УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОД АКВАТОРИЙ БУХТ И ЗАЛИВОВ С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ВНУТРЕННЕЙ ВИНТОВОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ТРУБОПРОВОДОВ
DEVICE FOR CLEANING WATER OF WATER AREAS OF BAYS AND GULFS WITH CURVED INNER HELICAL SURFACE OF PIPELINES

Изобретение относится к гидротехнике, в частности к устройствам для очистки застойных вод акваторий бухт и заливов водой прибрежных течений, проходящих мимо них транзитом. Может быть использовано для очистки заливов рек путем направления течений в их застойные воды и усиления циркуляции воды в них.
Известна карта (фиг. 1) морских течений Черного моря (http://blacksea-map.ru/map_black_sea_current_map576665_0_0.htm). На ней видны течения, опоясывающие все Черное море, в том числе показаны течения вблизи берегов со скоростями до 40 см/с, проходящие вблизи Геленджикской бухты (фиг. 2), но не заходящие в нее, так же как в Цемесскую и в другие бухты курортных городов Черного моря (Геленджик и его окрестности. Краснодар, 1964: Колесникова А.А., Казицин В.В., Щеглов Д.Е., Геленджик. Справочник-путеводитель, 2 изд., Краснодар, 1969). Поэтому циркуляция воды, например, в Геленджикской бухте замедлена - скорость течений в ней недостаточна - 0,1 мм/с, что отрицательно сказывается на экологическом состоянии этой бухты, накопления загрязнений в виде мусора, наносов и плавающих включений.
Техническим решением является очистка застойных и загрязненных вод акваторий бухт и заливов путем создания внутри них постоянной циркуляции чистой морской воды с помощью предлагаемого изобретения за счет поворота и направления прибрежных течений вглубь их акватории, увеличения скорости искусственно созданных течений с последующим выводом в открытое море этими течениями загрязнений бухт и заливов.
Известно устройство для очистки вод акваторий бухт и заливов (патент РФ №2471923, МПК B02B 15/00, опубликовано 10.01.2013 г., Бюл. №1), включающее блок из одного и более изогнутых трубопроводов, соединенных между собой боковыми сторонами и смонтированных в одном блоке, который закреплен на пути потока прибрежных течений для изменения направления части потоков воды, увеличения их скорости и введения этих потоков в акваторию бухт, заливов, при этом каждый трубопровод выполнен изогнутым под углом от 45° до 170° с изменяющимся по диаметру трубопровода шагом винтовых линий по наружному периметру и с криволинейной винтовой поверхностью по внутреннему периметру в виде карманов криволинейной формы, при этом трубопровод смонтирован из секций, каждая из которых выполнена в виде кругового сектора, изготовленного из полосы с образованием разных по размерам четырехугольников с двумя параллельными сторонами в виде линий сгиба, расположенными на полосе на равных расстояниях друг от друга и параллельно друг другу, при этом полоса свернута в кольцо, по периметру которого размещены карманы криволинейной формы, а секции соединены друг с другом свободными сторонами упомянутых четырехугольников в виде пустотелого трубопровода с образованием по наружной и внутренней поверхности направленных в одну сторону под острым углом к оси трубопровода винтовых линий и винтовых внутренних поверхностей в виде карманов криволинейной формы, которые по периметру могут быть различными не только по форме, но и размерам, при этом расстояния между линиями сгиба равны друг другу и равны сумме длин периметров геометрических фигур карманов внутренних поверхностей.
Недостатком известного устройства являются ограниченные технологические возможности из-за круговой формы трубопроводов, что ограничивает подачу потоков воды внутрь акваторий заливов и бухт.
Технической задачей является расширение технологических возможностей и обеспечение подачи потоков воды из акваторий моря внутрь акваторий заливов и бухт и отведение этих потоков на удаление от устья бухт и заливов.
Техническое решение достигается тем, что в устройстве для очистки вод акваторий бухт и заливов с криволинейной внутренней поверхностью трубопроводов, включающем блок из одного и более изогнутых трубопроводов, соединенных между собой боковыми сторонами и смонтированных в одном блоке, который закреплен на пути потока прибрежных течений для изменения направления части потоков воды, увеличения их скорости и введения этих потоков в акваторию бухт, заливов, при этом каждый трубопровод выполнен изогнутым под углом от 45° до 170° с криволинейной винтовой поверхностью по внутреннему периметру в виде карманов криволинейной формы, каждый трубопровод выполнен в виде соосно установленных и жестко соединенных между собой пустотелых винтовых барабанов, например четырех: конической формы винтовой барабан - приемная секция, и двух прямолинейных винтовых барабанов - прямолинейных секций, между которыми жестко вмонтирован пустотелый круговой сектор, причем конической формы винтовой барабан - приемная секция - выполнен из не менее чем трех полос трапециевидной формы с разными размерами по ширине, с увеличением их по длине приемной части, скрученных в вертикальной плоскости в продольном направлении относительно собственной оси симметрии полосы и изогнутых по винтовой линии в поперечном направлении на конической оправке, а две пустотелые прямолинейные секции изготовлены, по меньшей мере, из одной полосы, согнутой по прямым линиям, размещенным под углом к кромкам полосы, при этом полоса свернута в цилиндрические витки с образованием по наружной и внутренней поверхности винтовых линий, а также винтовых поверхностей криволинейной формы в виде карманов внутренней поверхности полукруглой формы, которые по периметру могут быть различными не только по форме, но и по размерам, при этом расстояния между линиями сгиба равны друг другу и равны сумме длин периметров геометрических фигур карманов внутренних поверхностей, а сектор изготовлен из полосы с образованием разных по размерам четырехугольников с двумя параллельными сторонами в виде линий сгиба, расположенными на полосе на равных расстояниях друг от друга и параллельно друг другу, при этом полоса свернута в кольцо-подсекцию, по периметру которой размещены карманы криволинейной формы, а подсекции соединены друг с другом свободными сторонами упомянутых четырехугольников в виде пустотелого сектора с образованием по наружной и внутренней поверхности направленных в одну сторону под острым углом к оси пустотелого сектора винтовых линий и винтовых внутренних поверхностей в виде карманов криволинейной формы, которые по периметру могут быть различными не только по форме, но и по размерам, при этом расстояния между линиями сгиба равны друг другу и равны сумме длин периметров геометрических фигур карманов внутренних поверхностей.
По данным патентно-технической литературы не обнаружено техническое решение, аналогичное заявляемому, что позволяет судить об изобретательском уровне предлагаемого устройства для очистки вод акваторий бухт и заливов с криволинейной внутренней винтовой поверхностью трубопроводов.
Новизна заключается в том, что каждый трубопровод выполнен в виде соосно установленных и жестко соединенных между собой пустотелых винтовых барабанов, например четырех: конической формы винтовой барабан - приемная секция, и двух прямолинейных винтовых барабанов - прямолинейных секций, между которыми жестко вмонтирован пустотелый сектор, причем конической формы винтовой барабан - приемная секция - выполнен из не менее чем трех полос трапециевидной формы с разными размерами по ширине, с увеличением их по длине приемной части, скрученных в вертикальной плоскости в продольном направлении относительно собственной оси симметрии полосы и изогнутых по винтовой линии в поперечном направлении на конической оправке, а две пустотелые прямолинейные секции изготовлены, по меньшей мере, из одной полосы, согнутой по прямым линиям, размещенным под углом к кромкам полосы, при этом полоса свернута в цилиндрические витки с образованием по наружной и внутренней поверхности винтовых линий, а также винтовых поверхностей криволинейной формы в виде карманов внутренней поверхности полукруглой формы, которые по периметру могут быть различными не только по форме, но и по размерам, при этом расстояния между линиями сгиба равны друг другу и равны сумме длин периметров геометрических фигур карманов внутренних поверхностей, а сектор изготовлен из полосы с образованием разных по размерам четырехугольников с двумя параллельными сторонами в виде линий сгиба, расположенными на полосе на равных расстояниях друг от друга и параллельно друг другу, при этом, полоса свернута в кольцо-подсекцию, по периметру которой размещены карманы криволинейной формы, а подсекции соединены друг с другом свободными сторонами упомянутых четырехугольников в виде пустотелого сектора с образованием по наружной и внутренней поверхности направленных в одну сторону под острым углом к оси пустотелого сектора винтовых линий и винтовых внутренних поверхностей в виде карманов криволинейной формы, которые по периметру могут быть различными не только по форме, но и по размерам, при этом расстояния между линиями сгиба равны друг другу и равны сумме длин периметров геометрических фигур карманов внутренних поверхностей, что расширяет технологические возможности и обеспечивает подачу потоков воды из акваторий моря внутрь акваторий заливов и бухт и отведение этих потоков на удаление от устья бухт и заливов.
Новизна заключается также в том, что образование сложной внутренней поверхности конической формы винтового барабана - приемной секции в виде сочетания криволинейных поверхностей, в каждой точке которой возникают направленные в одну сторону составляющие движения потоков воды и их закручивание за счет конусности приемной, секции позволяет увеличить скорость и мощность потоков воды в двух прямолинейных винтовых барабанах - прямолинейных секциях, и вмонтированном между ними пустотелом секторе.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображена карта течений Черного моря бухты; на фиг. 2 - карта бухты, например карта побережья Геленджикской бухты; на фиг. 3 - устройство для очистки вод акваторий бухт и заливов в виде блока из шести трубопроводов, смонтированных в три ряда, вид сверху; на фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 3; на фиг. 5 - один из трубопроводов в сборе из четырех соединенных жестко пустотелых винтовых барабанов, вид сверху; на фиг. 6 - приемная секция - конической формы пустотелый винтовой барабан, вид сбоку; на фиг. 7 - вид А на фиг. 5; на фиг. 8 - одна из полос трапециевидной формы, из которых смонтирована приемная секция - конической формы винтовой барабан, после скручивания в вертикальной плоскости в продольном направлении относительно собственной оси симметрии полосы; на фиг. 9 - полоса трапециевидной формы после сгиба по винтовым линиям на конической оправке; на фиг. 10 - разрез В-В на фиг. 9; на фиг. 11 - одна из прямолинейных секций - пустотелых прямолинейных винтовых барабанов с карманами криволинейной формы, общий вид; на фиг. 12 - разрез Г-Г на фиг. 11; на фиг. 13 - полоса с размеченными линиями сгиба в виде прямых линий для карманов криволинейной формы пустотелой прямолинейной секции на фиг. 11; на фиг. 14 - полоса, согнутая по прямым линиям с образованием карманов криволинейной формы; на фиг. 15 - аксонометрическая проекция полосы, свернутой в цилиндрический виток; на фиг. 16 - пустотелый сектор, вид сверху; на фиг. 17 - разрез D-D на фиг. 16; на фиг. 18 - полоса с размеченными прямыми линиями сгиба и линиями обрезки кромок четырехугольников; на фиг. 19 - полоса после обрезки кромок четырехугольников; на фиг. 20 - полоса после обрезки кромок четырехугольников, согнутая по прямым линиям сгиба; на фиг. 21 - аксонометрическая проекция полосы, свернутой в кольцо-подсекцию; на фиг. 22 - устройство для очистки вод акваторий бухт и заливов в виде блока из восьми трубопроводов, смонтированных в один ряд, общий вид; на фиг. 23 - карта бухты со смонтированным на пути потока прибрежных течений предлагаемым устройством для очистки вод акваторий бухт и заливов с криволинейной внутренней винтовой поверхностью трубопроводов.
Предлагаемое устройство (фиг. 3, фиг. 4) выполнено в виде блока 1 из одного и более изогнутых под углом трубопроводов 2, соединенных между собой боковыми сторонами известными способам, например смонтированных в одном блоке 1, залитом по периметру бетоном в виде пирамиды по всей длине трубопроводов 2. Угол сгиба трубопроводов устройства определяется геометрией устья залива, бухты, а точнее углом между направлением прибрежного течения моря и касательной к берегу устья бухты, залива, на фиг. 2, например, угол β≈60°. Границы блока 1 показаны утолщенными линиями с двумя точками на фиг. 3 и фиг. 4.
Каждый трубопровод 2 выполнен изогнутым под углом 30°-180°. Для примера на фиг. 5 показан трубопровод 2, изогнутый под углом β≈60°, выполненный в виде соосно установленных и жестко соединенных между собой пустотелых винтовых барабанов, например четырех: конической формы винтовой барабан - приемная секция 3, и двух прямолинейных винтовых барабанов - прямолинейных секций 4 и 5, между которыми жестко вмонтирован пустотелый сектор 6. Пустотелые винтовые барабаны, например приемная секция 3, прямолинейная секция 4, сектор 6 и прямолинейная секция 5, соединены поочередно друг с другом по линиям стыковки I-I, II-II, III-III с образованием пустотелого трубопровода 2 с криволинейной винтовой поверхностью по внутреннему периметру в виде карманов криволинейной формы.
1
Приемная секция 3 выполнена из не менее чем трех полос трапециевидной формы, например из шести полос 7, 8, 9, 10, 11, 12 трапециевидной формы (фиг. 6, фиг. 7) с разными размерами по ширине, с увеличением их по длине, скрученных в вертикальной плоскости в продольном направлении относительно собственной оси симметрии полосы, например полоса 7 (фиг. 8), и изогнутых по винтовой линии в поперечном направлении на конической оправке 12 (фиг. 9, фиг. 10). Полосы 7, 8, 9, 10, 11, 12 после сгиба соединяют друг с другом боковыми сторонами известными методами, например сваркой, с образованием по периметру приемной секции 3 конической формы, например шести винтовых линий и внутренних винтовых канавок с переменным, уменьшающимся по длине шагом Si, одна из которых 13-13 показана на фиг. 6, фиг. 7 утолщенной линией.
Приемная секция может быть изготовлена и другим способом.
Две пустотелые прямолинейные секции 4 и 6 (фиг. 11, фиг. 12) с карманами криволинейной формы, например секция 4, изготовлена, по крайней мере, из одной полосы 15, соединенной по продольным кромкам 16 (показаны на фиг. 11 штрихпунктирной линией) известными методами, например сваркой, с образованием по наружной и внутренней поверхностям винтовых линий (на фиг. 11 часть одной из винтовых линий показана утолщенной линией 17-18-19-20-21-22-23) и винтовых поверхностей (фиг. 12) криволинейной формы в виде карманов внутренней поверхности полукруглой формы 24, 25, 26, 27, 28, 29.
1
Полоса 15 (фиг. 13, фиг. 14) согнута по прямым линиям 30 под одинаковыми углами β к кромкам 16 полосы 15, размещенным на расстояниях, равных длине развертки периметра криволинейных карманов, например на расстояниях L.
Полоса 15 после сгиба (фиг. 14) свернута в цилиндрические витки (фиг. 15), соединенные друг с другом по продольным кромкам 16 известными методами, например сваркой, в пустотелые прямолинейные секции, например, 4 и 5.
Пустотелые прямолинейные секции могут быть изготовлены и другими способами.
Пустотелый сектор 6 изготовлен в виде изогнутого криволинейной формы сектора (фиг. 16) и изготовлен из секций 31 (одна из секций 31 на фиг. 16 выделена сплошными утолщенными линиями), соединенных между собой известными методами, например сваркой, клейкой и т.п., с образованием по внутреннему периметру сектора 6 винтовых линий и винтовых поверхностей криволинейной формы в виде внутренних карманов криволинейной формы 32, 33, 34, 35, 36, 37 (фиг. 17) и смонтирован из полосы 38 (фиг. 18), на которой размечены прямоугольники 39 и линии сгиба 40, размещенные на равных расстояниях друг от друга, равных длине развертки периметра криволинейных карманов, например, для карманов 32, 33, 34, 35, 36, 37 на расстояниях L и под углом α к кромкам полосы 38.
1
2
3
4
5
6
На полосе 38 размечены также линии обрезки 41 кромок полосы 38, показанных на фиг. 18 штрихпунктирной линией с двумя точками. После разметки по линии обрезки кромок 41 участки полосы 38 (на фиг. 19 эти участки полосы 38 заштрихованы) отрезаются и полоса 38 приобретает вид, показанный на фиг. 19, у которой линии сгиба 40 полосы 38 разные по длине L, L, L, L, L, L с образованием при этом разных по размерам четырехугольников с двумя параллельными сторонами - линиями сгиба 40, параллельными друг другу. Полоса 38 (фиг. 19) после обрезки кромок прямоугольников 39 по линии обрезки 41 сгибается по прямым линиям, размещенным под углом α к кромкам полосы 38 с образованием криволинейных поверхностей 42 (фиг. 20) с кромками 43 и 44 и затем сворачивается в кольцо-подсекцию 45 (фиг. 21) с криволинейной внутренней поверхностью в виде карманов 46, 47, 48, 49, 50, 51. Кромки 43 и 44 полосы 38 после сворачивания в кольцо-подсекцию 45 соединяются известными методами, например сваркой, пайкой и т.д., с образованием подсекции - кольца 45. Затем подсекции 45 соединяют друг с другом известными способами в изогнутый криволинейной формы пустотелый сектор 6.
Таким образом, изогнутый криволинейной формы пустотелый сектор 6 (фиг. 17) изготовлен с многозаходной винтовой поверхности и винтовыми линиями, а также с винтовыми канавками внутри в виде карманов криволинейной формы под углом к их продольной оси.
Изогнутый криволинейной формы пустотелый сектор 6 (фиг. 16) с криволинейной винтовой поверхностью по его внутреннему и наружному периметру и образованием по его внутренней поверхностей карманов криволинейной формы и однонаправленных многозаходных винтовых линий может быть изготовлен и иным способом. Угол поворота криволинейной винтовой поверхности сектора 6 может регулироваться в диапазоне 30°-180° путем изменения ширины полосы 38, прямоугольников 39 и изменения соотношения длин линий сгиба 40.
На фиг. 11 показан блок 1 из восьми трубопроводов 2, смонтированных в один ряд и соединенных между собой боковыми сторонами известными способами и залитых бетоном, т.е. выполненных в виде широкой плиты. Такие блоки можно устанавливать в бухты, где достаточно большая ширина входа в бухту. Они будут занимать не более 1.5% входа в бухту и не препятствуют судоходству. Расчеты показывают, что для очистки воды вдоль берегов Геленджикской бухты достаточно на пути движения потоков течений смонтировать блок 1 из восьми трубопроводов 2 в один ряд. Примерная схема расчета прилагается.
На фиг. 23 представлена карта бухты со смонтированным на пути прибрежных течений предлагаемым устройством для очистки вод акваторий бухт и заливов с криволинейной внутренней винтовой поверхностью трубопроводов и указанием направления движения потоков воды прибрежных течений моря внутри бухты. Такие блоки можно устанавливать в бухты, где достаточно большая ширина входа в бухту, например, в Геленджикской бухте ширина входа 1800 м.
Технико-экономические преимущества возникают за счет поворота и направления потоков прибрежных течений в акваторию бухт и заливов с помощью предлагаемого устройства, включающего трубопровод, выполненный в виде соосно установленных и жестко соединенных между собой пустотелых винтовых барабанов, например четырех: конической формы винтовой барабан - приемная секция, и двух прямолинейных винтовых барабанов - прямолинейных секций, между которыми жестко вмонтирован пустотелый сектор с углом изгиба 30°-180°, который закреплен на пути потока прибрежных течений, изменяет направление части потоков воды прибрежных течений и направляет их в акваторию бухт и заливов со скоростью, равной скорости прибрежных течений, что усиливает циркуляцию воды, положительно сказывается на экологическом состоянии бухт и заливов, выводит накопленные загрязнения мусор, наносы и плавающие включения в открытое море. Технико-экономические преимущества заключаются также в том, что образование сложной внутренней поверхности конической формы винтового барабана - приемной секции в виде сочетания криволинейных поверхностей, в каждой точке которой возникают направленные в одну сторону составляющие движения потоков воды и их закручивание за счет конусности приемной секции, позволяет увеличить в трубопроводе скорость и мощность потоков воды также в последующих двух прямолинейных винтовых барабанах - прямолинейных секциях, и вмонтированном между ними пустотелом секторе.
Приложение
Методика расчета устройств для очистки вод акваторий бухт и заливов
Предлагается методика для расчета основных параметров при проектировании и изготовлении устройства для очистки вод акваторий бухт и заливов.
1. Угол сгиба трубопроводов устройства определяется геометрией устья залива, бухты, а точнее углом между направлением прибрежного течения моря и касательной к берегу устья бухты, залива, на фиг. 2, например, угол β≈60°.
3
2. Длина побережья бухты равна 12000 м. При средней глубине 2 м и ширине полосы воды вдоль берега бухты 30 м объем воды вдоль всего побережья Геленджикской бухты W≈L×В×Н=12000×30×2≈720000 м.
Ширина входа в Геленджикскую бухту 1800 м.
(Лотышев И.П. География Кубани. Энциклопедический словарь. Майкоп, 2008.)
Для создания благоприятной экологически чистой среды в акватории Геленджикской бухты необходимо обеспечить замену этого объема воды в течение заданного времени Т, например Т≈240 часа.
Скорость прибрежного течения в районе Геленджикской бухты V=40 см/с=2400 см/мин=2,4 м/мин (Геленджик и его окрестности. Краснодар, 1964: Колесникова А.А., Казицин В.В., Щеглов Д.Е., Геленджик. Справочник-путеводитель, 2 изд. Краснодар, 1969).
Таким образом, расход воды через трубопроводы устройства равен
При скорости течения V≈2,4 м/мин площадь проходного сечения предлагаемого устройства для очистки вод акваторий бухт и заливов равна
Поэтому для мелководной бухты, такой как Геленджикская, блок устройств для очистки вод акваторий бухт и заливов монтируется из восьми трубопроводов, изогнутых под углом β≈60°, соединенных друг с другом своими боковыми сторонами в один ряд.
1
2
Площадь проходного сечения одного трубопровода будет составлять S=2.6 м, а значит, диаметр одного трубопровода  Тогда ориентировочно поперечное сечение блока (показано на фиг. 11) по ширине будет составлять 18 м, по толщине - 2 м.