ВАКУУМНЫЙ ВОДОПРИЕМНИК ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ЗАБОРА ВОДЫ ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ВОДОХРАНИЛИЩА Российский патент 1997 года по МПК E02B9/04 

Изобретение относится к гидростроительству и может быть применено при эксплуатации действующих гидроэлектростанций для выравнивания температурных режимов верхнего и нижнего бьефов плотин гидроэлектростанций.

Известен турбинный водовод по а.с. СССР N 746029 автора В.П. Стеганцева. По этому изобретению водоприемник турбинного водовода, включающий аванкамеру с сороудерживающей решеткой и рабочим затвором, отличается тем, что с целью приближения температурного режима реки в нижнем бьефе к естественному в аванкамере установлен "Г" образный затвор с возможностью вертикального перемещения по мере сработки или наполнения водохранилища, причем горизонтальная полка затвора погружена в воду и направлена в сторону верхнего бьефа, а низ затвора опущен ниже порога аванкамеры. Водовод по этому изобретению не обеспечивает стабильного селективного забора воды из поверхностных слоев водохранилища, а следовательно, не обеспечивает выравнивание поверхностных температурных режимов верхнего и нижнего бьефов по двум причинам подъем и опускание Г образного затвора по времени может не совпадать с подъемом и опусканием уровня воды в верхнем бьефе плотины, а следовательно, на пороге водослива будет постоянно меняться слой снимаемой воды и соответственно его температура, которая не будет близкой к температуре поверхностных слоев воды в верхнем бьефе, и величина Г образного затвора напрямую зависит от величины срабатывания горизонтов воды в верхнем бьефе, а оно может достигать многих десятков метров. Есть еще одна причина. Эта причина касается вообще всех водосливов и заключается в самой форме волны водослива. Разность атмосферного давления до и после волны водослива является причиной поступления на порог воды не только из слоев, лежащих выше уровня порога, но и ниже его, а это не позволяет осуществить точное выравнивание температурных режимов обоих бьефов.

Известен способ увеличения пропускной способности напорного водовода по а. с. СССР N 1335633 ( автор В.Д. Богатырь, БИ N 33, 1986 г.) отличающейся тем, что с целью повышения эффективности деформации нижнего бьефа водовод выполнен из эластичного материала, а после присоединения насадка к концу водовода производят растягивание его конечной части в горизонтальном направлении, а затем фиксируют конечную часть насадка в этом положении. Те же причины, о которых говорилось при анализе работы устройства по а.с. N 746029 не позволяют применить этот способ для решения поставленных задач.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является изобретение по а.с. СССР N 1700136 (БИ N 47, 1991 г.), автор Г.Г. Ушаков). По этому изобретению водоприемник для забора воды из поверхностных слоев водохранилища, включающий напорный водовод и установленное на направляющих водопереливное устройство, отличающееся тем, что с целью повышения эффективности в работе водоприемник снабжен обслуживающим судном, а водопереливное устройство выполнено из отдельных пустотелых, например, A-образных элементов, связанных в гирлянду под обслуживающим судном и установленных с возможностью регулирования плавучести, обслуживающее водоприемник судно выполнено в виде катамарана.

Это изобретение обеспечивает более четкое (селективное) разделение слоев воды при заборе ее из верхнего бьефа, так как оно обеспечивает забор постоянного стабильного слоя воды на пороге водослива независимо от величины и скорости срабатывания горизонта воды в верхнем бьефе плотины, однако, как и по первому изобретению, из-за формы волны водослива и ее расположения у его порога на порог будет поступать, хотя и незначительная, часть "донной" воды, искажая тем самым поверхностный температурный режим бьефов плотины.

Цель изобретения повышение эффективности в работе шахтных плавающих водоприемников. Поставленная цель достигается тем, что вакуумный водоприемник для селективного забора воды из поверхностных слоев водохранилища, включающий напорный водовод с водозаборными окнами в его стенках, выполненный с регулируемой плавучестью и водопереливным устройством в виде порога водослива рационального профиля, судна-катамарана, под которым смонтирован напорный водовод и понтоны которого соединены поверху между собой сплошным воздухонепроницаемым перекрытием, выполнен таким образом, что затворы водозаборных окон водовода связаны системой рычагов с дополнительным судном, установленным впереди судна-катамарана и имеющим плавучесть, независимую от плавучести судна-катамарана и напорного водовода, а пространство над порогом водослива и водоводом, ограниченное с одной стороны телом плотины, с другой дополнительным судном, понтонами катамарана с боков и его перекрытием сверху, образует водосливную камеру, которая выполнена герметичной, а катамаран оборудован устройством, обеспечивающим понижение атмосферного давления в водосливной камере, выполненным, например, в виде вентилятора, установленного в его воздухонепроницаемом перекрытии.

Таким образом, заявляемое решение имеет отличительные признаки от прототипа, следовательно, оно соответствует критерию " новизна". Сравнение предлагаемого решения не только с прототипом, но и другими техническими решениями в данной области техники позволили выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение не только от прототипа, но критерию существенная новизна".

На фиг. 1 показан предлагаемый водоприемник в разрезе; на фиг. 2 разрез по A-A на фиг. 1; на фиг. 3 разрез по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 разрез C-C на фиг. 1; на фиг. 5 разрез по Д-Д на фиг. 1. На лицевой стороне, плотины-1, со стороны ее верхнего бьефа, по обеим сторонам двух водородов одной турбины устанавливаются вертикальные рельсовые пути 2. На рельсовые пути 2 опирается своей кормовой частью судно-катамаран 3, выполненный в виде двух понтонов, соединенных воздухонепроницаемым перекрытием 4. Под катамараном 3 смонтирован водоприемник 5 с порогом водослива 6. В поперечном сечении тело водоприемника имеет "П"- или "A"-образную форму, своей открытой стороной обращенную к телу плотины и концами крыльев, через катки, опирающуюся на рельсовые пути 2. Вся конструкция водоприемника и катамарана имеет положительную плавучесть и соединена в единый блок, который может свободно перемещаться вверх и вниз по рельсовым путям 2. Толщина снимаемого слоя воды H устанавливается регулировкой плавучести этой системы. После установки катамарана 4 и водоприемника 5 у тела плотины и соединения их в единое целое в специальные танки (квиндеки) катамарана 4 и водоприемника 5 закачивается вода, все сооружение теряет часть своей плавучести и опускается до отметки, при которой слой воды над порогом водослива 6 достигает своей максимальной величины H. После запуска турбины из квиндеков постепенно удаляется часть воды и все сооружение всплывает до тех пор, пока на пороге водослива не образуется минимальный слой воды, при котором обеспечивается необходимый расход турбины. Перед катамараном устанавливается дополнительное судно 7, выполненное, например, в виде плоского понтона (плашкоута), имеющего по бокам днища ребра 8, затрудняющие подсос воздуха под днище. Плашкоут и его плавучесть независимы от катамарана и водоприемника, он системой рычагов 9 соединен с затворами водозаборных окон 10, выполненных в корпусе водоприемника. Открываются окна только в том случае, если будет нарушаться относительное расположение плашкоута 7 с катамараном 4 или при искусственном изменении длины одного из рычагов 9 с помощью специально встроенного в эту систему гидроцилиндра 15. Дополнительное судно 7 (плашкоут) и водозаборные окна 10 обеспечивают устойчивое и стабильное расположение всего водоприемника у тела плотины при аварийных закрытиях затворов турбин, значительном волнении и верхнем бьефе плотины, при аварийных ситуациях в турбинах и их водоводах. Эта система позволяет осуществлять ремонтные работы на аварийных затворах водоводов турбин, решетках и скулах водоводов без прекращения работы на полную нагрузку соседних турбин. Эта система позволяет выбирать такие режимы работы, при которых величина снимаемого слоя воды из верхнего бьефа плотины будет самой минимальной при заданном расходе ее через турбину. Ни одно известное устройство в мире не может обеспечить ни такую стабильность работы, ни такую точность съема слоя воды, необходимого для точного выравнивания температурных режимов обоих бьефов. С тем, что бы исключить поступление воды на порог водослива из горизонтов водохранилища, лежащих ниже уровня порога, дополнительное судно 7 с судном-катамараном, кроме рычагов 9, соединено кожухом 11, шарнирно закрепленным как на судне 7, так и на катамаране. Крылья кожуха 12 опущены ниже уровня воды в водохранилище. Сам водоприемник также имеет уплотнение 13. Все это делает зону над порогом водослива в сливной камере катамарана изолированной от окружающей среды, а это, в свою очередь, позволяет понижать атмосферное давление над порогом водослива и искусственно "сдвигать" волну водослива по порогу в сторону водоприемника, исключая тем самым причины, вызывающие подсос на порог "донной" воды. Понижение давления над порогом может осуществляться самым различным способом, например, с помощью вентилятора 14, встроенного в перекрытие 4 катамарана 3. С тем чтобы разность атмосферных давлений вне и внутри сливной камеры водоприемника была постоянной и заданной, в стенках и потолке сливной камеры устанавливаются предохранительные клапаны 16.

Работает водоприемник следующим образом.

Перед открытием затвора водовода турбины судно-катамаран 4 и водоприемник 5, которые в блоке образуют единое целое, заглубляются на максимальную глубину. Величина снижаемого слоя из верхнего бьефа плотины, в первоначальный момент работы турбины, таким образом, будет максимально возможной. Расход воды через порог в этот момент в несколько раз превышает расход воды через турбину. Дополнительное судно (плашкоут) 7, имея независимую от водоприемника плавучесть, остается на поверхности водоема, и, следовательно, все водозаборные окна водоприемника открыты максимально, т.е. водоприемник в этот момент "прозрачен". Через него может поступить любое количество воды к турбине. Его наличие у плотины, в этот момент, никакого влияния на работу турбины не оказывает. Это позволяет обеспечить подачу воды на лопасти турбины при любых режимах ее пуска и работы. После того как турбина будет запущена и выведена на заданные рабочие режимы, приступают к вводу в работу водоприемника. Сначала гидроцилиндрами 15 плотно закрывают водозаборные окна 10. Затем удалением воды из балластных камер водоприемника и катамарана поднимают весь комплекс до тех пор, пока расход воды через порог водослива не сровняется с расходом воды через турбину. Скорость потока через водослив безусловно возрастает, однако выравнивание расходов водоприемника и турбины еще не дает основание считать, что слой снимаемой воды из верхнего бьефа плотины будет в этот момент минимальным. Как правило, расстояние между водоводами турбин небольшое, и из-за узости сливного фронта и значительных расходов турбины получить тонкий слой снимаемой воды не представляется возможным. Проблема решается, если скорость потока воды на пороге водослива будут формировать не только силы гравитации, но и дополнительные силы. Такими дополнительными силами, способными существенно влиять на величину скорости потока на пороге водослива и при этом быть управляемыми человеком, могут быть только силы атмосферного давления, возникающие при искусственном обеспечении разности атмосферного давления до и после водослива.

Конструктивные особенности предлагаемого водоприемника позволяют выполнить эту задачу. После того как расходы турбины и расходы воды через порог водослива сравняются естественным путем, включается установка, понижающая атмосферное давление внутри судна-катамарана над сливной камерой, например вентилятор 14. Изменяя его производительность, можно плавно регулировать изменение разности атмосферных давлений до и после волны водослива, постепенно наращивая скорость воды на пороге водослива, при неизменном расходе воды через него, этот расход продиктован расходом турбины на заданных режимах ее работы, что позволяет уменьшить величину снимаемого слоя воды до самых минимальных величин, обеспечив при этом длительную, устойчивую, не зависимую ни от каких случайностей, работу турбины при одновременном, практически идеальном, выравнивании температурных режимов верхнего и нижнего бьефов плотины. Последнее, как известно, необходимо для того, чтобы исключить в нижних бьефах плотин незамерзающие зимой полыньи и все негативные сопутствующие им явления, обеспечить биогенезис нижних бьефов нормальными, исторически сложившимися, условиями его существования, обеспечить теплые пляжи летом вблизи плотин, там, где это необходимо, или подачу подогретой воды на рисовые чеки там, где в настоящее время на эти цели тратится до 30% мощности электростанций и пр.

Использование: в гидротехническом строительстве при эксплуатации действующих гидроэлектростанций. Сущность изобретения: сооружение состоит из трех основных частей - судна-катамарана, водоприемника, собранного из отдельных "А"- и "П"- образных блоков в единое целое с порогом водослива "Г" - образной формы. Перед судном - катамараном установлено дополнительное судно, выполненное в виде понтона с плоским дном /плашкоута/ и имеющего по бокам днища ребра. Плашкоут соединен с затворами водозаборных окон системой рычагов. В эту систему встроен гидроцилиндр. Плашкоут и судно-катамаран соединены шарнирно кожухом с крыльями. Сам водоприемник имеет также уплотнения. В водоприемнике предусмотрено устройство, способное понижать атмосферное давление над порогом водослива, выполненное в виде вентилятора, встроенного в воздухонепроницаемое перекрытие судна-катамарана. 5 ил.

Вакуумный водоприемник для селективного забора воды из поверхностных слоев водохранилища, включающий напорный водовод с водозаборными окнами в его стенках, выполненный с регулируемой плавучестью и водопереливным устройством в виде порога водослива рационального профиля, судно-катамаран, под которым смонтирован напорный водовод и понтоны которого соединены поверху между собой сплошным воздухонепроницаемым перекрытием, отличающийся тем, что затворы водозаборных окон водовода связаны системой рычагов с дополнительным судном, установленным впереди судна-катамарана и имеющим плавучесть, независимую от плавучести судна-катамарана и напорного водовода, а пространство над порогом водослива и водоводом, ограниченное с одной стороны телом плотины, с другой дополнительным судном, понтонами катамарана с боков и его перекрытием сверху, образуют водосливную камеру, которая выполнена герметичной, а катамаран оборудован устройством, обеспечивающим понижение атмосферного давления в водосливной камере, выполненным, например, в виде вентилятора, установленного в его воздухонепроницаемом перекрытии.