Строительство и архитектура / 7. Водоснабжение
и канализация
Гайсин А.А. – аспирант,
Снежко В.Л. –профессор, д.т.н.
ФГБОУ ВО «Российский
государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия имени К.А.Тимирязева», Россия
Конструктивные особенности водоподачи и история развития технических средств регулирования
расхода на открытых каналах
Гарантированное обеспечение водными
ресурсами предполагает приоритетное решение задач создания условий для
гармоничного социально-экономического развития регионов, содействие инновациям,
обеспечивающим ресурсосбережение, формирование реальных предпосылок к
реализации конкурентных преимуществ российского водоресурсного потенциала [1].
Предметом рассмотрения являются
низконапорные водопропускные сооружения мелиоративных систем. На нужды
мелиорации уже сегодня в среднем по стране тратится около 20 % электроэнергии,
потребляемая сельским хозяйством. В этой связи перспективно использование
возобновляемой энергии – гидравлической энергии потока воды в осуществлении
технологических процессов на оросительных каналах. Автоматизация процессов
водоподачи и водораспределения в ряде случаев может осуществляться на базе гидравлической
энергии потока.
Использование энергии потока в чистом
виде возможно посредством силового воздействия потока на элементы конструкции
водопропускных сооружений; использования свойств потока при движении при
формировании его определенным образом (изменение сжатия потока при истечении из
под щитов, деформации падающей струи); воздействия на поток определенным
конструктивными элементами (управления структурой потока на сооружениях или в
устройствах, например, в гидроциклонах и др.); регулирования гидравлических характеристик
потока в элементах систем автоматики (вакуума на напоре сифона и др.) [2];
целенаправленного использования особенностей протекания потока в напорных
трубчатых сооружениях (гидродинамические регуляторы расхода).
В развитии этих принципов до настоящего
времени создано более 100 систем гидроавтоматики для автоматизации
технологических процессов на мелиоративных объектах.
История исследований в области средств
автоматизации водопропускных сооружений насчитывает более 100 лет. К первым
научным трудам частного случая регулирования – стабилизации расхода можно
отнести работы начала 20 века Д.П. Рузского «Водомеры с возрастающими
сопротивлениями модуль Джибба, модуль Альфа, модуль Кеннеди» [3].
Модуль Джибба (рис. 1) состоит из двух
частей: 1 – рабочей камеры 1, имеющий в горизонтальной плоскости закругление на
180º; 2 – подводящей трубы 2. В рабочей камере установлены в радиальном
направлении диафрагмы 3, на некотором высоте от дна. Их нижнее очертание
назначено так, чтобы при минимальном напоре диафрагмы не стесняли сечения, но
при увеличении горизонта воды верхнего бьефа диафрагмы должны вступать в работу
и создавать дополнительное сопротивление, препятствующее возрастанию расхода.
Модуль Джибба относится к сооружениям автоматически регулирующих постоянство расхода
за счет увеличения местных сопротивлений [3].
Рис. 1. Водовыпуск Джибба 1 – рабочая
камера; 2 – подводящая труба; 3 – диафрагмы; а – поперечный разрез; б – рабочая
камера, вид сверху.
Модуль Джибба предназначен для
установки в открытых каналах при отсутствии наносов, больших уровнях верхнего бьефа
Нвб>1 м, с максимальном диапазоном напора Н<0,4 м.
Модуль Альфа (рис. 2) состоит из
полукруглой трубы 1, перекрытой крышкой 2, изогнутой виде прямоугольника и
снабженной диафрагмами 3, края которых срезаны наискось и высота которых
убывает от выходного сечения к входному. Размеры трубы должны быть рассчитаны
так, чтобы при наименьшем напоре Нmin уровень воды касался острия нижней
диафрагмы. Тогда при небольшом возрастании напора некоторые из диафрагм будут
погружены в воду и, тем самым, оказывать сопротивление движению потока [3].
Рис. 2. Конструктивная схема
водовыпуска Альфа: 1 – полукруглая труба;
2 – крышка в виде прямоугольника; 3 –
диафрагмы.
Модуль Альфа используется в качестве
водовыпуска из канала старшего порядка в каналы младшего или отвода к
потребителю постоянного расхода, при максимальном уровне верхнего бьефа Нвб=1
м, и максимальном диапазоне регулирования Н=0,35 м.
Модуль Кеннеди (рис. 3) состоит из
сходящегося насадка 1, соединенной короткой цилиндрической горловиной 2 с
конической расходящейся трубой 3. В горловине устроении шибер 4 для
регулирования расхода, и отверстие 5 для подводящей воздух трубки 6. Водовыпуск
Кеннеди пропускает постоянные расход по следующему принципу: чем больше вакуум
в короткой цилиндрической горловине, тем больше скорость притока воды из
распределителя и тем больше ее расход, но как только
вакуум нарастает, по воздушной трубке начинает поступать воздух, благодаря чему
вакуум снижается и, соответственно, уменьшается и расход.
Рис. 3. Водовыпуск Кеннеди:
1 – входной оголовок; 2 – короткая цилиндрическая горловина; 3 – конически
расходящаяся труба; 4 – трубка для воздуха.
Водовыпуск Кеннеди рассчитан для
применения в каналах старшего порядка при уровнях верхнего бьефа Нвб>1
м, и отсутствии влекомых наносов. Эта одна из немногих конструкций,
использующих диффузор на концевом участке.
Также к исследованиям
первой половины 20 века можно отнести работы В.Д. Журина – стабилизаторы
расхода воды для каналов с бурным и сверхбурным течением [4].
В 1951 г. в работах Ф.И.
Пикалова были рассмотрены водомерно-регулирующие сооружения [5].
С 1960 по 1990 гг.
значительны вклад в исследования эксплуатационных характеристик гидроавтоматов
внесли работы: А.И.
Авдеева, Г.Л. Батина, Ш.С. Бобохидзе, Я.В. Бочкарева, А.И. Бредиса, Р.С.
Бекбоевой, Ю.Д. Веденеева, А.А. Гарпунга, О.В. Зайцевой, А.С. Лугового, Э.Э.
Маковского, И.С. Меркурьева, Р.Ю. Мусанджановой, Р.Н. Мухутдиновой, А.И.
Рохмана, Ю.А. Свистунова, И.Б. Хамадева и многие другие. Среди зарубежных исследователей
можно выделить В. Андерсена, П. Данела, Э. Робинсона, С. Сишидри и другие.
С 1990 г. по настоящее время вопросам
разработок гидроавтоматов и изучению гидравлических характеристик посвящены
работы: О.В. Атамановой, Д.М. Бенина, О.В. Гаврилиной, В.Л. Снежко, С.И Хусни,
Е.С. Шаниной.
В 1988-1991 гг. во ВНИИГиМ
им. А.И. Костякова предложен принципиально новый способ регулирования расходов
воды, названный гидродинамическим саморегулированием или гидродинамическим
регулированием. Регулирующее механическое воздействие на транзитный поток
(перекрытие части водопропускного сооружения или сжатия транзитного потока
затвором) заменено качественно иным, использующим эффект слияния двух напорных
потоков, транзитного и управляющего [6, 7].
Пример исполнения проточной
части водовыпуска-регулятора расхода с подачей управляющего потока со стороны
нижнего бьефа приведен на рис. 4. Четкого конструктивного выделения транзитного
трубопровода в данном случае нет. Транзитный расход поступает через входной
оголовок с неподвижной верхней стенкой 1. Водосливная кромка 4 располагается на
отметке, соответствующей минимальному уровню нижнего бьефа, который
устанавливается при максимальном водопотреблении. При росте уровня нижнего бьефа
управляющий расход перетекает через водослив и по крышке диффузора самотеком поступает
в отверстие камеры слияния 2 и происходит процесс регулирования [8].
Рис. 4. Водовыпуск-регулятор по нижнему
бьефу с неподвижным входным оголовком: 1 – входной оголовок транзитного
водовода; 2 – управляющее отверстие; 3 – крышка несимметричного диффузора; 4 –
водосливная кромка подачи управляющего расхода.
Изменение пропускной
способности водовыпуска происходит за счет двух физических факторов: сжатия
транзитного потока потоком управления и резкого увеличения потерь напора в
отводящей части закрытого водовода.
Перспективным
направлением развития средств автоматизации является совершенствование
проточной части существующих и создание новых регуляторов расхода гидродинамического
действия. Они являются напорными водопропускными сооружениями с обратной
гидравлической связью между объемом водопотребления ниже створа водовыпуска-регулятора
по нижнему бьефу и объемом воды поступающего к сооружению.
Литература:
1. Федеральная целевая программа «Развитие водохозяйственного
комплекса Российской Федерации в 2012-2020 годах».
2.
Бочкарев Я.В. Эксплуатация, гидрометрия
и автоматизация оросительных систем: Учеб. пособие для системы Госагропрома
СССР. М.: Агропромиздат, 1987. 172 с.
3. Рузский Д.П. Водомеры с возрастающими сопротивлениями. Модуль
Джибба // Тр. ин-та / Научно-мелиоративный ин-т. Л., 1922. С. 114 – 125.
4. Журин В.Д. Мелкие водовыпуски // Вестник ирригации. Ташкент,
1924. C.8 – 9.
5. Пикалов Ф.И, Фалькович А.Я. Водомерно-регулирующие
сооружения внутрихозяйственной оросительной сети. М.: Сельхозгиз, 1951. 137 с.
6. Москалева В.Л. Водовыпуски малых плотин с гидродинамическим
регулированием: дис. …канд. техн. наук. М.,1992. 220 с.
7.
Хусни С. И. Совершенствование конструкций регулирующих сооружений на оросительных
каналах с применением гидродинамического саморегулирования: дис. …канд. техн.
наук. М., 1993. 199 с.
8. Снежко В.Л. Гидродинамическое регулирование расхода
низконапорных водопропускных гидротехнических сооружений: дисс. докт. техн.
наук. М., 2012. 365 с.