Клапанно-поршневая гидроэлектростанция в виде Гидростатических весов Паскаля с поплавком внутри.

Механика

Двигатели, гидроэлектростанции.

Данное изобретение основано на законе Паскаля и на существовании гидростатического парадокса, или парадокса Паскаля.явления, при котором сила весового давления налитой в сосуд жидкости на дно сосуда может отличаться от веса налитой жидкости.
Данное изобретение использует гидростатическое давление и его выражение – силу Архимеда.
Данное изобретение основано на использовании закона всемирного тяготения и использует силу притяжения земли.
Данное изобретение использует силу упругости.
Данное изобретение основано на законе сообщающихся сосудов, гласящего, что в сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне, при условии, что давление над жидкостью в сосудах одинаково.

Уровень техники включает в себя:
- пружину
- рычаг
- буй или поплавок
- поршень с уплотнительными и маслосъёмными кольцами.
- клапана, перекрывающие поток жидкости в одном или двух направлениях.
- Гидростатические весы Паскаля.
- гидравлический пресс
- генераторную турбину, приводимую в действие водой или другой жидкостью
- сухой док
- шлюз
- телескопическую трубу.

Нерешённая проблема – продолжительное получение энергии без внешнего воздействия и без использования внешних источников энергии.
Нерешённая проблема заключается в невозможности или дороговизне повторного использования для ГЭС одной и той же воды, т.е подъём её обратно в водохранилище приводит к большим энергозатратам, чем выработанное при её падении электричество.
Также нерешённой проблемой является невозможность установки ГЭС в любом удобном месте при отсутствии уже имеющегося потока воды, тем более на речных и морских судах и платформах, а также в неподходящих климатических и природных условиях.

Устройство механизма.

Механизм представляет из себя изменённые Гидростатические весы Паскаля, в которых вместо подставки установлен двигающийся внутри зафиксированного сосуда поршень. Через этот поршень передаётся давление столба жидкости на рычаг или пружину.
Внутри сосуда с жидкостью помещён поплавок, на время скрепляемый с поршнем.
Жидкость в механизме перемещается на основе закона о сообщающихся сосудах.
В процессе работы механизма происходит отделение поплавка от поршня и потом обратное их соединение, а также принудительная искусственная смена уровня воды в сосуде, в результате которых меняется гидростатическое давление на поршень.
Если вспомнить опыт Паскаля, когда он с высоты в тонкую трубку залил крушку воды и бочка треснула от давления, то большой, широкий и при этом очень лёгкий полый поплавок как раз и превращает бочку в тонкую трубку, только в виде трубки будет узкое пространство между внешней боковой поверхностью поплавка и внутренней поверхностью сосуда, в котором двигается поршень.
Устройство механизма показано на рис.1.
Механизм представляет из себя прямую вертикальную трубу (1), установленную на неподвижном основании (6).
Рядом или вокруг трубы (1) неподвижно установлена большая ёмкость с жидкостью (10). Размер и форма ёмкости (10), а так же количество жидкости в ней должны быть такими, чтобы заполнение трубы (1) жидкостью из ёмкости (10) не оказывало заметного влияния на уровень жидкости в ёмкости (10).
Внутри трубы (1) вертикально на основании (6) закреплена жёсткая пружина (3).
На пружине (3) сверху закреплён поршень (2), выполненный из лёгкого и очень прочного материала. Поршень (2) может двигаться по трубе (1) вверх и вниз.
Боковая грань поршня (2) плотно прилегает к внутренней поверхности трубы (1) и его верхняя поверхность расположена горизонтально.
Поршень (2) имеет задачу не пропускать жидкость вниз по трубе (1) через себя. Для этого он имеет уплотнительные кольца для съема жидкости на боковой грани. При этом сила трения между поршнем (2) и трубой (1) должна быть минимальной.
Поршень (2) снизу по центру скреплён с рычагом (7), двигающимся внутри пружины (3) вверх и вниз в проёме, сделанном в основании (6).
Рычаг (7) полый внутри и выполнен из лёгкого и очень прочного материала. Его задача передавать дальше усилие поршня (2) и пружины (3).
Труба (1) сверху закрыта крышкой (5), в одном месте неплотно прилегающей к трубе (1). В этом месте в трубе (1) установлена генераторная турбина (14).
Турбина (14) второй стороной через клапан (15) соединяется с большой ёмкостью для жидкости (10).
Уровень жидкости в ёмкости (10) соответствует максимальному уровню жидкости в трубе (1) на уровне верха крышки (5).
Внутри трубы (1) на поршне (2) помещён поплавок (4).
Поплавок (4) имеет форму цилиндра, с одинаковыми и ровными поверхностями снизу и сверху, его боковая поверхность ровная и расположена параллельно и на минимальном расстоянии от внутренней поверхности трубы (1).
Поплавок (4) выполнен из лёгкого, но прочного материала и может быть полым внутри.
Через поплавок проходят вертикальные ровные, прочные, гладкие прямые параллельные направляющие (8). Поплавок (4) может свободно перемещаться по направляющим (8), плотно подогнанным к сквозным отверстиям внутри него.
Поплавок (4) скрепляется с поршнем (2) зацепами (9). Расцепление зацепов (9) происходит при заполнении трубы (1) доверху, об этом покажет остановка вращения генераторной турбины (14), когда жидкость перестанет перетекать из ёмкости (10), этот момент показан на рис.1
Зацепление зацепов (9) происходит автоматически в момент, когда поршень (2) находится в нижней точке, жидкость из трубы (1) вытекла полностью и поплавок (4) лег на поршень (2).
Нижняя часть направляющих (8) вмонтирована в поршень (2) и крепко в нём закреплена. Верхняя часть направляющих свободно перемещается в отверстиях в крышке (5). По всей своей длине направляющие обработаны смазкой для уменьшения трения.
На основании (6) есть углубления для сбора просочившейся жидкости сверху между поршнем (2) и трубой (1) и механизм удаления этой жидкости в ёмкость (10), использующий часть энергии, выработанную механизмом.
Пружина (3) подобрана так, что её силы упругости в момент, изображённый на рис (1), с минимальным запасом. достаточно для того в состоянии покоя она удерживала поршень (2) в верхнем положениии вместе с весом поплавка (4), направляющих (5) и жидкости в трубе (1).
В нижней части трубы (1) установлены фиксаторы (11) для фиксирования поршня (2) в нижнем положении. Фиксация происходит автоматически по достижении поршня (2) определённого положения. Снятие фиксации происходит на момент, когда жидкость в трубе (1) заканчивается и клапан (31) закрывается, но только после того, как сработают зацепы (9).
Вокруг трубы (1) на ней же закреплён бак для жидкости (30), на уровне нижнего положения поршня (2). Он соединяется с трубой (1) через впускной клапан (31) и генераторную турбину (32).
Внутри трубы (1) поверхность клапана (31) в закрытом положении должна быть идеально гладкой и сливаться с внутреней поверхностью трубы, чтобы не было большего зазора или неровностей между боковой поверхностью поршня (2) итрубы (1) и чтобы не разрушались уплотнительные кольца поршня (2) по время его движения по трубе (1).
Внутри баков (20,30) установлены электрические насосы (16,33) для подъёма жидкости из бака (30) в ёмкость (10).
Трубы (17,34) идут из баков (20,30) в верхнюю часть ёмкости (10).
Баки (20,25) установлены сбоку на трубе (1) на расстоянии друг от друга и от бака (30).
Бак (20) соединяется с трубой (1) через впускной клапан (21) и выпускной клапан (23) и генераторные турбины (22,24).
Бак (25) соединяется с трубой (1) через впускной клапан (26) и выпускной клапан (28) и генераторные турбины (27,29).
На нижней части крышки (5) установлены торсионные поглотители ударов (13), передающие усилие на генераторы (12). Поглотители (13) нужны для того, чтобы поплавок (4) не ударялся в крышку (5) во время всплытия либо подъёма вверх пружиной (2).

Описание процесса.

Рабочий процесс показан на рисунках 1-11 и состоит из повторяющихся за собой одинаковых циклов.
Начальное положение показано на рис.1.
Ёмкость (10) заполнена водой.
Клапана (15,21,23,26,28,31) закрыты.
Поршень (2) чуь ниже своего максимально-верхнего положения.
Пружина (3) находится в состоянии равновесия.
Поплавок (4) лежит на поршне (2) и скреплён с ним фиксаторами (9), при этом он прилегает не плотно и жидкость проникает между поплавком (4) и поршнем (2).
Труба (1) заполнена жидкостью от верха до поршня (2).
Между поплавком (4) и крышкой (5) есть совсем небольшое расстояние.
Баки (20,25,30) пустые.
Для для достаточного результата примем, что площадь верхней поверхности поршня (2) относится к площади нижней и верхних поверхностей поплавка (4) как 101 к 100. И что расстояние от крышки (5) до поплавка (4) относиться к высоте поплавка как 1 к 100.
Также примем, что масса поплавка (4) относиться к массе жидкости такого же обьема как 9 к 10.
Примем, что масса поршня (2) вместе с направляющими (8) весят вместе меньше, чем поплавок (4).
Массой жидкости между крышкой (5) и трубой (1) можно пренебречь.
На пружину (3) в данный момент (рис.1) сверху вниз давит вес поршня (2), поплавка (4) и направляющих (5) и давление столба жидкости в трубе (1) в виде всей высоты столба жидкости, помноженной на всю площадь поршня (1). В обратную же сторону на пружину (3) через поршень (2) действует сила Архимеда, выталкивающая вверх поплавок (4), скреплённый с поршнем (2), равная весу массы жидкости в обёме поплавка (4), и который лишь минимально меньше, чем объём внутри трубы (1), ограниченный поршнем (2) и крышкой (5), в котором он находиться.
Далее (рис.2) фиксаторы (9) раскрываются и поплавок (4) отделяется от поршня (2) и всплывает вверх, ударяясь в поглотители (13). Поглотители (13) передающие энергию от столкновения с поплавком (4) на генераторы (12), которые перерабатывают часть этой энергии в электрический ток.
Так как поплавок (4) больше не скреплён с поршнем (2), то сила Архимеда, действующая на него, не воздействует больше на поршень (2). Под давлением столба жидкости в трубе (1), веса поршня (2), поплавка (4) и направляющих (5) пружина (3) начинает прогибаться вниз (рис.3) и поршень (2) начинает двигаться вниз вместе с жидкостью, давящей на него, и так же тянет за собой направляющие (5), скреплённые с ним. Открывается клапан (15) и через генераторную турбину (14) жидкость из ёмкости (10) начинает поступать в трубу (1). Генераторная турбина (14) вырабатывает электрический ток.
Фиксатор (11) фиксирует поршень (2) в его нижнем положении (рис.4).
Клапан (15) закрывается.
Далее (рис.5) открывается клапан (21) и верхняя часть жидкости из трубы (1) сливается через генераторную турбину (22) в бак (20).
При этом на жидкость своим весом оказывает давление поплавок (4), который с падением уровня жидкости в трубе (1) начинает опускаться на поршень (2).
Как только поплавок (4) опустится на поршень (2), он сразу фиксируется с ним фиксаторами (9).
С поступлением жидкости в бак (20) включается насос (16), который по трубе (17) выкачивает жидкость из бака (20) в ёмкость (10).
Турбина (22) в момент слива воды вырабатывает электрический ток.
Как только уровень жидкости в трубе (1) опускается ниже клапана (21), клапан (21) закрывается.
Далее (рис.6) открывается клапан (26) и оставшаяся верхняя часть жидкости из трубы (1) сливается через генераторную турбину (27) в бак (25).
Турбина (27) в момент слива воды вырабатывает электрический ток.
Как только уровень жидкости в трубе (1) опускается ниже клапана (26), клапан (26) закрывается.
Далее, (рис.7) открывается клапан (31) и оставшаяся часть жидкости из трубы (1) сливается через генераторную турбину (32) в бак (30).
Турбина (32) в момент слива воды вырабатывает электрический ток.
С поступлением жидкости в бак (30) включается насос (33), который по трубе (34) выкачивает жидкость из бака (30) в ёмкость (10).
Чем быстрее будет работать насос (33), тем выше может быть дно бака (30) и тем меньше энергии будет затрачено на подъем жидкости в ёмкость (10).
В итоге пружина полностью освободилась от нагрузки веса столба жидкости в трубе (1), но все ещё находится под напряжением, удерживаемая фиксаторами (11).
Далее, (рис.8), фиксаторы (11) открываются и больше не удерживают поршень (2).
Сжатая пружина (3) распрямляется и толкает поршень (2) вверх вместе с поплавком (4) и направляющими (5), а также тянет вверх рычаг (7), который вращает привод генератора или совершает любую другую полезную работу..
Поплавок (4) снова ударяется (рис.9) в поглотители (13). Но ещё сильнее, так бывшая под напряжением пружина (3) пройдя точку равновесия при недостаточной нагрузке на рычаг (7) может совершить гармонические клебания. Поглотители (13) передающие энергию от столкноновения с поплавком (4) на генераторы (12), которые перерабатывают часть этой энергии в электрический ток.
Далее, пружина (3) встает в положение равновесия (рис.9), поршень (2) останавливается в своём верхнем положении.
Далее, (рис.10), открывается клапан (28) и жидкость из бака (25) перетекает в трубу (1) через генераторную турбину (29). Вращаясь, генераторная турбина (29) вырабатывает электрический ток. Далее, клапан (28) закрывается. Под давлением столба жидкости, появившегося в трубе, давящим на поршень (2) пружина (3) слегка прогибается, поршень (2) вместе с поплавком (4) и направляющими (5) чуть чуть опускается вниз.
Далее, (рис.11), открывается клапан (23) и жидкость из бака (20) перетекает в трубу (1) через генераторную турбину (24). Вращаясь, генераторная турбина (24) вырабатывает электрический ток. Далее, клапан (23) закрывается. Под давлением столба жидкости, увеличивающимся в трубе, давящим на поршень (2) пружина (3) слегка прогибается, поршень (2) вместе с поплавком (4) и направляющими (5) ещё чуть чуть опускается вниз.
Далее, (рис.1), открывается клапан (15) и жидкость из ёмкости (10) перетекает в трубу (1) через генераторную тубину (14). Вращаясь, генераторная турбина (14) вырабатывает электрический ток. Труба (1) заполняется до конца. Клапан (15) закрывается. Под давлением столба жидкости, увеличивающимся в трубе, давящим на поршень (2) пружина (3) ещё слегка прогибается, поршень (2) вместе с поплавком (4) и направляющими (5) ещё чуть чуть опускается вниз.
На этом цикл завершается и начинается следующий цикл, идентичный предыдущему.

Особенности работы механизма. Возможные дополнения к механизму.

В общих чертах, выигрышь энергии при работе механизма получается за счёт давления на поршень разницы между весом поплавка (4) и весом столба жидкостью такого же обьёма за вычетом из этой разницы объёма дополнительной жидкости, взятой из ёмкости (10), учитывая разницу в высоте её подъема и весом жидкости в объёме поплавка (4), потерь на трение и компенсации этих вычетов работой генераторов (14) и генераторных турбин (22,24,27,29,32).
Материалы, используемые в механизме, размеры и масса элементов механизма, их прочность плотность, жёсткость, параметры генераторов, подбираются методом подбора. Они должны быть подобраны так, чтобы механизм был удобен в эксплуатации, имел наименьшую себестоимость, максимальную надежность и устойчивость к влиянию внешней среды, а самое главное, был эффективным.
Чем быстрее совершается цикл, тем эффективнее может быть работа механизма.
Смазка элементов механизма не должна вступать в реакцию с рабочей жидкостью механизма, либо сама должна обладать достаточными смазывающими свойствами и долго сохранять свои свойства.
Чем лучше смазывающие свойства у жидкости, тем надежнее механизм и долговечнее, особенно это важно для уплотнительных и или маслосъемных колец поршня (2).
Чем выше до определённого момента жёсткасть пружины (3), тем меньше дополнительной жидкости из ёмкости (10) используется и тем меньше её нёжно перекачивать в обратно в ёмкость (10) поднимая снизу вверх, тем эффективнее механизм.
Чем легче поршень (3) и направляющие (5), тем эффективнее механизм, но лёгкость не должна быть в ущерб прочности.
Поплавок (4) может быть выполнен в виде телескопа и состоять из нескольких плотно подогнанных друг к другу частей, свободно двигающихся друг относительно друга ииметь уплотнения в местах соединения своих частей, или маслосъёмные кольца, исключающие проникновение жидкости во внутрь поплавка, а так же иметь клапан для слива попавшей во внутрь небольшого количества жидкости. Момент, изображённый на рис.3 с применением телескопического поплавка (4) изоборажён на рис.12.
Так же поплавок (4) должен будет обладать фиксаторами положения своих частей относительно друг друга в раскрытом состоянии.
Тогда каждая из его частей будет иметь собственные фиксаторы (9), по очереди отпускающие части поплавка от поршня (2). Тогда воздействие силы Архимеда на поршень (2) будет пропадать поэтапно, с отделением каждой из частей поплавка (4) от поршня (2). После отделения каждой из частей поплавка (4) эта часть фиксируется вместе с предыдущей частью, отделившейся до этого и не поднимается выше до её уровня и тем более до крышки (5), а наоборот оставшиеся части поплавка (4) опускаются вниз вместе с поршнем (4) под давлением столба жидкости в трубе (1) и будут завфиксированы на том уровне, как котором фиксаторы (9) расфиксировались.
Далее при достижении поршем (2) своей низшей точки и после закрытия клапана (15) произходит слив жидкости из трубы (1) в баки (20,25,30). По мере касания каждой из телекопических частей поршня (4) снимается фиксация следующей из них, чтобы с падением уровня воды телескопический поплавок (4) складывался на поршень (2) постепенно, по одной части и без ударов.
Такое улучшение существенно уменьшит использование механизмом жидкости из ёмкости (10) и следовательно уменьшит энергозатраты по её подъёму обратно в ёмкость (10), но сделает сам механизм сложнее в производстве, обслуживании и увеличит его себестоимость.
Чем меньше разница между площадью верхней поверхности поршня (2) и площадью поверхности поплавка (4), тем эффективнее механизм, но жидкость должна свободно перетекать между поплавком (4) и трубой (1) и они не должны соприкасаться ни в коем случае.
Количество боковых баков (20,25) может отличаться от данного случая.
Для экономии ресурсов и свободного места, одинаковые механизмы могут быть установлены рядом иметь общие опоры, основание (6) и совместную ёмкость (10).
Также они могут иметь общий генератор, приводимый в действие рычагом (7).

Область применения

Данная гидроэлектростанция универсальна в применении, может применяться как в наземном исполнении, так и на морских и речных судах и платформах.
Её возведение возможно в любом доступном месте и ограничено лишь собственно уровнем используемой строительной техники и пригодностью среды для обслуживающего персонала.
Использование незамерзающей жидкости, в том числе синтетического масла или антифриза, позволяет использовать устанавливать механизм в северных широтах, в том числе в зонах вечной мерзлоты или на льдине.
Так же данный механизм без каких либо проблем в южных широтах и жарких пустынях.
Основным требованием для фунционирования является наличие достаточной гравитации, а именно нахождение данного механизма на любом крупном небесном теле или рядом с ним, где на него будет воздействовать достаточная сила притяжения данного небесного тела.