УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАБОРА ВОДЫ ИЗ ЛОТКОВЫХ КАНАЛОВ С БУРНЫМ РЕЖИМОМ ТЕЧЕНИЯ
DEVICE FOR WATER EXTRACTION FROM TROUGH CHANNELS WITH TURBULENT FLOW REGIME

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для забора воды из каналов с бурным течением.
Известен вододелитель для каналов с большим уклоном, включающий расположенные между подводящим и транзитным каналами траншею, боковой отводящий водовод, решетку и направляющую пластину (щит с приводом) (Авторское свидетельство СССР №351968, кл. E02B 13/00, 1970).
Недостаток данного устройства является то, что поскольку пластина расположена наклонно в сторону транзитного канала, то набегающий на нее поток воды вызывает вибрацию пластины, что приводит к нарушению гидравлики потока и выплеску воды из канала. Устройство не может осуществлять отбор потока по вертикали с целью стабилизации расхода, отводимого, например, в ороситель, в зависимости от глубины погружения пластины по всей высоте наполнения канала с бурным потоком. Вследствие установки нижнего конца решетки в горизонтальных направляющих в зазор между нижним концом решетки и дном канала могут попадать влекомые наносы, что может повлечь заклинивание решетки, это приводит к частичному прекращению водоподачи в отвод. При смене наполнения воды в канале имеющиеся в потоке длинные гибкие волокнистые предметы (стебли растений, водоросли и т.д.) налипают на стержни решетки и пластину, что создает большие усилия для перемещения пластины, а также ведет к ее заклиниванию, т.е. нарушение кинематики бурного потока ведет к перегрузкам давления на пластину над траншеей, пропускная способность уменьшается; отсутствует возможность очистки данных элементов непосредственно в бурном потоке, так как они расположены в подводном потоке (скорость воды в подводящем канале достигает 2 м/с и более). Стоимость сооружения достаточно большая на расход 1 м/с.
Известен также вододелитель для каналов с большим уклоном, включающий подводящий и отводящие каналы, сопряженные траншеей, расположенный над прорезью жестко закрепленный отсекатель. Дно прорези очерчено по траектории свободнопадающей струи. Правильным расположением отсекателя достигается забор нужного расхода воды в отводящие каналы независимо от колебаний расхода в распределительном канале. Для достижения постоянства отвода воды используется принцип деления потока по вертикали (Авторское свидетельство СССР №120454, кл. E02B 13/00, 1959).
Кроме того, видоизменение вододелителя - с целью упрощения его конструкции и исключения образования прорези на дне распределительного канала входной конец отводной трубы выполнен в виде оголовка из разрезанной вдоль и сплющенной металлической трубы, уложенной непосредственно на дно распределительного канала.
Поскольку данное устройство в первом варианте так же сложно по конструкции, как и в аналоге, то в трубах, заглубленных под уровень расположенного непосредственно входного оголовка в траншее, возникают большие гидравлические сопротивления (потери энергии воды), что резко сокращает расход отвода и высоту подъема, для чего требуется достаточная масса воды и сила гидростатического давления потока при движении. Стоимость сооружения возрастает. Кроме того, также происходит заиление и попадание случайных наносов при работе распределительного канала с отключенными отводами.
В отношении видоизменения вододелителя, как наиболее близкого прототипа, то здесь недостатком является расположение входного оголовка трубы из разрезанной вдоль и сплющенной металлической трубы, уложенной непосредственно на дно распределительного канала. Вследствие установки на дно с отключенным отводом труба заиливается наносами. В силу такой формы профиля и установки на дно канала недостаточная обеспеченность защиты оголовка трубы от наносов; невозможность ее очистки в потоках с бурным режимом, находящейся в подводном состоянии. Стабилизация отводимого расхода отсутствует, так как глубина погружения водозаборника постоянна, и не учитывает массу давления воды в распределительном канале, что описано по пункту 1 прототипа. Форма и профиль водозаборной трубы с уложенным оголовком на дне распределительного канала не позволяет в бурном потоке, движущемся с большой скоростью, осуществлять подачу воды в ороситель из разных уровней воды в распределительном канале. В свою очередь установка одного диаметра отводящей трубы формирует винтовое движение по длине трубы, отсюда возникают большие потери по длине узкой части трубы, что существенно уменьшает расход воды и возможность образования заторов крупными влекомыми наносами. Следовательно, эксплуатационная надежность низкая.
Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности устройства путем обеспечения забора воды из разных уровней.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для забора воды из лотковых каналов с бурным режимом течения, включающее распределительный канал, входной оголовок трубы и отводную трубу, снабжено составным отрезком труб, образующих диффузор, выполненный в виде затвора, закрепленного на борту лотка шарнирно, имеющего механизм поворота в виде штурвала со стопором.
o
вх
вх
Кроме того, составные отрезки труб составляют радиус закругления по оси диффузора R=1,25d, где d - диаметр входного оголовка трубы, и угол конусности оголовка равен 6…9° к дну канала, при этом выходной конец диффузора соединен с отрезком трубы постоянного поперечного сечения с гибким шлангом.
o
вх
вх
Выполнение отводящего водовода из отдельных отрезков труб разного диаметра, в результате чего образуется диффузор в виде затвора, установленного с возможностью штурвала вертикального перемещения с шарниром относительно крепления на борту лотка, позволяет использовать структуру бурного потока (волнового и безволнового) изменением расположения затвора по глубине наполнения в канале, обеспечивая надежную эксплуатационную работу сооружения в целом. При этом отпадает необходимость устройства глубоких выемок для отвода воды в ороситель, а значит объем работ уменьшается. Кроме того, осуществляется забор воды по вертикали с целью стабилизации расхода, отводимого в ороситель, в зависимости от глубины погружения водозаборника в бурный поток. Косой срез оголовка под углом 6…9° к дну канала и связанный со звеньями (отрезками) труб диффузора, выполненного в виде затвора с радиусом закругления R=1,25d, где d - диаметр входного оголовка трубы, обеспечивают винтовое движение воды по длине диффузора, конец которого соединен с трубой одного поперечного сечения с гибким шлангом, опущенным в ороситель под уровень воды в колодце. При этом излишки пропускаются вместе с влекомыми наносами и плавающим мусором по длине распределительного канала без гашения кинетической энергии потока, причем работа сооружения должна обеспечиваться при скорости потока в канале больше 2 м/с.
Кроме того, новая конструкция сооружения позволяет осматривать затвор без выключения бурного потока по распределительному каналу, затвор штурвалом поднимается над бортом канала, что улучшает эксплуатационную надежность устройства, исключает ударное воздействие потока на момент обслуживания диффузора в виде затвора. На выходном конце диффузора обеспечивается движение равномерное с поступлением потока в ороситель.
вх
вх
Для увеличения водоотбора достаточно приподнять свободный конец гибкого шланга и, дождавшись заполнения водой колена из гибкого шланга-трубопровода, опустить его в водоприемный колодец оросителя, и затвор работает как самозаряжающийся сифон. Это также расширяет диапазон расходов воды через диффузор в виде затвора. Расход устройства зависит от бурного режима движения потока и пропускная способность затвора может иметь вид: Q=µώV, где Q - расход затвора (с учетом потерь); µ - коэффициент расхода зависит от кинетичности потока; ώ - площадь входного отверстия оголовка; V - средняя скорость движения воды в канале. Значит, устройство является и водомером. Такой подход к конструкции сооружения также позволяет уменьшить нагрузки, воспринимаемые подвижной частью рабочего диффузора в виде затвора, и, соответственно, уменьшить габариты сооружения.
Оригинальность и простота указанной конструкции обеспечивает защиту от наносов и плавающего мусора в каналах с бурным режимом течения с достаточной точностью качества забора воды из разных горизонтов в канале как при волновом, так и безволновом режимах. Длина пути прохождения потока в диффузоре уменьшается, а значит расход воды можно увеличить с меньшими потерями на местные сопротивления по длине трубы. Винтовое вращение жидкости сохраняется на коротком участке отводящей трубы диффузора и выглядит наиболее расширенным в поперечном сечении в конце трубы, где и происходит гашение кинетической энергии и переход в потенциальную энергию в гибком шланге, опущенном в колодец оросителя. В этих условиях в конце отводящего отрезка диффузора (затвора) приводит к полной ликвидации сбойного течения в нижнем бьефе, обеспечивая равномерное растекание потока за гибким шлангом.
Исходя из вышесказанного, автор считает возможным утверждать, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию «Существенные отличия».
На фиг.1 изображено устройство для забора воды из лотковых каналов с бурным режимом течения, в плане; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.
o
вх
вх
вых
вх
Устройство состоит из составных отрезков труб конического сечения - диффузора, выполненного в виде затвора 1, имеющего входной оголовок трубы 2 и отрезок трубы 3 постоянного поперечного сечения с гибким шлангом 4. Затвор 1 прикреплен к борту канала 5 шарнирно со штурвалом 6 (рычагом) со стопором 7 в виде ограничителя управления. Со стороны тока воды в распределительном канале 5 оголовок трубы 2 имеет угол конусности среза в пределах 6…9° к дну канала 5, а радиус закругления по оси диффузора 1 (затвора) равен R=1,25d, где d - диаметр входного оголовка трубы, т.е. размеры являются оптимальными. При отсутствии водозабора в ороситель затвор 1 перемещают в верхнее положение штурвалом 6 и фиксируют стопором 7. Этим обеспечивается дополнительно защита входного оголовка от попадания в него случайных влекомых наносов и плавающего мусора в распределительном канале 5, а также его осмотр. Диаметр отреза трубы 3 назначается исходя из выходного сечения отрезка трубы диффузора, который связан с входным отрезком оголовка трубы 2, и равен примерно D=1,6d с округлением до стандартных размеров изготовляемых труб в промышленности.
Устройство для забора воды из лотковых каналов с бурным режимом течения работает следующим образом.
Затвор 1, закрепленный на борту канала 5 шарниром и управляемый с помощью штурвала 6, регулирует необходимое размещение входного оголовка трубы 2 на плановую стабильную водоподачу по тракту распределительного канала 5 с гибким шлангом 4 в ороситель. При этом высотное положение входного оголовка трубы 2 занимает заданное положение в канале 5, что регулирует стабильную водоподачу в ороситель через трубу 3 со шлангом 4. Одновременно поток воды обладает продольной и поперечной нестационарностью скоростей, обтекая оголовок трубы 2 и диффузор 1, не создает подпора скоростному потоку и поэтому движется компактным потоком без фонтанирования.
В случае изменения наполнения в канале 5 воды, а также изменения отбираемого расхода необходимо посредством механизма поворота в виде штурвала 6 со стопором 7 затвор 1 переместить в соответствие требуемой величине расхода, при этом гибкий шланг 4 размещен в колодце оросителя, конец которого затоплен под уровень воды. При этом необходимо иметь в виду, что устойчивость затвора 1 обеспечивается рациональной компоновкой и технически грамотным конструктивным решением трубы диффузора, выполненного в виде затвора, т.е. его возможно назвать и ковшовым водовыпуском. При поступлении потока в оголовок трубы 2 происходит вращательное движение потока, приближающегося к расширенной части отрезка трубы 3 постоянного сечения, где в концевой части преобразуется в потенциальную энергию, обуславливая поступление потока в гибкий шланг 4 для оптимального забора воды в ороситель потребителю.
При увеличении водоотбора может быть предложен вариант использования как самозаряжающийся сифон. Для этого достаточно будет приподнять свободный конец гибкого шланга и, дождавшись заполнения водой колена из шибкого шланга - трубопровода, опустить его в водоприемный колодец оросителя к потребителю.
Такая взаимосвязь и взаимозависимость основных элементов устройства обеспечивает эксплуатационную надежность и точность стабильного забора воды из различных уровней в распределительном канале 5 и оптимальную пропускную способность в условиях прохождения бурного потока с влекомыми наносами и плавающим мусором.
вх
Пропускную способность через затвор (при учете потерь) можно определить из формулы: Q=µώV, где Q - расход, проходящий через затвор; µ - коэффициент расхода затвора зависит от кинетичности потока; ω - площадь отверстия на входе в диффузор; V - средняя скорость движения воды в канале. Следует отметить, что коэффициент µ для бурного потока (сверхкритического) режима является дробно-рациональной функцией изменения скорости потока (для спокойного потока µ является дробно-иррациональной функцией изменения глубины потока). Это значит, что устройство водовыпуска является и водомером, для чего достаточно на стопоре 7 ограничителя управления прикрепить шкалу, связывающую поднятие и расход.
Таким образом, принятием кривизны диффузора, степени конусности и расчетного расхода отвода воды можно определить и диаметр водозаборного оголовка диффузора, учитывая при этом скорость протекания потока по каналу.
Эффективность предлагаемого устройства заключается в том, что применение его может значительно увеличить пропускную способность из каналов с бурным режимом течения с учетом условия строительной высоты канала. Работа сооружения надежна и экономична в эксплуатации, так как отвод полностью защищен от заиления и засорения. Устройство затвора данной формы и типа, закрепленное шарниром на борту канала, позволит осуществлять переход на телеуправление, кроме того, не требует реконструкции участка канала и может быть построено в любое время без перерыва водоподачи по каналу.