Система стабилизации расхода воды

 

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к устройствам для стабилизации расхода, и может быть применено на трубчатых водовыпусках водохранилищ с резким колебанием уровня воды верхнего бьефа, бассейнах суточного регулирования, каналах. Цель - расширение диапазона и точности стабилизации расхода воды, упрощение конструкции .Сущность изобретения заключается в том, что в системе стабилизации расхода воды, содержащей установленный на водовыпуске затвор, выполненный из двух цилиндров, нижний 9 из которых снабжен кольцевым поплавком 12, а верхний 10 - направляющими роликами 11, дно крышки затвора прикреплено к штоку 3, ее стенки выполнены цилиндрическими, к нижней части крышки присоединена мембрана 8, другой край которой прикреплен к нижнему цилиндру 9, струеотражатель 4 снабжен направляющими роликами 5, а по периметру нижней плоскости поплавкового датчика 17 закреплена стенка 18. 1 ил.

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к устройствам для стабилизации расхода, и может быть применено на трубчатых водовыпусках водохранилищ с резким колебанием уровня воды верхнего бьефа, бассейнах суточного регулирования (БСР), каналах.

Известна система стабилизации расхода воды, которая состоит из цилиндрического затвора-автомата, установленного на водовыпуске, и стабилизатора расхода воды [1]. Цилиндрический затвор-автомат содержит цилиндр, разделенный жесткой диафрагмой с центральным отверстием на две полости и шарнирно подвешенный к одному концу коромысла, которое средней частью опирается на шарнирную опору при этом на другом конце коромысла подвешен поплавок-противовес, установленный в колодце, который сообщается с регулирующим бьефом. Стабилизатор расхода воды может иметь любую конструкцию и установлен за цилиндрическим затвором-автоматом в канале. Для уменьшения динамических нагрузок на выходе водовыпуска установлен струеотражатель в виде цилиндрического конуса вершиной вверх.

Недостатком системы стабилизации расхода воды является то, что точность поддержания уровня в регулируемом бъефе низкая, так как находится в прямой зависимости от соотношения плеч коромысла и веса цилиндра и поплавка-противовеса, подвешенного к нему. Так как донная система имеет большой вес, она является инерционной и имеет низкую чувствительность. Другим недостатком является большая металлоемкость цилиндра и противовеса-поплавка, так как верх цилиндра должен находиться выше уровня воды верхнего бьефа, поэтому применение на водовыпусках с большим перепадом уровней воды верхнего бьефа и нижнего бьефа (который в БСР может быть равным 10 м) невозможно. Система имеет большую инерционность, низкую чувствительность и точность поддержания уровня воды, а следовательно, низкое качеств стабилизации расхода воды. Недостатком является и то, что поплавок-противовес при изменении уровня в колодце за счет силы тяжести перемещает цилиндр вверх, а при повышении уровня воды приводит к закрытию цилиндром водовыпуска, однако эта система имеет большую массу и является инерционной, имеет малую чувствительность и точность стабилизации расхода воды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является система стабилизации расхода воды, которая состоит из установленного на водовыпуске затвора в виде перевернутого стакана, шарнирно соединенного с плечом коромысла, на другом конце которого установлен поплавковый датчик уровня нижнего бьефа, стабилизатора расхода, установленного за затвором, размещенного на выходе из водовыпуска струедержателя, причем данная часть стакана выполнена в виде стакана сильфона, дно которого закреплено неподвижно, а внутри стакана закреплен кольцевой поплавок [2].

Недостатком этой системы стабилизации расхода воды является то, что сильфон при сжатии и растяжении имеет различную силовую характеристику, что приводит к увеличению объема поплавкового датчика и существенно влияет на качественные показатели стабилизации расхода воды. При эластичном гибком выполнении сильфона трудно установить закономерность между силами, образованными сильфоном при сжатии и растяжении, а при жестком выполнении сильфона увеличивается зона нечувствительности по перепаду уровней воды верхнего и нижнего бъефов и увеличивается зона нечувствительности при изменении уровня воды в камере, что приводит к увеличению выталкивающей силы поплавкового датчика и одновременно к увеличению его массы. Это уменьшает диапазон работы системы стабилизации расхода воды по перепаду уровней воды верхнего и нижнего бьефов, а при малых перепадах снижается точность стабилизации расхода воды. Сильфон имеет сложную конструкцию, и при изготовлении трудно выдержать расчетные размеры, что влияет на работу системы. Другим недостатком является то, что поплавок, имеющий нижнюю конусообразную поверхность или горизонтальную плоскость, приводит при малых перепадах уровней воды верхнего и нижнего бьефов к отрыву поплавка от поверхности воды, так как силы сцепления ровной горизонтальной пластины с поверхностью воды очень малы, что также уменьшает диапазон работы и выводит из рабочего состояния систему стабилизации расхода воды. Недостатком является и то, что между цилиндром стакана и струеотражателем наблюдается трение скольжения, которое требует значительных усилий поплавкового датчика на перемещение затвора, это в свою очередь увеличивает объем и массу поплавка и при открывании затвора требует дополнительных усилий от сильфона, а он не имеет постоянной силовой характеристики. Все это влияет на точность стабилизации и диапазон работы системы стабилизации расхода воды.

Целью изобретения является расширение диапазона и точности стабилизации расхода воды, упрощение конструкции.

Цель достигается тем, что система стабилизации расхода воды содержит установленный на водовыпуске затвор, выполненный из двух цилиндров, нижний из которых снабжен кольцевым поплавком, а верхний - направляющими роликами, дно крышки затвора прикреплено к штоку, а стенки ее выполнены цилиндрическими, к нижней части крышки присоединена мембрана, другой край которой прикреплен к нижнему цилиндру, струеотражатель снабжен направляющими роликами, а по периметру нижней плоскости поплавкового датчика закреплена стенка.

Система стабилизации расхода воды отличается от прототипа следующими основными элементами: верхним цилиндром, крышкой с цилиндрическими стенками и мембраной между ними, направляющими роликами, стенкой по периметру нижней плоскости поплавка. Цилиндры верхний и крышки образуют кольцевую щель, между ними в щели установлена мембрана, цилиндры задают постоянную эффективную площадь мембраны при любом открывании затвора, а следовательно, и прямо пропорциональную силовую характеристику, чего невозможно добиться в прототипе, так как сильфон имеет сложную конструкцию, и на характеристику сильно влияют материал, из которого он изготавливается, и эффективная площадь сильфона, которая изменяется при открывании затвора, что снижает точность стабилизации расхода воды.

Установленные на крышке и струеотражателе направляющие ролики позволяют исключить трение скольжения и заменить его на трение качения. Это приводит к плавному перемещению затвора без рывков и заеданий, а для перемещения необходимо прилагать минимальные усилия, что снижает размеры поплавкового датчика, повышает чувствительность и точность стабилизации расхода воды, расширяет диапазон работы системы стабилизации расхода воды, так как для открывания затвора необходим меньший перепад уровней воды верхнего и нижнего бьефов. Направляющие ролики обеспечивают постоянную кольцевую щель между верхним цилиндром и крышкой.

Установление по периметру плоскости дна поплавкового датчика стенки приводит к тому, что снизу поплавка установлена присоска, которая увеличивает усилия на отрыв поплавка от запорной поверхности, а при отсутствии стенки силы сцепления между горизонтальной плоскостью дна поплавка и входной поверхностью очень малы, поэтому при малых перепадах уровней воды верхнего и нижнего бьефов происходит отрыв поплавка от заданной поверхности и система стабилизации выходит из работы, что уменьшает диапазон работы системы стабилизации расхода воды.

Анализ известных устройств того же назначения не выявил признаков, совпадающих с новыми признаками предлагаемой системы. Поскольку их наличие приводит к достижению положительного эффекта, заложенного в цели изобретения, то их можно считать существенными.

На чертеже схематично изображена система стабилизации расхода воды в разрезе.

Система стабилизации расхода воды содержит водовыпуск 1, уложенный в тело плотины 2. На водовыпуска закреплен шток 3, к которому прикреплены струеотражатель 4 с направляющими роликами 5 и дно 6 крышки с цилиндрическими стенками 7 (дно и стенки крышки образуют затвор в виде цилиндра). К дну 6 крышки присоединена мембрана 8, а другим краем она прикреплена к нижнему цилиндру 9 затвора. К нему присоединен верхний цилиндр 10 затвора с направляющими роликами 11. Мембрана 8 находится в кольцевой щели между стенкой 7 крышки и верхним цилиндром 10. Внутри нижнего цилиндра 9 установлен кольцевой поплавок 12 с отверстием 13. Нижний цилиндр 9 шарнирно соединен посредством толкателя 14 с плечом коромысла 15, которое вращается на оси 16. На противоположном конце коромысла установлен поплавковый датчик 17 уровня нижнего бьефа, который по периметру нижней плоскости поплавка имеет стенку 18. Поплавок установлен в успокоительном колодце 19, который сообщается с нижним бьефом 20 через отверстие 21. В нижнем бьефе 20 за затвором установлен стабилизатор 22 расхода воды, который изменяет открывание с помощью винта 23, причем стабилизатор может иметь любую конструкцию. Нижний бьеф 20 посредством водовыпуска 1 сообщается с верхним бьефом 24.

Система стабилизации расхода воды работает следующим образом.

Стабилизатор 22 расхода воды с помощью винта 23 открывается на определенное расстояние, что соответствует определенному расходу воды, который проходит через стабилизатор при колебании уровня воды в нижнем бьефе 20±Δ h. Когда уровень воды в нижнем бьефе понижается, поплавковый датчик 17 уровня нижнего бьефа опускается, гидростатическое давление со стороны водовыпуска действует на мембрану 8 и образует силу одновременно с выталкивающей силой кольцевого поплавка 12, поднимаются нижний 9 и верхний 10 цилиндры, которые передвигаются вверх, опираясь на направляющие ролики 5 и 11. Вода через кольцевую щель, образованную нижней кромкой цилиндра 9 и оголовком водовыпуска, поступает в нижний бьеф 20, уровень воды повышается, поплавковый датчик 17 уровня нижнего бьефа всплывает, через коромысло 15 усилие от выталкивающей силы поплавка посредством толкателя 14 передается на нижний цилиндр 9, который уменьшает кольцевую щель, уменьшая пропускную способность. Уровень нижнего бьефа 20 понижается, процесс идет до тех пор, пока приток из водовыпуска 1 не будет равен оттоку через стабилизатор 22 расхода воды.

При минимальном перепаде уровня воды верхнего 24 и нижнего 20 бьефов поплавковый датчик 17 уровня нижнего бьефа за счет стенки 18 по периметру нижней плоскости и поплавка находится в постоянном контакте с поверхностью воды нижнего бьефа 20 как присоска.

Предлагаемая система стабилизации расхода воды по сравнению с прототипом имеет направляющие ролики, которые исключают трение скольжения между струеотражателем и цилиндром, и в предлагаемой системе будет трение качения, что уменьшает усилия на перемещение затвора минимум в 10-20 раз, а значит, уменьшается масса поплавкового датчика уровня нижнего бьефа, повышается точность стабилизации расхода воды за счет уменьшения инерционности системы Направляющие ролики поддерживают постоянную цель между цилиндром крышки и верхним цилиндром, что дает возможность иметь постоянную эффективную площадь мембраны при любом открывании затвора. Это увеличивает точность стабилизации расхода воды, чего в прототипе нет, так как сильфон имеет сложную конструкцию и эффективная площадь меняется при различных открываниях затвора. Замена сильфона на мембрану упрощает конструкцию затвора значительно.

Поплавковый датчик уровня нижнего бьефа со стенкой по периметру нижней плоскости поплавка позволяет ему работать как присоска к поверхности, что увеличивает диапазон работы системы стабилизации расхода воды, а значит, перепад уровней воды верхнего и нижнего бьефов можно уменьшить с 1,2 м (прототип) до 0,2-0,3 м (предлагаемое устройство). Это расширит диапазон стабилизации расхода воды, что повысит водообеспеченность оросительной системы.

Формула изобретения

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ РАСХОДА ВОДЫ, содержащая установленный на водовыпуске затвор в виде цилиндра с закрепленным внутри кольцевым поплавком, связанного с плечом коромысла, на другом плече которого установлен поплавковый датчик уровня нижнего бьефа, стабилизатор расхода, установленный за затвором, и струеотражатель, размещенный на выходе из водовыпуска, отличающаяся тем, что затвор выполнен из верхнего и нижнего цилиндров, нижний из которых снабжен кольцевым поплавком, а верхний - цилиндрической крышкой, прикрепленной к штоку коромысла и соединенной нижней частью с одной из кромок мембраны, другая кромка которой прикреплена к нижнему цилиндру, причем струеотражатель и верхний цилиндр снабжены направляющими роликами, а по периметру нижней плоскости поплавкового датчика уровня закреплена стенка.

РИСУНКИ

Рисунок 1