Способ забора воды из поверхностного слоя водоема и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 Е 02 В 9/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

lao (21) 4881088/15 (22) 27.09,90 (46) 07.05.93, Бюл, N. 17 (71) Институт гидродинамики им, М.А,Паврентьева (72) Б,И,Букреев (73) Институт гидродинамики им, M.À,Ëàâрентьева СО PAH (56) Авторское свидетельство СССР

М 746029, кл, Е 02 В9/04,,1980.

Авторское свидетельство СССР

N 256650, кл, Е 02 B 15/04, 1970, (54) СПОСОБ ЗАБОРА ВОДЫ ИЗ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ВОДОЕМА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

1 Ы 1814673 А3 (57} Использование — для забора поверхностных вод из водоемов, Сущность изобретения: прием воды осуществляют в горизонтальное отверстие

6 в вертикальной стенке, расположенное ниже поверхностного слоя воды стратифицированного водоема, В поверхностный слой водоема в направлении к отверстию 6 из сопла 8, установленного на понтоне 4, подают струю воды такой же плотности, как и плотность поверхностного слоя воды в водоеме. Расход струи воды определяют по математическим зависимостям. Сопла 8 присоединено к понтону 4 посредством трубопровода 10 с шарниром 9. Изобретение позволяет забирать поверхностный слой стратифицированного водоема без увлечения в отверстие 6 глубин н ы х слоев. 2 с. и 1 з.и. ф-л ы, 3 ил.

1814673 с =(о фг) — 1, Изобретение относится к гидротехнике, а именно, к приплотинным водозаборным сооружениям на глубоких водохранилищах, и может быть использовано в энергетике, экологии и мелиорации.

Целью изобретения является повышение эффективности отсоса верхнего слоя устойчиво стратифицированной по плотности жидкости через отверстие в вертикальной стенке, расположенное в нижнем слое.

Для этого в верхний слой выпускают в направлении водоприемного отверстия струю жидкости с той же плотностью, что и в верхнем слое. Струя вносит в верхний слой дополнительный импульс, направленный горизонтально. При движении к стенке струя вовлекает большое количество окружающей жидкости. Ее импульс сохраняется по величине, но при встрече струи со стенкой меняет свое направление на вертикальное, противодействуя силам плавучести, В результате нижняя жидкость оттесняется от отверстия и не вовлекается в водозабор, Для двухслойной жидкости и при расположении водоприемного отверстия в нижнем слое из законов сохранения массы и энергии в струе получаются следующие неравенства, при одновременном выполнении которых импульс струи полностью подавляют силы плавучести;

QcIc RcQo! A, Qc/ Ic 2 Л R с 3 Q o E gh/ В, 3 2 где Qc — расход в начальном сечении струи; с — расстояние от начального сечения струи до стенки с отверстием;

Rc — радиус начального сечения струи;

Qo — забираемый из водоема расход;

h — заглубление отверстия под границу раздела слоев; р 1 и р р < р > — плотности жидкостей в нижнем и верхнем слоях соответственно;

g — ускорение силы тяжести, А = 0,18; В

= 6,6 — универсальные в теории струй безразмерные эмпирические константы. Они характеризуют степень вовлечения окружающей жидкости в струю и потери энергии при ее движении.

Параметры Qo e, g, h управляемой системы заданы, а искомыми являются параметры воздействия Qc, Ic, и Rc Дополнительно задавшись одним из них, из неравенств определяют два других. Если хотя бы одно из неравенств не выполнено, то заметного по5

55 ложительного эффекта от управляющего воздействия не ожидается.

Для приложений существенно, что в природных условиях силы плавучести относительно малы, и для эффективного управления водозабором достаточно сравнительно небольших дополнительных затрат на управление, Оценки для реального сооружения (водозабора Красноярской ГЭС) показывают, что достаточно обеспечить 0 не более 5 от

Q< и затратить энергию менее 3 от энергии забираемой жидкости, Устройство для управления водозабором имеет установленное в водоеме на понтоне средство для направления струи к отверстию, понтон снабжен механизмами для его фиксации в водоеме на заданном расстоянии 1 от водозаборного сооружения, Средство для направления струи к отверстию включает вертикальный телескопический трубопровод, установленный на понтоне шарнирно, сопла, шарнирно прикрепленные к нижнему концу трубопровода, насос, соединенный напорной с верхним концом трубопровода, механизмы ориентации сопел и изменения длины трубопровода, Имеется также специальное приспособление для предотвращения качки трубопровода, выполненное в виде вертикальных пластин, прикрепленных к трубопроводу. Использование вместо одного сопла нескольких сопел, разнесенных по горизонтали, дает возможность создать плоскую, а не круглую струю, что имеет преимущество при щелевом водозаборе или тонком верхнем слое.

Основным отличительным признаком предлагаемых способа и устройства является то, что в них используется сильная эжектиру ющая способность струи и искусственно создаваемые силы инерции поступательного, а не вращательного движения, как это предлагалось ранее, для активного противодействия силам плавучести вместо ранее использовавшегося пассивного приспособления к ним.

Все основные перечисленные элементы устройства обеспечивают его эффективную работу только в своей совокупности. Способ и устройство дают положительный эффект только тогда, когда выполнены приведенные формулы, На чертеже представлена схема устройства.

Устройство содержит лебедки 1, шаровой шарнир 2, насос 3, понтон 4, расчалки 5, отверстие 6 в боковой стенке; 7 — граница раздела более легкой и более тяжелой жидкостей; сопла 8, шаровой шарнир 9, телескопический трубоп ровод 10, противодействующие его качке вертикальные пластины 11;

1814673

10

20

Qc, Qo — расходы жидкостей; h — заглубление центра отверстия под невозмущенную границу раздела. С помощью лебедок и расчалок понтон устанавливают на заданном расстоянии Ic от стенки с отверстием. С помощью телескопического трубопровода регулируют горизонтальное положение сопел так, чтобы они находились в верхнем слое, а с помощью лебедок и шарниров сопло ориентируется на стенку. Затем включается насос, причем подаваемый им расход подбирается так, чтобы выполнялись приведенные неравенства. При этом вытекающая из сопла струя эжектирует большое количество жидкости из верхнего слоя, придавая ей импульс, достаточный для преодоления сил плавучести. При встрече струи со стенкой она оттесняет нижнюю жидкость от отверстия. Теоретически таким способом можно получить предельно большое значение коэффициента эффективности вовлечения верхнего слоя, равное единице.

Для проверки предлагаемого способа выполнены опыты, в которых стратификация по плотности создавалась в опытном бассейне за счет изменения температуры жидкости, причем параметры стратификации брались из диапазона, типичного для водозабора из глубоких водохранилищ, Фиг. 2 иллюстрируе картину движения жидкости к отверстию без активного воздействия на систему, а фиг, 3 — при воздействии с помощью струи. Пунктирной линией показан горизонт отверстия, Верхняя более легкая жидкость окрашена чернилами. Фиг.

2 показывает, что без воздействия меченая верхняя жидкость не погружается до горизонта отверстия и ее вовлечение незначительно. Измерения дали значение коэффициента эффективности, равное 0,17.

Снимок на фиг. 3 получен в тех же условиях при воздействии струей с параметрами

Qc/Оо = 0,047, ic/Во = 44, где Do — диаметр водоприемного отверстия.

B этом случае в отверстие вовлекается бол ьшое количество меченой жидкости из верхнего слоя, Измерения дали значение коэффициента эффективности, равное 0,53, т.е, он увеличился в три раза. Дополнительные затраты энергии на создание струи составили при этом 1,8 / от энергии забираемой жидкости. On ыты показали также, что при отступлении от требований, заданных приведенными соотношениями, эффекта от воздействия нет.

Формула изобретения

1. Способ забора воды из поверхностного слоя водоема, включающий прием во25

50 ды в горизонтальное отверстие в вертикальной стенке, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности в условиях устойчивой стратификации воды в водоеме и расположения отверстия в стенке ниже поверхностного слоя воды, в процессе приема воды в отверстие в поверхностный слой водоема в направлении к отверотию в стенке подают струю воды такой же плотности, как и плотность поверхностного слоя воды в водоеме, причем расход струи воды определяют по следующим зависимостям:

Qclc RcQo/А

Q с f ñ 2Л R ñ Q оЕ9 h/В, где Ос — расход воды в начальном сечении струи, м /с;

1с — расстояние от начального сечения струи до стенки,м;

Rñ — радиус начального сечения струи, м;

С4 — расход воды через отверстие в стенке, м /c; з

h — заглубление отверстия под границу раздела слоев, м;

r =(p фг) — 1: р 1 — плотность поверхностного слоя воды, т/м; з, рг — плотность нижнего слоя воды, т/м;

А=0,18; В =6,6 — эмпирические константы.

2. Устройство для забора воды из поверхностного слоя водоема, включающее вертикальную стенку с горизонтальным отверстием и установленное в водоеме на понтоне средство для направления воды к отверстию, причем понтон снабжен механизмами для его фиксации в водоеме, о т ли ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности работы в условиях устойчивой стратификации воды в водоеме и расположения отверстия в стенке ниже поверхностного слоя воды, средство для направления воды к отверстию выполнено в виде вертикального телескопического трубопровода, установленного на понтоне шарнирно, сопел прикрепленных к нижнему концу трубопровода, насоса, соединенного напорной линией с верхним концом трубопровода и механизмов ориентации сопел и изменения длины трубопровода, 3. Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что оно снабжено приспособлением для предотвращения качки трубопровода, выполненным в виде вертикальных пластин, и рикре плен н ых к трубоп ро воду. б I б

Ф б б »:, Т.3 ,Ф

1814673

:1":, бб.,б . б

1 б ф;! 4:;:

l;, ; ф;;-

-" „l

° ф"

l,б

;); "у

Р, i

1 )4;, с- „.

)„"; :

1814673

Составитель B,Áóêðèåâà

Техред М.Моргентал Корректор Е.Папп

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 1842 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5