СИСТЕМА ВАКУУМНОГО ДРЕНАЖА
VACUUM DRAINAGE SYSTEM

Изобретение относится к области мелиорации и может быть использовано для осушения грунтов в тяжелых по механическому составу почвах, а также при регулировании уровня воды в верхних бьефах перегораживающих сооружений на оросительных и осушительно-увлажнительных каналах.
Известен регулятор уровня грунтовых вод, включающий запорный орган с поплавковым приводом и штоком, установленный на оголовке дрены, расположенном в дренажном колодце, запорный орган которого выполнен в виде поворотного в вертикальной плоскости Г-образного патрубка с водосливными окнами, снабженного съемным стаканом-затвором, установленным на нем с возможностью свободного перемещения и фиксации в крайних положениях и связанным с поплавковым приводом, при этом стакан соединен посредством съемных крепежных скоб со штоком поплавкового привода при изменении положения Г-образного патрубка на противоположное. Кроме того, с целью фиксированного соединения, стакан-затвор имеет внутренний круговой валик с прорезью, а Г-образный патрубок в верхней части снабжен тремя фиксаторами, расположенными под углом 120°, и в нижней - опорным диском (Авторское свидетельство СССР №1645360, кл. E02B 11/00, 1991).
Однако регулятор имеет невысокую точность стабилизации уровня, требует в режиме сброса при верхнем положении запорного органа достаточно больших усилий для управления затвором-стаканом и характеризуется сложностью конструкции. Устройство окон затвора предусматривает периодическую очистку последних, что затрудняет эксплуатацию регулятора. При этом не обеспечивает достаточного быстродействия, так как часть энергии воды затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений истечения воды через затвор-стакан, а также не позволяет осуществить дистанционное управление и контроль.
Известен также регулятор уровня грунтовых вод, содержащий отрезок трубы, запорный орган, состоящий из жесткой конструкции с расположенным на нем рычажным устройством с грузом и поплавковым приводом (Авторское свидетельство СССР №871153, кл. G05D 9/02, Е02В 11/00, 1981).
Данное устройство ненадежно из-за трения трубы в трубе, попадания мусора и отсутствия возможности управления системой для полного уравновешивания рычажного устройства и сложно в изготовлении. Кроме того, не обеспечивает достаточную точность и быстродействие регулирования, а также не позволяет осуществлять дистанционное управление и контроль. При этом конструкция запорного органа и расположение его колоде приводят к необходимости создания значительных усилий для преодоления гидростатического давления, действующего на всю площадь затвора при его открытии. Эти усилия снижают безотказность срабатывания устройства, а следовательно, и надежность его эксплуатации, причем система рычажного механизма на жесткой конструкции с грузом со сложными изломами в соединении также увеличивает усилия на поплавковое устройство, а следовательно, снижают безотказность срабатывания устройства.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности является система вакуумного дренажа, содержащая отводящие и подводящие дрены, накопительную емкость, сообщающуюся с отводящей дреной через сифон, смотровой колодец, в котором смонтирован сифон и накопительная емкость связана трубой, и поплавок (Авторское свидетельство СССР №1381241, кл. E02B 11/00, 1988).
Недостатками известной системы вакуумного дренажа является то, что она не обеспечивает достаточную точность и быстродействие регулирование, а также не позволяет осуществить дистанционное управление и контроль. Поплавковый затвор достаточно долго затягивает процесс полного открытия дрены и не позволяет повысить быстродействия, так как затвор, следуя за поплавком при изменении уровня в смотровом колодце, медленно открывает и закрывает отверстие дрены, через которое она сообщается с колодцем, при этом конструкция поплавкового затвора и расположение его приводит к необходимости создания значительных усилий для преодоления гидростатического давления, действующего на всю площадь поплавкового затвора при его открытии, возникают трудности из-за трения и в самом поплавке при открытии и закрытии затвора (перекосы). Эти недостатки снижают безотказность срабатывания устройства, а следовательно, и надежность его эксплуатации.
Цель изобретения - повышение эффективности работы путем повышения быстродействия и точности регулирования.
Поставленная цель достигается тем, что система вакуумного дренажа, содержащая отводящие и подводящие дрены, накопительную емкость, сообщающуюся с отводящей дреной через сифон, смотровой колодец, и поплавок, содержит трехплечий шарнирно-рычажный механизм, первое плечо которого шарнирно соединено с первой горизонтальной осью вращения, с которой связан затвор с возможностью вращения и фиксации в крайних положениях посредством фиксаторов на выходном оголовке камеры, сопряженной с подводящей трубой и которая размещена в смотровом колодце, причем механизм ограничения в виде ползуна, связанного рычагом и соединенного со вторым плечом в виде штока, закреплен на стояке подвижно, а второй ограничитель установлен ниже ползуна с рычагом, закрепленного стопорным винтом, и взаимодействует с последним при открытом положении затвора, и второе плечо шарнирно соединено с рычагом, шарнирно соединенным со штоком, жестко соединенным с поплавком, установленным в дополнительной камере и уравновешенным грузом посредством штока ниже поплавка, при этом в дне дополнительной камеры выполнено впускное отверстие с размещенным клапаном, соединенным с поплавковым датчиком. Кроме того, сифон содержит расположенный под колпаком поплавок и клапан, установленный в отверстии, соединяющем полость колпака с атмосферой, и связанный с поплавком, на котором закреплен торец гибкой трубки, соединенной трубкой с соплом Вентури, причем клапан в верхней части колпака установлен с возможностью перемещения по штоку. При этом установленный поплавок в дополнительной камере снабжен грузом с изменяющей массой.
Предлагаемая система вакуумного дренажа направлена на устранение указанных недостатков за счет конструкции, которая позволяет уменьшить величину гидростатического давления при открытии запорного затвора за счет конструкции и уравновесить систему поплавковой части и конкретной массы груза, а также взаимосвязи клапана с поплавковым датчиком уровня, увеличить быстродействие сработки затвора в камере, сопряженной с оголовком подводящей трубы с накопительной емкостью. Кроме того, сифон обладает большой способностью также быстродействия, а воздуховыпускное отверстие не вносит постоянных искусственных возмущений в стабилизацию отводимого расхода в отводящую дрену, а используется только при возмущениях в смотровом колодце, вызывающих увеличение расхода до заданного.
На фиг.1 изображена система вакуумного дренажа, общий вид; на фиг.2 - вид А на фиг.1.
Система вакуумного дренажа включает подводящую дрену 1, накопительную емкость 2, камеру 3, соединенную трубой 4, размещенных в смотровом колодце 5, и затвор 6. Затвор 6 связан с первой горизонтальной осью 7 вращения и с трехплечим шарнирно-рычажным механизмом, состоящим из плеч 8-10 шарнирно, представляющих три стороны параллелограмма. Первое плечо 8 шарнирно соединено с первой горизонтальной осью вращения. Второе плечо выполнено в виде штока 9 и установлено на второй горизонтальной оси 11 вращения и соединено с рычагом 10, шарнирно соединенным со штоком 12. Шток 9 посредством рычага 13 с ползуном 14 связан со стойкой 15, на которой закреплен ограничитель 16, с помощью стопорного винта 17. На штоке 12 закреплен поплавок 18 и груз 19 с изменяемой массой на штоке с нижней стороны поплавка 18, причем поплавок 18 размещен в дополнительной камере 20. Камера 20 сообщается с трубой 4 камерой 21 посредством впускных отверстий 22 и 23. Впускное отверстие 23 снабжено клапаном 24 с поплавковым датчиком 25, причем отверстие 23 выполнено с выступами-ограничителями 26 с окнами, периодически взаимодействующими с поплавковым датчиком 25. На боковой стенке камеры 20 выполнено калиброванное отверстие 27. В начале отводящей дрены 28 установлен сифон, выполненный в виде вертикально установленного цилиндрического патрубка 29 и расположенного над ним колпака 30, полость 31 которого соединена через клапан 32 со штоком 33 с атмосферой, и установленное в смотровом колодце 5 сопло Вентури 34, сужение 35 которого соединено с полостью колпака трубкой 36, а выход сопла Вентури соединен с отводящей дреной 28. Под колпаком установлен поплавок 37, связанный тягой 38 с поплавком, причем на поплавке закреплен торец 39 трубки, часть 40 которой выполнена гибкой. Поплавок может быть размещен в емкости 41 (фиг.2), закрепленной на колпаке и соединяемой с полостью 31 отверстиями 42.
Система работает следующим образом. Поступающая в дрену 1 вода, стекая по уклону, попадает в накопительную емкость 2. Накопительная емкость принимает до тех пор пока вода в ней не заполнит камеру 21, поплавковый датчик 25 всплывает и, упираясь при контакте о выступы-ограничители 26 в дне дополнительной камеры 20, поднимает клапан 24, открывает впускное отверстие 23 и дополнительная камера 20 наполняется до тех пор пока на поплавок 18 не начнет действовать выталкивающая сила, и шток 12 увлекает груз 19 переменной массы вверх - поднимается, что перемещает плечи 10-8 и влечет открытие затвора 6 и пропуск воды в смотровой колодец 5 соответственно необходимому расходу. При этом нарушается равновесие, так как подъемная сила поплавка 18 больше, чем вес части затвора 6 на оси 7, перемещаясь вниз, воздействует через шток 9 на рычаг 8, т.е. приводит в движение плечи 8-10 шарнирно-рычажного механизма. Шток 9 зафиксирован в ползуне 14 с рычагом 13 на стойке 15 и при опускании штока 9 вместе с рычагом 13 при полном открытии затвора 6, приводит к взаимодействию с ограничителем 16, который зафиксирован с помощью стопорного винта 17 на стойке 15 и фиксируется, что приводит к увеличению заполнения смотрового колодца 5 водой.
При открытом затворе 6 вода перетекает из смотрового колодца 5 в отводящую дрену 28, в сужении 35 сопла Вентури 34 создается вакуум, за счет которого в полости 31 колпака 30 создается разряжение. От возникновения вакуума в этой полости уровень воды в колпаке 30 увеличивается, достигает гребня и вода начинает переливаться в вертикально установленный цилиндрический патрубок 29, еще более увеличивая вакуум захватом и выносом воздуха из полости 30. Как только верхняя поверхность слоя перелива достигает торца 39 трубки 36, отсос воздуха прекращается. Так как дополнительного понижения вакуума не происходит, наступает равновесное состояние, и переливной слой сохраняет постоянной свою величину наполнения, а сифон - постоянный расход. От возмущения в смотровом колодце, вызвавшего уменьшение заданного расхода, переливной слой становится меньше, торец 39 трубки 36 теряет контакт с поверхностью переливного слоя и начинается отсос воздуха из полости 31, причем процесс нарастания слоя перелива до заданного идет быстрее, так как клапан 32 закрыт (зависящий от установки штока 33 в нужное положение). И только в случае резкого возмущения расхода в смотровом колодце 5, вызвавших увеличение расхода от открытия затвора 6 в камере 3 от заданного, а следовательно, и рост переливного слоя более заданной величины перелива, поплавок 37, всплывая, воздействует через тягу 38 на клапан 32, который сообщает полость 31 с атмосферой. При понижении переливного слоя поплавок 37 вновь закрывает клапан 32 и расход стабилизируется.
Когда уровень воды в камере 20 падает, выталкивающая сила на поплавок 18 с противовесом 19 уменьшается, и они опускаются.
Выполнение клапана 24 с датчиком уровня 25 на впускном отверстии 23 в дне камеры 20 позволяет делать выдержку по времени открытия затвора в камере 3 и пропуск избытка воды в смотровой колодец 5 до полного его опорожнения.
При снижении уровня в камере 21 датчик уровня опустится и отверстие 23 вновь закроется клапаном 24 под весом датчика уровня, а камера 20 постепенно опорожняется через калиброванное отверстие 27, расположенное в боковой стенке камеры 20. Причем возможность опорожнения камеры 21 и камеры 20 взаимосвязаны с общей суммарной площадью отверстий 21 и 27. Избыток воды из камеры 20 отводится через калиброванное отверстие 27 в колодец 5. В результате чего шарнирно-рычажный механизм воздействует на плечо 8 и затвор 6 на шарнире 7 закроет камеру 3. Положение веса поплавка 18 можно регулировать с помощью груза 19 с изменяемой массой. С целью уменьшения усилия на поплавковое устройство в камере 20 система сконструирована таким образом, чтобы суммарное усилие от веса штока 12 и левой части штока 9 с рычагами 13, 8 и затвора 6 уравновешивалось с регулируемым грузом 19 с переменной массой с поплавком 18, т.е. учитываются произведения веса элементов на расстояния усилия (на чертеже не показано для упрощения).
Система позволяет осуществить регулирование на дренах, имеющих повышенный уклон местности в автоматическом режиме, повысить точность регулирования расхода воды в смотровом колодце и увеличения быстродействия регулирующего органа. Система вакуумного дренажа надежна и устойчива в работе, уровень воды в колодце быстро стабилизируется до необходимых расходов; автоматический непрерывный контроль за уровнем исключает аварийную ситуацию.
Предлагаемая система обладает перечисленными достоинствами потому, что автоматическое регулирование надежнее, чем известное. После опорожнения емкости 2 система вакуумного дренажа готова к новому циклу работы.