СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПОТОКА ВОДЫ У ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ПОРОГА В РУСЛЕ ВОДОТОКА С ВОДОЗАБОРНЫМ СООРУЖЕНИЕМ Российский патент 2024 года по МПК E02B9/04 E02B8/02 E03B3/36 

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для защиты речных водозаборных сооружений от попадания наносов, мусора и плавающих включений при водозаборе в каналы, трубы и аванкамеры насосных станций.

Известен способ регулирования гидравлической структуры потока воды у циркуляционного порога речного водозаборного сооружения и вертикальную стенку, установленную с возможностью вертикального перемещения и горизонтально - перпендикулярно циркуляционному порогу (Авторское свидетельство SU №1562395, Е02В 8/02 от 07.05.199).

Недостатком этого устройства является то, что его устойчивая работа по борьбе с наносами и плавающими включениями в потоке возможна лишь в незначительном диапазоне изменения расходов и соответственно уровня воды в верхнем бьефе сооружения. В остальных случаях или образуется устойчивая воронка или канал между порогом и стенкой настолько велик, что наносы беспрепятственно попадают в водоприемную камеру. Также весьма сложна пневматическая схема устройства, которая должна обеспечить вертикальное и горизонтальное, перпендикулярно циркуляционному порогу перемещению.

Известен способ регулирования гидравлической структуры потока воды у циркуляционного порога водозаборного сооружения, включающий перемещение стенки, установленной над дном вдоль циркуляционного порога в зависимости от изменения уровня перед ним, при этом стенку размещают перед порогом с расположением над ней верхней ее кромки, перемещение стенки осуществляют путем поворота ее относительно верхней кромки в сторону порога при превышении уровня воды перед порогом (Патент RU №2005846, Е02В 8/06 от 15.01.1994).

Недостатком данного способа является то, что во всем диапазоне изменения уровней и расходов в верхнем бьефе водозаборного сооружения регулирование изменение параметров возмущения, осуществляется путем нарушения циркуляционного вальца, созданного порогом, посредством стенки; нахождение стенки в зоне наибольшего движения наносов будет способствовать быстрому ее износу и выводу всего устройства из работы. Низка надежность устройства, т.к. большой камень или топляк может заклинить стенку.

Известно устройство для регулирования гидравлической структуры потока воды, включающее установленную у циркуляционного порога с возможностью перемещения относительно оси стенки, верхняя кромка которой и ось вращения находятся выше уровня воды на сооружении, при этом стенка установлена сверху порога под углом к его оси, что ось вращения и вершина угла, образованного двумя любыми положениями стенки, расположены в верхнем бьефе сооружения, а нижняя кромка стенки - в камере водоприемника, при этом порог имеет срез в верхней части параллельной примыкающей к нему плоскости стенки в закрытом положении (Патент RU №2177524, Е02В 8/02 от 27.12.2001).

Недостатком данного устройства является слабая способность осуществлять функции водозабора. А также создание эффективных гидравлических условий в зоне влияния водозабора, например предложенного ковшового водозабора открытого типа, для чего необходимы усовершенствования конструкции входной части в аванкамеру с распределительными сооружениями. Кроме того, структура формирования внешними границами гидравлической структуры, взаимодействующей перед порогом, при этом недостаточно он эффективен в работе по борьбе на сооружении с наносами и недостаточность турбулентного перемешивания в зоне водоотвода (камеры водоприемника) и отложения наносов, а, следовательно, снижает эксплуатационные расходы.

Известен водоприемный ковш, включающий установленный в береговой зоне русла реки водоприемник, верхнюю ограждающую водоприемную дамбу и потоконаправляющую стенку, расположенную за ограждающей дамбой ниже по течению, Примыкающую одной стороной к берегу под острым углом в направлении движения транзитного потока, при этом в береге русла реки выполнен водоотводящий канал, вход которого расположен между ограждающей стенкой, а выход - за стенкой (Авторское свидетельство SU №1446230, Е02В 9/04 от 23.12.1988).

Вход в водоотводящем канале превышает отметку уровня на выходе для обеспечения тока воды в отводящем канале. Установленная перед порогом в русле реки стенка дополнительно увеличивает перепад уровней воды на входе и выходе за счет отклонения струй транзитного потока. Однако данное сооружение имеет недостаточную эксплуатационную надежность. Кроме того, это не связано со способом гашения потока для направления потока в аванкамеру и увеличения ее водозабора, а также возможность при движении камней забивки водоотводящего канала из-за подпора, установленной подпорной стенкой вверх.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является водозаборное сооружение, включающее установленное в русле водотока подпорное сооружение, примыкающий к берегу водосливной порог, водоприемную камеру, регулятор расхода и отводящий канал, подключенный к водоприемному оголовку, струеформирующий элемент, обращенный к подпорному сооружению, при этом содержит ковшовую водоприемную камеру, которая оборудована водосливом широкого порога, а выход - аванкамерой, соединенной с отводами каналами забора воды, при этом русло водотока дополнительно снабжено поперечной водобойной перегородкой в виде жесткой криволинейной стенки, закрепленной одним концом на дне водотока и выполненной с обращенной вверх и в сторону ковшовой водоприемной камеры вогнутой гранью, а между поперечной водобойной перегородкой и ковшовой водоприемной камерой расположена параллельно берегу разделительная вертикальная стенка, при этом они образуют, скоростной режим гидравлической струи, вытекающей в выходном участке, при этом над верхней частью всех элементов установлено перекрытие (Патент RU №2656350, Е02В 9/04, Е03В 3/04, Е03В 3/36 от 05.06.2018).

Недостатком данного устройства является слабая способность осуществлять функции водозабора, а также создание эффективных гидравлических условий в зоне влияния водозабора, например, предложенного ковшового водозабора открытого типа, усовершенствования конструкции в связи с наличием в повышении задержания потока и частично гашения кинетической энергии для поворота потока в сторону ковшового водозабора при установке поперечных двух водопереливных раздельных порогов (стенок переливных), образуя между ними водоотводящий канал, а выход водоприемной камеры разделен на три окна входа воды в сторону аванкамеры с разными углами наклона и отсутствия задержания наносов. Кроме того, наличие многочисленных элементов сооружения ведет к усложнению сооружения, большая материалоемкость.

Следовательно, должны создаваться новые сооружения с учетом особенностей для забора воды непосредственно из донных слоев русла водотока. По пути таких сооружений осуществляют водозабор в каналы, трубы и аванкамеры насосных станций в соответствии с запросами потребителей.

Целью изобретения является устранения указанных недостатков прототипа, а именно: упрощение конструкции с массогабаритными характеристиками при заборе воды и обеспечение более увеличенного забора воды в аванкамеру в зоне влияния водозабора, необходимых и достаточных для эффективной защиты от донных наносов и плавающих предметов водозабор при различных режимах работы русла водотока и исключения застойных угловых зон.

Технический результат – упрощение компоновки устройства ковшового водозабора, связанного с аванкамерой для регулирования потока воды, и повышение надежности его работы.

Технический результат достигается тем, что в способе регулирования гидравлической структуры потока воды у циркуляционного порога в русле водотока с водозаборным сооружением, включающий подпорное сооружение, ковшовую водоприемную камеру, соединенную с аванкамерой, снабженной на выходе водоотводящими каналами забора воды, разделительную вертикальную стенку, расположенную параллельно берегу, которая образует скоростной режим гидравлической струи, проходящей между разделительной вертикальной стенкой и берегом, согласно изобретения, гидравлическую структуру потока формируют ниже по течению относительно водозабора, а забор воды осуществляют непосредственно ковшовым водозабором открытого типа перед оборудованным подпорным сооружением в виде двух установленных водопереливных раздельных порогов на дне русла водотока с образованием между ними водоотводящего канала, при этом выход водоприемной камеры оборудован отверстиями для входа потока в аванкамеру, ширину которых ограничивают Г-образной формы полками и наклонной стенкой с углами наклона в пределах: α₁=60-70°; α₂=40-50°; α₃=30-35° соответственно, относительно дна выхода в сторону аванкамеры.

Верхняя горизонтальная полка Г-образной формы, имеет срез верхней части в сторону входа воды в аванкамеру. Кроме того, установка разделительной вертикальной стенки ломанного очертания открытого ковшового водозабора параллельно берегу осуществляется с обеспечением допустимого значения установки в средней части подпорными сооружениями в виде двух установленных водопереливных раздельных порогов на дне русла водотока с образованием между ними водоотводящего канала, на расстоянии 0,5 его ширины и имеют высоту водопереливных порогов (стенок) h_ст.=0,3h_o, где h_о - глубина воды в отводящем уровне водотока, и со стороны входа в ковшовый открытый водозабор устраивают их на расстоянии 3h_о.

Таким образом, в предложенном способе происходит перераспределение расходов воды сначала перед двумя поперечными водопереливными стенками, частично погасив кинетическую энергию и создания при этом напора направления воды в сторону ковшового открытого водозабора. Кроме того, выход из ковшового водозабора в сторону аванкамеры приобретает равномерное распределение удельных расходов по ширине входа за счет ограниченных Г-образных форм полок на входе в аванкамеру, где выполнены не менее трех отверстий входа воды, ширина которых различна и определяется с двумя Г –образной формы полками и наклонной стенкой с углами наклона в пределах α₁=60-70° α₂=40-50°; α₃=30-35° соответственно, относительно дна выхода в сторону аванкамеры.

Таким образом, создаются условия для забора воды из нижних и средних слоев на нужды водопотребления, а, следовательно, повысить эффективность работы ковшового водозабора открытого типа.

Других известных технических решений аналогичного назначения с подобной совокупностью существенных признаков при проведении поиска по научно-технической литературе и патентной документации заявителем не обнаружено.

Решение поставленной задачи достигается путем осуществления нового способа и создания новой конструкции водозаборного устройства.

На чертеже изображен способ регулирования гидравлической структуры потока воды у циркуляционного порога в русле водотока с водозаборным сооружением, общий вид.

Способ осуществляется в следующей последовательности.

В русле водотока 1 устанавливают циркуляционный порог Г-образной стенки 2 ломаного очертания, который ограждает ковшовый водозабор 3 по высоте проточного тракта водотока 1, с обеспечением допускаемого значения установки по отношению водоотводящего канала 4 между двумя подпорными по ширине поперечными водопереливными стенками 5 и 6 на величину 0,5 ширины водоотводящего канала 4, при этом высоту водопереливных поперечных стенок 5 и 6 устанавливают равной h_ст.=0,3h_o, где h_o - глубина воды в отводящем русле водотока 1, и от входа со стороны в ковшовый открытый водозабор 3, равного на расстоянии 3h_o. Ковшовый открытый водозабор 3 связан с аванкамерой 7 открытого типа с уклоном в сторону выхода. Выход открытого ковшового водозабора 3 в аванкамеру 7 открытого типа оборудован отверстиями 8, 9, 10 и 11 с Г-образной формы полками 12 и 13, и наклонной стенкой 14 с углами наклона в пределах: α₁=60-70°; α₂=40-50°; α₃=30-35° соответственно, относительно дна выхода в сторону аванкамеры 7. При этом Г-образная форма полки, включающая в себя верхнюю горизонтальную полку, имеет срез в верхней части, образуя проход воды в аванкамеру 7.

Кроме того, вход в открытую ковшовую камеру 3 снабжают под углом защитной решеткой 15, которая нижним свободным концом опирается на уступ 16 на дне водоприемного отверстия ковшовой открытой водоприемной камеры 3, при этом уступ 16 расположен выше установки двух поперечных водопереливных стенок 5 и 6.

На выходе аванкамера 7 снабжена водоотводящими каналами 17 и 18, соответственно, с регуляторами расхода 19 и 20, при этом отметка дна русла водотока 1 расположена выше отметки дна аванкамеры 7 по течению. При этом на эффективность формирования всего потока в ковшовом водозаборе оказывает большое влияние размещение вблизи двух поперечных водопереливных стенок 5 и 6 с дополнительным водоотводящим каналом 4, поскольку происходит частичное гашение кинетической энергии по течению водотока 1, учитывая их высоту и расстояния, а также пропуск больших размеров наносов и плавающих предметов по водоотводящему каналу 4 между стенками 5 и 6 в режиме полной промывки дна тракта по течению водотока 1.

Способ регулирования гидравлической структуры в начале осуществляют за счет установки двух поперечных водосливных стенок 5 и 6 (порогов) с водоотводящим каналом 4, что создает определенный подпор перед входом воды в сторону ковшовой открытой с наклонной защитной решетки 15 водоприемной камеры 3, а значит, значительно больше поступает в нее потока воды для потребителя через открытую аванкамеру 7 с регуляторами расхода 19 и 20.

Система распределения всего потока в ковшовой водоприемной камере 3 связана с распределением удельных расходов через отверстия 8, 9, 10 и 11, оснащенных Г-образной формы полками 12,13 и стенкой 13, при этом наклон стенок 12 и 13 определяют углом наклона α₁, α₂ и α₃ относительно дна выхода в сторону аванкамеры 7. Количество направляющих Г-образной формы полок и их размеры подбираются расчетным путем для обеспечения оптимального деления всего поступающего потока на отдельные удельные расходы «q_отв.», без образования завихрений и циркуляционных зон, обладающих характерными условиями для увеличения пропуска удельных расходов в сторону аванкамеры 7. Таким образом, это способствует организации равномерного поступления потока воды в сторону входа в аванкамеру по ее ширине. Теоретически это означает, что соблюдается соотношение величин поступления удельных расходов в сторону аванкамеры.

Следует теоретически отметить, что задача конструирования водозаборного сооружения заключается не только создать подпор пере входом в сторону ковшового водозабора, но и уменьшить скорость за счет установки двух поперечных по ширине с дополнительным водоотводящим каналом водопереливных стенок, образующих при этом одновременно водоотводящий канал и пропуск свободно наносов и мусора при сопряжении бьефов водотока, что создает эпюры скоростей при бытовом (нормальном) в режиме движения потока в таких водоводах, не зависимо от пропуска максимального или минимального расходов. Преимущества: простота конструкции водозабора, наилучшая способность растекания при заполнении ковшовой открытой камеры и подачи потока воды в сторону аванкамеры с сооружениями, по крайней мере, через три окна на входе в аванкамеру по ширине, что в целом облегчает эксплуатацию сооружения.

Предлагаемый способ индустриально, имеет значительный больший диапазон по содержанию пропуска наносов сжатым потоком по течению в русле водотока в исходной воде. Позволяет осуществить весь технологический цикл от забора воды до очистки ее в едином комплексе.

В целом изобретение существенно упростить компоновку устройства ковшового водозабора связанного с аванкамерой для регулирования потока воды и повысить надежность его работы аналогичного назначения.

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для забора воды непосредственно из донного русла водотока, вода которого содержит большое количество наносов и мусора, а также при водозаборе в каналы, трубы и аванкамеры насосных станций. Способ заключается в регулировании гидравлической структуры потока воды ниже по течению относительно водозабора непосредственно установкой перед ковшовым водозабором подпорного сооружения в виде двух водопереливных стенок (порогов) 5 и 6 на дне русла водотока, образуя между ними водоотводящий канал 4. Вход ковшовой водоприемной камеры 3 оборудован под углом защитной решеткой 15. Защитная решетка 15 свободным концом опирается на уступ 16. Выход из водоприемной камеры 3 в сторону аванкамеры 7 оборудован тремя отверстиями, ширину которых ограничивают Г-образной формы полками и наклонной стенкой с углами наклона в пределах α₁=60-70°, α₂=40-50°, α₃=30-35° соответственно, относительно дна выхода в сторону аванкамеры 7. Водопереливные поперечные стенки (пороги) 5 и 6 имеют высоту, равную h_ст.=0,3h_o, где h_о - глубина воды в отводящем русле водотока 1. Разделительная Г-образная стенка 2 ковшового водозабора 3 ломаного очертания, закрепленная параллельно берегу, направлена в сторону образованного водоотводящего канала 4. Наличие водоотводящего канала 4 способствует свободному проходу наносов в отводящее русло водотока 1, а поперечные водопереливные стенки (пороги) 5 и 6 создают возможность подпора воды и поступление чистой воды через решетку 15 сначала в ковшовую камеру 3 и далее в аванкамеру 7 равномерно по ее ширине за счет наличия трех отверстий с Г-образной формы полками. Отметки дна аванкамеры 7 и русла водотока 1 не совпадают, в результате происходит заданный водозабор. Конструкция вертикальной стенки ломаного очертания (в виде углового соединения) в целом способствует отжиму наносов в сторону течения водоотводящего канала 4 в нижний бьеф отводящего русла водотока. Изобретение позволяет за счет поперечных подпорных водопереливных стенок (порогов) создать подпор воды перед входом в ковшовый водозабор открытого типа и создать гидравлические условия, обеспечивающие подачу воды равномерно по ее ширине, и эффективную защиту от наносов и попадания мусора при водозаборе, а также обеспечивает упрощение и уменьшение металлоемкости. 1 ил.

Способ регулирования гидравлической структуры потока воды у циркуляционного порога в русле водотока с водозаборным сооружением, включающий подпорное сооружение, ковшовую водоприемную камеру, соединенную с аванкамерой, снабженной на выходе водоотводящими каналами забора воды, разделительную вертикальную стенку, расположенную параллельно берегу, которая образует скоростной режим гидравлической струи, проходящей между разделительной вертикальной стенкой и берегом, отличающийся тем, что гидравлическую структуру потока формируют ниже по течению относительно водозабора, а забор воды осуществляют непосредственно ковшовым водозабором открытого типа перед оборудованным подпорным сооружением в виде двух установленных водопереливных раздельных порогов на дне русла водотока с образованием между ними водоотводящего канала, при этом выход водоприемной камеры оборудован отверстиями для входа потока в аванкамеру, ширину которых ограничивают Г-образной формы полками и наклонной стенкой с углами наклона в пределах: α₁=60-70°; α₂=40-50°; α₃=30-35° соответственно, относительно дна выхода в сторону аванкамеры.