РЕГУЛЯТОР УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД
CONTROLLER OF GROUNDWATER LEVEL

Изобретение относится к мелиорации и может быть использовано для автоматического регулирования уровня грунтовых вод.
Известен регулятор уровня грунтовых вод, содержащий дренажный колодец, установленный на оголовке дрены запорный орган с поплавковым приводом, причем привод выполнен в виде двух шарнирно связанных с возможностью независимого перемещения поплавков, один из которых размещен в камере, сообщенный через трубчатый фильтр с грунтовыми водами выше регулятора, а второй - в колодце. Такое устройство позволяет стабилизировать уровни воды в колодце и открывать дренажный коллектор независимо от этого уровня при превышении уровня грунтовых вод (Авторское свидетельство СССР №763519, кл. Е02В 11/00, 1978).
Однако устройство требует подачи воды по дренажному коллектору от истока к устью и характеризуется невысокой точностью стабилизации. Устройство сложно в изготовлении, в процессе эксплуатации из-за заиления и заохрирования датчика трубчатого фильтра не обеспечивается с достаточной точностью поддержание заданных напоров.
Наиболее близким по назначению к предлагаемому является регулятор уровня воды в дренажной сети, включающий запорный орган, установленный на входном оголовке дренажной трубы, поплавок со штоком, дренажный колодец и выпускной патрубок (Авторское свидетельство СССР №496349, кл. Е02В 11/00, 1975).
Недостатком известного регулятора является низкая эффективность регулирования водного режима почвы, а также необходимость ручной настройки для перехода на другой режим работы, и имеет свойство запаздывания процесса открытия запорного органа, выполненного из клапанов, соединенных между собой штоков, причем нижний клапан размещен внутри запорного органа, а верхний - снаружи, в связи с этим он недостаточно чувствителен при изменениях уровня воды в колодце, требует более высокого качества изготовления исполнительного устройства, так как вследствие двух перпендикулярных клапанов, имеющих общий шток, нижний клапан может отказать в работе при заклинивании его в корпусе вследствие коррозии или загрязнения, что ведет к резкому возрастанию сил сопротивления и погрешности поддержания уровня воды в колодце.
Цель изобретения - повышение надежности и точности в работе путем поддержания уровня воды в колодце.
Поставленная цель достигается тем, что в регуляторе уровня грунтовых вод, включающем запорный орган, установленный на входном оголовке дренажной трубы, поплавок со штоком, дренажный колодец и патрубок, запорный орган снабжен Г-образным рычагом, шарнирно присоединенным к штоку, связанному с рычагом поплавкового привода, шарнирно одним концом присоединенного к борту колодца, а поплавок и запорный орган патрубка шарнирно соединены штоками со средней частью рычага с возможностью вертикального их перемещения, соответственно, на противоположное при изменении положения запорного органа на входном оголовке дрены, при этом поплавок расположен в камере, которая размещена внутри колодца.
Кроме того, камера поплавкового привода сообщена с полостью трубы Вентури посредством трубопровода с вентилем.
При этом запорный орган патрубка снабжен цилиндром со штоком, возвратной пружиной и клапаном, который связан с патрубком для сообщения с дреной посредством трубы Вентури.
При этом одна из стенок камеры в верхней части выполнена с впускным отверстием и с козырьком.
Применение регулятора уровня грунтовых вод позволяет повысить надежность и точность в работе за счет поддержания уровня воды в колодце. Следовательно, расход также стабилизируется в отводе в случае любого изменения уровня в колодце, открывая запорный орган на патрубке дренажной трубы. Происходит сброс воды из коллекторно-дренажной сети, что, в конечном итоге, приводит к снижению уровня грунтовых вод на массиве, а следовательно, уровня воды в колодце. Данная связь, которая связана с переходными процессами в режиме срабатывания запорного органа на оголовке дренажной трубы, и перемещение на противоположное по отношению к поплавковому приводу и запорного органа на патрубке дрены в диапазоне различных уровней и давлений в колодце, не предъявляет высоких требований к качеству дренажной воды, а также уменьшаются усилия на поплавковый привод и запорный орган на патрубке дрены. Кроме того, данная связь с зауженной частью трубы Вентури с поплавковой камерой может характеризовать переходной процесс в колодце, как медленный, так и быстрый уровень сработки уровня воды, а при открытии клапана возвратная пружина сжатия, в конечном итоге, через шток плотно закрывает водопропускное отверстие в седле корпуса запорного органа, при этом перекрывая поступление воды в патрубок дрены. Кроме того, вес и силы упругости элементов должны быть подобраны таким образом, чтобы охватывать весь диапазон уровней, по которым производится регулирование, и не допускать перенаполнения перед колодцем.
На чертеже схематически изображен регулятор уровня грунтовых вод.
Регулятор уровня грунтовых вод включает колодец 1 с впускным патрубком 2 коллектора, запорный орган 3, который посредством Г-образного рычага 4, штока 5 и жестких связей через шарниры 6, 7, 8, 9 связан с рычагом 10, один конец которого шарнирно присоединен к борту колодца 1, а поплавок 11 и клапан 12 шарнирно соединены со средней частью рычага 10, соответственно штоками 14 и 15. Камера 16 выполнена в виде поплавкового привода, размещена внутри колодца 1 и закреплена на вертикальных опорах 17 к дну колодца 1. Одна из стенок 18 камеры 16 выполнена с впускным отверстием 19, устроенным в верхней части стенки 18 с козырьком 20. Позицией 21 обозначен ограничитель уровня перемещаемого поплавка 11. Шток 15 клапана 12 размещен в цилиндре 22 с возвратной пружиной 23, один конец которой прикреплен к крышке 24 цилиндра 22, а второй - к клапану 12. Гибкая связь между крышкой 25 корпуса 26 и клапана 12 выполнена в виде рукава 27 из гибкой мелиоративной ткани. Корпус 26 клапана 12 соединен с патрубком 28 отводящего коллектора 29, который имеет сужение, выполненное в виде трубы Вентури 30. Угол сужения конфузора трубы Вентури α=40-50°, а угол расширения диффузора β=6-8°. Труба Вентури 30 при помощи трубки 31 с обратным клапаном 32 и вентилем 33 присоединена к камере 16. Цилиндр 22 присоединен к крышке 25 корпуса 26.
Степень открытия клапана 12 и расход через седло корпуса 26 зависят от соотношения сил, действующих на поплавок 11, т.е. объем поплавка и его размеры (диаметр и высота) определяют из условия надежного закрытия запорного органа 3 с Г-образным рычагом 4 на дренажном коллекторе, учитывая упругость возвратной пружины 23, вес рукава 27 с клапаном 12 со штоком 15.
д
р
р
3
3
Силу гидродинамического давления на клапан определяют по формуле F=ρVQ, где ρ - плотность воды, кг/м; V - средняя скорость потока в корпусе, м/с: Q - расход через регулятор отводной трубы коллектора, м/с.
Таким образом, рабочий клапан 3 на закрытие впускного патрубка 2 коллектора и открытие клапана 12 с возвратной пружиной 23 перемешаются в результате поплавка и изменения давления от уровня воды в колодце.
Диаметр условного прохода корпуса 26 на коллекторе 29 определяют исходя из максимального сбросного расхода в колодце 1 и уровня воды в последнем.
Для герметичного перекрытия отверстия в корпусе 26 жесткость возвратной пружины 23 выбирают с учетом сил давления воды в колодце на клапан.
Регулятор уровня грунтовых вод работает следующим образом.
При поступлении воды в коллектор регулятор находится в положении, когда запорный орган 3 открыт на дренажном коллекторе. Система должна быть сбалансирована таким образом, что при поступлении воды в колодец 1 поплавок 11 находится в нижнем положении, а клапан 12 прикрывает поперечное сечение отверстия в корпусе 26. В результате уровень воды в колодце 1 превысит отметку отверстия 19 в стенке 18, козырек 20 которого направляет воду к дну камеры 16 и способствует сглаживанию поверхности воды, выходящей из отверстия 19, уровень воды повышается. Камера 16 заполняется водой, поплавок 11 поднимает рычаг 10, и клапан 12 открывается, соответственно, происходит перемещение на перекрытие дренажного коллектора запорным органом 3.
При прохождении дренажной воды по сужению отводящей трубы дрены 29, то есть по трубе Вентури 30, в ее зауженной части образуется напор, который при соответствующем выборе диаметров трубы дрены 29 и зауженной части трубы Вентури 30 оказывается меньше давления в трубке 31. В результате разности давлений происходит поступление воды из камеры 16 через обратный клапан 32, вентиль 33 по трубке 31 в зауженную часть трубы Вентури 30 с расходом, зависящим в т.ч. и от гидравлических потерь напора в обратном клапане 32, вентиле 33 и трубке 31.
При понижении уровня воды в колодце 1 и в камере 16 поплавок 11, следуя за уровнем воды, опускается, увлекая за собой шток 14, оказывая влияние на положение и снятие сжатия пружины 23, и через шток 15 клапан 12 закрывает коллектор 29.
При наличии избытков воды в дренажной сети (уровень воды в колодце вновь поднимается до отметки впускного отверстия 19 стенки 18) запорный орган 3 находится в открытом положении до восстановления требуемого уровня.
С целью предотвращения попадания отводящей воды в коллектор 29 из зауженной части трубы Вентури 30 по трубке 31 в камеру 16 при внезапном повышении напора в зауженной части трубы Вентури 30 и превышении давления в трубке 31, что может внезапно случится, например, при прекращении движения отвода воды по отводящему коллектору 29 или значительном повышении напора в нем, обратным клапаном 32 мгновенно перекрывается поступление отводящей воды по трубке 31 в камеру 16.
При полностью освобожденной камере 16 от воды клапан 12 закрывается, а запорный орган 3 открывает подводящий коллектор впускного патрубка 2, который посредством Г-образного рычага 4 и жестких связей через шарниры соединен с рычагом 10, закрепленным одним концом шарнирно к борту колодца 1 при отрегулированном усилии пружины 23 внутри цилиндра 22. Пружина 23 разжимается и создает усилие плотного закрытия клапаном 12 выпускного отверстия в корпусе 26, и цикл повторяется.
Параметры пружины 23 внутри цилиндра 22 (жесткость, длина) подобраны таким образом, что к моменту сообщения клапану 12 импульса на закрытие отверстия в корпусе 26 за счет энергии разжатия пружины 23 происходит плотное прижатие клапана 12 в корпусе 26, что повышает надежность работы регулятора.
В результате этого отсутствуют утечки воды из колодца, обеспечивается точное и надежное поддержание уровней грунтовых вод, а также обеспечивается гибкое и дифференцированное регулирование заданных уровней на подкомандной территории в зависимости от видов сельхозкультур и вегетационного периода, что способствует получению высоких и устойчивых уровней сельскохозяйственных культур в независимости от погодных условий.
Эффективность предлагаемого регулятора заключается в том, что данная конструкция запорных органов в регуляторе уровня грунтовых вод работает в противофазе (противоположное изменение) при наполнении и освобождения колодца от воды, соответственно, и камеры, что позволяет работу запорных органов сохранять в устойчивом режиме, т.е. обеспечивается автоматическое регулирование заданных уровней грунтовых вод в режиме увлажнения и сброс дренажных вод в режиме осушения.