УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАБОРА ВОДЫ ИЗ БАССЕЙНОВ И ВОДОЕМОВ
DEVICE FOR WATER TAKING FROM POOLS AND RESERVOIRS

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к сороудерживающим устройствам, применяемым при заборе воды из бассейнов-отстойников и водоемов, вода которых содержит большое количество плавающего мусора.
Известно водозаборное сооружение, включающее поперек канала водоприемную галерею с передней стенкой, расположенной выше задней стенки, фильтрующее полотно, установленное над галереей и прикрепленное к ее стенкам, и отводящий трубопровод, подключенный к галерее, при этом оно снабжено установленным над фильтрующим полотном поперек канала на горизонтальной оси водонепроницаемым барабаном с прикрепленными к нему поочередно по внешней образующей лопастями и щетками, а фильтрующее полотно выполнено криволинейным в продольном сечении, очерченным по дуге окружности с центром на оси барабана (Авторское свидетельство СССР №1393869, кл. Е02В 9/04).
Недостатком известного устройства является низкая эксплуатационная надежность из-за отсутствия автоматизации процесса самоочистки фильтрующего полотна с внутренней стороны камеры, поскольку волокнистые частицы плавающего мусора застревают в отверстиях перфорации фильтрующего полотна, что ведет к закупориванию отверстий и пропускная способность фильтрующего элемента резко падает. Необходимо осуществлять большой сброс воды вниз по каналу. При закрытых отводящих трубопроводах в водоприемной галерее накапливаются мелкие частицы грунта, которые со временем прессуются (становятся плотной массой) и промывка грунта затруднена, так как не происходит перемешивание, соударение потоков и т.д., то есть образуется застойная зона. Таким образом, отсутствуют вертикальные колебания на фильтрующее полотно, отсутствует гидравлическая волна, обеспечивающая отрыв мусора от полотна, который бы потоком воды относился в сторону от устройства.
Другим недостатком является отсутствие забора воды с разных горизонтов (например, водоемов) в зависимости от наполнения, соответственно, загрязнением плавающими мусором и наносами. Таким образом, очистной механизм не способствует автоколебательным процессам в работе устройства. Форма работы водонепроницаемого барабана не может оказывать влияние на связь его элементов между напором воды и расходом через фильтрующее полотно, которое связано с изменением частоты его вращения - сброс воды будет достаточно большим.
Для практических целей необходимо иметь определенный числовой показатель, в качестве которого может быть, например, коэффициент быстроходности. Эта величина называется "частота вращения барабана", с геометрическим подобным ему колесом, при затрате мощности N, создаваемой напором Н. В общем, известное устройство работает при малых напорах и не приспособлено для больших напоров в бассейнах и водоемах. Оно ограничено открытыми каналами для забора малых расходов воды, на сравнительно небольшой глубине камеры. Недостатком также является то, что с увеличением или уменьшением давления воды и лопастей со щетками на ее гибкое фильтрующее полотно сверху сказываются нагрузки, соответственно, в большей или меньшей степени, что автоматически перекрывает сечение полотна и расход воды в отводящую трубу резко падает, а отверстия закупорятся мелкими наносами и волокнистыми влечениями. Фильтрующее полотно реагирует на упругость вращающихся щеток и их усилий на полотно, изношенность и давление воды. При этом коэффициент µ проходных сечений фильтрующего полотна есть величина переменная, и, как следствие, при изменении напора Н в верхнем бьефе и других усилий на нее зазоры в полотне начинают изменяться по закону µ=f(1/H). По мере дальнейшего напора (давления) произведение µ√Н постоянно возрастает, и стенки чувствительного полотна начинают еще больше перекрывать сечение отверстий, при этом площадь сечений отверстий ограничена формой криволинейного фильтрующего полотна.
Известно также устройство для механической очистки воды на водозаборных сооружениях из рек и каналов, содержащее сетчатый цилиндр, установленный вдоль потока воды, турбину, очистное устройство сетчатого цилиндра, трубопровод для отвода воды, очистное устройство выполнено в виде двух щеток, соединенных с турбиной, причем одна из щеток установлена снаружи сетчатого цилиндра с возможностью скольжения по нему, а другая - внутри с возможностью перекатывания по нему (Авторское свидетельство СССР №954546, кл. Е02В 5/08, 1982 г.).
Недостатком известного устройства является ограниченность применением на реках и каналах. При больших и паводковых расходах на реках и каналах устройство дополнительно создает препятствия, образуется подпор в верхнем бьефе и фонтанирующий гидравлический прыжок, все это приводит к наращиванию стенок бортов по длине канала и укреплению берега реки на значительном расстоянии. Создание катящихся волн также разрушает берега, все это увеличивает стоимость строительства устройства. За пропеллерной турбиной возникает зона разряжения, что отрицательно сказывается на окружной скорости вращения лопастей. Сама работа происходит в непостоянстве вращающихся лопастей по окружности, дополнительно это еще связано с тем, что к лопастям крепятся непосредственно щетки, установленные снаружи сетчатого цилиндра - это еще дополнительно ведет к большим динамическим нагрузкам на пропеллер турбины, особенно в потоках, несущих камни, валуны, плавающие предметы, плавающий мусор. Установка вдоль потока с мусором вызывает намотку волокнистых и других влечений мусора на пропеллер, соответственно, закрепленную к лопастям его решетки, что приводит к остановке процесса очистки сетчатого барабана.
Другим недостатком является пониженная эксплуатационная надежность в условиях при меженных расходах в реке, уровень резко понижается, и мусор практически оседает на пропеллер с решеткой, а также задерживается оголовком цилиндра, закрепленного к устоям и к отводящему трубопроводу. Таким образом, работа прототипа ненадежна, происходит заклинивание вращающихся устройств. Забор воды прекращается, т.е. ограничено условиями применения.
Отсутствие разделения воды пропеллером турбины с закрепленными щетками на равные части создаёт большие динамические нагрузки на ось вращения в барабане, т.е. вода неравномерно поступает в межлопастные отсеки, поток турбулизуется за ними, появляется отрицательная реакция на поток. Кроме того, образуется реактивная циркуляция, в которой происходит только перемешивание потока. Общий поток отходит по длине канала волновым явлением. Работа известного устройства основана при большом сбросе воды в ограниченных условиях применения водозабора, а это уже снижает эффективность его сетчатого полотна для отвода постоянным расходом воды. Коэффициент расхода проходных отверстий есть величина переменная, и, как следствие, при изменении напора над устройством изменяется расход воды в трубопроводе - отсутствует автоматизация водозабора.
Отводящая трубопроводная арматура и устройство сетчатого барабана влияют на эксплуатационную надежность в потоках, сильно загрязненных различным мусором и влекомыми наносами - это ведет к большим эксплуатационным затратам.
Цель изобретения - повышение надежности работы за счет уменьшения влияния содержащего в воде плавающего мусора.
С помощью предложенного устройства позволяет его применять в бассейнах-отстойниках и на водоемах в большом диапазоне перепадов уровней в них воды и проводить забор воды в автоматическом режиме, имея простую систему узлов и пониженную чувствительность к разному роду плавающих предметов, мусора и придонных наносов. Весь накопившийся мусор и придонные наносы отодвигаются от водоприемника на определенном расстоянии, что позволяет обеспечить надежную работу устройства, за счет заранее созданной изменением гидравлической структуры потока вблизи водоприемника, образование волновой гидравлической структуры.
Кроме того, эффективность изобретения заключается в исключении потерь воды на сброс по сравнению с известным. Новое устройство позволяет осуществить регулирование уровня воды в бассейнах и водоемах в автоматическом режиме с повышением быстродействия.
Перемещение цилиндрической трубы с перфорированными отверстиями одновременно с перемещением в вертикальной плоскости куполообразного корпуса с отбойными вертикальными пластинами, радиально расположенными по образующей поверхности от вершины с уменьшающей высотой и одновременно вращающимися за счет прикрепления к оси, которая соединена с винтолопастной турбиной в цилиндрическом патрубке, создаёт кольцевую гидравлическую волну на поверхности воды бассейна или водоема. Происходит отгон взвешенных наносов и по толщине слоя воды в бассейне, что не создает призмы отложения возле водоприемника.
Процесс перемещения перфорированной трубы по высоте происходит без отсутствия каких-либо особых трений скольжения при перепаде уровня воды в бассейне или водоеме.
Таким образом, это позволяет оперативно сохранять расход воды потребителю или его сбрасывать и сохранять безаварийную ситуацию в бассейнах-отстойниках и водоемах. Перфорированная труба разгружена от горизонтальных статических нагрузок, и возможно применение нового устройства для закрытых оросительных систем, даже при заборе воды из каналов-отстойников с перепадами верхнего и нижнего бьефов, соответственно, гидравлическая волна позволяет отталкивать плавающий мусор и по транзиту сбрасывать его в канал. П-образная рамка верхним концом размещена внутри куполообразного корпуса и защищена от механических ударов и налипания на нее плавающего мусора, что обеспечивает надежную работу щеток на поверхности перфорации трубы.
Компактное, рациональное конструирование нового устройства имеет практическое применение при заборе воды из бассейнов и водоемов.
Следует обратить особое внимание на форму винтолопастной турбины в том, что теоретический напор пропорционален окружной составляющей и абсолютной скорости на выходе воды из турбины. При увеличении угла окружная составляющая абсолютной скорости увеличивается, а следовательно, увеличивается напор. Однако, в бассейнах-отстойниках действующий напор учитывается предложенным очистным устройством, не приводит к большим потерям при выходе воды в отводящий трубопровод из турбины. Улучшаются эксплуатационные условия его работы (отсутствует неустойчивая работа). Поэтому угол кривизны лопастей принят по приведенному соотношению оптимально, что при угловой скорости вращения щеток 3-8 об/мин скорости воды составляют не менее 1-3 м/с. Это и есть оптимальный режим данного процесса, зависящий также от длины патрубка, его диаметра, в котором размещен соизмеримо винтолопастной турбины. В свою очередь такая конструкция турбины в работе с ее КПД учитывает потери, возникающие вследствие поступления воды на входе и выходе в отводящий трубопровод с учетом других потерь в узлах устройства. Поэтому винтолопастная турбина и выполнена с оптимальным количеством лопастей 4-8 шт., т.е. имеем оптимальную точку режима работы винтолопастной турбины.
Вертикальное перемещение устройства может задаваться конструктивно размерами элементов узла для конкретных гидравлических режимов работы.
На фиг.1 изображено устройство для забора воды из бассейна-отстойника, план; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, повернуто; на фиг.3 изображено устройство, вертикальный разрез, узел 1 на фиг.2; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3 очистительного механизма внутри фильтрующего элемента, вид сверху; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.3; на фиг.6 - узел на фиг.4.
Устройство для забора воды из бассейнов и водоемов содержит бассейн-отстойник 1, заградительную решетку 2 с крупными ячейками, например, из металлических стержней, дамбу 3, катастрофический водосброс 4, водозаборное устройство 5 и отводящий трубопровод 6.
Над отверстием 7 раструба 8 установлен дополнительный патрубок 9 с кольцевым упором 10 на входном конце и кольцевым ограничителем 11 на наружной поверхности патрубка 9, нижний конец его закреплен к вертикальному раструбу 8 отводящего трубопровода 6.
Мусорозащитное устройство выполнено в виде куполообразного корпуса 12, размещенного выше цилиндрической трубы 13, поверхность которой выполнена перфорированной, и соединенного с втулкой 14. Втулка 14 выполнена с возможностью съема и поворота ее на хвостовике 15 вертикальной оси 16 вращения и фиксируется винтом 17, установленным в кольцевую канавку 18, выполненную в хвостовике 15.
На наружной поверхности куполообразного корпуса 12 выполнены отбойные вертикальные пластины 19, радиально установлены по образующей его поверхности с поплавком 20. Высота пластин 19 уменьшается от вершины к краям куполообразного корпуса 12 (например, в виде радиальных лучей, сходящихся к вершине корпуса). К хвостовику 15 также закреплена П-образная рамка 21 со щетками 22 с внешней стороны перфорации цилиндрической трубы 13, а с внутренней стороны на опорах-крестовинах 23 с вертикальными стержнями, соединенных с вертикальной осью 16 турбины 24 винтолопастной, насажены круглые, свободно перекатывающиеся валики 25 со щетками. Ось 16 расположена в направляющей 26 с опорными стойками 27, закрепленными к концам цилиндрической трубы 13 с перфорированными отверстиями. Корпус цилиндрической трубы 13 нижним концом соединен с цилиндрической трубой 28 с водонепроницаемой поверхностью, соосно установленной дополнительному патрубку 9. Выходной конец цилидрической трубы 28 снабжен кольцевым ограничителем 29 перемещения вертикально цилидрической трубы 13 с перфорированными отверстиями, контактирующим с кольцевым ограничителем 11 на наружной стене патрубка 9.
В дополнительном цилиндрическом патрубке 9 перед раструбом 8 установлена турбина 24 винтолопастная с лопастями 30. Патрубок 9 подключен к раструбу 8 и к трубопроводу 6 по оси турбины 24. Ограничительный упор 10 на неподвижном патрубке 9 устраняет возможность перекоса вертикальной цилиндрической трубы 28 и перфорированной трубы 13 при их вертикальном перемещении соосно неподвижного патрубка 9.
мин
Оптимальный угол α кривизны лопастей турбины 24 винтолопастной способствует вращению куполообразного корпуса 12, щеток 22 и валиков 25, связанных с осью 16, при подходных скоростях не менее 1-3 м/с. Оптимальный режим данного процесса для противодействия усилий N, развиваемых в полости дополнительного патрубка 9 турбиной 24 под минимальным напором воды Р в отводящий трубопровод 6, создает оптимальную угловую скорость вращения 3-8 об/мин. Форма выполнения лопастей 30 с оптимальным углом кривизны (количество лопастей 4-8 шт.) способствует использованию энергии воды для увеличения КПД вращающего момента.
Угол кривизны лопастей равен
,
где n - число оборотов турбины, об/мин;
L - рабочая длина турбины, равная (0,8-1,2)D, м;
V - скорость воды в полости турбины, м/мин;
D - диаметр входной части патрубка, м;
К - коэффициент, учитывающий силы трения, равен 0,3.
Устройство paботаeт следующим образом.
Вода подается в цилиндрическую трубу 13 с перфорированными отверстиями сверху из бассейна-отстойника 1, предварительно проходя заградительную решетку 2. Проходя через перфорацию трубы 13, вода, поступая в патрубок 9 и оказывая давление на лопасти 30, приводит ее во вращение. Вода поступает в раструб 8 и подается в трубопровод 6 по оси турбины 24 винтолопастной, разделяя при этом ее лопастями на множество равных частей, поступающих в межлопастные отсеки. Под давлением поступающей сверху воды в патрубок 9 турбина 24 винтолопастная, вращаясь, турбулизирует поток внутри патрубка 9 и интенсивно смешивает поступивший в межлопастные отсеки сток воды, поступающий дальше в раструб 8 отводящего трубопровода 6. В результате мусорозащитное устройство в виде куполообразного корпуса 12 с отбойными вертикальными пластинами 19 по образующей поверхности его от вершины с уменьшающей высотой в сторону основания корпуса 12 с поплавком 20, вращаясь, приводит во вращение поток по периферии в верхней части бассейна-отстойника 1, образуя зону принудительной циркуляции. Одновременно происходит вращение и П-образной рамки 21 со щетками 22. Под действием центробежной силы закрученного потока на поверхности воды возникают волновые явления, отраженные от куполообразного корпуса 12 и вертикальных пластин 19, которые, вращаясь над водной поверхностью бассейна-отстойника 1 в сторону заградительной решетки 2, отрывают прилипший плавающий мусор и другие предметы. Часть более мелкого плавающего мусора возле перфорации трубы 13 тоже отходит, происходит интенсивное вращение П-образной рамки 21 со щетками 22. Таким образом, происходит процесс непрерывного и интенсивного отталкивания мусора от водоприемника.
Скорости вращения турбины 24 виптолопастной и куполообразного корпуса 12 стабилизируются, благодаря постоянному притоку воды по высоте бассейна-отстойника 1 в автоматическом режиме. Максимальная скорость вращения имеет место, когда выполняются вышеприведенные соотношения лопастей турбины 24 и диаметра дополнительного патрубка 9, т.е. при угле установки наклона лопастей в количестве 4-8 шт. и скорости воды не менее 1-3 м/с. Это оптимальный режим данного процесса.
Устойчивость турбины, трубы с перфорированными отверстиями и куполообразного корпуса в вертикальной плоскости обеспечивается кольцевым ограничителем 11 и упором 10, а осевая нагрузка удерживается поплавком 20 при всплытии трубы 13 с перфорированными отверстиями. При минимальном уровне воды в бассейне-отстойнике 1, под действием силы тяжести турбины 24, куполообразного корпуса 12 и силы давления напорного потока, турбина винтолопастная входит в контакт в отверстие полой трубы, закрепленной на впускном отверстии раструба 8.
При увеличении уровня воды в бассейне-отстойнике 1 происходит всплытие поплавка 20, расположенного па наружной поверхности куполообразного корпуса 12. Всплывая, поплавок 20 тянет за собой нижнюю часть цилиндрической трубы 28, которая выполнена цельной до упора кольцевого ограничительного упора 11 на наружной стенке патрубка 9, и стабилизируется количеством поступающей воды через трубы 13 с перфорацией. При уменьшении уровня воды в бассейне-отстойнике 1 поплавок 20 уходит вниз до упора кольцевого ограничителя 10 на выходном конце патрубка 9, а турбина 24 винтолопастная входит в центральное отверстие полой трубы.
Наружная часть куполообразного корпуса 12, отбойные вертикальные пластины 19 с поплавком 20 должны быть черного цвета, весной вокруг корпуса 12 и поплавка 20 снег оттаивает в первую очередь, и водоприемник раньше будет готов к приему воды.
Ступенчатое задержание мусора и плавающих предметов до зоны приема воды водоприемника не создает подпорных явлений на поверхности бассейна-отстойника 1 (спад или подъем уровня), а плавающий мусор отходит как от заградительной решетки 2, так и от перфорированной трубы с П-образной рамкой со щетками. Мелкие наносы не скапливаются вблизи водоприемника, отсутствует и призма отложения наносов.
Процесс перемещения телескопической трубы 28 трубой 13 с перфорацией относительно патрубка 9 проходит при отсутствии особых трений скольжения и зависит от исходных данных изменения перепадов уровней в бассейне-отстойнике.
Скорость вращения турбины 24 винтолопастной и угол установки кривизны лопастей 30 к радиальному направлению и их расстоянию от оси турбины соблюдены отношением с оптимальной скоростью вращения корпуса и всех щеток 3-8 об/мин, при скоростях воды не менее 1-3 м/с - это и есть оптимальный режим происходящего процесса. На фиг.3 показаны длина турбины L и диаметр трубы D патрубка 9.
В свою очередь КПД турбины учитывает потери, возникающие вследствие поступления воды на входе и выходе из нее, потери, возникаемые во всех других деталях узлов устройства. Турбина винтолопастная выполнена с оптимальным количеством лопастей 4-8 шт, т.е. имеет оптимальную точку режима работы турбины винтолопастной.
Эффективность предлагаемого устройства заключается в том, что оно обеспечивает реализацию технологических схем при заборе воды и очистке от плавающего мусора и наносов в бассейнах-отстойниках и водоемах в автоматическом режиме в пределах сооружения. Исключает непроизводительные сбросы поливной воды и простой поливной техники при перепадах выше минимального заданного уровня в бассейне-отстойнике. Кроме того, конструкция системы узлов проста и обеспечивает меньшую нагрузку на регулирование расхода воды с меньшим тяговым усилием, при этом не создавая гидравлического экрана призмы отложения наносов.
Предлагаемое устройство не требует больших затрат в работе при отгоне мусора от цилиндрической трубы с перфорированными отверстиями, как и при очистке ее; плавающий мусор и придонные наносы располагаются вне зоны влияния водоприемного устройства. Такое устройство способно бороться с плавающим мусором в бассейнах-отстойниках и водоемах.
Преимущество по сравнению с прототипом заключается в простоте конструкции, эксплуатации и повышении эксплуатационной надежности за счет отсутствия перегораживающих элементов, на которые оседают плавающие предметы и мусор, что повышает и качество очистки воды в отводящий трубопровод заданного расхода.