УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБРОСА И РЕГУЛИРОВАНИЯ ГЛУБИНЫ ЗАБОРА ВОДЫ ИЗ ОТСТОЙНИКА
DEVICE FOR DISCHARGE AND REGULATION OF WATER WITHDRAWAL DEPTH FROM SUMP

Изобретение относится к гидравлическим устройствам и может быть использовано для сброса воды из отстойников, водоемов и водосборников.
Известные источники существующих способов свидетельствуют о необходимости разработки устройств для экологического чистого сброса воды во внешние водоемы, который можно решить путем забора воды из промежуточного слоя по глубине отстойника, отвечающей требованиям экологической безопасности.
Известно приспособление к сифонному водовыпуску для регулирования высоты верхнего бьефа, соответствующей включению сифона в работу или выключению его, при помощи добавочной трубы и переставных частей, служащих для прекращения или возобновления доступа воздуха в эту трубу при колебаниях уровня верхнего бьефа, при этом применен колпак к подъемному винту над загнутым кверху концом добавочной трубы сифона (Авторское свидетельство SU №32385, E02B 7/18 от 30.09.1933).
Недостатком данного устройства является поступление из верхних слоев воды, где могут находиться масленые пятна и вещества с плотностью ниже плотности воды, или у дна отстойника, где образуется депрессионная воронка, засасывающая шлам со дна отстойника. Кроме того, имеется сложность ручного регулирования сброса воды из-за впуска и выпуска атмосферного воздуха, особенно это связано с конструктивными геометрическими параметрами устройства в целом. Другим недостатком является возможность заиления отстойника, так как при длительной его эксплуатации донные и взвешенные наносы заполняют дно отстойника в виде призмы отложения наносов, что ведет к ухудшению его эксплуатации, при этом уровень резко повышается в отстойнике до критического, и транспортирующая способность взмученного потока способствует поступлению наносов в сифон.
Известно водосбросное сооружение, включающее установленные в подпорном сооружении между верхним и нижним бьефами на разных уровнях сифоны с воздушными отверстиями и водобойный колодец, расположенный в нижнем бьефе, он снабжен запорными устройствами с электроприводами, установленными на нисходящих ветвях сифонов, и следящей системой, установленной в верхнем бьефе, электрически соединенной с электроприводами запорных устройств и выполненной в виде вертикальной герметичной трубы, кольцевого поплавка с магнитом, установленного на трубе, и размещенных внутри трубы нормально замкнутых герконов, один из которых расположен на уровне гребня нижнего сифона, и другой - на уровне потолка колена верхнего сифона (Авторское свидетельство SU №1587121, E02B 8/06, 7/18 от 23.08.1990).
Недостатком данного устройства является то, что конструкция громоздка и сложна, требует значительного заглубления восходящей ветви сифона, а это значит, что засасываются наносы со дна верхнего бьефа гидроузла. Кроме того, конструкция имеет большие затраты электроэнергии, т.е. энергоемка с применением электродвигателей. Другим недостатком является сложность применения электрической схемы, соединенной с электродвигателями, которые через системы передачи движения, валы и оси соединены с запорными устройствами, т.е. значительно материалоемко по конструкции для работы группы сифонов, а также происходит сброс загрязненной воды, что не может решить путем забора воды из промежуточного слоя по глубине гидротехнического сооружения, отвечающей требованиям экологической безопасности.
Известен также сифонный водосброс гидротехнического сооружения, включающий расположенный в верхнем бьефе сооружения вертикальную камеру с нижними отверстиями, водосбросной трубой, вертикальная часть которой установлена внутри камеры, подвижной трубой, сильфоном и поплавковой емкостью, при этом подвижная труба расположена коаксиально внутри вертикальной части водосбросной трубы, сильфон расположен снаружи подвижной трубы и верхним концом герметично присоединен к верхней части подвижной трубы, а нижним концом - к верхнему концу водосбросной трубы, поплавковая емкость закреплена к верхней части подвижной трубы с наружной ее стороны, он снабжен упорным устройством в виде фланца с отверстиями, размещенного внутри камеры и соединенного с крышкой камеры, а поплавковая емкость выполнена с отверстиями в дне, в каждом из которых установлен клапан со штоком, взаимодействующим с упорным устройством (Авторское свидетельство SU №1388507, E02B 7/18 от 15.04.1988).
Недостатком известного водосброса является сложность конструкции и наличие длительного переходного периода от безнапорного режима движения потока в сифоне к напорному. Кроме того, как видно из чертежа формирование разработки и транспортировки такого потока с наносами происходит активно по всей ширине вертикальной камере, так как поток воды, вырываясь через нижние отверстия, одновременно насыщает поток наносами и транспортирующем их через подвижную трубу, так как это связано с конструктивными геометрическими параметрами устройства в целом. Кроме того, соединение фланца с отверстиями и соединение его клапана штоками являются сложной, трудоемкой в исполнении. В целом конструкция сильфона связана непосредственно с наружной стороны с подвижной трубой, и связь с другими элементами, особенно в период регулирования и сброса воды усложняет и утяжеляет процесс монтажа устройства, а наличие зазора между стенками водосбросной трубы и подвижной трубой, может вызвать ее заклинивание при перекосе или при попадании наносов, а также осадка между трубами (происходит обрастание трубы водорослями). В целом оно не полностью отвечает требованиям экологической безопасности.
Известен сифонный водосброс гидротехнического сооружения, включающий отводящие вертикальный и горизонтальный каналы, причем для регулирования глубины забора отводящий вертикальный канал закрыт образующим дополнительный отводящий внешний канал и перемещающимся по высоте внешним цилиндром, верхний конец которого находится над уровнем воды в отстойнике, закрыт и сообщается с атмосферой через отверстие (Авторское свидетельство SU №1784711, E02B 7/18 от 30.12.1992).
Недостатком данного устройства является то, что дополнительная вертикальная преграда вертикального канала по высоте сброса и регулирования воды ограничивает пропускную способность водопропускной трубы ограниченным высотным сечением из-за наличия воздуха под колпаком. Кроме того, недостатком являются незащищенность от депрессионной воронки, захватывающей поверхностный слой воды из отстойника, отсутствие плавного винтового привода для регулирования сброса воды. Другим недостатком является то, что в реальных условиях дно отстойника заиливается наносами при длительной его эксплуатации, донные и взвешенные наносы заполняют дно отстойника, а это ведет к ухудшению эксплуатации, при этом уровень резко повышается в отстойнике, и транспортирующая способность взмученного потока способствует поступлению наносов в сифон.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для сброса и регулирования глубины забора воды из отстойника, включающее отводящие вертикальный и горизонтальный каналы, задвижку и водобойный колодец, причем для регулирования глубины забора воды отводящий вертикальный канал закрыт внешним цилиндром, образующим дополнительный отводящий внешний канал, перемещаемый по высоте, верхний конец которого находится над уровнем воды в отстойнике и через отверстие сообщается с атмосферой, устройство имеет винтовой привод для перемещения внешнего цилиндра по высоте, на нижней кромке которого закреплена реборда, ликвидирующая декомпрессионную воронку при перетоке воды в отводящий внешний канал, а отверстие для сообщения с атмосферой защищено от загрязнения и замерзания, при этом конструктивные геометрические параметры устройства, отводящих вертикального и внешнего каналов рассчитываются по формулам гидравлики с учетом притока воды в отстойник, регулируемой глубины погружения внешнего цилиндра в отстойник (Патент RU №2334047, E02B 7/18 от 20.09.2008).
Недостатком указанного устройства является необходимость работы в режиме поступления чистой воды из средних слоев отстойника, однако при этом не учитывает того, что накопление наносов в отстойной камере происходит постепенно со стороны движения водного потока. При достижении определенного уровня наносов перед ребордой подача воды происходит с формированием такого потока с наносами активно по высоте всей шахты, что приводит к нарушению депрессионной воронки, захватывающей активно увеличение транспортирующей способности взмученного потока, что способствует сбросу его через вертикальный и горизонтальный каналы в водобойный колодец, а значит, происходит нарушение сброса воды экологически чистых слоев воды в отстойнике по неразмываемым каналам. Кроме того, приток воды в отстойник и регулирование глубины погружения внешнего цилиндра в отстойник достаточно трудно точно рассчитать по данным зависимостям с допустимой погрешностью ошибки ± 5% (как это требую расчеты), а также всегда возникает ошибка и в геометрических параметрах изготовления всех элементов конструкции. Кроме того, имеет место сложность ручного регулирования с наружной стороны самого внешнего цилиндра с ребордой винтовым приводом для слоя воды в определенных размерах в толще отстойника, идущего на сброс, в результате расход воды ограничен заглублением цилиндра с ребордой, соответственно, малая пропускная способность, так как внешний цилиндр с нижней стороны не защищен от поступления различных донных влечений постоянно находящихся во взвешенном состояние в толще воды, в частности, при движении потока воды и ее забора для сброса из отстойника, т.е. ненадежность регулирования глубины забора воды из отстойника. Другим недостатком является то, что диаметр отводящего вертикального канала равен диаметру отводящего горизонтального канала, в результате образуется завихрение в каналах (кавитация), работа, особенно в зоне колена, происходит не полным сечением, и на выходе в водобойный колодец поток воды выходи с большим шумом от захвата воздуха с водой.
Технический результат предлагаемого технического решения является повышение эффективности и расширение эксплуатационных возможностей в работе, а также в стабильной работы сооружения, и экологической гармонии с природной средой.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для сброса и регулирования глубины забора воды из отстойника, включающее отводящие вертикальный и горизонтальный каналы, задвижку и водобойный колодец, причем для регулирования глубины забора воды отводящий вертикальный канал, верхний конец которого находится над уровнем воды в отстойнике и через отверстие сообщается с атмосферой, винтовой привод, цилиндр, на нижней кромке которого закреплена реборда, ликвидирующая декомпрессионную воронку при перетоке воды в отводящий внешний канал, а отверстие для сообщения с атмосферой защищено от загрязнения и замерзания, при этом устройство имеет конструктивные геометрические параметры, рассчитанные по определенным зависимостям гидравлики, оно снабжено наносоотводящим устройством, выполненного в виде водовыпускного патрубка с прикрепленным затвором, установленного на конце патрубка с возможностью поворота в продольной вертикальной плоскости, при этом выходной конец патрубка с затвором размещен в дополнительном водобойном наносоотводящем закрытом колодце, расположенным на внешней стороне стенки плотины с отводящим трубопроводом, причем отводящий вертикальный канал, расположенный внутри внешнего канала выполнен в виде сильфона, снабженного механизмом изменения положения сильфона относительно дна корпуса отводящего горизонтального канала.
Кроме того, входной конец внешнего канала с ребордой снабжен сорозадерживающей решеткой.
Кроме того, входной оголовок сильфона снабжен кольцевым водосливом.
Кроме того, механизм изменения положения сильфона выполнен в виде регулировочного винта, жестко закрепленного на сильфоне.
Кроме того, нижний конец корпуса отводящего горизонтального канала имеет упор для крепления со стенкой плотины.
Кроме того, нижний конец затвора имеет козырек, шарнирно соединен с механизмом изменения затвора.
Кроме того, отводящий горизонтальный канал выполнен диаметром меньшим, чем диаметр сильфона.
Реализация отличительных признаков устройства изобретения обусловливает появлению важных новых свойств объекта. Благодаря тому, что в качестве средства в виде наносоотводящего устройства, выполненного в виде водовыпускного патрубка с прикрепленным затвором, установленного на конце патрубка с возможностью поворота, а также дополнительного водобойного закрытого колодца, расположенным на внешней стороне стенки плотины с отводящим трубопроводом, когда в отстойной камере происходит постепенно с движением потока выпадение на дно большого количества наносов, наполнение начинает в нем увеличиваться, в работу вступает наносоотводящее устройство. Все это вместе взятое устранит поступление формирование такого потока с наносами в шахту (в канал), выполненную с сильфоном, который снабжен механизмом изменения положения сильфона, относительно дна корпуса отводящего горизонтального канала, при этом канал с сильфоном защищены сорозадерживающей решеткой (сеткой). Как правило, смыв наносов интенсивно протекает у щитового отверстия патрубка. Поэтому, в начале, освобождается от наносов место перед патрубком, далее этот процесс по длине отстойника увеличивается.
3
Поскольку эффективность устройства достигается при открытии затвора сливного отверстия патрубка в дополнительный закрытый водобойный колодец, живое сечение потока резко увеличивается, вызывая резкое увеличение скорости и транспортирующей способности взмученного потока, что способствует сокращению времени промывки в несколько раз и уменьшению удельного объема воды на смыв 1 м наносов в пределах размещения вертикального канала с сильфоном перед плотиной. В результате заполнения водой, освобожденной от наносов, расположение вертикального канала с сильфоном устанавливается на требуемый уровень, верхняя кромка при этом сильфона выполнена кольцевым выпуклым водосливом, и поднятый при помощи винтового устройства, связанное с отметкой горизонтов воды, начнется сброс и регулирование воды плавно из отстойника сильфоном, закрепленного в нужном положении при помощи винтового устройства, тем самым реборда не позволит развиваться депрессионной воронке и засасывать наносы из нижних слоев на дне отстойника, которого они постоянно накапливаются, так как уровень постоянно буде обеспечиваться сбросом чистой воды из средних его слоев. Сорозадерживающая решетка (сетка), расположенная ниже реборды также способствует задержанию мусора и молоди рыб. При этом исключается кольматация фильтрующей решетки и происходит смыв грунта и других растительных остатков. Зона водосброса приобретает по кольцу вертикального канала большую площадь очищения для восходящего чистого потока воды вместе размещения сильфона, который закреплен нижним концом к дну корпуса с отводящим горизонтальным каналом.
В связи с этим нужно предусматривать оптимальные соотношения и взаимовлияния всего гидротехнического сооружения.
Итак, анализ выявленной информации о существенном уровне техники в данной области и сущность предложенного изобретения показали, что последнее отвечает критерию патентоспособности «новизна».
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает получение нового технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый правовой охраны.
В ходе проведенного анализа заявителем поиска информации в области гидравлических устройств для сброса воды из отстойников, водоемов и водосборников обнаружены отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения среди известных объектов этого же направления. Однако совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения, способствующая достижению нового технического результата, и ее влияние на последующий из существующего уровня техники не обнаружены.
Именно совокупность существенных отличительных признаков позволяет получить новый технический результат - повышение эффективности и расширение эксплуатационных возможностей в работе, а также в стабильной работы сооружения, и экологической гармонии с природной средой.
Следовательно, предлагаемое изобретение обладает таким критерием патентоспособности как «изобретательский уровень».
На чертеже показано устройство для сброса и регулирования глубины забора воды из отстойника.
Устройство для сброса и регулирования глубины забора воды из отстойника включает плотину 1, дно отстойника 2, верхний уровень воды в отстойнике 3, вертикальный патрубок 4 в виде сварного корпуса. На оголовке вертикального патрубка 4. соединяющего сбросной горизонтальный канал 5 с задвижкой бис водобойным колодцем 7, установлен вертикальный канал в виде сильфона 8 с кольцевым водосливом 9, и соединенного в верхней части с винтовым приводом 10 вертикального перемещения, закрепленного в нужном положении на крышке 11. Сильфон 8 состоит из жестких колец 12 и гофрированного чехла 13 из эластичного материала. Сильфон 8 имеет диаметр, больший, чем диаметр отводящего горизонтального канала 5. Входное устройство выполнено в виде внешнего неподвижного цилиндра 14 с ребордой 15. Неподвижный цилиндр 14 содержит водоприемный внешний отводящий канал 16, огражденный сороудерживающей решеткой 17 (сеткой), закрепленной жестко связями 18 со сварным корпусом 4 и горизонтальным отводящим каналом 5, слой воды в отстойнике, идущий на сброс 19, крышка 11 с отверстием для сообщения внешнего канала 16 с атмосферой 20. Плотина 1 в виде перегораживающей стенки содержит у дна отстойника 2 наносоотводящее устройство, выполненное водовыпускным патрубком 21, оборудованным затвором 22 с козырьком 23, который соединен шарниром 24 с механизмом изменения 25 затвора 22 для перекрытия (открытия) водовыпускного патрубка 21. Конец водовыпускного патрубка 21 с затвором 22 размещен в дополнительном наносоотводящем закрытом водобойном колодце 26 с донным отверстием 27 трубопровода 28, при этом закрытый водобойный колодец 26 отделен от водобойного колодца 7. Козырек 23 служит для направления воды бурлящего транспортирующего и взмученного потока в донное отверстие 27 трубопровода 28 при перемещении затвора 22 подъемником 29.
Устройство работает следующим образом.
При необходимости работы в режиме сброса чистой воды из отстойника 2, уровень воды 3 в нем по внешнему отводящему каналу 16 поднимается, вытесняя воздух через отверстие 20 в крышке 11, и при помощи винтового привода 10 на требуемый уровень закрепляют вертикальный канал в виде сильфона 8. В результате наличия кольцевого водослива 9, выпуклый кверху, вызовет безотрывное усиленное заполнение всего объема сильфона 8, диаметр которого больше диаметра отводящего горизонтального канала 5, соединенного со сварным корпусом 4 (патрубок), который связан с сильфоном 8, т.е. поток выходит полным сечением в водобойный колодец 7. что обеспечивает равномерный сброс и через сильфон 7. Таким образом, вертикальный патрубок 4, выполненный сварным корпусом, к которому закреплен удлиненный сильфон 8, последний выполнен из жестких колец 12 с гофрой 13 и растянутого состояния, при этом по мере наполнения воды, гофра удерживается в вертикальном положении с помощью винтового привода 10. Так происходит до тех пор, пока не потребуется плавно изменить вертикальное положение сильфона 8 во внешнем канале 16, ограниченного цилиндром 14 с сороудерживающей решеткой 17 (сеткой), закрепленной жесткими связями 18 со сварным корпусом 4 и отводящего горизонтального канала 5.
При необходимости отключения воды, достаточно будет переместить верхний конец сильфона 8 с водосливом 9 в верхнее крайнее положение винтовым приводом 10 и зафиксировать, что предохранить его от заполнения и отстоя воды в нем, т.е. отсутствует кольматация (забивка) внутренней полости неработающего сильфона 8 грунтом и мелкими частицами.
По мере накопления высоты наносов происходит поднятия уровня воды в отстойнике 3, приведет к тому, что тогда в работу вступает наносоотводящее устройство. При помощи винтового привода 25 наступает момент на промывку наносов, чтобы не позволять развитию депрессионной воронке засасывать наносы с нижних слоев воды, в которых они накапливаются, а также возможность промывки сороудерживающей решетки 17 от прилипшей растительности и других влечений. Таким образом, при критическом уровне наносов, затвор 22 с козырьком 23 поднимают вверх, отрывают отверстие водовыпускного патрубка 21, и начинается цикл смыва наносов в дополнительный закрытый водобойный колодец 26. Затвор 22 оборудован механизмом изменения 25 через шарнир 24. В результате установки дополнительного компактного закрытого водобойного колодца 26 накопившиеся наносы на дне отстойника 2 одновременно насыщенными ими потока и транспортированием их через патрубок 21 поступают в донное отверстие 27 трубопровода 28 в нижний бьеф.
Формирование и транспортировка такого потока с наносами происходит активно вокруг водоприемного внешнего отводящего канала 16 и неподвижного цилиндра 14 с ребордой 15 и решеткой 17. Как правило, смыв наносов интенсивно протекает у щитового (затвора) отверстия. Поэтому вначале освобождается от наносов зона перед водосбросным патрубком 21, далее смыв призмы отложившихся наносов увеличивается как по высоте, так и по длине водоема 3 (отстойника). В результате этого процесса сброс потока из более чистых слоев водоемов 19, постоянно стабилизируется, что позволяет повысить уровень экологической безопасности внешних водоемов. Температурный режим воды остается тем же, что отмечено и в прототипе без изменения.
Соответственно определенному времени работы устройство вновь заполняется чистой водой, сильфон 8 устанавливается на требуемый уровень при помощи винтового привода 10 (расширяется область высоты слоя, идущего на сброс по сравнению с прототипом), одновременно затвор 22 закрывают при помощи подъемника 25, который расположен в дополнительном закрытом водобойном колодце 26. Благодаря этому конструкция с сильфоном 8 обладает способностью контроля и регулирования в широких пределах сброса слоя чистой воды из отстойника 2.
Наличие конструкции регулируемого сильфона, сороудерживающей решетки (сетки), горизонтального отводящего канала с корпусом и связи с дополнительным закрытым водобойным колодцем отдельно от водобойного колодца для чистой воды, улучшаю условия эксплуатации, а также дает возможность предотвратить засасывание мусора и наносов в отводящий вертикальный канал, выполненный в виде сильфона с чистой водой, забираемой из средних более широких слоев водоема, что снижает эксплуатационные затраты, увеличивает пропускную способность, а все это позволяет повысить и уровень экологической безопасности внешних водоемов. Следует отметить, что конструкция описанного устройства значительно унифицирована, поскольку отводящие каналы не засоряются мусором и наносами в течение длительного времени эксплуатации с обеспечением дифференцированного регулирования заданных сбросов расходов из средних слоев отстойника; малая материалоемкость элементов сбросных каналов, прогрессивность конструктивных элементов и материалов, которые могут быть изготовлены из полимерных материалов. Повышается надежность и обеспечивается стабильность с обеспечением дифференцированного регулирования и сброса воды из отстойника, и бесперебойная работа устройства.