Способ создания регулируемого свободно текущего водного потока и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области гидротехники, а конкретно к образованию водного потока и управлению им с помощью труб для приведения в действие гидротурбин, устройства водопроводных систем, а также к защите насыпных плотин от размыва. Для образования водного потока используют сифон, на концы которого устанавливают задвижки, а в его верхней точке выполняют отверстие, которое закрывают герметичной пробкой. Приемный конец сифона опускают в питающий водоем, а сливной конец помещают в начало распределительной трубы, внутренний диаметр которой выбирают большим, чем наружный диаметр трубы сифона. Для пуска водного потока последовательно закрывают задвижки, наполняют сифон водой «под пробку», закрывают отверстие герметично пробкой и открывают задвижки. Образовавшийся поток воды направляют в необходимом или безопасном для людей и окружающей обстановки направлении по распределительным трубам, желобам или иным водостокам. Защиту плотины от ее размыва (в случае перелива воды через плотину) осуществляют путем открытия задвижек сифона и перелива воды через сифон, установленный на гребне плотины. Способ осуществляется с помощью устройства, которое состоит из сифона с управляемыми задвижками на его приемном и сливном концах и с отверстием в его верхней точке, закрываемым герметичной пробкой, распределительных труб, буферных либо водонапорных устройств, желобов и водостоков. Для получения необходимо большей интенсивности водного потока единичные потоки нескольких вышеуказанных устройств, установленных на общем либо разных питающих водоемах или действующих водных потоках, сведены в общий достаточно мощный поток. Обеспечивается возможность наращивания энергетической мощности со значительно меньшими удельными и абсолютными затратами и сохранность насыпных плотин от размыва при угрозе переполнения водохранилища. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области гидротехники, а конкретно к образованию водного потока и управлению им с помощью труб для приведения в действие гидротурбин, устройства водопроводных систем, а также для защиты насыпных плотин от размыва.

Известны широко используемые способы создания разветвленных потоков воды в виде водопроводных сетей с помощью насосных систем и направленных потоков падающей воды для приведения в действие агрегатов ГЭС.

Недостатком первых является необходимость значительных затрат на изготовление сложного оборудования и постоянных затрат на потребляемую энергию, расходные материалы и оплату труда обслуживаемого персонала при эксплуатации этого оборудования. Недостаток вторых заключается в том, что, кроме больших затрат на сооружение плотины и весьма ограниченного количества мест возможного расположения плотин в руслах рек, перегораживание речного потока плотиной одновременно создает помеху функционированию речного судоходства и лесосплаву, нарушает миграцию рыбы на нерест и обратно и приводит к затоплению большой площади земли, необходимой для хозяйственных нужд, искажает природный ландшафт и отрицательно влияет на природную среду.

Задачей настоящего изобретения - способа - является создание регулируемого свободно текущего водного потока, не требующего для его постоянного поддержания каких-либо механизмов, затрат какой-либо энергии, сооружения плотин, а также обеспечение защиты насыпных плотин от размыва.

Предложенный способ состоит в том, что для образования водного потока используют сифон, на концы которого устанавливают задвижки, а в его верхней точке выполняют отверстие с герметичной пробкой. Приемный конец сифона опускают в питающий водоем, а сливной конец помещают в начало распределительной трубы, внутренний диаметр которой выбирают большим, чем наружный диаметр трубы сифона. Для пуска водного потока последовательно закрывают задвижки на концах сифона, наполняют сифон водой «под пробку», закрывают отверстие в сифоне пробкой и открывают задвижки. Таким образом, водный поток создается посредством использования естественного свойства сифона образовывать разность давлений в его коротком (приемном) и длинном (отливном) коленах, в результате чего осуществлять постоянный засос воды без внешнего воздействия, а именно без использования какого-либо насосного оборудования и без затрат энергии на создание вакуума либо давления.

Образовавшийся поток воды направляют в необходимом или безопасном для людей и окружающей обстановки направлении по распределительным трубам, желобам или иным водотокам. В необходимом случае для рационального расположения сифона в сочетании с распределительной трубой, его сливной конец относят от приемного конца на требуемое, в том числе значительное, расстояние, соблюдая разность высот расположения срезов этих концов в пределах, не допускающих появления в сифоне явления кавитации (не более 6-7 метров). Интенсивность водного потока регулируют изменением его свободного прохода через сифон с использованием управляемых задвижек. Для ограничения напора в водоводе (непревышения допустимого давления в распределительных трубах и используемом оборудовании) в распределительных трубах выполняют разрывы по их длине, а сохранение непрерывности водного потока осуществляют аналогично осуществлению этого на стыке «сифон - распределительная труба» либо с использованием буферных баков (открытых сосудов, давление воды в которых определяется только уровнем наполняемой в них воды).

Для питания создаваемого водного потока от действующего (реки, канала) отливное колено сифона выполняют такой длины, при которой достигается разность уровней приемного и отливного концов сифона, достаточная для устойчивого засасывания воды сифоном, а длину оконечного участка распределительной трубы, непосредственно питающего гидротурбину, выбирают такой, при которой разность высот концов этого участка обеспечивает напор воды, необходимый для приведения в действие гидротурбины. При этом поток воды после выхода его из гидротурбины направляют обратно в действующий водный поток ниже по его течению, для восстановления водного потока в его первоначальном объеме, или организуют каскад аналогичных гидротурбин либо направляют водный поток на другие хозяйственные нужды.

Для защиты от размыва насыпной плотины сифон устанавливают на ее гребне, «заряжают» (наполняют) сифон водой при закрытых задвижках и закрывают отверстие для налива герметичной пробкой. При угрозе перелива воды через гребень плотины (и соответственно ее размыва) открывают задвижки для перелива воды через сифон.

Используемые в способе элементы, перечисленные в описании устройства, показаны на чертеже.

Задача изобретения - устройства - состоит в конструктивном обеспечении реализации предложенного способа.

Частный случай выполнения устройства приведен на чертеже, где на фиг. 1 представлено схематично расположение сифона у водоема, его элементы и соединение сифона с распределительной трубой, а на фиг. 2 также схематично показано расположение на пути водного потока буферных баков, малой ГЭС и водонапорной башни городского водопровода.

Устройство состоит из сифона, образованного изогнутой трубой с коротким (приемным) коленом 1 и длинным (сливным) коленом 2, в верхней точке которой выполнено отверстие 3, закрываемое герметичной пробкой 4, а на ее концах установлены задвижки 5 с приводами 6 (механическими или ручными либо их сочетанием), распределительных труб 7, буферных (компенсационных) баков 8, малой ГЭС 9 и водонапорной башни 10.

Потребителями самотечного водного потока могут быть малые и средние ГЭС, водопроводные сети городов и поселков, ирригационные системы и др. Водный поток от одного сифона может быть разделен распределительными трубами (аналогично распределению воды по квартирам от общедомовой водопроводной трубы) на несколько потоков для питания разных потребителей или водные потоки от разных сифонов, установленных на общем либо разных питающих водоемах или действующих водных потоках, могут быть объединены для питания одного потребителя (аналогично объединению слива из разных квартир в общедомовую сливную трубу), например мощной ГЭС или водопроводной сети мегаполиса.

Предложенный способ использования физического свойства простейшего устройства позволяет наиболее экономно, эффективно и стабильно потреблять природные энергетические ресурсы вне зависимости от погодных условий (в отличие от использования ветровой и солнечной энергии). Этот способ открывает новые возможности для наращивания энергетической мощности со значительно уменьшенными затратами (например путем установки сифонов на верхнем бьефе водопадов или в верховьях рек вместо сооружения плотин), для размещения гидротурбин в местах, наиболее удобных для их эксплуатации. Одним из перспективных технических решений может служить снабжение городов самотечной и более чистой водой, чем из протекающей через город реки, например снабжение непосредственно байкальской водой города Иркутска, снабжение водой Санкт-Петербурга непосредственно из Ладожского озера.

Как известно, при переливе воды через насыпную плотину происходит ее быстрый размыв и в образовавшийся проран вода обрушивается вниз по течению разрушительным валом, как это произошло в районе станицы Крымская. Так же была размыта естественная каменная плотина, образовавшая в ущелье в результате обвала горных пород 8000 лет назад озеро Иссык, которого в результате размыва плотины более не существует. Пример предотвращения перелива воды, уровень которой резко увеличился из-за аномально быстрого таяния снега в горах, через плотину в урочище Медео (вблизи высокогорного катка «Медео») путем перекачивания воды поверх плотины насосами, срочно доставленными на гребень плотины, показывает, что установка «заряженных» сифонов в качестве средства аварийного сброса воды является таким же необходимым атрибутом плотин, как стоп-кран на транспорте или подрывной клапан на паровом котле.

1. Способ создания регулируемого свободно текущего водного потока, характеризующийся тем, что для его образования используют сифон, приемный конец которого опускают в водоем, а сливной конец помещают в начало распределительной трубы, внутренний диаметр которой выбирают большим, чем наружный диаметр трубы сифона, при этом для обеспечения пуска водного потока на приемном и сливном концах сифона устанавливают задвижки, а в верхней точке сифона выполняют отверстие, закрываемое герметичной пробкой, закрывают задвижки, наполняют сифон водой «под пробку», закрывают отверстие пробкой, открывают задвижки и направляют поток воды в необходимом либо, при угрозе аварийного перелива воды через насыпную плотину, в безопасном для людей и окружающей обстановки направлении по распределительным трубам, желобам или водоводам.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что сливной конец сифона относят от его приемного конца на необходимое расстояние, обеспечивая разность высот этих концов в пределах, не допускающих появления кавитации в сифоне (не более 6-7 метров).

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что интенсивность водного потока регулируют изменением его свободного прохода через сифон с помощью управляемых задвижек.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что для предотвращения недопустимого при эксплуатации давления в системе водопровода, в том числе по соображениям предельной прочности труб, в распределительных трубах выполняют разрывы, а сохранение непрерывности водного потока осуществляют аналогично осуществлению этого на стыке «сифон - распределительная труба» либо с использованием буферных (компенсационных) баков.

5. Способ по любому из пп. 1-4, характеризующийся тем, что сифон устанавливают выше по течению действующего водного потока (реки, канала), выполняют распределительную трубу такой длины и располагают ее таким образом, чтобы на выходном конце трубы создался напор, достаточный для воздействия на гидротурбину, при этом поток воды после выхода его из гидротурбины направляют обратно в действующий водный поток ниже по его течению либо используют на потребные хозяйственные нужды.

6. Устройство для создания регулируемого свободно текущего водного потока для осуществления способа по любому из пп. 1-5, характеризующееся тем, что оно состоит из сифона с управляемыми задвижками на его приемном и сливном концах и с отверстием в его верхней точке, закрываемым герметичной пробкой, распределительных труб, буферных либо водонапорных устройств, желобов и водостоков.

7. Устройство для создания регулируемого свободно текущего водного потока для осуществления способа по любому из пп. 1-5, характеризующееся тем, что для получения необходимо большей интенсивности водного потока оно состоит из нескольких устройств по п. 6, установленных на общем либо разных питающих водоемах или действующих водных потоках, единичные потоки которых сведены в общий достаточно мощный поток.

8. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что для ограничения давления в распределительных трубах в допустимых пределах на пути свободно текущего водного потока установлены буферные (компенсационные) баки, наполняемые водой, вытекающей из распределительной трубы, расположенной выше уровня основания конкретного буферного бака, и питающие водой распределительную трубу, расположенную ниже основания этого буферного бака.