ПЕСКОГРАВИЕЛОВКА
SAND AND GRIT CATCHER

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к устройствам для очистки воды от наносов, и предназначено для предотвращения попадания донных и взвешенных наносов, фракций более 0,2 мм, в трубопроводы с машинным орошением и аванкамеры насосных станций.
Известно устройство для осветления воды, содержащее корпус с отводящим каналом, спиральную камеру, расположенную внутри корпуса и выполненную в виде переливной стенки, подводящий канал, подключенный к входу к спиральной камере, и промывной трубопровод, подключенный к промывному отверстию в дне спиральной камеры, при этом водопереливная стенка очерчена по витку спирали Архимеда в пределах угла поворота радиус-вектора, а промывное отверстие расположено в полюсе этой спирали (авторское свидетельство СССР №1330254, кл. E02B 8/02, 1987).
Недостаток данного устройства обусловлен его сложной конструкцией, включающей водосливную стенку, очерченную по спирали Архимеда в пределах угла поворота, и сложностью ее гидравлического расчета. Низкая надежность работы является в том, что взвешенные наносы фракций, перераспределяясь в плане, частично во взвешенном состоянии могут поступать через переливную стенку в корпус и далее к потребителю. Это в первую очередь требует, чтобы было постоянство перелива воды, однако, в процессе работы сооружения, происходит частое изменение расходов в подводящем канале. В случае насыщенности потока в большом количестве влекомыми и взвешенными наносами, промывное отверстие не справляется с их промывкой, и происходит частичный завал по ширине камеры. В результате этого увеличивается наполнение в кольцевой камере, и наносы могут попадать через переливную стенку к потребителю, т.е. высота стенки переливной не рассчитана на такой гидравлический режим ее работы, соответственно, гидравлическая структура в камере меняется. В этом случае более мелкие наносы начнут поступать в отводящий трубопровод к потребителю. Таким образом, известное сооружение не позволяет полностью защитить канал чистой воды части взвешенных наносов. Задача в известном устройстве решается только в одном техническом цикле, защита от донных наносов при определенном заданном расчетном расходе.
Наиболее близким к предложенному по назначению, технической сущности и достигаемому результату является отстойник, который для повышения надежности в работе снабжен поплавковым клапаном, установленным на конце разрядной трубки, расположенным в обращенной к отводящему патрубку секции корпуса (авторское свидетельство СССР №1350242, кл. E028/02, 1987).
Недостатком известного устройства является периодическая подача воды потребителю по отводящему патрубку, которая прерывается на время промывки отстойника посредством задействования восходящей и нисходящей ветви сифона. В результате в трубопроводах с чистой водой создаются воздушные пробки, снижающие эффективность в работе известного устройства и тем самым затрудняющие водоснабжение. Кроме того, происходит завал выходного отверстия восходящей ветви сифона скопленными наносами в конусной части отстойника, у окна и естественная кольматация их, что может препятствовать включению в работу сифона (во-первых) и привести к недостаточности всасывающего усилия сифона для поднятия массы на всю высоту восходящей ветви сифона, т.е. высоту от входного отверстия сифона вплоть до капора.
Известны также, например, гидроциклоны и пескогравиеловки по авторским свидетельствам СССР: №№184187, 367895, 544473, 816558, 823647, 882942, 886998, 106552, 1392188, 1456234, 1546547.
Однако известные устройства сложны, обусловленные многочисленными элементами, не практичными в изготовлении, что не позволяет обеспечить надежную продолжительную работу устройства в ходе их эксплуатации.
Цель изобретения - повышение эффективности работы за счет облегчения смыва донных и взвешенных наносов в сбросной коллектор.
Поставленная цель достигается тем, что пескогравиеловка, включающая служащую для сбора наносов приемную емкость цилиндрической формы, имеющую наклонное дно и сообщенную с подводящим водоводом и сбросным коллектором, подводящий водовод снабжен гасительным устройством в виде пустотелого цилиндра с водовыпускными окнами, разделенного на две полости горизонтальной перегородкой с отверстием в средней части, вмонтированные ниже водовыпускных окон, и пирамидальный рассекатель расположен соосно отверстию в перегородке выше наклонного дна, которое выполнено выпускным донным отверстием и образует со стенками основной цилиндрической емкости в узкой части ее промывное окно, сообщенное с полостью коллектора посредством дополнительной емкости, объем которой больше, чем объем основной емкости, при этом в стенках наклонного дна основной емкости относительно друг друга выполнены водовыпускные отверстия, которые снабжены наносоотбойными элементами в виде затворов с возможностью вертикального перемещения в сторону пустотелого цилиндра со стороны полости основной емкости, при этом дно основной и дополнительной емкостей имеет наклон под различным углом к горизонтальной оси устройства, закрепленного в основании фундамента. Кроме того, с целью уменьшения деформации устройства в условиях изменения энергетических параметров падающего потока воды, она снабжена фундаментом, на котором установлена дополнительная емкость, при этом ряды отверстий в стенках цилиндра расположены ближе к отверстию в перегородке, имеют меньший диаметр, чем отверстие в перегородке.
Такая взаимосвязь и взаимозависимость основных элементов пескогравиеловки позволит высокоскоростному потоку воды, обогащенному наносами, попадая, во-первых, в основную емкость, проходя через воздушный слой, расширяться и терять часть кинетической энергии. Песок, гравий и часть взвешенных наносов направляются через отверстие в средней части перегородки и делятся пирамидальным рассекателем перед промывным дном основной емкости. В процессе работы в верхней части емкости устанавливается подпор воды с определенным воздушным слоем, высота которого назначается в зависимости от кинетических характеристик потока (струи) воды, регулируемая наносоотбойными подвижными элементами, одновременно, конструкция узкой части основной емкости эффективно использует зону сжатия потока с ее гидравлической структурой потока. При этом в расширенной полости дополнительной емкости влекомые и взвешенные наносы продолжают поступать на наклонное дно ее и через водовыпускные отверстия, перекрываемые наносоотбойными элементами в виде затворов, вода под напором струй смывает постоянно отложившиеся наносы с наклонных стенок дна с расположенной кольцевой обечайкой, в сторону промывного трубопровода (канала). При поднятии или опускании затворов они открывают частично или полностью водовыпускные отверстия в наклонных стенках дна основной емкости. Таким образом, высота подпора воды в ней для образования в верхней части воздушного слоя и смыв наносов в узкой части последней регулируются затвором. В связи с этим происходит полное использование объема узкой части дополнительной емкости для удаления из нее влекомых и взвешенных наносов, даже при снижении поступления расходов воды из подводящего водовода, за счет установки напорного режима в основной емкости, т.е. в зависимости от кинетических характеристик потока и выделения воздушного слоя в верхней части емкости. Предложенное сооружение осуществляет необходимую деформацию потока по высоте вертикальных емкостей и способствует активному смыву наносов вниз по наклонному дну с уклоном 45-60° в основной емкости, где поток теряет основную часть кинетической энергии, а дополнительная емкость с наклоном дна и углом наклона не менее 30° учитывает поступление струи через водовыпускные отверстия в стенках основной емкости, не создающее препятствие (экранирующей) перемещению их вверх. Кроме того, повышается качество очищаемой воды в зоне между стенками основной и дополнительной расширенной емкостей, когда вода поступает в верхний отводящий трубопровод (канал) осветленной воды. По сравнению с прототипом предложенное устройство работает в режиме непрерывной подачи осветленной воды потребителю, а сброс ее для промывки наносов достигает минимальных расходов из-за активного их смыва в узкой части дополнительной емкости, соответственно, и в основной емкости.
Различные углы наклонных стенок емкостей и связь с элементами сооружения улучшила гидравлические характеристики падающего потока воды с наносами.
Таким образом, расщепление высокоскоростного потока уже в верхней части пустотелого цилиндра на отдельные струи и попадание в нижнюю часть с двух ярусов (ярусов может быть и больше в зависимости от выпускных окон в пустотелом цилиндре) позволяет повысить надежность работы сооружения путем расширения диапазона эффективного смыва донных и взвешенных наносов. Гидродинамическая и пульсационная нагрузка передается через дополнительную емкость большего размера на основании фундамента, в котором она размещена.
Объемы всех емкостей и площадь живого сечения их различны, соответственно, скорость движения воды в вертикальных емкостях может назначаться расчетами, как и наклон стенок нижней (конической) части осаждения наносов и их промывки в сбросной водовод. Например, объем дополнительной емкости (камеры) может увеличиваться до 70% по сравнению с объемом основной емкости, работающей на полную очистку и подачу осветленной воды потребителю. Выпадение гравия и песка на дно дополнительной емкости в процессе их активного смыва, при использовании воды из водовыпускных отверстий основной емкости, упрощает работу конструкции сооружения, в результате чего снижаются затраты на его эксплуатацию.
Подобное исполнение конструкции пескогравиеловки, по мнению автора, не было известно и отвечает критерию «Существенные отличия».
На чертеже схематично изображена пескогравиеловка, общий вид.
Пескогравиеловка включает основную приемную емкость 1 цилиндрической формы, установленную в дополнительной емкости 2 большего объема, закрепленную на наклонном дне 3 косонаправленной обечайкой 4. В стенках наклонного дна 5 выполнены водовыпускные отверстия 6, к которым прикреплены затворы 7 с приводом 8, ориентированные при перемещении в сторону наклонного дна 9 под углом. Затворы 7 выполнены, соответственно, плоскими с внутренней стороны емкости 1 и выполнены в виде наносоотбойных элементов, напротив наклонного дна 9 гасительного устройства в виде пустотелого цилиндра 10, соосно с закрепленным с нижним концом 11 подводящего водовода 12. В цилиндре 10 гасительная перегородка 13 с отверстием 14 в средней части разделяет его на две полости 15 и 16, одна из которых соединена с входным отверстием подводящего водовода 12 (полость 15), а другая (полость 16) соединена с выходом 17 пустотелого цилиндра 10, и цилиндр снабжен пирамидальным рассекателем 18 в его полости выше наклонного дна 9, соосно расположенным отверстию 14 перегородки 13, соответственно, промывному конусному отверстию 19 в узкой части емкости 1. Выше перегородки 13 в стенках пустотелого цилиндра 10 напротив друг друга выполнены выпускные окна 20 с сетками 21, выполненными с Г-образным поперечным сечением с наружной стороны цилиндра 10 в сторону основной емкости 1. Выпускные окна 20 с внутренней стороны цилиндра 10 ограничены жестким кольцом 22 с закрепленными патрубками 23 в окнах 20 (окна могут перекрываться шторками в виде пластин, на чертеже не показано). Кроме того, в центре дополнительной емкости 2 выполнен промывной трубопровод 24 и емкость 2 снабжена сообщенным с ней отводящим трубопроводом 25 чистой воды в верхней части стенки емкости 2. Верхняя часть емкости 1, в процессе работы, устанавливает определенный водовоздушный слой 26, высота которого назначается в зависимости от кинетических характеристик струи, т.е. чем больше скорость падающего потока воды, тем большая высота водовоздушного слоя требуется для его гашения, и регулируется подпором емкости 1, соответственно, затворами 7 с приводом 8 в виде наносоотбойных элементов, ориентированных при перемещении в сторону наклонного дна 9 пустотелого цилиндра 10. Между стенками основной емкости 1 и дополнительной емкости 2 цилиндрической формы образована зона спокойного состояния воды 27. При этом размеры диаметров цилиндра и емкостей различны. Дополнительная емкость 2 выполнена в виде конуса, образованного вниз узкой частью, и установлена на фундаменте 28.
Пескогравиеловка работает следующим образом.
Вода вместе с влекомыми и взвешенными наносами из подводящего водовода 12 поступает в пустотелый цилиндр 10, выполняющий роль гасительного устройства на первой ступени движения потока воды, где в результате скоростная струя, отражаясь от установленной перегородки 4, расширяется в сторону окон 20 с патрубками 23 и сетками 21, теряет часть кинетической энергии. Вода поднимается по всему круговому сечению основной емкости 1 и наклонного дна 5 и проходит через водовыпускные отверстия 6, перекрываемые наносоотбойными элементами в виде затворов 7 на отдельные струи, и попадает на наклонное дно 3 с косонаправленной обечайкой 4. В полости 26 емкости 1 происходит интенсивное перемешивание, турбулизация, аэрирование, соударение потоков и взаимодействие с горизонтальной перегородкой 14. Выделяющийся воздух из воды накапливается в полости 26, где давление его производит сглаживание пульсаций воды и наличие патрубков 23 уменьшает шум между стенками емкости 1 и цилиндра 10 за счет сжатия воздуха, поступающего с потоком воды. Напротив стенок наклонного дна 9, установка наносоотбойных элементов в виде затворов 7 обеспечивает регулирование и подпор столба воды между стенками емкости 1 и цилиндра 10. Кроме того, регулировка подпора воды по высоте в емкости 1 создает увеличение или уменьшение проходной площади окон 20. В результате влияния данного явления в верхней полости 26 емкости 1, вода в спокойном состоянии под напором поступает по всему круговому сечению на дно 3 и обечайки 4, а использование наносоотбойных элементов 7, смывает мелкие и крупные фракции наносов в сторону промывного трубопровода 24 с расходами, не превышающими расчетных на сброс, примерно, 5-10% от общего расхода, поступающего из подводящего водовода 12. Масса веса столба воды в дополнительной емкости 2 и удерживающий момент ее от сил давления обеспечивается установкой в основании фундамента 28. При этом подпор затворами 7 концентрирует наносы к промывному отверстию 19, угол дна которого в узкой части принимают равным 45-60° к горизонту, а на полную очистку дна 3 и обечайки 4 емкости 2 большего объема и подачи воды на смыв наносов после их поступления из основной емкости 1 (ступени) допускается уменьшение узкой части конуса с уклоном не менее 30° к горизонту.
Расчетную скорость потока принимают исходя из наименьшей скорости осаждения тех частиц, на задержание которых рассчитывается пескогравиеловка. Таким образом, эффективность пескогравиеловки будет зависеть от конструкции гасительных устройств и смыва наносов путем варьирования напора между стенками цилиндра и основной приемной емкостью, которая и обеспечивается скоростью выхода осветленной воды при отсутствии взмучивания наносов, выпавших в емкости с большим объемом воды. В связи взаимосвязей элементов устройства, технологический расчет сводится при заданных исходных данных, к которым могут быть отнесены расчетная глубина (расстояние между стенками) сооружения и гидравлическая крупность примесей наносов, для задержания которых оно предназначено.
Таким образом, принудительное регулирование столба воды в емкости 1 затворами 7 в процессе работы усиливает степень сжатия потока воды между наклонным дном емкости 1 и наклонным дном цилиндра 7, при различных изменениях расхода воды насыщенного разного рода фракций наносов, может быть повышен эффект гашения энергии потока, так и эффективность смыва донных и взвешенных наносов с меньшим сбросным и промывным расходом воды. Наклонная кольцевая обечайка 4 большего объема емкости 2 с коническим дном одновременно по всему сечению заполняется струями воды, выходящими под напором из емкости 1, а очищенная вода, через боковую стенку емкости 2 в верхней части, в зоне спокойного состояния 27 поступает в отводящий трубопровод 25 очищенной от наносов, к потребителю. Оголовок трубопровода 25 находится в верхней части емкости 2, и скорости по всему живому сечению в начале отводящего трубопровода 25 имеют одинаковые значения. В свою очередь, установка основной емкости 1 и цилиндра 10 в дополнительной емкости 2, делает сооружение значительно экономичнее, так как, исходя из взаимосвязи и взаимозависимости пескогравиеловки, за счет последовательного действия, улучшается гидродинамическая нагрузка на емкость большего объема и нет необходимости делать ее глубокой.