РЕГУЛЯТОР РАСХОДА ВОДЫ ДЛЯ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Советский патент 1939 года по МПК E02B13/00 

Среди сооружений на оросительных системах регуляторы расхода воды (шлюзы-водомеры) относятся к наиболее трудно поддающимся проектированию. Регуляторы расхода должны удовлетворять следующим многочисленным требованиям:

1. Забирать из распределителя установленный постоянный расход вне зависимости от колебания уровня воды в распределителе.

2. Иметь возможность устанавливать различные расходы.

3. Конструкция шлюза должна обеспечивать пуск водомера и прекращение подачи воды.

4. Необходимо иметь конструкцию, при которой возможно определение расхода, воды проходящей через водомер в данный момент.

5. Способность прибора забирать воду из нижних слоев распределителя для вывода из последнего влекомых течением взвешенных частиц и охраны его от быстрого заиления.

6. В водомерах желательно иметь минимум подвижных частей, особенно в той части, которая служит для поддержания постоянства расходов.

7. Простота обслуживания.

8. Определенность гидравлического расчета.

9. Обеспечение правильности работы при минимальных перепадах.

10. Устойчивость в отношении гидрологических и метеорологических факторов.

11. Сравнительная дешевизна.

Практически применяемые регуляторы (шлюзы-водомеры) можно разделить на две большие группы. Водомеры без автоматического регулирования постоянства расхода и автоматические регуляторы, поддерживающие определенный расход воды вне зависимости от взаимного положения горизонтов в распределителе и оросителе (вне зависимости от напора).

Ко второй группе относятся известные регуляторы, состоящие из трубы Вентури, снабженной воздушной трубкой, поставленной в горловине (регуляторы Кеннеди). Воздушная трубка поддерживает атмосферное давление в горловине, благодаря чему колебания расходов в зависимости от напоров несколько сглаживаются, по сравнению с выпуском через донное отверстие. В этой конструкции удовлетворительные результаты получаются лишь при наличии сравнительно больших перепадов.

Описываемая конструкция регулятора основана на том же принципе и имеет целью получить полное регулирование желаемого расхода при достаточно широких колебаниях напора.

В этой конструкции применено известное в регуляторах приспособление, состоящее из мембраны, заключенной в коробку, сообщенную трубками с трубой Вентури.

Новой отличительной особенностью описываемой конструкции является то, что мембрана соединена с клапаном воздушной трубки для регулирования впуска воздуха в горловину трубы Вентури.

На чертеже фиг. 1 изображает схему описываемого регулятора; фиг. 2 и 3 - пример конструктивного оформления регулятора (продольный разрез и фасад); фиг. 4 - схему мембранной коробки с воздушным клапаном в увеличенном масштабе; фиг. 5 - вариант сдвоенного регулятора (фасад); фиг. 6-9 - другие варианты регулятора в продольных разрезах.

Между распределителем I и оросителем II (фиг. 1) в насыпи канала заложена труба Л с горловиной Б. За счет разности уровней Z вода устремляется через эту трубу в ороситель, создавая в суженном сечении (горловине) пониженное давление. Благодаря образовавшемуся вакууму по воздушной трубке П в горловину засасывается воздух. При неограниченном доступе воздуха давление в горловине стало бы равным атмосферному (водомер Кеннеди). При этом истечение через прибор совершалось бы под напором H. Если ввести на пути воздуха, входящего в трубку, сопротивление с помощью клапана К, то можно сравнительно в широких пределах варьировать величину вакуума. При этом истечение будет происходить по формуле:

где В равно высоте столба жидкости, соответствующего вакууму, и ω - сечению горловины. Изменяя открытие клапана К можно добиться того, что сумма, стоящая в скобках под корнем, будет оставаться постоянной, т.е. расход при переменных величинах напора Н будет оставаться также постоянным за счет изменения величины вакуума В. Для этого поставлен мембранный регулятор. Коробка Д последнего соединена на схеме трубками П₃ и П₂ с водоемом распределителя I и горловиной Б. Загрузив мембрану М грузом Г, можно получить регулятор, обладающий свойствами поддерживать постоянной сумму (Н+В) или Н₀, т.е. рабочий напор, под которым через горловину будет происходить истечение. Груз Г должен быть выбран так, чтобы при максимальном расчетном подъеме горизонта распределителя вакуум В был бы равен нулю. При расположении мембраны регулятора на уровне О-О груз на мембране может вообще отсутствовать, так как при этом давление как в полости В₁ коробки, так и в полости Н₁ будет равно атмосферному давлению, и для равновесия мембраны приложения груза Г не требуется. При понижении уровня ниже О-О на величину В давление в полости Н₁ понизится тоже на величину В и на мембрану будет действовать сила, равная площади мембраны, умноженной на величину В. Клапан будет оседать под этим давлением до тех пор, пока создаваемое им сопротивление входящему воздуху не создаст над мембраной разрежения, равного также величине столба воды В, после чего наступит равновесие и прибор установится на расчетном расходе.

Максимальное снижение горизонта распределителя возможно до тех пор, пока за счет перепада возможно будет поддерживать при закрытом клапане К вакуум В=Н₀-Н.

Теоретические подсчеты, а также произведенные автором опыты показывают, что прибор работает настолько в больших пределах разностей горизонтов в распределителе, насколько горловина трубы меньше заглублена под уровень оросителя. Предел повышению горловины ставит величина возможных колебаний уровня в оросителе и условие промыва в раструбе скоплений регулирующего расход воздуха. Располагая верхнюю грань раструба предельно высоко, можно поднять образующую верхней части конуса практически почти в горизонтальное положение. Вопрос с промывом воздуха и повышением отметок горловины требует специального лабораторного изучения. Что касается формы раструбов, то наилучшие результаты (теоретически) дают раструбы с углом конуса 5-6° и соотношением диаметров выходной части и горловины соответственно в пределах 5-2,5. Практически вопрос о соотношениях размеров раструбов должен быть уточнен лабораторным путем, так же как и вопрос о постоянстве угла раструба по его длине.

Теоретически, для получения давлений в горловине, близких к атмосферному, трубка, подводящая воздух, должна иметь диаметр 0,17-0,3 от диаметра горловины для различных минимальных перепадов Z₀ соответственно от 20 до 50 см (подсчеты сделаны для регулятора на 100 л/сек). Вопрос о расчете подвода воздуха также должен получить лабораторную оценку.

Нерационально ограничивать работу регулятора областью точного регулирования. При повышении уровня выше плоскости О-О автомат будет работать как регулятор Кеннеди, и часть этой области работы прибора может быть практически использована.

На чертеже фиг. 2 и 3 изображают конструктивное выполнение регулятора с клапаном, расположенным на уровне О-О, согласно обозначениям на фиг. 1, и поэтому имеющего незагруженную мембрану.

В горловине этого регулятора расположен шибер Ш. Коробка шибера исполнена с плотными соединениями и имеет наверху сальник Ч. Благодаря такой конструкции оказалось возможным присоединить клапан К с мембраной непосредственно к верхней части трубки кожуха шибера. От подмембранного пространства идет вниз трубка П, открывающаяся своим концом под уровень ниже низких горизонтов в распределителе.

На фиг. 4 коробка мембраны и клапан показаны более подробно. На чертеже видно отверстие Е малого диаметра в мембране М, назначение которого заключается в следующем. После открытия шибера Ш вода устремляется из распределителя через горловину и раструб в ороситель; при этом создается в коробке над мембраной и под мембраной (благодаря отверстию Е) пониженное давление; так как вакуум действует и на нижнюю поверхность клапана К, то последний закрывается, вакуум повышается до предельной величины, за счет чего вода всасывается по трубке П₃ в пространство под мембраной. Когда это пространство будет целиком заполнено через отверстие Е, вода выступит над мембраной и будет уходить через щель поднятого шибера в горловину трубы, под которой теперь установится другое давление (вакуум), равное атмосферному, минус высота столба воды от поверхности в распределителе до плоскости мембраны, т.е. прибор таким образом включится в нормальную работу; клапан приоткроется и автоматически начнет пропускать столько воздуха, сколько необходимо для того, чтобы в горловине установилось расчетное давление Н₀. Оно будет и дальше оставаться постоянным, вне зависимости от стояния уровней в распределителе. Отверстие Е в мембране во время эксплоатации прибора будет служить непрерывно, обеспечивая необходимое наполнение водой пространства под мембраной. Это отверстие должно быть сделано столь малым, чтобы не создавать заметного течения в трубке П₃, во избежание неточности в работе клапана, и вместе с тем настолько большим, чтобы во время периода пуска воздух из-под мембраны выходил свободно, обеспечивая этим одинаковое давление как под, так и над мембраной. Для удовлетворения поставленного условия, возможно, рационально будет применить при несколько большем отверстии Е всплывающий клапан, который при достижении уровнем мембраны приподнимался бы и закрывал указанное отверстие.

Приемная часть прибора исполнена на чертеже в виде насадки, обусловливающей забор воды из нижних слоев распределителя для захвата взвешенных наносов.

Нерационально с целью уменьшения расхода прикрывать шибер, так как из-за возникающих сопротивлений и ухудшения работы раструба, хотя и наступает уменьшение расхода, но одновременно и в еще большей мере снижается область правильной работы автомата.

Поэтому, пока не произведены соответствующие опыты, лучше рассчитывать на постановку двух рядом расположенных приборов, каждый из которых можно включать или в отдельности или совместно.

На фиг. 5 приведен пример такого сдвоенного прибора на расходы 400, 600 и в сумме на 1000 л\сек.

Регулирующий клапан этого автомата присоединен к обоим кожухам и имеет два крана С, служащие для приключения клапана к одному из двух или к обоим вместе автоматам.

На фиг. 6 приведен вариант расположения регулятора в насыпи распределителя. Шибер заменен здесь крышкой Ж, надвигаемой расположенным над бровкой насыпи винтом, укрепленным в верхней части в подшипнике, запроектированном на двух расходящихся под углом винтовых свайках. Самый клапан помещен в колодце. Коробка под мембраной соединяется не с распределителем, а с верхом подводящей трубы, что вполне возможно, имея в виду постоянство расхода, а следовательно, и постоянство потерь на участке от распределителя до горловины и соответствующую тарировку.

Фиг. 7 изображает вариант регулятора сифонного типа. В сифонном автомате подводящая труба идет над насыпью, а раструб лежит в оросителе. Для зарядки сифона служит малый сифон Ф с инжектором Л₁ на конце. После того, как инжектор начнет работать, воздух из сифона будет откачиваться по трубке 3. Предварительно необходимо завинтить вручную крышку в выходном конце раструба. После заполнения сифона указанная крышка открывается и прибор начинает работать нормально, как автомат. Для пуска малого сифона с инжектором предусмотрен кран Ц и вакуум-насос Т. Остановка сифона обеспечивается открытием специального крана У. Во время работы сифона инжектор не прекращает работы и обеспечивает удаление скопляющегося воздуха в сифоне.

Фиг. 8 изображает вариант регулятора с заглубленным клапаном. Этот тип представляет, возможно, некоторые преимущества в том отношении, что не будет бояться неплотностей в соединениях на пути воздуха, находящегося в приборе под вакуумом. Здесь на мембрану клапана давит груз, по весу равный столбу воды, сечением равный площади мембраны и высотой от поверхности мембраны до плоскости О-О (фиг. 1). Чашка под мембраной имеет отверстия, которыми непосредственно соединяется с водой в распределителе. Воздух, проходя через клапан К, спускается вниз по трубе, проходит мимо груза и по расположенным в нижней части кожуха двум боковым трубкам П устремляется в горловину прибора.

Выше было отмечено, что регулировать расходы закрытием шибера нерационально в виду снижения качества работы прибора. Выход из этого положения можно найти в применении вдвигающегося в основной раструб дополнительного конуса с меньшим углом расхождения. Этот принцип можно использовать следующим образом.

Труба под насыпью подводит воду к стояку (фиг. 9), оканчивающемуся металлическим расположенным горизонтально диском, имеющим конически понижающуюся к краям поверхность (угол между горизонтом и образующей этого конуса 4-7°). Прикрывающий диск имеет горизонтальную и неконическую поверхность. Средняя его часть, перекрывающая стояк, имеет такую форму, что жидкость, проходя от стояка к периферии дисков, претерпевает аналогичную картину изменения давлений по траектории части потока, как и в простой трубе Вентури (фиг. 1). Здесь щель в месте входа воды под диски будет сечением горловины, а величина щели между концами дисков - сечением выходного отверстия раструба. При изменении расстояния между верхним и нижним диском (тремя установочными винтами, на чертеже не показанными) сечение горловины будет меняться, угол раструба останется тот же (изменяется лишь отношение между площадями входного и выходного сечений, имеющее при расчете в проектных пределах лишь второстепенное значение) и регулятор, будучи установлен на тот или иной расход, обеспечит его неизменность в пределах расчетных колебаний горизонтов в распределителе. Как видно из чертежа, в верхнем диске над горловиной Б регулятора, в месте наибольшего сужения горловины проделаны мелкие отверстия для подвода воздуха из-под клапана К. Груз Г позволяет монтировать клапан над самым диском. Полость под мембраной М имеет внизу отверстие П₃, сообщающее эту полость со стояком, т.е. с напором в распределителе за вычетом гидравлических потерь в подводящей системе. Такое расположение отверстия П₃ требует соответствующей тарировки положения верхнего диска для пропуска прибором расчетных расходов. В самой мембране сделано небольшое отверстие (не указанное на чертеже), назначение которого было указано раньше. Над клапаном К запроектирована двойная сетка, обеспечивающая отсутствие возможности проникновения к клапану снаружи. Отростки А₂ и А₁ от стояка и подмембранного пространства запроектированы для прочистки тех частей, где при работе на загрязненной воде можно ожидать отложения взвешенной мути. Эти отростки завинчиваются пробками и запломбировываются.

Приведенная конструкция имеет то преимущество, что необходимые соотношения размеров раструба получаются при сравнительно небольших дисках (по примерному подсчету для расхода 100 л/сек диаметр дисков получается меньше 1 м).

Также необходимо подчеркнуть, что эта конструкция может иметь весьма высоко расположенную под горизонтом оросителя горловину Б, что важно для обеспечения наиболее широких пределов области поддержанием постоянных расходов, особенно при незначительных расчетных перепадах Z₀. В этой конструкции успокоение воды, поступающей в ороситель, также будет наибольшее.

К преимуществу последней конструкции надо еще отнести: совмещение в верхнем диске также роли щита для прекращения подачи расходов в ороситель (когда последний завинчен вплотную к нижнему диску) и возможность свинчивать и убирать со стояком всю подвижную часть для хранения в то время, когда оросительная система не работает.

1. Регулятор расхода воды для оросительных систем с трубой Вентури, снабженной поставленной в горловине воздушной трубкой, и с применением мембраны, заключенной в коробку, сообщенную трубками с трубой регулятора, отличающийся тем, что для регулирования впуска воздуха в горловину трубы в зависимости от уровня верхнего бьефа, клапан К воздушной трубки соединен с мембраной М.

2. Форма выполнения регулятора по п. 1, отличающаяся тем, что регулятор выполнен из двух или нескольких труб Вентури, воздушные трубки которых имеют общий клапан, управляемый общей мембраной.

3. Форма выполнения регулятора по п. 1, отличающаяся тем, что на конце трубы регулятора установлены два горизонтальных диска, образующие кольцевое расширяющееся к периферии отверстие.