Способ защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации в гидромашинах и устройство для его осуществления

 

Использование: в турбомашинах гидроэлектростанций, колесных насосных установок для защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации. Сущность изобретения: подают пузырьки 4 воздуха в поток 1 воды, натекающей на рабочее колесо 2 гидромашины 3, формирование пузырьков осуществляют в области, расположенной ниже осевой линии 5 потока 1, в виде групп однородных пузырьков, расположенных в линию. Устройство для реализации способа содержит компрессор 7, соединенный воздушным трубопроводом 8 со средством формирования пузырьков, которое выполнено в виде по меньшей мере одной трубы 9, расположенной поперек потока 1 и имеющей отверстия, причем длина трубопровода 8 обеспечивает нахождение трубы 9 в области потока 1, расположенной ниже его осевой линии 5. Даны варианты осуществления способа и устройства. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к специальным мероприятиям и конструктивным средствам модификации гидротехнических сооружений и может быть использовано в турбомашинах гидроэлектростанции, гидроаккумулирующих электростанций, колесных насосных установках и других колесных гидромашинах с целью защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации.

В последние годы было установлено, что при прохождении воды через гидромашины гидроэлектростанций, гидроаккумулирующих электростанций, колесных насосных установок и других колесных гидромашин планктонные организмы, находящиеся в этой воде, погибают из-за кавитации. Более того, было установлено, что эти организмы являются основной причиной возникновения такого разрушительного явления, как кавитация, так как не пузырьки воздуха, находящиеся в воде, а планктонные организмы являются ядрами развития процесса кавитационного разрыва воды. В момент кавитационного разрыва воды на планктонных организмах происходит их разрушение и гибель.

Кроме того, установлено, что при кавитации, развивающейся на планктонных организмах, кавитационное воздействие на элементы проточной части гидромашины значительно интенсивнее, чем при кавитации, развивающейся на воздушных пузырьках.

Так как планктонные организмы являются основой жизни водоемов, их уничтожение приводит в конечном итоге к гибели всего живого в реках и озерах. Ниже плотин от обилия мертвого органического вещества вода начинает загнивать. При гибели планктонных организмов в гидромашинах насосных установок, предназначенных для снабжения населения питьевой водой, эта вода насыщается мертвой, разлагающейся органикой.

Как показали исследования ведущих гидробиологов, в гидротурбинах высоконапорных гидроэлектростанций погибает практически весь (до 90%) зоопланктон и почти весь (до 97%) фитопланктон, частично погибает и бактериопланктон.

Таким образом, проблема защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации в гидромашинах имеет глобальный характер как в отношении охраны окружающей среды, так и в отношении уменьшения кавитационного воздействия на элементы проточной части гидромашины.

Известен способ защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации в гидромашинах, частично решающий эту проблему. Способ включает формирование и подачу пузырьков воздуха в поток воды, натекающий на рабочее колесо гидромашины. Формирование пузырьков воздуха осуществляют в области, расположенной выше осевой линии упомянутого потока воды. При этом пузырьки формируют в виде факела. Пузырьки воздуха перемешиваются потоком воды по его поперечному сечению и становятся ядрами кавитационного разрыва воды. Таким образом, происходит переход кавитационного разрыва воды с планктонных организмов на воздушные пузырьки.

Однако эффективность защиты планктонных организмов от гибели и снижение кавитационного воздействия на элементы проточной части гидромашины в данном случае оказываются недостаточно высокими. Это объясняется тем, что при формировании воздушных пузырьков в этой области потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины, затрудняется насыщение пузырьками воздуха слоев воды ниже осевой линии потока. Пузырьки воздуха, формируемые в виде факела, пронизывают узкую область верхних слоев потока воды. Кроме того, образование пузырьков носит бессистемный характер, они имеют различный размер и, как следствие, разную скорость всплытия. В результате этого не достигается равномерное распределение пузырьков воздуха по всему поперечному сечению потока воды. В нем образуются зоны малонасыщенные пузырьками воздуха, где переход кавитационного разрыва воды с планктонных организмов на пузырьки воздуха происходит лишь частично. Как показали исследования, при использовании этого способа погибает до 70% зоопланктона и фитопланктона.

Известно устройство для осуществления этого способа, содержащее источник сжатого воздуха, средство для формирования пузырьков воздуха в потоке воды, натекающем на рабочее колесо гидромашины, и связывающий их воздушный трубопровод. Средство для формирования пузырьков воздуха находится в области, расположенной выше осевой линии упомянутого потока воды, и выполнено в виде раструба, закрепленного на конце воздушного трубопровода. Поток воздуха, выходящий из раструба в воду в виде факела, дробится на отдельные пузырьки, которые перемешиваются потоком воды и становятся ядрами кавитационного разрыва воды. Таким образом, происходит переход кавитационного разрыва воды с планктонных организмов на пузырьки воздуха. Причины недостаточной эффективности защиты планктонных организмов от гибели и снижения кавитационного воздействия на элементы проточной части гидромашины при использовании данного устройства указаны выше.

Техническим результатом изобретения является обеспечение защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации в гидромашинах и создание устройства для его реализации, в котором средство для формирования пузырьков воздуха выполнено таким образом, чтобы обеспечить равномерное насыщение пузырьками воздуха потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины, по всему его поперечному сечению. Это позволяет перевести кавитационный разрыв воды с планктонных организмов на пузырьки воздуха по всему поперечному сечению потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины, и тем самым повысить эффективность защиты планктонных организмов и уменьшить кавитационное воздействие на элементы проточной части гидромашины.

Это достигается тем, что в способе защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации в гидромашинах, включающем формирование и подачу пузырьков воздуха в поток воды, натекающей на рабочее колесо гидромашины, формирование пузырьков воздуха осуществляют в области, расположенной ниже осевой линии потока в виде групп однородных пузырьков, расположенных в одну линию.

В этом способе образующиеся пузырьки воздуха широким фронтом пронизывают все слои потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины и вследствие перемешивания струй потока равномерно насыщают его по всему поперечному сечению. За счет этого обеспечивается переход кавитационного разрыва воды с планктонных организмов на пузырьки воздуха по всему поперечному сечению потока воды, проходящего через зону рабочего колеса гидромашины. Соответственно, происходит значительное по сравнению с известным способом, уменьшение количества погибших планктонных организмов, т.е. повышается эффективность их защиты. Соответственно, уменьшается и кавитационное воздействие на элементы проточной части гидромашины.

При осуществлении способа предусмотрен случай, когда формирование пузырьков воздуха осуществляют ориентированными поперек потока группами, в каждой из которых пузырьки имеют одинаковый размер, отличающийся от размеров пузырьков других групп.

Такая система формирования пузырьков наиболее целесообразна для крупных гидромашин с большим поперечным сечением потока воды, натекающего на рабочее колесо. В этом случае можно подобрать размеры пузырьков, а следовательно, и скорость их всплытия таким образом, что все слои потока воды несмотря на его большое поперечное сечение будут равномерно насыщены пузырьками воздуха. За счет этого достигается высокая эффективность защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации.

При осуществлении способа предусмотрен также случай, когда дополнительно формируют пузырьки воздуха в области, расположенной выше осевой линии потока воды. В этом случае уменьшается время насыщения пузырьками воздуха потока воды по всему поперечному сечению.

Такая система формирования пузырьков воздуха наиболее целесообразна для гидромашин с коротким водоводом.

Для всех случаев осуществления способа целесообразно, чтобы минимальный размер фоpмируемых пузырьков воздуха превышал максимальный размер планктонных организмов, содержащихся в потоке воды. Это связано с тем, что для полного перехода кавитационного разрыва воды с планктонного организма на пузырек воздуха необходимо, чтобы пузырек воздуха по размеру превышает планктонный организм.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве для защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации в гидромашинах, содержащем источник сжатого воздуха, соединенный воздушным трубопроводом со средством для формирования пузырьков воздуха в потоке воды, натекающем на рабочее колесо гидромашины, средство для формирования пузырьков воздуха выполнено в виде по меньшей мере одного полого удлиненного тела с отверстиями, расположенными вдоль него, а воздушный трубопровод выполнен с длиной, обеспечивающей нахождение указанного средства в области, расположенной ниже осевой линии потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины.

Пузырьки воздуха, сформированные этим устройством, имеют определенный размер, зависящий от диаметра отверстий, из которых они истекают, и расположены в одну линию. Сформированные таким образом устройством пузырьки воздуха широким фронтом пронизывают поток воды, натекающий на рабочее колесо гидромашины, и вследствие перемешивания струй потока, равномерно насыщают его по всему поперечному сечению. Таким образом, обеспечивается переход кавитационного разрыва воды с планктонных организмов на воздушные пузырьки по всему поперечному сечению потока воды, проходящего через зону рабочего колеса гидромашины. Это устройство обеспечивает значительное по сравнению с известным устройством уменьшение количества погибших планктонных организмов, т. е. повышает эффективность их защиты. Соответственно, достигается и уменьшение кавитационного воздействия на элементы проточной части гидромашины.

При реализации устройства предусмотрен вариант, в котором средство для формирования пузырьков воздуха может быть выполнено в виде трубы, расположенной поперек потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины, отверстия в которой размещены в несколько рядов, в каждом из которых они имеют одинаковую площадь, отличающуюся от площади отверстий других рядов.

Такой вариант реализации наиболее целесообразен в крупных гидромашинах с большим поперечным сечением потока воды, натекающего на рабочее колесо. В этом случае можно подобрать такой размер площадей отверстий в рядах, что будет образовываться пузырьками воздуха с размерами, а следовательно, и скоростями всплытия, обеспечивающими равномерное насыщение ими всех слоев потока воды несмотря на его большое поперечное сечение. За счет этого достигается высокая эффективность защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации.

При реализации устройства предусмотрен также вариант, в котором оно содержит дополнительное средство для формирования пузырьков воздуха, установленное на воздушном трубопроводе в области, расположенной выше осевой линии потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины. В этом случае обеспечивается уменьшение времени насыщения пузырьками воздуха потока воды по всему поперечному сечению.

Такой вариант реализации наиболее целесообразен для гидромашин с коротким водоводом.

Для всех вариантов реализации устройства целесообразно, чтобы отверстия минимального диаметра имели площадь, обеспечивающую максимальный размер планктонных организмов, содержащихся в потоке воды. Это связано с тем, что для полного перехода кавитационного разрыва воды с планктонного организма на пузырек воздуха необходимо, чтобы пузырек воздуха по размеру превышал планктонный организм.

На фиг. 1-2 показана схема осуществления способа защиты планктонных организмов от гибели согласно изобретению; на фиг.3-4 то же, в случае его реализации в гидромашинах с коротким водоводом; на фиг.5 устройство для защиты планктонных организмов от гибели согласно изобретению; на фиг.6 то же, в случае его реализации в гидромашинах с коротким водоводом.

Способ защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации в гидромашинах заключается в том, что в поток 1 воды (фиг.1), натекающий на рабочее колесо 2 гидромашины 3, подают пузырьки 4 воздуха. Формирование пузырьков 4 воздуха осуществляют в области, расположенной ниже осевой линии 5 потока 1 воды. Пузырьки 4 воздуха формируют группами, расположенными в одну линию. Как видно из фиг.2, пузырьки 4 воздуха широким фронтом пронизывают все слои потока 1 воды и вследствие перемешивания струй потока 1 воды равномерно насыщают его по всему поперечному сечению. За счет этого обеспечивается переход кавитационного разрыва воды с планктонных организмов на пузырьки 4 воздуха по всему поперечному сечению потока 1 воды, проходящего через зону рабочего колеса 2 гидромашины 3. При этом достигается высокая эффективность защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации и снижается кавитационное воздействие на элементы проточной части гидромашины.

В крупных гидромашинах с большим поперечным сечением потока 1 воды формирование пузырьков 4 воздуха целесообразно осуществлять в виде групп, ориентированных поперек потока 1. В каждой группе пузырьки 4 воздуха имеют одинаковый размер. Размеры же пузырьков 4 воздуха в разных группах различны. В этом случае можно подобрать размеры пузырьков 4 воздуха таким образом, что все слои потока 1 воды несмотря на его большое поперечное сечение будут равномерно насыщены пузырьками 4 воздуха. За счет этого и в крупных гидромашинах достигается высокая эффективность защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации.

В гидромашинах с коротким водоводом 6 (фиг.3, 4) целесообразно дополнительно формировать пузырьки 4 воздуха в области, расположенной выше осевой линии 5 потока 1 воды, натекающего на рабочее колесо 2 гидромашины 3. В этом случае уменьшается время насыщения пузырьками 4 воздуха потока 1 воды по всему его поперечному сечению при сохранении высокой эффективности защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации.

Для всех случаев осуществления способа целесообразно чтобы минимальный размер формируемых пузырьков воздуха превышал максимальный размер планктонных организмов, содержащихся в потоке воды. Это связано с тем, что для полного перехода кавитационного разрыва воды с планктонного организма на пузырек воздуха необходимо, чтобы пузырек воздуха по размеру превышал планктонный организм.

Устройство для защиты планктонных организмов от гибели (фиг.5) содержит компрессор 7, соединенный воздушным трубопроводом 8 со средством для формирования пузырьков воздуха, выполненным, например, в виде трубы 9. Вдоль трубы 9 выполнено несколько рядов отверстий 10, предназначенных для образования пузырьков воздуха.

В случае использования данного устройства в крупной гидромашине целесообразно, чтобы в каждом ряду отверстия 10 имели одинаковую площадь. Площади отверстий 10, расположенных в разных рядах, различны. Длина воздушного трубопровода 8 выбирается такой, чтобы труба 9 располагалась в области, находящейся ниже осевой линии потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины.

В случае использования данного устройства в гидромашине с коротким водоводом целесообразно, чтобы на воздушном трубопроводе 8 (фиг.6) была установлена дополнительная труба 11 с отверстиями 10, аналогичными отверстиям в трубе 9. Труба 11 находится в таком месте воздушного трубопровода 8, чтобы она располагалась в области, находящейся выше осевой линии потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины.

Для обеспечения полного перехода кавитационного разрыва воды с планктонных организмов на пузырьки воздуха необходимо, чтобы отверстия 10 минимального диаметра имели площадь, обеспечивающую образование пузырьков воздуха, размер которых превышает максимальный размер планктонных организмов, содержащихся в потоке воды.

При использовании данного устройства в крупных гидромашинах труба 9 или трубы 9 и 11 располагаются поперек потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины. При использовании устройства в малых гидромашинах они могут располагаться вдоль потока.

При работе устройства сжатый воздух от компрессора 7 (фиг.5) поступает по трубопроводу 8 в трубу 9. При истечении воздуха через отверстия 10 образуются пузырьки воздуха строго определенного размера, зависящего от площади этого отверстия. Далее происходит процесс насыщения пузырьками воздуха потока воды и перехода кавитационного разрыва воды с планктонных организмов на пузырьки, подробно рассмотренный выше.

Способ защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации и устройство, реализующее этот способ, могут найти широкое применение в турбомашинах существующих, строящихся или проектируемых гидроэлектрических станций, гидроаккумулирующих электростанций, гидромашинах насосных установок и других гидромашинах. Способ и устройство несложны в реализации. Проведенные исследования показали, что при реализации данных способа и устройства защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации удается защитить от гибели до 90% зоопланктона и фитопланктона.

Формула изобретения

1. Способ защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации в гидромашинах, включающий формирование и подачу пузырьков воздуха в поток воды, натекающей на рабочее колесо гидромашины, отличающийся тем, что формирование пузырьков воздуха осуществляют в области, расположенной ниже осевой линии потока в виде групп однородных пузырьков, расположенных в одну линию.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование пузырьков воздуха осуществляют ориентированными поперек потока воды группами, обеспечивая в каждой из групп одинаковый размер пузырьков, оличный от размеров пузырьков в других группах.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно формируют пузырьки воздуха в области, расположенной выше осевой линии потока воды.

4. Способ по любому из пп. 1 3, отличающийся тем, что пузырьки формируют с минимальным размером, превышающим максимальный ожидаемый размер планктоновых организмов, содержащихся в потоке воды.

5. Устройство для защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации в гидромашинах, содержащее источник сжатого воздуха, соединенный воздушным трубопроводом со средством для формирования пузырьков воздуха в потоке воды, натекающем на рабочее колесо гидромашины, отличающееся тем, что средство для формирования пузырьков воздуха выполнено в виде по меньшей мере одного полого удлиненного тела с отверстиями, расположенными вдоль него, а воздушный трубопровод выполнен с длиной, обеспечивающей нахождение средства для формирования пузырьков воздуха в области, расположенной ниже осевой линии потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что полое удлиненное тело выполнено в виде трубы, располагаемой поперек потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины, причем отверстия в трубе размещены в несколько рядов, в каждом из которых они имеют одинаковую площадь, отличную от площади отверстий других рядов.

7. Устройство по п. 5 или 6, отличающееся тем, что содержит дополнительное средство для формирования пузырьков воздуха, установленное на воздушном трубопроводе в области, расположенной в рабочем состоянии устройства выше осевой линии потока воды, натекающего на рабочее колесо гидромашины.

8. Устройство по любому из пп.5 7, отличающееся тем, что отверстия минимального диаметра имеют площадь, обеспечивающую формирование пузырьков воздуха, размер которых превышает максимальный ожидаемый размер планктоновых организмов, содержащихся в потоке воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6