Применение гидравлических средств регулирования водоподачи и водоучета для сооружений водохозяйственного строительства

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(07), 2012 г., [137-144] УДК 626.823.6

А. А. Пахомов, Н. А. Колобанова

ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СРЕДСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОДОПОДАЧИ И ВОДОУЧЕТА ДЛЯ СООРУЖЕНИЙ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Описан разработанный гидрорегулятор уровня нижнего бьефа с камерой переменного объема и расходомер с чувствительным элементом в виде решетки для внутрихозяйственных каналов оросительных систем. Предложенные конструкции не требуют дополнительного источника электроснабжения и реконструкции существующих гидротехнических сооружений, отличаются простотой и надежностью в работе.

Ключевые слова: оросительная система, гидрорегулятор, автоматизированный водовыпуск, водоучет, расходомер.

A. A. Pakhomov, N. A. Kolobanova

HUDRAULIC CONTROL MEANS FOR WATER SUPPLY AND MEASUREMENT FOR WATERWORKS FACILITIES

The developed hydro-regulator for downstream level of the distribution irrigation canals equipped with a variable-volume chamber and a flow meter with a lattice as a detecting element is described. The suggested constructions do not require additional power supply and redesign of the existing hydraulic facilities; they are reliable and simple to use.

Keywords: irrigation system, hydro-regulator, automated water outlet, water control and measurement, flow meter.

Строительство гидротехнических сооружений (ГТС) или их модернизация на мелиоративных системах на современном этапе требует внедрения средств автоматизации для управления процессом водораспределе-ния и средств водоучета [1, 2].

Гидротехническое строительство на магистральных каналах и меж-хозяйственной сети осуществляется, как правило, с применением средств электроавтоматизации сооружений водораспределения, тогда как на низовом звене оросительной системы следует отдать предпочтение средствам гидроавтоматики. В настоящее время, когда вода стала дорогостоящим товаром, для эффективной эксплуатации оросительных систем и рационального использования водных ресурсов должен производиться оперативный и объективный учет воды, а гидротехнические сооружения на каналах -обеспечивать подачу заданных расходов. Все это предопределило направ-

ление наших разработок и исследований в области развития средств гидроавтоматики и водоучета.

Нами разработана конструкция гидрорегулятора [3] уровня нижнего бьефа, которая содержит водовыпускную трубу 1 (рисунок 1), щитовой затвор 2, ось вращения 3 и камеру 4 переменного объема, которая образована напорным щитом 5, основанием 6 и гибкой оболочкой 7, закрепленной по периметру основания и напорного щита. Напорный щит 5 соединен жестко одной из кромок с полотнищем затвора 2. Камера 4 переменного объема сообщена с водовыпускной трубой 1 отверстием 8. Затвор 2 управляется поплавком-противовесом 9, который связан штангой 10 с напорным щитом 5. Последний закреплен на оси 3 вращения.

а) Ь)

а - затвор закрыт; Ь - затвор открыт; 1 - водовыпускная труба; 2 - щитовой затвор;

3 - ось вращения; 4 - камера переменного объема; 5 - напорный щит; 6 - основание;

7 - гибкая оболочка; 8 - отверстие; 9 - поплавок-противовес; 10 - штанга

Рисунок 1 - Конструкция автоматизированного трубчатого водовыпуска

Автоматизированный трубчатый водовыпуск работает следующим образом. Первоначальное положение: поплавок 9 и напорный щит 5 зани-

мают нижнее крайнее положение, при этом камера 4 переменного объема имеет минимальный объем, а затвор 2 полностью открыт.

Вода по водовыпускной трубе 1 из верхнего бьефа поступает в нижний бьеф. В это время значения моментов сил от давления воды на затвор 2 и напорный щит 5 будут равными. Это равенство сохраняется за счет того, что рабочий напор воды действует не только на затвор 2, но и на щит 5.

По мере заполнения нижнего бьефа поплавок 9 с напорным щитом 5 начинают перемещаться вверх, вода из водовыпускной трубы 1 по отверстию 8 поступает в камеру 4, вследствие чего возникает закрывающее усилие и затвор 2 начинает закрываться.

В момент достижения заданного уровня поплавок 9 и щит 5 занимают верхнее крайнее положение, камера 4 имеет максимальный объем, затвор 2 закрыт, подача воды в нижний бьеф прекращается. При этом сохраняется равенство моментов сил от давления воды на напорный щит 5 и затвор 2. Закрывающее усилие создается подъемной силой поплавка 9.

В случае понижения уровня (ниже заданного) происходит обратный процесс. Поплавок 9 идет за уровнем воды вниз, поэтому напорный щит 5 опускается, объем камеры 4 уменьшается, а затвор 2 начинает открываться. Вода вновь заполняет нижний бьеф до заданного уровня. При этом также должно сохраняться равенство моментов сил, действующих на щит и затвор.

Основное отличие данного автоматизированного водовыпуска от известных заключается в том, что конструкция его включает сочетание гибкого и жесткого элементов. При этом гибкий элемент находится вне зоны воздействия потока, проходящего по трубе водовыпуска.

Разработанная конструкция является простой и нематериалоемкой.

Для внедрения предлагается автоматизированный трубчатый водо-выпуск АТВ-400, который обладает следующими техническими преиму-

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(07), 20І2 г., [137-144] ществами:

- простота и надежность конструкции за счет сочетания гибких и жестких элементов;

- компактность: регулятор устанавливается на выходном торце трубы водовыпуска;

- простота монтажа регулятора, не требуется существенного переустройства типовых гидротехнических сооружений;

- возможность снижения металлоемкости за счет использования полимерных материалов.

В ходе изучения процесса водораспределения на оросительных системах было установлено, что основные противоречия между потребителем и поставщиком возникают в водоучете [4, 5]. Преодоление этих противоречий возможно путем использования на оросительной системе такой технологии водоучета, которая обеспечила бы высокую объективность и независимость учета воды, и таких средств водоучета, точность измерения которых могла бы удовлетворить потребителя воды и поставщика.

Существующие приборы и устройства измерения расхода воды, зарубежных и отечественных производителей, практически не имеют применения на оросительных каналах по причинам низкой точности измерения, отсутствия на постах водоучета электроснабжения, высокой стоимости приборов и сложности в эксплуатации.

Введение платного водопользования требует от поставщиков воды оснащения пунктов водоучета техническими средствами, обеспечивающими современный уровень коммерческого водоучета, внедрения простых, надежных и энергонезависимых средств измерения.

Предлагаемый расходомер (рисунок 2), включает чувствительный элемент І в виде решетки, состоящей из плоских продольных и поперечных планок [б, 7]. Чувствительный элемент І жестко закреплен на нижней части рычага 2, он установлен на оси вращения 3. В верхнем плече

рычага 2 имеется отверстие, к которому крепится пружинный динамометр 4, установленный в защитном коробе 5. Короб 5 жестко зафиксирован в центре гидрометрического мостика 6 канала 7.

а) Ь)

а - общий вид расположения расходомера на канале; Ь - принципиальная схема работы; с - первоначальное положение; ё - рабочее положение; 1 - чувствительный элемент; 2 - нижняя часть рычага; 3 - ось вращения; 4 - пружинный динамометр;

5 - защитный короб; 6 - гидрометрический мостик; 7 - канал

Рисунок 2 - Общий вид расположения расходомера на канале и принципиальная схема работы

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Первоначальное, исходное положение чувствительного элемента 1 -вертикальное. Динамометр 4 показывает нулевое усилие. Под воздействием потока воды в канале 7 на чувствительный элемент 1 воздействует гидродинамическое давление, которое отклоняет рычаг 2 в сторону направления течения. Находящийся на другом конце рычага 2 динамометр 4 показывает величину усилия, переданного через рычаг 2. По величине замеренного усилия устанавливаем расход воды в канале.

Особенностью предлагаемого устройства является то, что впервые в качестве чувствительного элемента используется решетка, которая охватывает активную зону сечения канала. Нами были выполнены расчеты по оптимизации геометрических параметров конструкции и лабораторные исследования с целью определения гидравлических характеристик и точности измерения расхода.

Разработана методика инженерного расчета расходомера, согласно которой к внедрению предлагаются три исполнения (таблица 1).

Таблица 1 - Технические показатели штангового расходомера

с решетчатым чувствительным элементом

№ Показатели Тип расходоме ра

РШ-0,5 РШ-0,8 РШ-1,0

1 Предельный расход канала, м3/с 0,5 0,75 1,2

2 Предельная глубина в створе измерения, м 0,7 0,9 1,2

3 Ширина канала по дну, м 0,5 0,8 1,0

4 Геометрические параметры решетки: - длина горизонтальных планок, м - длина вертикальных планок, м - толщина планки, мм - ширина планки, м - количество ячеек по горизонтали, шт. - количество ячеек по вертикали, шт. 0,504 0,492 2 0,02 4 4 0,746 0,61 2 0,02 6 5 0,988 0,846 2 0,02 8 7

5 Активная площадь решетки, м 0,0404 0,16084 0,2844

6 Вес чувствительного элемента (решетки), кг 0,620 2,471 4,368

7 Погрешность измерения, % 2,5 2,5 2,5

Выводы.

1 Регулятор типа АТВ-400 рекомендуется для водовыпусков с про-

-5

пускной способностью до 0,2 м /с при гидравлическом перепаде сооружений до 0,6 м.

2 В результате внедрения АТВ-400 повышается производительность труда регулировщиков и достигается экономия оросительной воды на 15-20 %.

3 Предлагаемые конструкции расходомеров (РШ - 0,5; РШ-0,8; РШ-1,0) рекомендуются для использования на каналах внутрихозяйствен-

-5

ной оросительной сети с пропускной способностью до 1,5 м/с, шириной канала по дну до 1 м и глубиной наполнения не более 1,5 м.

Список использованных источников

1 Щедрин, В. Н. Совершенствование конструкции открытых оросительных систем и управления водораспределением / В. Н. Щедрин. -М.: Мелиорация и водное хозяйство, 1998. - 160 с.

2 Инновационные средства учета воды и водоподачи на мелиоративных системах / А. С. Овчинников [и др.] // Социально-экономические и природоохранные аспекты развития сельских муниципальных образований. - М.: Изд-во «Вестник РАСХН», 2010. - С. 190-194.

3 Пахомов, А. А. Расчет переходных процессов в каналах с автоматическим регулированием водоподачи / А. А. Пахомов, Н. А. Коло-банова, В. Ф. Скворцов // Известия Нижневолжского агроуниверситет-ского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. -2010. - № 4(20). - С. 176-181.

4 Овчинников, А. С. Организация водоучета и регулирование водо-подачи на мелиоративных системах / А. С. Овчинников, А. А. Пахомов, Н. А. Колобанова // Современные энерго- и ресурсосберегающие экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства: сб. науч. тр. / ФГБОУ ВПО «РГАТУ»; под ред. Н. В. Бышова. - Рязань, 2011. - С. 506-511.

5 Щедрин, В. Н. О состоянии приборного обеспечения и возможности совершенствования водоучета на оросительных системах / В. Н. Щедрин // Вопросы мелиорации. - 2008. - № 1-2. - C. 14-23.

6 Расходомер жидких сред в открытых каналах: пат. на пол. модель № 86300 Рос. Федерация: МПК G 01 F 1/00 / Овчинников А. С., Пахомов А. А., Мелихов К. М., Колобанова Н. А.; заявитель и патентообладатель Волгоград. гос. с.-х. акад-я. - № 2009109482/22; заявл. 16.03.09; опубл. 20.08.09, Бюл. № 23. - 5 с.

7 Пахомов, А. А. Устройство для измерения расходов воды в открытых каналах / А. А. Пахомов, С. В. Тронев, К. М. Мелихов, Н. А. Колоба-нова // Мелиорация и водное хозяйство. - 2009. - № 4. - С. 29-31.

Пахомов Александр Алексеевич - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет», доцент.

Контактный телефон: 8(8442)41-82-18. E-mail: gidro-vgsha@mail.ru

Pakhomov Aleksandr Alekseyevich - Candidate of Technical Sciences, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Volgograd State Agricultural University”, Associate Professor.

Contact telephone number: 8(8442)41-82-18. E-mail: gidro-vgsha@mail.ru

Колобанова Нина Александровна - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет», доцент. Контактный телефон: +7 917 831 64 21. E-mail: kolobanova.nina@yandex.ru

Kolobanova Nina Aleksandrovna - Candidate of Technical Sciences, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Volgograd State Agricultural University”, Associate Professor.

Contact telephone number: +7 917 831 64 21. E-mail: kolobanova.nina@yandex.ru