Алматы 2017 январь

 

●

 Технические науки 

 

72                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ

 

 

УДК: 621.22 

 

А.Б. Бекбаев, Т.М. Мунсызбай, Ж.М. Адилов, Г.Ж. Жунусова  

(Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева,  

Алматы, Республика Казахстан, toleuhan_aidar@mail.ru)  

 

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОДЫ 

 

Аннотация.  Предложено  решение  актуальной  обоснованно  поставленной  задачи.  В  результате  анализа 

непрерывного  потока  воды  в  вертикально  установленном  трубопроводе  впервые  предложено  рассматривать 

этот  поток  как  систему  с  распределёнными  параметрами.  Это  позволило  решить  задачу  по  эффективному  ис-

пользованию энергию непрерывного потока воды за счёт использования каскада сдвоенных гидротурбин уста-

новленных в водопроводе. 

Ключевые  слова:  гидроэлектростанция,  коэффициент  использования  энергии  воды,  сдвоенные  гидро-

турбины, каскад, вихревое движение воды. 

 

В  настоящее  время  в  Республике  Казахстан  насчитывается  более  180 000  крестьянских  хо-

зяйств, из которых более 90 % не имеют доступа к централизованному электроснабжению. Обслужи-

вание сельских электрических сетей протяженностью около 360 000 км и потери 40% электроэнергии 

делают централизованное электроснабжение отдалённых потребителей нерентабельными. К тому же, 

потребители  первой  категории  по  надёжности  электроснабжения  (системы  пограничного  наблюде-

ния, ретрансляторы, системы мобильной связи, телекоммуникации) особенно нуждаются в использо-

вании  местных  энергетических  ресурсов  –  мощность,  необходимая  для  покрытия  дефицита энергии 

по удалённым объектам составляет около 170 МВт[1-4]. 

Работа мини ГЭС на территории фермерских угодий дает фермерам возможность получать ста-

бильный доход и при этом продолжать заниматься сельским хозяйством.  

Анализ  потенциальной  энергии  воды  и  синтез  оптимальной  конструкции  преобразователя  по-

казали, что имеется возможность создания экологически чистой и экономически эффективной мини 

ГЭС.  

При  этом  увеличению  коэффициента  использования  энергии  (КИЭ)  воды,  можно  достичь  пу-

тем оптимизации конструкции установки ГЭС малых мощностей. Широко используемые на практике 

ГЭС обладают КИЭ менее 35%. Теоретический расчет, предлагаемой мини ГЭС со сдвоенной гидро-

турбиной, показал, что КИЭ здесь может вырасти в три раза по сравнению с традиционными за счё-

топтимизации  конструкции  гидротурбин  [5-7]  и  использования  каскада  сдвоенных  гидротур-

бин,равноудалённо расположенных в водопроводе.  

Анализ  показал,  что  существующие  ГЭС  имеют  минимальный  КИЭ  воды,  низкую  эксплуата-

ционную  надежность,  которые  обусловлены  сложностью  конструкции,  не  технологичностью,  высо-

кой материалоемкостью, что существенно повышает себестоимость получаемой электрической энер-

гии [8]. 

Таким образом, разработка конструкций мини гидростанций малой мощности, учитывая высо-

кую  прибавочную  стоимость  зарубежных  аналогов,  является  весьма  актуальной  задачей,  решение 

которой  позволит  создать  базу  для  организации  производства  отечественных  микро-  и  мини  гидро-

энергетических станций. 

Известно,  что  одним  из  путей  повышения  мощности  ГЭС  является  оптимизация  конструкции 

гидротурбины.  Следовательно,  назрела  необходимость  в  разработке  ГЭС  с  новой  турбиной  с  опти-

мальными параметрами и улучшенными эксплуатационными характеристиками. Поэтому исследова-

ния, направленные на усовершенствование существующих и создание новых унифицированных гид-

ротурбин для электроснабжения, актуальны и имеют большое экономическое значение[9]. 

В  связи  с  вышеизложенным,  настоящая  работа  посвящена  разработке  новой  и  унифицирован-

ной мини ГЭС. При этом была проработана идея создания сдвоенных гидротурбин с суммирующим 

редуктором. Параметры редуктора определялись по минимально допустимым размерам зубчатых пе-

редач, в соответствии с которым определяется диаметр трубопровода и размеры турбин, а также не-

обходимое количество сдвоенных гидротурбин и эффективная длина трубопровода.  

Предлагаемая  гидротурбина  работает  за  счет  вихревого  движения  воды,  получаемой  с  помо-

щью направляющих лопаток.Тангенциальная составляющая сила, создаваемая вращающейся массой 

воды, которая вращает верхнюю турбину и, отражённая верхней турбиной вода, двигаясь по направ-

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

73 

 

ляющим,  установленным  между  двумя  турбинами,  в  обратную  сторону  по  отношению  к  вращению 

первой турбины, воздействует на вторую турбину, которая вращается в противоположную сторону. 

Благодаря  каскаду  сдвоенных  гидротурбин  с  направляющими,  установленными в вертикально 

установленном  трубопроводе,  расходуемая  вода  многократно  используется  и  преобразуется  в  меха-

ническую энергию[10]. 

Непрерывность и вихревое движение потока воды позволяют использовать энергию воды, распре-

делённую по высоте трубопровода с максимальной  отдачей, а в традиционных ГЭС, энергия падающей 

воды используется только одной турбиной, установленной на самом нижнем уровне падающей воды. 

Исходя из этого, в выполняемой работе искусственно создается вихревое движение падающего 

потока воды в вертикальной трубе, что позволяет использовать тангенциальное ускорение воды.  

Обоснованность этого объясняется тем, что при вихревом движении потока воды его скорость 

намного больше, чем при свободном падении, так как путь, проходимый потоком воды при вихревом 

движении,  больше,  чем  при  свободном  падении.  Вихрь  воды  создается  за  счет  специальной  кон-

струкции лопастей турбины и направляющих[11]. 

Рассматриваемая  гидротурбина  работает  за  счет  завихренной  энергии  воды,  получаемой  с  по-

мощью направляющих лопаток, и силой, создаваемой массой воды. Для определения мощности энер-

гии воды, в разрабатываемой турбине,используем формулу: 

,

V

F

P

Вода





,

кВт

 

 

 

 

(1) 

где: 

F

 - сила массы воды, воздействующей на гидротурбину, (Н), 

V

- скорость потока воды при входе в камеру гидротурбины, м/с. 

Из формулы (1) F- можно определить на основе второго закона Ньютона: 

mg

F 

,  

 

 

(2) 

где: 

m

 - масса воды в объеме между верхним бьефом и турбиной, кг.; 

g

 - ускорение силы тя-

жести, м/с

2

. 

Масса потока воды определяется по формуле: 

S

h

m









,  

 

 

(3) 

где:



-  плотность  воды,  кг/м

3

;  h  –  высота  между  верхним  бьефом  и  турбиной,  м;  S  –  полное 

внутреннее сечение трубопроводав зоне турбины, м

2

. 

С учётом формулы (3), определим

1

F

- силу тяжести воды при поступлении в первую гидротурбину: 

a

S

h

F









1

1

1



, 

 

              (4) 

где: 

1

h

 - высота массы потока воды до лопастей первой турбины, м, 

1

S

 - полное внутреннее се-

чение трубопровода, м

2

. 

Мощность энергии воды, передающейся на турбину, зависит от секундного объема расхода во-

ды,  воздействующей  на  турбину.  Исследуемая  гидротурбина  установлена  на вертикальном  валу.  На 

входе турбины установлены четыре направляющих, которые создают завихрение воды. Основываясь 

на  законе  непрерывности  потока  воды,  в  которой  молекулы  воды  не  сжимаются,а  секундный  объём 

потока воды 

Q

независимо от сечения трубы, в котором протекает вода, не изменяется и определяет-

ся по формуле:  

3

3

2

2

1

1

S

V

S

V

S

V

Q













,   

 

 

   (5) 

где: 

1

V

- скорость потока воды в трубопроводе  с сечением 

1

S

, м/с; 

1

S

 - сечение трубопровода 

до зоны турбины, м

2

; 

2

V

 - скорость движения потока воды в зоне турбины, м/с; 

2

S

 - сечение трубо-

провода в зоне турбины, м

2

; 

3

V

 - скорость движения потока воды в зоне выхода воды из трубы, м/с; 

3

S

 - сечение трубопровода в зоне выхода воды из трубы, м

2

.  

Причём, 

3

2

1

S

S

S





.

 

Для несжимаемой жидкости в любом сечении канала значение: 

const

V

S





                                                       (6)

 

Мощность энергии воды, передающейся на турбину, будет равной: 

x

ТУР

V

F

P



cos

2

1

1







,   кВт                                            (7) 

 

●

 Технические науки 

 

74                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ

 

 

 

Рис. 1. Расчётная схема мощности каскада сдоенных гид-

ротурбин в вертикально установленном трубопроводе 

где: 

2

V

 - скорость движения потока воды, действующая на турбину, м/с; 

x



 - угол завихрения 

созданная направляющими воды, градус. 

Из формулы (5), можно найти 

2

V

: 

2

1

1

2

S

S

V

V





.                                                      (8) 

Подставивзначение 

2

V

 в формулу (7), получим: 

x

ТУР

S

S

V

F

P



cos

2

1

1

1

1







,                                     (9) 

Мощность энергии воды, воздействующая на вторую турбину,будет равной: 

x

ТУР

S

S

V

F

V

F

P



cos

2

1

1

2

2

2

2











,   кВт                         (10) 

где: 

2

F

- сила массы воды, воздействующая на вторую турбину, кг·м/с

2

. 

Тогда 

2

F

- будет: 

a

S

h

F









2

2

2



,                                                   (11) 

где:



2

h

 высота падения воды на вто-

рую турбину, м. 

На  рисунке  1  приведена  кинематиче-

ская схема ГЭС.ГЭС состоит из трубопрово-

да со встроенными в них каскада сдвоенных 

гидротурбин. вращающихся за счёт вихрево-

го  движения  воды.  Благодаря  свойствам 

жидкости  секундный  объём  потока  воды 

остаётся  постоянным,  несмотря  на  измене-

ния  площади  сечения  прохождения  потока 

воды,  т.е.  при  разных  сечениях  скорость 

движения потока воды будет разными.  

Из рисунка 1 

2

h

 будет: 

.

1

2

СКОР

h

h

h





,               (12) 

где: 

.

СКОР

h

-  расстояние  между  первой 

и второй турбинами, м. 

Сумма мощностей турбин будет: 

2

1

Т

Т

Т

Р

Р

Р







,           (13) 

Если  в  формулу  (13)  подставить  (9)  и 

(10), получим: 





x

x

x

Т

S

S

V

F

F

S

S

V

F

S

S

V

F

P







cos

cos

cos

2

1

1

2

1

2

1

1

2

2

1

1

1



















,                    (14) 

На  основе  анализа  физических  явлений  была  создана  математическая  модель  гидравлических 

процессов с учётом непрерывного потока с распределёнными параметрами.Для реализации этой мо-

дели предложено создание сдвоенных гидротурбин с суммирующими редукторами для привода син-

хронных генераторов установленных в 

i

-тых точках[12]. 

На основании этого суммарную мощность каскада сдвоенных гидротурбин можно определить в 

соответствии с формулой: 

)

(

/

1

.

i

n

i

i

каскада

h

h

g

Q

P



















, 

 

 

 

(15) 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

75 

 

где 

i

h

 - высота потока воды от верхнего бьефа до верхней турбины i–тойсдвоенной гидротур-

бины, 

/

i

h

 - высота потока воды от верхнего бьефа до нижней турбины i–тойсдвоенной гидротурбины, 

i–номерсдвоенной турбины



 - коэффициент полезного действия турбины, %. 

Для определения мощности в традиционных ГЭС всегда пользуются формулой: 















H

g

Q

P

сущ.

,   

 

 

   (16) 

где 

H

 - высота напора воды (напор),м. 

Эта формула учитывает мощность потокатолько на нижнем уровне (нижнем бьефе) всего пото-

ка воды.  

Сравнительный анализ  формул  (15)  и  (16)  показывает,  что  мощность,  получаемая  по  формуле 

(15),будет  во  много  раз  больше,  чем  мощность,  получаемая  в  существующих  ГЭС  при  одинаковых 

секундных объёмах расхода воды. 

Таким образом, предлагаемая конструкция каскада сдвоенных гидротурбин мини ГЭС позволя-

ет существенно повысить эффективность получения энергии воды и вполне может быть использована 

для более мощных ГЭС. 

ЛИТЕРАТУРА 

[1]  Проект  Стратегии  «Эффективное  использование  энергии  и  возобновляемых  ресурсов  Республики 

Казахстан в целях устойчивого развития до 2024 года. 

[2]  Т.М. Мунсызбай, С.Т. Анарбаева. Влияние развития энергетики на здоровье человека. – Материалы 

международной научно-практической конференции «Фундаментальные науки – основа будущей медицины». – 

Алматы 2012г. – 325с. 

[3]  Современное состояние и перспективы развития малой гидроэнергетики в странах СНГ. – Алматы, 

2011г. – 36с. 

[4]  Бекбаев  А.Б.,  Мунсызбай  Т.М.  Толемис  М.Т.  Анализ  существующих  гидроэлектростанций.  –  4-ая 

международная конференця «Актуальные проблемы механики и машиностроеня» 19-20 июня 2014 г., Алматы. 

[5]  Бекбаев А.Б., Мунсызбай Т.М. Мырзатаев А.Е., Әуелбекова А., Кәдірбай Қ.Судың құлау энергиясын 

ұтымды пайдалану жолы. «Техникалық ғылым және білім берудің бәсекеге қабілеттілігі» халықаралық Сәтбаев 

оқуларының еңбектері. – I Том. Алматы: ҚазҰТЗУ – 2016 ж. 

[6]  Бекбаев  А.Б.,  Мунсызбай  Т.М.  Хаитматов  Д.А.  Су  энергиясын  пайдаланудың  жаңа  бағыттары. 

Международный журнал - приложение Республики Казахстан // Поиск. – 2015. – № 3. 

[7]  Бекбаев  А.Б.,  Мунсызбай  Т.М.  Есырев  П.Г.,  Төлеміс  М.Т.,  Кәдірбай  Қ.,  Әбдіш  Н.  Гидротурбина 

«Әлемсақ» (изобретение) / Авторское свидетельство РК №25685. 16.04.2014, бюл. №4. 

[8]  Lui Changtai, Wen Xinwen. Су электр станциясы туралы жалпы түсінік. - Beijing: Су істері су электр 

баспасы, 1998г. – 245с. 

[9]  Х.  И.  Заиров.  Гидроэлектростанции.  Водно-энергетические  ресурсы  и  их  использование.  -  Санкт-

Петербург, 2004г. – Ч.1. – 96с. 

[10]  Бекбаев А.Б., Мунсызбай Т.М. Акпанбетов Д.Б., Төлеміс М.Т., Әбдіш Н., Кәдірбай Қ. Гидроаккуму-

лирующая электростанция «Әлемсақ» (изобретение) / Инновационный патент РК №28581. 16.06.2014, бюл. №6. 

[11]  Бекбаев А.Б., Мунсызбай Т.М. Төлеміс М.Т., Әбдіш Н., Хусаинов А.У., Кәдірбай Қ. Каскад гидроэ-

лектростанций «Әлемсақ» (изобретение) / Инновационный патент РК №28582. 16.06.2014, бюл. №6. 

[12]  Мунсызбай  Т.М.  Жаксылыков  К.А.,  Абдиш  Н.,  Мунсузбаев  М.Т.,  Хусаинов  А.У.,  Тулешев  К.Т., 

Сабралы С.Е. Суммирующий редуктор. АвторскоесвидетельствоРК №27077. 14.06.2013, бюл. №6. 

жүктеу/скачать 28,19 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: