ВОДОПРИЕМНОЕ СООРУЖЕНИЕ ДЛЯ ЗАБОРА ВОДЫ ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ
WATER INTAKE STRUCTURE FOR INTAKE OF WATER FROM SURFACE SOURCES

Изобретение относится к водоснабжению и может быть использовано в системах водоснабжения из поверхностных источников, где наблюдаются обычно колебания уровней воды в течение времени, например в период паводков, межени.
Разнообразие природных условий и обилие методов водоприема обуславливает наличие большого числа признаков, по которым могут быть подобраны речные водозаборы. На реках применяют в основном водозаборные сооружения двух типов: береговые и русловые.
Береговые водозаборы устраивают при сравнительно крутых берегах реки. Поскольку вода забирается непосредственно у берега реки, в этом месте берег должен быть устойчивым, незатопляемым (в период паводков) и удобным для размещения водозабора.
Вода из реки поступает в водоприемный колодец через окна, на которых установлены подъемные металлические решетки для предотвращения попадания внутрь водозабора крупных плавающих предметов. Водоприемные окна размещены на различных уровнях для возможности забора наиболее чистой воды при максимальном и минимальном уровнях воды в реке. Таким образом, водоприемные окна должны находиться не менее чем на 0,5 м выше дна водоема, а вверх - не менее чем на 0,2 м ниже нижней кромки льда. При этом среднюю скорость движения воды в отверстиях решеток входных окон для водозаборов берегового типа рекомендуется принимать 0,2…0,6 м/с (меньшие скорости - при большой мутности и образования шуги). Для закрывания и открывания окон должны устанавливаться затворы. Размер окон и их число определяются гидравлическими расчетами.
Следует отметить, что также имеет место распространение для орошения и временного водоснабжения передвижных и плавучих водозаборных сооружений, совмещенные с насосной станцией.
К таким устройствам можно отнести известные водоприемники для забора воды из поверхностных слоев (Авторские свидетельства SU: №1768700, E02B 9/04 от 15.10.1992 и №1555420, E02B 9/04 от 07.04.1990). Общим недостатком таких водоприемных сооружений относится то, что объем сооружений и их стоимость достаточно высокая, всасывающие трубы имеют большую длину, вследствие чего условия работы насосных агрегатов значительно ухудшаются, как и обслуживание их рабочим персоналом.
Известно водоприемное сооружение для забора воды из поверхностных источников, представляющее собой береговой водозабор, состоящий из водоприемной камеры с водоприемными окнами и всасывающей камеры с насосами первого подъема (Водоснабжение и канализация на железнодорожном транспорте / Белявский М.И. и др. Под ред. Дикаревского B.C. - 2-е изд. перераб. И доп. - М.: Транспорт, 1980, с. 67-68).
Недостатком этого водоприемного сооружения является то, что при изменениях уровней воды на водном объекте прием воды осуществляется через верхний или нижний ярус водоприемных отверстий, что требует дополнительных затрат на оборудование водоприемного сооружения и существенно увеличивает размеры водоприемного сооружения, а при низких уровнях воды возрастает высота всасывания насосов, что увеличивает затраты энергии при эксплуатации водоприемника, кроме того, при расположении водоприемных отверстий на проектных отметках наблюдается поступление значительного количества взвешенных наносов из нижних слоев воды, затруднено обслуживание водоприемных отверстий в период шуголедовых явлений в водоисточнике, засорение водоприемных отверстий и аккумуляции наносов в месте их расположения. Другим недостатком является отсутствие автоматического поддержания заданного уровня в различных режимах, и не предоставляется возможность точного и гибкого регулирования речного водозабора воды. В целом, это снижает безотказность работы сооружения, а следовательно, и надежность эксплуатации и сложность конструкции.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является водоприемное сооружение для забора воды из поверхностных источников, оборудованное в виде берегового водозабора, содержащее водоприемную камеру с водоприемными окнами, всасывающую камеру с насосами первого подъема, при этом водоприемное сооружение выполнено в виде поплавка с воздушной камерой в нижней части водоприемного сооружения и крепится к вертикальным направляющим опорам с помощью кольцевых муфт (патент RU №2364680, E02B 9/04, E03B 3/04 от 20.08.2009).
Недостатком данного водоприемного сооружения является его односторонняя работа, т.е. регулирование уровня воды в водоприемном сооружении при изменении уровня воды в водоисточнике достигается вручную на входе водоприемного окна. При этом отсутствует автоматическое поддержание заданного уровня воды в водоприемной камере в различных режимах наполнения источника водоснабжения. Сам процесс работы сооружения рассчитан только на работу поплавка с воздушной камерой, пропускная способность зависит только от одного расположения водоприемного окна, и возможность влияния мутного потока, особенно при больших напорах, когда скорости течения увеличиваются и наносы могут задерживаться около окна. Эти недостатки снижают безотказность срабатывания устройства при заборе воды, а следовательно, и надежность эксплуатации (запаздывания при резком перепаде между уровнями воды поверхностного источника и всасывающей камеры с насосами).
Техническим результатом, который может быть получен в результате использования заявляемого технического решения, является повышение надежности и точности в работе путем поддержания заданного перепада между уровнями воды поверхностного источника и всасывающей камеры с насосами.
Технический результат достигается тем, что водоприемное сооружение для забора воды из поверхностных источников, оборудованное в виде берегового водозабора, содержащее водоприемную камеру, всасывающую камеру с насосами первого подъема, водоприемное сооружение выполнено в виде поплавка с воздушной камерой в нижней части водоприемного сооружения и крепится к вертикальным направляющим опорам с помощью кольцевых муфт, в стенке водоприемной камеры введено два патрубка, на выходе которых размещены перекрываемые клапана с поплавковым приводом, размещенным в водоприемной камере, причем нижний клапан соединен со штоком поплавка в виде рычажного привода, а верхний клапан соединен с рычагом, закрепленным на горизонтальной оси его вращения с возможностью вертикального перемещения относительно друг друга.
Следует также отметить, что наличие в конструкции сооружения двух патрубков с двумя клапанами и поплавковым приводом позволяют в результате различных наполнений в источнике и его насыщенности наносами повысить устойчивый гидравлический напор в водоприемной камере, учитывая и скоростные характеристики водоисточника, а следовательно, повышается надежность работы поплавка с воздушной камерой и с насосами. Процесс нарастания расхода в водоприемной камере идет стабильнее, чем в известном сооружении, причем элементы подобраны таким образом, чтобы охватывать весь диапазон уровней, по которым производится регулировка, а количество поступающей воды из водоприемной камеры во всасывающую камеру происходит без волнения свободной поверхности в зоне расположения плавающих насосов.
Таким образом, в водоприемную камеру поступает определенный объем воды, как в период паводков, так и в межени, за счет открытия и закрытия каждого из отдельных коротких патрубков в стенке водоприемной камеры, которая соединена с всасывающей камерой, препятствуя сильному волнению для плавающих насосов в работе. Этим самым также снижается инерционность их всплытия, ведущая к повышению производительности.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что в заявленной совокупности признаков часть существенных признаков является новой, следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
На чертеже схематично дана принципиальная схема водоприемного сооружения для забора воды из поверхностных источников, общий вид.
Водоприемное сооружение для забора воды из поверхностных источников, оборудованное в виде берегового водозабора, содержит водоприемную камеру 1, боковая стенка которой снабжена короткими патрубками 2 и 3.
Выпускное отверстие нижнего патрубка 2 снабжено плоским клапанным затвором 4, который через шарниры 5 и 6 соединен со штоком 7 с поплавком 8, а верхний патрубок 3 - клапанным затвором 9, через горизонтальную ось 10 рычагом 11 через шарнир 12 со средней частью соответственно штока 7 с поплавком 8, размещенных внутри водоприемной камеры 1. Кроме того, шток 7 примерно в средней части имеет дополнительный рычаг 13, соединенный шарнирно с боковой стенкой камеры 1 и может быть значительно приближен к стенке с перепускными окнами 14, совмещенной с всасывающей камерой 15 с насосами первого подъема 16, которые выполнены в виде поплавка с воздушной камерой 17 в нижней части водоприемного сооружения и которые соединены при перемещении в водоприемном сооружении по вертикали в случае изменения уровня воды как в источнике 18, так и в водоприемной камере 1, и они соединены с вертикальными направляющими опорами с помощью муфт (не показано).
Таким образом, ликвидируется влияние бурлящего потока воды в источнике, поступающего через короткие патрубки 2 и 3 с клапанными затворами 4 и 9, поступающего дальше во всасывающую камеру 15. Отсюда вытекает, что камера 1 с двумя впускными патрубками 2 и 3 представляют собой гидравлическое реле, в котором уровни воды между поверхностью источника 18 и всасывающей камерой 15 фиксируются клапанными затворами 4 и 9, т.е. наступает стабилизация поступающего и забираемого расхода, поплавок с воздушной камерой при этом занимает заданное устойчивое положение, соответственно, и насосы плавают равномерно на поверхности воды. Таким образом, поплавковый привод с клапанами отделены от всасывающей камеры с насосами в виде лабиринтных перегородок.
Работает водоприемное сооружение для забора воды из поверхностных источников следующим образом.
При возведении водоприемного сооружения для забора воды из поверхностных источников выполняется в виде берегового водозабора, который крепится к вертикальным опорам с помощью кольцевых муфт (не показано). При низких уровнях воды в поверхностном источнике 18 нижний патрубок 2 располагается на нижних отметках в боковой стенке водоприемной камеры 1. Клапан 4 открыт, в водоприемной камере 1, соответственно клапан 9 на патрубке 3 в водоприемной камере 1 закрыт, т.к. он под действием своего веса и веса поплавка 8 перекрывает водовыпускное отверстие патрубка 3. При этом благодаря верхнему ограничению при закрытии отверстия патрубка 3 поплавок 8 не может опуститься ниже, соответственно нижний клапан 9 открыт.
При повышении уровня воды в поверхностном источнике 18, открытие отверстия патрубка 2 клапаном 4 в водоприемной камере 1, происходит повышение уровня воды и, одновременно, поступление воды через перепускные окна 14 во всасывающую камеру 15 с насосами, соответственно, наступает момент, когда поплавок 8 поднимается вверх, в результате чего через шарниры 5 и 6, шток 7, воздействует на клапан 4, он закрывается, и одновременно шток 7 воздействует через рычаг 11 и горизонтальную ось 10, дальше воздействует на клапан 9, который открывается, что обеспечит возможность забора требуемого расхода воды на установившихся отметках уровня воды в поверхностном водоисточнике 18.
В результате этого пара работы клапанов 4 и 9 сохраняют практически повышенную точность и синхронизацию поддержания уровней как в водоприемной камере 1, так и во всасывающей камере 15 с насосами с помощью расположения на разной высоте впускных патрубков 2 и 3 в водоприемной камере 1, так и во всасывающей камере 15 с насосами с помощью расположения на разной высоте впускных патрубков 2 и 3 в водоприемной камере 1, диаметры которых могут быть различными, соответственно, различна их пропускная способность, быстродействие работы клапанов, а также надежное поддержание уровней воды в водоприемном сооружении в целом.
Выполнение клапанов 4, 9 и поплавкового привода 8 приводит также к повышению надежности работы насосов, размещенных во всасывающей камере 15, поскольку уровень в ней успокаивается, создаваемым открытием или закрытием коротких патрубков 2 и 3, соответственно, клапанами 4 и 9, т.е. водоприемное сооружение работает надежно с саморегулирующими элементами. При этом скоростные характеристики потока с наносами не влияют на забор воды и позволяют обеспечить смыв наносов по длине водоисточника.
Ход движения поплавка на штоке с фиксаторами уровней определяется для двух положений уровня в водоприемной камере (минимального и максимального в поверхностном водоисточнике) из условия, чтобы разница уровней воды обеспечивала необходимый ход поплавка для открытий отверстий в патрубках 2 или 3, соответственно клапанами 4 или 9. При этом клапаны 4 и 9, один из них опускаясь, а другой - закрывая отверстие в патрубке, удерживаются от быстрого и опасного их гидроудара о стенки патрубка за счет выполненных клапанов, создающих определенное противодавление при закрытии или открытии их при заполнении водоприемной камеры, что и обеспечивает вращения клапанов при связи с поплавковым приводом. Таким образом, автоматически поддерживается соответствие между колебаниями уровней воды в течение времени, например в период паводков, межени.
Эффективность предлагаемого водоприемного сооружения заключается в том, что данная конструкция клапанных затворов в водоприемной камере работает в противофазе (противоположное изменение) при наполнении и снижении воды в камере, что позволяет работу запорных клапанов сохранять в устойчивом режиме, т.е. обеспечивается возможность снижения инерционности действия в работе, также всасывающей камеры с насосами в зависимости от изменяющихся условий движения воды в поверхностном источнике.