АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР СТАТИЧЕСКОГО НАПОРА ВОДЫ ДЛЯ ЗАКРЫТЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
AUTOMATIC CONTROL OF STATIC WATER HEAD FOR CLOSED PIPELINES

Изобретение относится к гидротехнике и мелиорации и может быть использовано для автоматического расхода воды потребителю, совмещающего функции водоподачи и водоучета при поступлении воды из водозаборных узлов, бассейнов суточного регулирования или из крупных каналов.
Известно устройство для регулирования уровня воды, содержащее поплавковый датчик уровня, связанный через шток с распределителем, цилиндрический затвор, установленный над водовыпускной трубой и мембранный привод, при этом содержит установленную над цилиндрическим затвором кольцевую емкость с закрепленным на ней направляющим кольцевым уплотнением, в которой размещен кольцевой эластичный элемент, установленный на торце цилиндрического затвора с возможностью контакта с упорной кромкой направляющего кольцевого уплотнения и снабженный кольцевым грузом, торец цилиндрического затвора выполнен с возможностью осевого перемещения внутри емкости, а распределитель выполнен в виде камеры, в которой установлен шток с поршнями, сообщенной с емкостью и с надмембранной и подмембранной полостями, мембранного привода, корпус которого закреплен на корпусе емкости, причем мембрана мембранного привода жестко соединена с цилиндрическим затвором, причем выходной патрубок водовыпускной трубы снабжен коническим насадком (Авторское свидетельства СССР №1080124, кл. G05D 9/02, 1983).
Недостатками такого устройства являются сложность конструкции и регулирование расхода воды происходит с большим тяговым усилием, а это - пониженная точность и низкое действие в работе. Кроме того, сложно вести учет расхода воды в систему, обусловленный сложной системой элементов конструкции в работе и сложность в изготовлении, т.е. предъявляются особые требования к качеству изготовления устройства, коррозия элементов и др. Все это не обеспечивает надежность и большой ресурс работы. При этом требуются достаточно большие усилия на трущиеся детали затвора для перемещения его. Другим недостатком его является большая инерционность при движении затвора, что плохо согласуется с работой дождевальных машин при их внезапной остановке, что может привести к быстрому перенаполнению оросителя.
Наиболее близким по назначению к предлагаемому является устройство для регулирования расхода напорных трубопроводов, включающее резервуар, подводящий напорный трубопровод, на котором установлен запорный орган с направляющими, кинематически связанный с исполнительным органом управляющей камеры, поплавковый датчик уровня со штоком, связанный с узлом переключения, соединенным с запорным органом, причем узел переключения выполнен в виде гидравлического переключателя, имеющего сливной канал, подключенный к напорному трубопроводу и соединенный с верхней полостью управляющей камеры, при этом поплавковый датчик с переключателем изолирован перегородкой, в которой выполнено отверстие, размещенное на уровне ниже минимального уровня жидкости (Патент РФ №2015526, кл. G05D 7/01, 1989).
Однако такое устройство имеет свойство запаздывания процесса перерегулировки задвижки гидропривода, которая имеет исполнительный орган типа поршневой гидропривод, который ограничен в работе лишь при давлении более 0,2 МПа. Он содержит подвижные трущиеся части - поршень, шток с сальниками, требуется для которых периодическая смазка. В связи с этим оно недостаточно чувствительно при изменениях уровня воды в резервуаре, требует более высокого качества изготовления как исполнительного устройства, так и шарнирно-рычажного механизма с двухпозиционными гидравлическими переключателями. При этом вызывает некоторое неудобство перестановка по высоте планки с рабочими органами поплавкового привода. Другим недостатком является остаточное волнение (колебание) потока воды, поступающего в демпфирующий колодец (камеру), в результате чего поплавок находится некоторое время в колебательном движении, что сказывается на увеличении точности уровня воды в камере, соответственно, передающего гидравлического усилия на исполнительное устройство через гидравлическую связь.
Цель изобретения - повышение точности и надежности в работе и упрощения регулятора.
Указанная цель достигается тем, что он содержит вертикально размещенный телескопический распределитель, подвешенный к устоям с возможностью фиксированного перемещения относительно входного патрубка канала, имеющего сквозные симметричные отверстия, одно из которых соединено с атмосферой, а другое - гидравлически связано с верхней полостью исполнительного органа, выполненного в виде управляющей мембранной камеры и с напорным трубопроводом снабженного вентилями, причем в исходном положении плечо двуплечего рычага, на котором закреплен датчик уровня, ограничено от вертикального перемещения опорой ниже предельного уровня в проточной емкости и горизонтальным козырьком, установленным выше отверстия перегородки, размещенного на уровне ниже минимального уровня жидкости. Кроме того, на телескопическом распределителе закреплен фиксатор в верхней части в виде крышки для ограничения перемещения входного патрубка канала, причем проточная емкость с отверстиями снабжена горизонтальной диафрагмой с отверстием в средней части, установленной выше отверстий проточной емкости.
Применение автоматического регулятора статического напора позволяет повысить точность и надежность работы за счет стабилизации уровня в проточной емкости. Следовательно, расход также стабилизируется в отводе в случае любых отключений дождевальной машины или другой поливной техники, т.е. происходит процесс повышенной чувствительности вследствие взаимной гидравлической связи мембранного привода, распределителя и поплавка в переходных процессах сработки запорного органа в корпусе регулятора расхода. Следует отметить, что данная связь, связанная с переходными процессами в режимах срабатывания запорного органа и в диапазоне низких управляющих давлений не предъявляют высоких требований к качеству очистки воды, уменьшаются перестановочные усилия на гидравлически разгрузочный запорный орган.
Эффективность предлагаемого автоматического регулятора статического напора воды также определяется возможностью настройки штока поплавкового датчика за счет винтовой пары в месте их соединения и допускающую возможность перемещения поплавка вверх или вниз по отношению к ограничительному упору. Конструкция проста и обеспечивает более плавную уставку регулирования расхода воды с меньшим тяговым усилием и совмещает функции водоподачи и водоучета. Использование в проточной камере горизонтального козырька над горизонтальной диафрагмой с отверстием в средней части ее позволяет дополнительно гасить волновой поток в переходных процессах для различного расхода, а сам процесс регулирования потока запорным органом создает более плавный контроль процессами пропуска воды потребителю, что, в свою очередь, сокращает непроизводительные сбросы поливной воды из водозабора и не допускает перенаполнения в отводящей сети.
На чертеже показана кинематическая схема автоматического регулятора статического напора воды напорных трубопроводов.
Автоматический регулятор статического напора содержит подводящий напорный трубопровод 1, мембранный исполнительный механизм, состоящий из камеры 2 давления, клапана 3 со штоком 4, жестко связанного с мембраной 5 и пропущенным через направляющие 6 в крышке 7, причем клапан 3 перекрывает выпускное отверстие 8 корпуса 9, сообщающее сливной патрубок 10 с колодцем-гасителем 11. Колодец-гаситель 11 снабжен проточной емкостью 12 статического напора с отверстиями 13 и 14 и связан с отводящим трубопроводом 15. Проточная емкость 12 статического напора снабжена поплавковым датчиком 16 со штоком 17 жестко соединенным с шарнирно-рычажным органом 18. Шарнирно-рычажный орган 18 соединен шарнирно с тягой 19 с золотником 20 с поперечным сквозным отверстием 21, кроме того, золотник 20 помещен в полость распределителя 22, шарнирно подвешенный к устоям 23. Распределитель 22 имеет сквозные симметричные отверстия 24 и 25, перекрываемые золотником 20, одно из которых 24 соединено с атмосферой, а другое - гидравлически связано через трубку 26 с вентилем 27 с надмембранной полостью камеры давления 2 и с напорным трубопроводом 1 трубкой 28 с вентилем 29. Сквозные отверстия 21, 24, 25 в нижнем положении золотника 20 расположены одно против другого, и золотник 20 в нижнем положении зафиксирован от вертикального перемещения опорой 30 при контакте с рычагом 18, а в верхнем - с крышкой 31 распределителя 22. Конструкция сквозных отверстий и их форма может быть различной, что позволяет повысить чувствительность срабатывания при небольших изменениях давления, то есть повысить чувствительность конструкции и диапазон регулирования. Сочетание подвески на шарнире распределителя 22 к устоям 23 позволяет избежать перекосов в вертикальном перемещении золотника 20. Шток 17 поплавка 16 может иметь винтовую пару, допускающую возможность перемещения поплавка 16 вверх или вниз. В полости проточной емкости 12 выше отверстий 13 и 14 установлена направляющая горизонтальная диафрагма 32 с отверстием 33 в средней части, над которым установлен горизонтальный козырек 34 с образованием щели 35. Все элементы устройства выполнены съемными и взаимозаменяемыми при настройке.
Автоматический регулятор статического напора работает следующим образом: когда в напорном трубопроводе 1 вода отсутствует, поплавок 16 под действием массы расположен в нижнем положении на опоре 30, сквозные отверстия 21, 24, 25 расположены одно против другого и соединены с атмосферой. При подаче воды по подводящему трубопроводу 1 вода поступает по трубе 28 в надмембранную полость камеры 2, откуда через трубу 26 и сквозные отверстия 21, 24, 25 - в атмосферу в колодец. Одновременно вода поступает в корпус 9 регулятора через отверстие 8, приподнимает клапан 3 и через шток 4 выгибает мембрану 5 в камере 2 вверх, в полости которой значительно снижается давление, затем поступает через сливной патрубок 10 в колодец-гаситель 11, в проточную емкость 12 статического напора через щель 35 поднимается вода вверх, попадает в верхнюю часть емкости 12, где устанавливается успокоенный уровень воды, равнозначный уровню воды в колодце-гасителе 11 и далее в отвод 15 к потребителю.
При повышении уровня воды в верхней части проточной емкости 12, до значения рабочей отметки, на которую настроен поплавок 16, происходит перемещение вертикально вверх золотника 20, прикрывая проходное сечение сквозных отверстий 24 и 25, что повышает давление воды в камере 2, воздействующее на мембрану 5 и перемещает ее вниз. Усилие от мембраны 5 передается через шток 4 на клапан 3, который прикрывает поперечное сечение отверстия 8 в корпусе 9, в результате уровень воды в колодце-гасителе 11 и в емкости 12 при наличии горизонтального козырька 34 стабилизируется, следовательно, расход стабилизируется в отводящем трубопроводе 15 с высокой степенью точности и быстродействия работы, так как в емкости 12 исчезает волновой процесс поверхности воды. В случае отключения дождевальной машины или другой поливной техники, уровень воды в колодце 11 и в емкости 12 повышается, что приводит к большему поднятию поплавка 16, следовательно, к закрытию сквозного отверстия 25, а также к закрытию запорного органа 3. При снижении давления воды в отводе 15 цикл повторяется. Время заполнения и слива камеры давления 2 регулируется по времени вентилями 27 и 29, этим самым делают настройку устройства на заданный режим работы. Вследствие взаимной гидравлической связи мембранного привода, распределителя, поплавковой емкости статического напора и горизонтального козырька, повышается чувствительность и надежность в переходных режимах сработки запорного органа. Мембранные приводы работоспособны в диапазоне и низких управляющих давлений и не предъявляют высоких требований качеству очистки воды.
Степень открытия клапана 3 и расход через регулятор зависят от соотношения сил, действующих на мембрану 5 (сверху) и со стороны корпуса 9 (снизу):
кам
кам
эм
кл
т
т
т
д
∑F=P·ω+G><∑F=Р·ω+F,
кам
т
кам
эм
кл
т
т
д
2
2
где ∑F, ∑F - силы, действующие на мембрану со стороны рабочей камеры и корпуса, Н; P - давление в рабочей камере, Па; ω - эффективная площадь мембраны, м; G - вес клапана с мембраной, Н; Р - давление в корпусе, Па; ω - площадь проходного сечения корпуса, м; F - сила гидродинамического давления на клапан, Н. Силу гидродинамического давления на клапан определяют по формуле:
д
р
F=ρVQ,
3
где ρ - плотность воды, кг/м; V - средняя скорость потока в корпусе, м/с;
р
3
Q - расход через регулятор, м/c.
Таким образом, рабочий клапан регулятора перемещается в результате перемещения поплавка и изменения давления в рабочей камере.
Пропускную способность регулятора (ограничителя) статического напора теоретически вычисляют по формуле:
т
р
где ∑ζ - сумма коэффициентов гидравлических сопротивлений подводящего трубопровода (корпуса); ζ - коэффициент сопротивления регулятора; Р - давление на входе в подводящем трубопроводе, Па.
max
min
Диаметр условного прохода корпуса регулятора уровня определяют исходя из пропуска максимального расхода Q при минимальном давлении P на входе в трубопровод:
м
р
р.mах
р.mах
р
кам
р
р.mах
Для герметичного перекрытия корпуса диаметр заделки мембраны регулятора должен составлять Д=1,5Д. Высоту его рабочей камеры выбирают с учетом максимального хода рабочего клапана С (С=0,35Д) и принимают h=0,25Д>С/2.
Сечение соединительных трубок и их диаметры определяет время заполнения рабочей камеры давления водой, следовательно, и время закрытия регулятора, которое должно быть достаточным для предотвращения прямого гидравлического удара в подводящем трубопроводе.
ст
д
Для надежного открытия регулятора расход через его сливную трубку должен в 3…4 раза превышать максимальный расход распределителя (золотниковый переключатель) и, следовательно, диаметр сливного отверстия, распределителя должен быть d≈2d.
п
п
Объем поплавка и его размеры (диаметр и высоту) определяют из условия надежного перекрытия распределителем отверстие слива и допустимой статической ошибки, т.е. h=0,3D.
Таким образом, это позволяет оперативно менять расход воды потребителю или полностью отключать. Дополнительно вентиль 27 может быть закрыт до упора в тех случаях, когда необходимо освободить проточную емкость 12 от воды и произвести настройку, например, штока поплавкового датчика за счет винтовой пары в месте их соединения, и допускающую возможность перемещения вверх или вниз по отношению к ограничительному упору 30 и, соответственно, над горизонтальным козырьком 34, а вентиль 29 обеспечивает, наоборот, разгруженность полости камеры 2, когда не требуется стабилизировать уровень воды в отводящем трубопроводе 15 вследствие полного забора воды из источника при минимальных расходах. Это позволяет применять в закрытых оросительных системах в большом диапазоне изменения уровней воды в колодце-гасителе с проточной емкостью и осуществить регулирование в автоматическом режиме с высокой степенью точности и быстродействием работы, имея простую систему узлов и пониженную чувствительность к взвешенным наносам, так как промывка проходит под напором воды.
Кроме того, эффективность изобретения заключается в том, что оно исключает потерю воды на сброс. Вследствие взаимной гидравлической связи мембранного привода, распределителя и поплавковой емкости статического напора с горизонтальным козырьком и диафрагмой с отверстием в средней части повышается чувствительность и надежность в переходных режимах срабатывания запорного органа. Мембранные приводы работоспособны в диапазоне и низких управляющих давлений и не предъявляют высоких требований к качеству очистки воды. Уменьшить перестановочные усилия позволяет гидравлически разгруженный запорный орган с меньшим тяговым усилием, который также обеспечивает плавную установку регулирования расхода воды. Это также позволяет гасить избыточную энергию потока для различного расхода, а сам процесс регулирования потока позволяет создать систему контроля процессами пропусков воды в режиме планового водопользования, что, в свою очередь, сокращает непроизводительные сбросы поливной воды из водохранилищ и других источников орошения и простои поливной техники, исключает субъективный фактор при определении в контрольных отборах у потребителя расходов водоподачи.