )5 g2

где Е - энергия, забираемая турбиной из потока; р -плотность жидкости (воды); Ь - эффективная ширина турбины поперек потока; И1 - эффективная глубина входящего потока, V - скорость входящего потока; g - ускорение свободного падения.

Рис. 1. Энергетическая диаграмма гидродинамического эффекта Трещалова Fig. 1. Energy diagram of the hydrodynamic Treshchalov's effect

Энергетическая диаграмма, построенная по формуле, приведенная в [5] и изображенная на рис. 1, весьма наглядно отражает нелинейную зависимость выходной мощности от высоты турбины - величины заглубления турбины в потоке или глубины входящего в турбину потока (диаграмма построена для Ь = 1 м).

В настоящей статье рассматриваются варианты применения этого эффекта в энергетических целях с использованием свободнопоточных гидравлических турбин.

Основная часть

Несмотря на то, что в настоящее время традиционные свободнопоточные гидротурбины пока не являются достаточно эффективными и рентабельными, однако в некоторых случаях их применение оправдано [6, 7]. Использование же описанного выше гидродинамического эффекта усиления мощности (эффекта Трещалова) может существенно повысить энергоотдачу и энергоэффективность таких турбин.

По предварительным подсчетам, применение этой технологии в свободнопоточных гидравлических турбинах особой конструкции позволит повысить мощность таких турбин в 5-10 раз по сравнению с традиционными свободнопоточными агрегатами, что позволит им конкурировать с традиционными источниками энергии и существенно расширит сферу их применения.

В настоящее время параллельно с фундаментальными исследованиями этого гидродинамического эффекта разрабатываются конструкции свободнопо-точных гидротурбин, работающих на этом принципе, и проводятся исследования с целью выдачи рекомендаций по оптимизации конструирования и внедрения таких турбин.

Одним из возможных вариантов турбин, использующих этот эффект, может являться турбина, изображенная на рис. 2. Принцип действия этого агрегата и его энергетические характеристики приведены в [1, 3, 4]. В этих материалах рассмотрены и другие технические варианты турбин, работающих на этом принципе, в частности, в [8].

Рис. 2. Один из возможных вариантов свободнопоточной турбины, использующей эффект Трещалова Fig. 2. One of the variants of the free-flow hydraulic turbine using Treshchalov's effect of boosting power

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Г.В. Трещалов. Применение гидродинамического эффекта Трещалова в свободнопоточных гидротурбинах

Отбор энергии от турбины возможен при помощи электрогенератора. Однако вследствие нестабильности и низкой частоты вращения свободнопоточной турбины при работе на выделенную нагрузку возникает сложность в поддержании стабильных выходных параметров генератора (частоты и амплитуды выходного напряжения). Для стабилизации этих параметров требуется использование специальных дорогостоящих устройств (преобразователей, инверторов, мощных стабилизаторов, автоматических регуляторов частоты и т.п.), а это существенно повышает стоимость проекта. В связи с этим в некоторых случаях для отбора мощности от турбины оправдано использование водяного насоса для закачки воды, что зачастую даже более востребовано в народном хозяйстве, нежели выработка электроэнергии. Предполагается применение насоса объемного действия (плунжерного или поршневого). Поскольку такие насосы являются низкооборотными и эффективность их работы некритична к частоте и стабильности вращения приводного вала, то в этом случае можно обойтись и без мультипликатора, что также упростит и удешевит конструкцию. Насос размещается на турбине или рядом с ней и для отбора мощности соединяется с выходным валом турбины при помощи цепной, ременной или карданной передачи. Входной патрубок насоса опускается в водоем (канал), в котором расположена турбина, выходной патрубок соединяется с напорным трубопроводом, подающим воду. Таким образом, возможно создание комплексного агрегата «гидротурбина-насос».

Для сравнения можно рассмотреть два возможных варианта размещения агрегата в водотоке.

1-й вариант: весь агрегат может быть расположен на понтоне, находящемся в русле водотока [6] (рис. 3).

Рис. 3. Русловое (понтонное) размещение свободнопоточной турбины - нижнебойных водяных колес

с параллельной компоновкой Fig. 3. Allocation of the free-flow turbine in the bed of the river or channel (pontoon allocation)

На понтоне возможно установить агрегаты как в параллельном, так и в последовательном порядке, что позволит повысить количество производимой энергии. Недостатком этого метода является необхо-

димость использования понтона, что увеличивает стоимость всего агрегата. К недостаткам этой компоновки также следует отнести то, что понтоном перекрывается значительная часть русла водотока и, кроме того, ухудшается мобильность техобслуживания агрегата.

2-й вариант - береговое размещение [7] (рис. 4). При этом способе необходимо произвести строительные работы возле берега водотока с вбиванием свай в дно для крепления агрегата. В этом варианте грузоподъемные механизмы для монтажа/демонтажа могут располагаться на берегу, что увеличивает оперативность техобслуживания агрегата. Однако при таком варианте размещения несколько ухудшается обтекание турбины водой, что негативно сказывается на ее мощности. Кроме того, недостатком этой компоновки является то, что агрегат будет строго привязан к месту водотока в отличие от понтона, который при необходимости и при минимальных затратах может быть передислоцирован на другой участок русла.

Рис. 4. Береговое (консольное) размещение свободнопоточной турбины - водяного колеса Fig. 4. Allocation of the free-flow turbine in the bank of the river or channel (console allocation)

Наиболее оптимальный из этих вариантов может быть выбран в зависимости от конкретных условий выполнения проекта - наличия удобного участка русла, ширины водотока, возможностей изготовления понтона или монтажно-строительных работ для установки свай и закладных частей на берегу и т.п. Однако в перспективе могут разрабатываться оба варианта компоновки, поскольку каждый из них имеет свои достоинства, и оба этих варианта будут иметь применение в промышленности и сельском хозяйстве.

Следует отметить, что эта технология в перспективе может быть адаптирована путем подключения к турбине электрогенератора для производства электроэнергии, что позволит создавать на ее базе малые ГЭС.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Выводы

В заключение рассмотрим сравнительные преимущества при использовании подобных технологий относительно плотинных и традиционных бесплотинных ГЭС:

- низкая стоимость капвложений - по приблизительным подсчетам 150-450 долл./кВт в отличие от плотинных ГЭС, где она составляет более 1000 долл./кВт, и традиционных свободнопоточных - от 3000 долл./кВт и выше;

- кратчайшие сроки ввода в эксплуатацию (60180 дней после начала строительства). Для плотинных станций этот срок определяется годами и десятилетиями;

- отсутствие водохранилища (экологический эффект). Свободнопоточные турбины работают как искусственные аэраторы воды, насыщающие воду кислородом, что благоприятно воздействует на фауну и в целом на экосистему водотока;

- отсутствие затрат в зоне затопления водохранилищем за отсутствием такового;

- отсутствие вспомогательных механизмов и устройств (маслохозяйство, компрессорные установки, лекажные агрегаты, сервомоторы и т. п.), что повышает надежность;

- минимальные затраты на обслуживание;

- отсутствие необходимости создания инфраструктуры вокруг ГЭС (авто- и ж/д дороги, поселки строителей и эксплуатационников и т.п.);

- отсутствие необходимости выбора створа плотины, т. е. возможность монтажа в любом удобном месте, мобильность;

- приближенность к энергопотребителям (отсутствие ЛЭП и высоковольтных трансформаторов);

- отсутствие угрозы разрушения дамбы за отсутствием таковой (известны мировые прецеденты подобных катастроф: плотина Сент-Фрэнсис (США, 1928), плотина Мальпассе (Франция, 1959), плотина Вайонт (Италия, 1963), плотины Баньцяо и Шимань-тань (Китай, 1975), дамба Тетон (США, 1976) и др.);

- отсутствие угрозы затопления здания станции за отсутствием такового (подобный прецедент имел место на Саяно-Шушенской ГЭС (Россия, 2009);

- децентрализация выработки электроэнергии. Уменьшение концентрации генерирующих мощностей в одном месте, что при аварии выводит из строя значительную часть энергогенерации (Чернобыльская АЭС, Украина, 1986; Саяно-Шушенская ГЭС, Россия, 2009; АЭС «Фукусима-1», Япония, 2011);

- удельная мощность в 5-10 раз выше, чем у традиционных свободнопоточных турбин;

- возможность применения в низкоскоростных потоках - от 0,2 до 2,0 м/с (см. рис. 1), в которых традиционные свободнопоточные ГЭС являются крайне малоэффективными. Следовательно, более полно используются гидроэнергетические ресурсы.

Предлагаемая технология может быть востребована во всем мире, в частности, в тех районах, где существуют реки, каналы, поверхностные морские или океанские течения. Кроме того, эта технология может быть востребована на трансграничных реках, где существует ограничение на строительство дамб и плотин для нужд традиционной напорной гидроэнергетики.

Список литературы

1. Трещалов Г.В. Анализ возможности натурного моделирования режимов работы гидравлической турбины, использующей гидродинамический эффект усиления мощности // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2012. № 11. C. 37-40.

http ://elibrary.ru/item. asp?id=18191851.

2. Трещалов Г.В., Федюк Р.С. Энергетический анализ гидродинамического эффекта Трещалова // Вологдинские чтения: материалы науч. конф. Владивосток, декабрь 2011. Изд. дом ДВФУ, 2012. C. 162164. http://elibrary.ru/item.asp?id=18166093.

3. Трещалов Г.В. Альтернативная гидроэнергетика: сб. науч. тр. Lambert Academic Publishing, 2012. ISBN 978-3-659-22020-3.

4. Трещалов Г.В. Высокоэффективный способ извлечения энергии из безнапорного потока текущей жидкости на основе специфического гидродинамического эффекта // Экономика и производство. 2008. № 2. C. 71-77. http://elibrary.ru/item.asp?id=11521752.

5. Treshchalov G.V. A highly efficient method for deriving energy from a free-flow liquid on the basis of the specific hydrodynamic effect // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology -ISJAEE. 2010. No. 12. P. 23-29.

to

http://elibrary.ru/item.asp?id=15616169.

6. Беляков П.Ю. Современное состояние мировой гидроэлектроэнергетики и ее развитие // Электротехнические комплексы и системы управления. 2008. № 4. C. 18-22.

7. Липкин В.И., Богомбаев Э.С. Микрогидроэлектростанции: пособие по применению - Программа Развития ООН, Бишкек-2007. C. 33. ISBN 978-996724-643-0.

8. Патент РФ №2007135381/20. Турбина со спаренными рабочими колесами и обратной связью между ними / Трещалов О.В., Трещалов Г.В. // Патентная заявка от 25.09.2007.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013