САМООЧИЩАЮЩИЙСЯ ФИЛЬТР ДЛЯ ДОЖДЕВАЛЬНОЙ МАШИНЫ
SELF-CLEANING FILTER FOR SPRINKLING MACHINE

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно, к искусственному орошению полей, и может использоваться в конструкции самоочищающегося фильтра, предназначенного для забора воды преимущественно из открытых источников, с целью дальнейшей подачи в трубопровод, в частности, самоходной многоопорной дождевальной машины кругового или фронтального перемещения.
Из патента Российской Федерации №2242871 на изобретение (публ. 27.12.2004 г.) известно самоочищающееся водозаборное устройство для подачи воды в дождевальную машину.
Водозаборное устройство включает всасывающий трубопровод с приемным фильтром, сеткой и коллектором с соплами гидроочистки. Сопла коллектора гидравлически связаны посредством трубки с напорной частью насоса. Водозаборное устройство снабжено также экраном и отражателем наносов. Экран размещен на кронштейнах под сеткой и образует форму "саней", что способствует перемещению водозаборного устройства над донной частью канала с оросительной водой.
Коллектор с соплами гидроочистки поверхности сетки смонтирован на кронштейнах между экраном и сеткой. Сопла коллектора гидроочистки ориентированы вдоль впадин гофрированной пластины сетки, снабженной ручками. Сетка установлена в направляющих корпуса приемного фильтра и снабжена блокиратором рабочего положения в направляющих. Верхняя часть корпуса закрыта плитой с отверстиями для установки над ними обратных клапанов и отражателя наносов. Секторы отражателя на корпусе образуют ограждение, препятствующее попаданию растительного плавающего сора к сетке.
Для запуска водозаборного устройства полость насоса, всасывающую линию и полость приемного фильтра заполняют водой. При создании разрежения в полости насоса, под действием атмосферного давления вода из открытого канала начинает поступать в полость корпуса через сетку. Во всасывающей полости насоса, линии и приемного фильтра создается поток жидкости, которым поднимаются клапаны над плитой, открывая ее отверстия. Таким образом, поток воды из канала открытой оросительной сети через отверстия в сетке поступает сначала в полость корпуса, а затем через отверстия в плите в полость приемного фильтра. При засасывании воды через сетку турбулентный поток воды не захватывает с донной части канала ил и минеральный сор благодаря размещению под сеткой экрана на кронштейнах. Часть воды из напорной полости насоса дождевальной машины поступает в коллектор и соплами под давлением направляется во впадины гофрированной пластины. Растительные остатки, взвеси, сор потоками струй из сопел смываются с нижней поверхности сетки.
Описанное водозаборное устройство обладает низкой эффективностью самоочистки, поскольку сопла коллектора неподвижны и смывают накопившуюся на сетке отфильтрованную массу только в определенной зоне неподвижной сетки. Кроме того, нижний экран может работать как полозья только на твердой поверхности или на тонком слое донных отложений, тогда как в случае толстого слоя ила экран будет просто зарываться в него, поднимая ил к сетке.
В патенте США на изобретение №4261822 (публ. 14.04.1981 г.) описано устройство фильтра для воды, относящееся к самоочищающимся самовращающимся фильтрам для дренажных насосов.
Устройство содержит стойку для поддержки барабана с внешней фильтрующей сеткой (или несколькими сетками) над дном водоема. В центральной части барабана расположена проходящая через его торцевые пластины неподвижная труба с направленными вниз водозаборниками, причем стойка соединена с трубой с обеих сторон от барабана. С одной стороны к трубе с водозаборниками присоединена отводная труба, связанная с насосом и системой привода барабана. С другой стороны в трубу с водозаборниками внедрена напорная труба, связанная с коллектором, расположенным над трубой, на котором установлены распылители. Через распылители в процессе работы подается под давлением вода для очистки изнутри внешней фильтрующей сетки барабана. Параллельно отводной трубе установлена система отбора части водяного потока для привода турбины, приводящей посредством ременной передачи во вращение барабан с сеткой.
В описанной конструкции фильтра сетка барабана очищается в постоянном режиме при его вращении.
Описанная конструкция фильтра достаточно критична к глубине водоема, в котором он находится. Поскольку фильтр располагается на дне водоема на стойке, условием его нормальной работы с выполнением очистки сетки является уровень воды выше впускных отверстий водозаборников для исключения подсоса воздуха, и ниже распылителей, чтобы очищающая струя не теряла своей мощности, проходя через слой воды и доставала до сетки с необходимым напором.
Известен самоочищающийся сетчатый узел для фильтрации поливной воды, описанный в патенте США на изобретение №8652324 (публ. 18.02.2014 г.), представляющий собой самоочищающийся барабанный фильтр, имеющий средства для очистки барабана от мусора при вращении барабана во время работы насоса. Отфильтрованная вода, поступающая в барабан, вытягивается из внутренней части барабана по всасывающей трубе для подачи в систему орошения.
Самоочищающийся сетчатый узел включает вращающийся барабан, имеющий боковую стенку, изготовленную из сетчатого материала для удаления мусора из воды, когда вода проходит в барабан.
Барабан имеет передний торец и задний торец, а также множество планок, проходящих по длине барабана между передним и задним торцами. Сетчатая боковая стенка барабана проходит между передним и задним торцами и поддерживается планками для сохранения цилиндрической формы.
Передний торец барабана поддерживается опорной конструкцией, которая позволяет барабану вращаться вокруг горизонтальной оси, а также имеет отверстие, через которое пропущена впускная труба для забора воды из внутренней части барабана. Впускная труба соединена с всасывающей трубой. Барабан вращается вокруг впускной трубы, которая остается неподвижной.
Передний торец барабана имеет поверхность с выступающим наружу кольцом. Опорная конструкция для поддержки переднего торца барабана включает в себя множество, предпочтительно четыре, ролика, которые поддерживают внешнюю поверхность кольца, позволяя барабану вращаться вокруг своей горизонтальной оси, опираясь на ролики. Ролики вращаются на отдельных осях, параллельных оси вращения барабана, причем первая пара роликов расположена над горизонтальной осью вращения барабана, а вторая пара роликов расположена ниже горизонтальной оси барабана. Первая и вторая пары роликов обеспечивают опору на противоположных сторонах кольца.
Для вращения барабана во время работы сетчатого узла используется электродвигатель. Бесконечный ремень, например, клиновой ремень, проходит вокруг приводного шкива на выходном валу электродвигателя и вокруг кольца на переднем торце барабана для его вращения при работе электродвигателя. Ролики входят в зацепление и катятся по кольцу рядом с ремнем. Задний торец барабана поддерживается полым валом и подшипником или другой подходящей конструкцией, позволяющей барабану свободно вращаться вокруг горизонтальной оси во время работы.
Барабан поддерживается рамой, которая включает основную балку, проходящую по всей длине барабана, и поперечины, расположенные на каждом конце основной балки. Дополнительные элементы рамы используются для соединения поперечин. Рама поддерживается плавучей конструкцией, состоящей из поплавков, соединенных с поперечинами, чтобы обеспечить работу барабана на желаемой глубине в источнике воды. В предпочтительном варианте осуществления плавучая конструкция поддерживает барабан в источнике воды так, что впускная труба и нижняя часть (приблизительно 70%) вращающегося барабана погружены в воду, а верхняя часть барабана остается выше уровня воды.
Распылительные форсунки системы очистки расположены внутри барабана на коллекторе, соединенном с полым валом заднего торца барабана, откуда под давлением поступает вода для форсунок. Распылительные форсунки направлены на распыление воды в радиальном направлении наружу изнутри барабана, так что распыляемая вода попадает на внутреннюю поверхность сетчатого материала боковой стенки.
При работе самоочищающийся сетчатый узел по описанному изобретению помещается в источник воды, а впускная труба соединяется с всасывающей трубой ирригационного насоса или другой подходящей системы водопользования. Во время работы оросительная вода беспрепятственно поступает в барабан через сетчатую боковую стенку, а отфильтрованная вода всасывается через входные отверстия впускной трубы в выходной патрубок. Далее вода проходит из выходного патрубка в трубу или другую конструкцию, питающую оросительный насос или другую систему водопользования. Также во время работы барабан приводится во вращение вокруг своей горизонтальной оси электродвигателем.
Особенностью данной конструкции является невозможность ее работы на малых глубинах. Кроме того, отсутствуют средства предотвращения сброса воды при отключении насоса.
Наиболее близким по технической сущности является самоочищающийся фильтр, описанный в патенте США на изобретение №7670482 (публ. 02.03.2010 г.), взятый за прототип.
Фильтр включает в себя вращающийся барабан, имеющий боковую стенку из сетчатого материала для удаления мусора из воды, когда вода проходит внутрь барабана. Внутри барабана расположена впускная камера для сбора и подачи воды во всасывающую трубу, которая снабжает водой центробежный насос. На нижней стороне впускной камеры расположено множество входных отверстий, каждое из которых связано с узлом обратного клапана. Узел обратного клапана предотвращает вытекание воды из входного отверстия впускной камеры, удерживая таким образом воду во впускной камере и всасывающей трубе при выключенном насосе, чтобы насос загрузился, начав работу, без прохождения стадии накачки воды во впускную камеру и всасывающую трубу. Узел обратного клапана включает в себя стержень клапана, который установлен с возможностью скольжения над входным отверстием для перемещения между закрытыми и открытыми положениями. Клапан имеет тарельчатый клапанный элемент, который закрывает входное отверстие впускной камеры, когда клапан находится в закрытом положении. Каждый клапан перемещается вверх от его закрытого положения до открытого положения при прохождении воды через входные отверстия во впускную камеру при создании насосом разрежения во всасывающей трубе и возвращается в закрытое положение силой тяжести, когда вода перестает заходить во впускную камеру.
Барабан имеет первый и второй торцы и множество планок, проходящих вдоль боковой стенки барабана между первым и вторым торцами. Первый торец барабана поддерживается валом и подшипником или другой подходящей конструкцией, чтобы позволить барабану свободно вращаться вокруг горизонтальной оси во время работы.
Второй торец барабана также поддерживается опорной конструкцией, что позволяет барабану вращаться вокруг горизонтальной оси. Второй торец барабана снабжен отверстием, через которое вода может быть взята из внутренней части барабана. Опорная конструкция для поддержки второго торца барабана включает в себя пару опорных колес, которые входят в зацепление с кольцевым фланцем, который проходит вокруг отверстия барабана. Опорная конструкция также содержит неподвижную пластину, которая закрывает часть отверстия во втором торце барабана, оставляя участок, через который всасывающая труба введена внутрь барабана.
Планки между первым и вторым торцами используются для вращения барабана путем приема движущей силы из воды, текущей мимо барабана (например, потока реки или канала), или путем приема движущей силы от силовой приводной системы, которая распыляет воду на планки барабана во время работы насоса.
Очистка боковой стенки барабана обеспечивается коллектором и множеством распылительных сопел, расположенных внутри барабана. Распылительные сопла направлены на распыление воды в радиально наружном направлении изнутри барабана, так что распыленная вода падает на внутреннюю поверхность сетчатого материала боковой стенки, вытесняя любой мусор, застрявший на сетчатом материале, когда барабан вращается, для обеспечения непрерывного самоочищающего воздействия на барабан.
Барабан поддерживается каркасом, который включает в себя первую и вторую балки, расположенные с обеих сторон барабана. Дополнительные крестовины и элементы рамы расположены между балками для дополнительной поддержки и жесткости. Каркас поддерживается множеством поплавков для обеспечения работы барабана на желаемой глубине в источнике воды.
Впускная камера расположена внутри барабана для сбора и подачи воды во всасывающую трубу, с которой она соединена. Впускная камера установлена внутри барабана и остается неподвижной, когда барабан вращается вокруг нее. Впускная камера поддерживается одним своим концом с помощью жесткой связи с всасывающей трубой и опорной конструкцией на втором торце барабана. Другой конец впускной камеры закреплен под валом или подшипником, поддерживающими первый торец барабана. Впускная камера ориентируется горизонтально и имеет в целом плоскую нижнюю сторону, образованную пластиной с входными отверстиями, а также имеет боковые стенки. Профиль впускной камеры, как видно на Fig. 3, Fig. 4 патента США на изобретение №7670482, постоянен по всей ее длине от первого торца до второго торца барабана, таким образом, впускная камера расположена ниже оси вращения барабана, причем в верхней точке профиля впускная камера совпадает с верхней точкой профиля всасывающей трубы.
Входные отверстия расположены вдоль нижней стороны впускной камеры. Выпускное отверстие обеспечивается с помощью торцевой стенки впускной камеры для ее соединения с всасывающей трубой через неподвижную пластину опорной конструкции, поддерживающей второй торец барабана. Выпускное отверстие позволяет воде перемещаться из впускной камеры во всасывающую трубу во время работы насоса.
Технической проблемой описанного самоочищающегося фильтра является его недостаточная производительность из-за нерациональной конструкции впускной камеры, размеры поперечного сечения которой постоянны по всей длине от первого торца до второго торца барабана, в то время как объем поступающей во впускную камеру воды возрастает от глухой стенки впускной камеры, ближней к первому торцу барабана, до торцевой стенки впускной камеры с выпускным отверстием. Это происходит из-за суммирования локальных водных потоков во впускной камере через входные отверстия в сторону выпускного отверстия, где объем водного потока максимален.
Указанная техническая проблема в самоочищающемся фильтре для дождевальной машины, содержащем установленный с возможностью вращения в опорной конструкции барабан с боковой стенкой из сетчатого материала, внутри барабана расположена соединенная с всасывающей трубой своим выпускным отверстием впускная камера с множеством входных отверстий на нижней стороне, взаимодействующих с обратными клапанами, решается тем, что впускная камера по меньшей мере частично выполнена с плавным расширением в сторону своего выпускного отверстия, причем расширяющаяся часть впускной камеры по меньшей мере частично расположена выше геометрической оси вращения барабана.
Барабан, как правило, снабжен первым торцом и вторым торцом и множеством планок, проходящих вдоль боковой стенки барабана между первым и вторым торцами.
Барабан установлен предпочтительно в опорной конструкции, где первый торец барабана подвижно связан с первой вертикальной стойкой, второй торец барабана подвижно закреплен на второй стойке, выполненной в виде сходящихся снизу вверх балок, причем первая и вторая стойки соединены верхней продольной балкой. При этом второй торец барабана преимущественно снабжен отверстием с установленной в нем всасывающей трубой, при этом опорная конструкция для поддержки второго торца барабана включает в себя пару опорных колес, взаимодействующих с кольцевым фланцем, который расположен вокруг отверстия барабана, а также неподвижную пластину, закрывающую часть отверстия во втором торце барабана, исключая участок, через который всасывающая труба введена внутрь барабана.
Опорная конструкция с барабаном может быть поддержана каркасом, содержащим первую и вторую балки, расположенные с обеих сторон барабана, и дополнительные элементы, закрепленные между балками, при этом каркас установлен на нескольких поплавках.
Каждый обратный клапан выполнен преимущественно содержащим стержень клапана, который установлен с возможностью скольжения над входным отверстием впускной камеры между закрытыми и открытыми положениями, а также тарельчатый клапанный элемент, закрывающий входное отверстие впускной камеры при нахождении клапана в закрытом положении.
Внутри барабана предпочтительно установлен коллектор с множеством распылительных сопел, направленных на распыление воды на боковую стенку изнутри барабана.
Технический результат выражается в увеличении производительности самоочищающегося фильтра путем увеличения объема отфильтрованной воды, отбираемой из впускной камеры, которая по меньшей мере частично выполнена расширяющейся к своему выпускному отверстию, что позволило суммировать локальные водные потоки во впускной камере через входные отверстия без создания дополнительного разрежения во всасывающей трубе во время работы насоса.
Заявляемое изобретение представлено на следующих рисунках.
На фиг. 1 показан самоочищающийся фильтр для дождевальной машины, вид сбоку.
На фиг. 2 изображен самоочищающийся фильтр для дождевальной машины, вид сверху.
На фиг. 3 приведен вид А (фиг. 1) на первый торец барабана.
На фиг. 4 представлен вид Ж (фиг. 3) на узел установки первого торца барабана на первой стойке.
На фиг. 5 показан вид Е (фиг. 3) на силовую приводную систему барабана.
На фиг. 6 приведен вид Б (фиг. 3) в осевом разрезе на узел установки первого торца барабана на первой стойке.
На фиг. 7 изображен продольный осевой разрез узла барабана и впускной камеры.
На фиг. 8 представлен вид В (фиг. 7) - поперечный разрез узла барабана и впускной камеры.
На фиг. 9 показан вид Е (фиг. 7) - поперечный разрез по всасывающей трубе с видом на второй торец барабана.
Самоочищающийся фильтр для дождевальной машины (фиг. 1, 2) содержит барабан 1 с боковой стенкой 2 из сетчатого материала, например, из стальной сетки, установленный с возможностью вращения в опорной конструкции. Барабан 1, как правило, снабжен первым торцом 3 и вторым торцом 4 и множеством планок 5, проходящих вдоль боковой стенки 2 барабана 1 между первым и вторым торцами 3, 4. Внутри барабана 1 расположена соединенная с всасывающей трубой 6 своим выпускным отверстием 7 впускная камера 8 (фиг. 7, 8) с множеством входных отверстий 9 на нижней стороне 10, взаимодействующих с обратными клапанами. Барабан 1 установлен предпочтительно в опорной конструкции, где первый торец 3 барабана 1 подвижно связан с первой вертикальной стойкой 11 опорной конструкции, а второй торец 4 барабана 1 подвижно закреплен на второй стойке 12 опорной конструкции, выполненной в виде сходящихся снизу вверх балок, причем первая и вторая стойки 11, 12 соединены верхней продольной балкой 13. Второй торец 4 барабана 1 преимущественно снабжен отверстием 14 с установленной в нем всасывающей трубой 6, при этом опорная конструкция для поддержки второго торца 4 барабана 1 включает в себя пару опорных колес 15, установленных на всасывающей трубе 6 и взаимодействующих изнутри с кольцевым фланцем 16, который расположен на втором торце 4 барабана 1 вокруг отверстия 14, а также неподвижную пластину 17, закрывающую часть отверстия 14 во втором торце 4 барабана 1, исключая участок, через который всасывающая труба 6 введена внутрь барабана 1. Опорная конструкция с барабаном 1, как правило, поддержана каркасом, содержащим первую и вторую балки 18, 19, расположенные с обеих сторон барабана 1, и дополнительные элементы 20, закрепленные между балками 18, 19, при этом каркас установлен на нескольких поплавках 21 (фиг. 1, 2). Внутри барабана 1 предпочтительно установлен коллектор 22 с множеством распылительных сопел 23, направленных на распыление воды на боковую стенку 2 изнутри барабана 1.
Впускная камера 8 (фиг. 7) по меньшей мере частично выполнена с плавным расширением в сторону своего выпускного отверстия 7, причем расширяющаяся часть 24 впускной камеры 8 по меньшей мере частично расположена выше геометрической оси 25 вращения барабана 1. Такое выполнение впускной камеры 8 позволяет суммировать к ее выпускному отверстию 7 водные потоки, заходящие через входные отверстия 9, без создания дополнительного разрежения во всасывающей трубе 6 во время работы насоса. При этом, расширение впускной камеры 8 возможно только за геометрическую ось 25 вращения барабана 1, поскольку при этом сохраняется работоспособность фильтра с недопущением проникновения неочищенной воды внутрь барабана 1 через зазоры 26 между его подвижными частями и неподвижными частями опорной конструкции.
Каждый обратный клапан выполнен предпочтительно содержащим стержень 27 клапана, который установлен с возможностью скольжения над входным отверстием 9 впускной камеры 8 между закрытыми и открытыми положениями, а также тарельчатый клапанный элемент 28, закрывающий входное отверстие 9 впускной камеры 8 при нахождении клапана в закрытом положении. Каждый клапан перемещается вверх от его закрытого положения до открытого положения при прохождении воды через входные отверстия 9 во впускную камеру 8 при создании насосом разрежения во всасывающей трубе 6 и возвращается в закрытое положение силой тяжести, когда вода перестает заходить во впускную камеру 8.
В исходном состоянии фильтр на поплавках 21 размещается в источнике воды (река, озеро, канал) так, что нижняя сторона 10 впускной камеры 8 с входными отверстиями 9 находится ниже уровня воды. В то же время, поплавки 21 поддерживают расположение барабана 1 таким образом, что уровень воды постоянно находится ниже зазора 26 между его подвижным вторым торцом 4 и неподвижными частями опорной конструкции.
Планки 5 между первым и вторым торцами 3, 4 барабана 1 используются для вращения барабана 1 путем приема движущей силы из воды, текущей мимо барабана 1 (например, потока реки или канала), или путем приема движущей силы от силовой приводной системы 29 (фиг. 5), которая распыляет снаружи воду на планки 5 барабана 1 во время работы насоса. При этом очистка боковой стенки 2 барабана 1 обеспечивается коллектором 22 и множеством распылительных сопел 23, расположенных внутри барабана 1. Распыленная под давлением вода падает на внутреннюю поверхность сетчатого материала боковой стенки 2 барабана 1, вытесняя любой мусор, застрявший на сетчатом материале, когда барабан 1 вращается, для обеспечения непрерывного самоочищающего воздействия на барабан 1.
При включении насоса, подающего воду в трубопровод дождевальной машины, во всасывающей трубе 6 и впускной камере 8 создается разрежение, под действием которого вода через входные отверстия 9 заходит во впускную камеру 8, переводя каждый тарельчатый клапанный элемент 28 из закрытого в открытое положение. Впускная камера 8 и всасывающая труба 6 заполняются, вода подается в трубопровод дождевальной машины.
При отключении насоса каждый тарельчатый клапанный элемент 28 под действием силы тяжести опускается на входное отверстие 9, перекрывая вытекание воды обратно в источник.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники будут способны разработать множество альтернативных вариантов осуществления без отступления от объема приложенной формулы изобретения. Сам по себе тот факт, что определенные критерии перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что комбинация этих критериев не может быть использована для получения положительного эффекта.