СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПОТОКА ВОДЫ У ВОДОПРИЕМНОЙ КАМЕРЫ ОТ НАНОСОВ
METHOD TO CONTROL HYDRAULIC STRUCTURE OF WATER FLOW IN WATER-RECEIVING CHAMBER FROM SEDIMENTS

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к средствам защиты оросительных систем с закрытой оросительной системой от попадания в них наносов и плавающих предметов.
Известно водозаборное сооружение, включающее размещенное в русле канала подпорное сооружение с запорным устройством, выполненное в виде авторегулятора предельного уровня, наносопромывное отверстие (Соболин Г.В. Защита сооружений на реках и каналах от наносов. Фрунзе: Кыргыстан, 1968, стр.144).
Недостатком известного устройства является то, что струенаправляющая система порога закреплена непосредственно в дне подводящего канала и ведет к сложному гидравлическому расчету гидравлической структуры переформирования потока. Кроме того, при быстром нарастании уровня воды в верхнем бьефе наносы сильно взмучиваются и переходят во взвешенное состояние по всей глубине наполнения, что ведет к поступлению наносов также поверх порога. Возникшие при неравномерном неустановившемся движении искривления линий тока, пульсации скоростей и т.п. не дают возможности наносам распределяться по высоте не только с неравномерностью мутности, но и с неравномерностью крупности, т.е. в верхних слоях могут оказаться и такие фракции наносов, которые при равномерном движении всегда были бы влекомыми. Величину сброса при этом без ухудшения качества борьбы с наносами регулировать нельзя: при появлении дополнительной преграды в потоке в виде затвора возникает экранирующий эффект и наносы не идут в промывник, хотя вода и сбрасывается. Попытки уменьшить величину сброса плавным уменьшением габаритов промывного отверстия удачны только до того момента, когда скорости воды больше или равны скоростям воды перед отверстием, при уменьшении скоростей возникает эффект «водяной подушки», аналогичной экранирующему эффекту. Это говорит о том, что требуется увеличить коэффициент водоотбора более 0,5…0,55, что и является верхней границей пределов применения этого технического приема. Это предопределяет обязательное создание заранее заданной структуры потока, обеспечивающей прохождение наносов именно у наносоперехватывающих элементов.
Для лучшего возбуждения циркуляционных и винтовых течений высота порога должна быть переменной по его длине - в начальной (по течению) части порога больше, в конечной - меньше. Кроме того, при пропуске по подводящему каналу расчетного расхода не происходило подтопления потока в подводящем канале со стороны донного порога, поскольку при этом в канале понизится транспортирующая способность потока и начнут откладываться наносы, уменьшая его живое сечение. Габариты промывного отверстия должны соответствовать габаритам винтового течения, образующегося вдоль донного порога, при этом увеличиваются затраты воды на промыв. Однако в меженный период транспорт этих наносов ограничивается.
В связи с этим в зависимости от величины водозабора конструкции устройства должно быть предложено такое новое устройство, когда образуется не один, а несколько винтообразных вращений в точках отвода наносов, например, у донных порогов. Отсюда необходимо обеспечить нужный запас верха порога над расчетным максимальным уровнем воды.
Известно устройство, включающее траншею, порог, привод, затвор, наносоотводящий канал (Авторское свидетельство СССР №655765, кл. Е02В 8/02, 1976).
Недостатком устройства является малоэффективный перехват наносов из-за слабого развития винтообразного движения в лотке. Кроме того, при частичном открытии затвора требуется большой промывной расход воды, при этом недостаточная надежность даже при ручном маневрировании затвором. Устойчивая циркуляция потока создается при определенных скоростях и не учитывает большую турбулизацию потока при повышении (изменения) уровня воды в подводящем канале, так же как и при малой энергии потока, что существенно ограничивает область его применения. В известном устройстве промывное отверстие расположено непосредственно в подвижном полотнище, которое при минимальном наполнении воды в подводящем канале расположено на одном уровне дна подводящего канала. Вследствие этого (при низких уровнях воды) призма отложений наносов не доходит до промывного отверстия в своем максимальном перемещении. В связи с чем идет непроизводительный сброс оросительной воды.
Известен также способ защиты наносорегулирующего сооружения от завала наносами, включающего подводящий и транзитный каналы, размещенную между ними траншею с донным промывным отверстием, дно которой расположено ниже дна подводящего и транзитного каналов, затвор выполнен в виде двух жестко скрепленных между собой полотнищ с возбуждением поперечной циркуляции потока, наносоотводящий канал, привод выполнен в виде поплавка, тяг, порога и сливного трубопровода (Авторское свидетельство СССР №1065525, кл. Е02В 8/02, 1981).
Недостатками известного способа защиты транзитного канала от наносов является малая эффективность отвода наносов от транзитных каналов, при этом создается гидравлический экран перед неподвижным порогом. Устойчивая циркуляция потока создается только при определенных скоростях потока и не учитывает большую турбулизации потока при превышении (изменения) уровня воды в подводящем канале, так же как и при малой энергии потока, что существенно ограничивает область его применения. Это в свою очередь приводит к непроизводительным промывным расходам в случае увеличения уровня воды в верхнем бьефе больше номинального и не обеспечивает транспорт наносов, когда уровень воды меньше номинального. Высота вальца и интенсивность его вращения зависят от высоты порога и уровня воды в верхнем бьефе сооружения, что не всегда согласуется с другими элементами сооружения в случае изменения характеристик потока. Результатом этого явления является сбойность течения и дополнительно турбулизация потока, что приводит к ухудшению качества работы всего сооружения. Устройство не предусматривает возможность регулирования скорости вращения жидкости непосредственно как при поступлении в щель траншеи, так и в самой траншеи в случаях изменения характеристик потока. В известном устройстве промывное отверстие расположено непосредственно в подвижном полотнище, которое при минимальном наполнении воды в подводящем канале расположено на одном уровне дна подводящего канала. Вследствие этого (при низких уровнях воды) призма отложений наносов не доходит до промывного отверстия в своем максимальном перемещении. В связи с этим идет непроизводительный сброс оросительной воды. Работа же в процессе промывки при резком повышении уровня воды в верхнем бьефе канала и при открытии затвора, выполненного из двух полотнищ, приводит к большим непроизводительным сбросам воды, а наличие противовеса ведет только к потери неустойчивости затвора. Это связано с тем, что угол отклонения меняется, соответственно меняются моменты сил приложения относительно оси вращения затвора как со стороны расположения противовеса, так и со стороны давления воды в верхнем бьефе канала. Возможно заклинивание оси затвора. Это сказывается при изменении высоты вертикального и горизонтального полотнищ затвора. Конструкция дна траншеи задерживает наносы в виде крупного камня особенно неправильной формы из-за выполнения его в виде углубления в сторону задней стенки траншеи. Все это ведет к завалу сливного трубопровода и не обеспечивает работоспособность датчика уровня, вследствие этого затвор полностью не открывается. Другим недостатком является неустойчивость работы подвижного затвора из-за наличия двух отдельных управляющих устройств, трудно согласующихся в процессе работы сооружения, каждый раз необходимо настраивать противовес на определенное положение уравновешивания затвора (идет автоколебательный процесс - неустойчивость), при этом ось затвора в потоке воды всегда имеет возможность заклинивать. Известное устройство не может эффективно отводит наносы от боковых водоприемных камер, при этом создается экранирующий эффект и происходит непроизводительный сброс воды на промыв наносов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ защиты отвода в боковую водоприемную камеру воды от плавающего сора (авт.св. СССР №1781367, кл. Е02В 5/08, 1991 года).
Недостатками известного способа защиты отводящей боковой камеры от плавающего сора является малая эффективность отвода донных наносов вертикальным порогом со стороны боковой стенки камеры, сопряженным с дном подводящего канала, т.е. недостаточно эффективная защита от взвешенных и донных наносов из-за отсутствия развития винтообразного движения в канале перед отводом воды в приемную камеру, в которой установлен вращающийся перфорированный барабан. При закрытом щите-регуляторе перегораживающего канала отсутствуют вторичные течения потока и при постепенном отложении наносов перед порогом образуется призма отложений взвешенных и донных наносов с последующим поступлением последних в перфорацию барабана, что создает сопротивление, заклинивает щели, в него поступает воды меньше, чем требуется для поливной техники по периметру барабана - происходит заклинивание его. В конечном итоге скорость вращения барабана уменьшается. Соответственно, приводящее лопастное колесо при малом истечении воды из барабана получает незначительную скорость вращения вплоть до его остановки (скорость истечения воды должна быть не менее 3 м/с). В этом случае устройство не позволяет забирать очищенную воду в закрытый трубопровод. Кроме того, для работы управляющего приспособления необходимо через определенное время открывать по всей ширине канала щит-регулятор вручную для смыва отложившейся призмы наносов и при сбросе одновременно большого количества воды в транзитный канал (непроизводительный сбросной расход воды - особенно в поливной период). Отсутствует оптимальный уклон дна канала у боковой стенки приемной камеры, что не позволяет улучшить транспортирование взвешенных и донных наносов в транзитный поток водовода. При длительном отводе воды в боковую камеру щит-регулятор (уровень воды находится выше барабана) должен поддерживать максимальный (расчетный) уровень воды в камере, это дает возможность взвешенным и донным наносам осесть перед порогом, что не позволяет эффективно использовать прямолинейный участок порога для осуществления защиты от наносов при установившемся режиме воды, т.е. отсутствует струенаправляющая система и связь со сбросным отверстием. При этом не учитывается устройством установка каких-либо элементов сооружений подвижно по высоте и под различными углами к основному потоку и наличие у них своеобразных фокусов (Ф), обеспечивающих благоприятную структуру потока при переводе наносов в транзитный водовод при недопуске их в боковой отвод. В то же время на данном участке ширины канала поток не освобождается от наносов в постоянном режиме, чем и не предотвращается заиление камеры и перфорации барабана. Таким образом, наносы попадут в водозабор, что является существенным недостатком данного устройства. Кроме того, должен присутствовать автоматический смыв потоком наносов в транзитный водовод постоянно. Чистка этого сооружения под потоком воды представляет существенные трудности.
Таким образом обобщая вышесказанное, недостатками известного способа являются: необходимость визуального контроля за началом промывки канала; ручной режим управления промывкой; отсутствие контроля за эффективностью удаления наносов по каналу по его длине.
Цель изобретения - повышение надежности в работе путем уменьшения влияния на управляющее приспособление содержащихся в воде донных и взвешенных наносов.
Поставленная цель достигается тем, что способ регулирования гидравлической структуры потока у водоприемной камеры от наносов, включающий установку в канале щита-регулятора и порога, производит соответствующее перераспределение энергии потока перемещением плоского щита, выполненным в виде водосливного порога, установленного перед приемной камерой во входной ее части со струенаправляющим порогом, выполненным из двух секций в виде криволинейной и прямолинейной в вертикальном направлении стенок, причем криволинейную стенку устанавливают на оси с возможностью поворота, обеспечивающих струенаправляющую систему и кинематически соединенных с водосливным порогом.
При этом криволинейную стенку соединяют с водосливным порогом посредством тяги в виде винта с гайкой и с шарнирами.
При этом струенаправляющие стенки соединены жестко с образованием острого угла между собой в сторону, противоположную промывному отверстию, причем пониженную часть прямолинейной стенки располагают за точкой пересечения по направлению потока, а дно переходного участка канала выполнено в виде понижающегося в сторону щита-регулятора аппарели с повышающимся откосом со стороны приемной камеры.
Кроме того, криволинейную стенку снабжают в верхней части пустотелой верховой трубой посредством трубки, подсоединенной к низовой трубе с отверстиями, расположенной в основании нижней кромки криволинейной стенки со стороны дна участка канала, причем верховую трубу соединяют гибким рукавом с источником напорной воды или компрессора, маневрирование которыми производят по команде с пульта управления.
Кроме того, криволинейная стенка в основании имеет козырек, направленный к дну участка перед низовой трубой.
Такое выполнение способа защиты приемной камеры и перфорированного барабана от взвешенных и донных наносов происходит за счет поворота струенаправляющего порога, связанного с плоским щитом в виде водосливного порога, как по высоте канала, так и по его ширине с ориентированным определенным образом, подбирая положение с отсутствием вероятности поступления наносов в приемную камеру с барабаном в отводящий канал и интенсификации винтового течения водяного вальца перед плоским щитом в начальной части приемной камеры с барабаном. В результате этого донные слои воды, содержащие наносы, поступают в сторону промывного отверстия в щите-регуляторе и в транзитный канал и не дают возможность им осесть перед приемной камерой. Происходит взмучивание и подъем их в средние слои потока и перевод наносов на суженный участок ширины переходного канала, расположенный ближе к промывному отверстию в щите-регуляторе, что позволяет эффективно использовать эти секции струенаправляющей системы порога. Установка по вертикали щита в виде водосливного порога перед приемной камерой, являющегося одновременно и порогом с установкой под различными углами к набегающему потоку, и наличие тяги в виде винта с гайкой и с шарнирами обеспечивают благоприятную структуру потока при переводе наносов на суженный участок канала и направление в промывное отверстие в щите-регуляторе и далее в транзитный канал. При изменении расхода (уровня воды) в канале перед плоским щитом его вместе со струенаправляющей системой опускают до дна канала. Положительный результат также возникает в результате плавного понижения и сужения по ходу потока аппарелей и повышающего бокового откоса у плоского щита перед входной частью приемной камеры, а основной очищенный от наносов поток воды переливается через верхнюю кромку щита (водосливную) и поступает в приемную камеру с барабаном. При этом активное разрыхление наносов ниже основания криволинейной стенки от подачи рабочей среды под давлением воды или подачи сжатого воздуха, заполнивших внутреннюю полость трубы по всему сечению с выпускными отверстиями, во время промывки наносов на 25-30% сокращает время промывки наносов. Следует отметить, что конструкция устройства значительно унифицирована, поскольку она включает несколько операций по защите водоприемной камеры с барабаном.
Экономическая эффективность предлагаемого способа регулирования гидравлической структуры потока воды у водоприемной камеры от наносов заключается в объединении в одном технологическом цикле задач оптимального забора чистой воды в отводящий канал и дополнительной транспортировки наносов, которые выносятся в транзитный канал. Кроме того, значительно снижается сбросной расход воды, т.е. эффективная двухэтапная очистка воды от мусора и наносов.
Подобное использование способа регулирования гидравлической структуры потока воды у водоприемной камеры от наносов, по мнению автора, ранее не было известно и отвечает критерию «Существенные отличия».
На фиг.1 изображено наносорегулирующее устройство, вид в плане; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - узел наносорегулирующего устройства выполнен в виде пластины, изогнутой в сторону подводящего канала с напорными трубами и с гибкой линией связи; на фиг.4 - узел компоновки наносорегулирующего устройства, соединенного с водосливным порогом, в аксонометрии.
Схема реализации способа регулирования гидравлической структуры потока воды включает переходной участок 1 канала, размещенный между подводящим 2 и транзитным 3 каналами. На выходе переходного участка 1 установлен щит-регулятор 4, имеющий промывное отверстие 5 в нижней части щита-регулятора 4. Дно переходного участка 1 выполнено в виде аппарели (понижения) 6 в сторону щита-регулятора 4 с повышающимся боковым откосом 7 со стороны боковой стенки приемной камеры 8. В приемной камере 8 установлен перфорированный барабан 9, жестко соединенный с горизонтальной осью 10 в подшипниковых опорах 11 по авт. свид. №1781367.
Наносоочистное сооружение включает в себя установленный в боковой стенке приемной камеры 8 плоский щит в виде водосливного порога 12 с прикрепленной осью 13 к боковой кромке щита-порога 12 и винтовым подъемником 14 в вертикальных направляющих 15. К оси 13 прикреплена боковой плоскостью наносонаправляющая поворотная донная стенка 16, выполненная в виде двух неравных криволинейной и вертикальной в вертикальном направлении стенок (пластин) 17 и 18 с образованием острого угла между ними, т.е. в виде двух прямых, пересекающихся под острым углом. Вершина острого угла обращена в сторону, противоположную промывному отверстию 5 щита-регулятора 4. Пластина 17 имеет повышенную часть, а пластина 18 - пониженную часть постоянной высоты за точкой, расположенной за точкой пересечения по направлению потока. Опорная тяга 19 горизонтального положения наносонаправляющей стенки 16 выполнена в виде винта с гайкой с шарнирами, соединяющего боковую плоскость водосливного порога (щита) 12 с наносонаправляющей стенкой 16 с возможностью горизонтально-поступательного перемещения относительно дна и ширины переходного участка 1 канала и фиксации тяги (винт-гайка) 19. Вся струенаправляющая система 16, прикрепленная к боковой плоскости к водосливному порогу 12, установлена также с возможностью и вертикального перемещения вдоль боковой стенки по высоте приемной камеры 8. Нижнее торцевое полотнище водосливного порога (щита) 12 в вертикальных направляющих 15 выполнено удлиненным в сторону дна переходного участка 1 канала диаметрально противоположно боковой плоскости стенки порога 20 приемной камеры 8. Поскольку струенаправляющая донная стенка 16 создает винтовое движение потоку воды вблизи дна и он поступает в промывное отверстие 5 щита-регулятора 4, а при повышении уровня воды на переходном участке 1 канала поток, соответственно, по высоте наполнения может насыщаться также наносами различным фракционным составом по крупности, сверху криволинейная пластина 17 снабжена пустотелой трубой 21 присоединенной посредством трубки 22 к низовой трубе 23 с отверстиями 24 в нижней части по ее длине. Низовая труба 23 присоединена к основанию нижней кромки криволинейной пластины 17. Труба 21 с патрубком 25 гибкой линией связи (гибким рукавом) 26 соединена с источником сжатого воздуха (компрессора) или насосом для нагнетания воды под давлением (не показаны). Маневрирование компрессора или насоса производят по команде с пульта управления (не показан). Кроме того, основание пластины 17 имеет козырек 27 и направлено в сторону дна канала 1 перед низовой трубой 23.
Предложный способ при перемещении вверх водосливного порога 12 приводом 14 с наносонапрвляющей системой 16 позволит использовать простейшее оборудование (компрессор или насос) для нагнетания воздуха или жидкости не менее 0,1 МПа и тем самым значительно повысить отвод наносов (их взмучивание и транспортирование) в направлении промывного отверстия 5. Это значительно повышает эффективность промывки участка 1 канала перед приемной камерой 8 от наносов меньшим сбросным расходом и в течение меньшего времени работы на сброс. При этом устройство позволяет чистую воду, например, вращающимся перфорированным барабаном 9 подавать в поливную систему от наносов, т.е. необходимого качества и объема, и обеспечить надежность работы барабана. Себестоимость очистки снизит в несколько десятков раз.
Способ регулирования гидравлической структуры потока воды осуществляется следующим образом.
Для защиты приемной камеры с барабаном 9 от наносов водосливной порог (щит) 12 опускают в направляющих 15 в нижнее положение, верхняя кромка его образует водосливной порог, а наносонаправляющую систему стенок 16 ориентируют определенным образом, подбирая высотное положение стенок 16 в сторону промывного отверстия 5 щита-регулятора 4. Благодаря наличию фиксированием стенок 16 шарнирной тяги 19, выполненной в виде винта с гайкой, обеспечивается требуемый угол и одновременно вызывает усиленное движение потока с уклоном в сторону промывного отверстия 5. Наносы транспортируются в транзитный канал 3, а поверхностные чистые слои воды поступают в приемную камеру 8 на перфорированный барабан 9, затем - в трубопровод (или канал) оросительной системы.
В случаях больших расходов, когда резко увеличивается расход и уровень воды перед щитом-регулятором 4, а также увеличивается транспорт наносов в подводящем канале 2, производят перемещение водосливного порога (щита) 12 вверх со стороны приемной камеры 8 и наносонаправляющая система 16 также перемещается вверх. Благодаря наличию крепления с системой 16 с вертикальной осью 13 и шарнирной тягой 19, прикрепленной к водосливному порогу 12, угол отклонения стенок 16 зависит от непосредственного регулирования в виде винта с гайкой. Такая установка под различными углами взаимодействия к потоку при наличии у него осей своеобразных фокусов (точка пересечения стенок 16 с продольной осью дна переходного участка 1) обеспечивает благоприятную структуру потока при направлении наносов по наклонному участку 1 канала в направлении промывного отверстия 5, которые далее транспортируются в транзитный канал 3.
Для приведения конструкции в рабочее положение при повышении уровня воды (устройство защиты перемещается по вертикали вверх с подвижным порогом 12) патрубок 25 пустотелой трубы 21 с гибкой линией связи 26 подключают к напорной линии компрессора или насоса (не показан). Затем в низовую трубу 23 через трубку 22 пускают под давлением воздух или под напором воду. Воздух или вода выходят из отверстий 24 перед козырьком 27, постоянно взмучивают движущиеся по дну гряды (наносов) и не дают им оседать ниже козырька 27. Этим самым значительно повышается эффект промывки на наклонном участке 1 в течение меньшего времени на сброс воды. При этом повышается производительность промывки и работы устройства за счет взмучивания (разрыхления) наносов по дну участка 1 канала в процессе работы устройства в различных горизонтально-поступательных положениях.
3
Эффективность работы устройства достигается тем, что на суженном участке живое сечение резко уменьшается, вызывая резкое увеличение скорости и транспортирующей способности взмученного потока, что способствует сокращению времени промыва в несколько десятков раз с уменьшением удельного объема на смыв на 1 м наносов, а себестоимость очистки снизится не менее чем в 2-3 раза. Таким образом происходит объединение в одном технологическом цикле задач оптимального забора чистой воды и эффективной двухэтапной очистки от наносов.