Водоподъемник-таран

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Григорьев Николай Данилович(72) Автор Григорьев Николай Данилович(73) Патентообладатель Григорьев Николай Данилович(57) Водоподъемник-таран, содержащий устанавливаемые в затопленном состоянии в безнапорном потоке движущейся жидкости одинаковые по устройству секции из соединенных между собой питательной трубы и труб-резервуаров с гасителями колебаний давления, отличающийся тем, что в каждой секции питательная труба снабжена узлом ударного клапана и защитными сетками по концам, снизу питательной трубы установлены колодцы из труб, диаметры которых равны диаметру питательной трубы, трубырезервуары также снабжены колодцами из труб, диаметры которых равны диаметрам труб-резервуаров, а гасители колебаний давлений установлены сверху труб-резервуаров и соединены между собой короткими трубами, диаметры которых равны диаметрам труб 13141 1 2010.04.30 гасителей колебаний давлений, при этом колодцы питательной трубы соединены с колодцами труб-резервуаров отборными и передающими патрубками, которые соединены между собой фланцами, а передающие патрубки в колодцах труб-резервуаров заканчиваются нагнетательными клапанами, трубы-резервуары каждой секции соединены переходными трубами с водоводом с соплом для подачи воды под давлением в ковшовую турбину, причем на горизонтальном участке водовода установлен гаситель колебаний давления. Изобретение относится к гидроэнергетической промышленности, в частности, для подъема воды из рек под высоким напором и значительной подачей для привода во вращательное движение ковшовых турбин, находящихся на одном валу с электрогенераторами на суше. Известен водоподъемник - таран гидравлический, источник информации которого имеет схему общего устройства и принцип работы 1. Таран гидравлически использует энергию гидравлического удара, который создается в питательной трубе быстрым закрытием ударного клапана. Вода под повышенным давлением открывает нагнетательный клапан и поступает под воздушный колпак. Из последнего через напорную трубу вода поступает в напорный резервуар. Гидравлический таран близок по назначению и сущности к заявленному изобретению,является аналогом и может быть принят за прототип. Признаки аналога, совпадающие с признаками заявленного изобретения, следующие 1) использование энергии гидравлического удара, создаваемого в питательной трубе быстрым закрытием ударного клапана 2) наличие питательной трубы с ударным и нагнетательными клапанами 3) наличие воздушного колпака и напорной трубы, которые в заявленном изобретении называются гасителями колебания давления и водоводом. Недостатком данного водоподъемника является изменяющийся КПД, зависящий от соотношения давлений в напорной и питательной трубах. С увеличением этого соотношения резко падает КПД, полезно используется только некоторое количество воды из расхода в питательной трубе, установка его требует создания перепада воды в реке путем строительства плотины и отбор отработавшей воды снова в реку ниже плотины. Техническая задача изобретения решается с применением водоподъемника-тарана. Водоподъемник-таран полностью устраняет перечисленные выше недостатки гидравлических таранов. Водоподъемник-таран состоит из отдельных секций, каждая из которых является гидравлическим тараном измененной конструкции. Установлены секции под водой, и запитывание их не требует строительства плотины. После прохождения секций вода в реке набирает прежнюю скорость, поэтому водоподъемники-тараны можно устанавливать по течению реки с интервалом до одного километра, если позволит глубина. Так как отбор нужного объема воды, при значительной колеблющейся массе воды в питательной трубе и быстрой смене прямого гидравлического удара, отраженного одной напорной трубой, без необходимого живого сечения невозможен, то необходимо пользоваться несколькими отборными трубами, суммарная подача которых приближается к расходу в питательной трубе. Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре представлены на общем виде секция водоподъемника-тарана, водовод с соплом, ковшовая турбина с электрогенератором, водосточным каналом с приемным колодцем и водосточной трубой. Общий вид поясняется разрезами А-А Б-Б В-В Г-Г Д-Д Е-Е Ж-Ж З-З И-И. Водоподъемник-таран состоит из секций, одинаковых по устройству. Секция состоит из труб. Трубу 1 называют питательной с узлом ударного клапана 2 и защитными сетками 2 13141 1 2010.04.30 3 по концам. Длина питательной трубы 1 считается от середины седла ударного клапана до входа воды в трубу. Внизу питательной трубы имеются колодцы 4 из труб такого же диаметра 41, закрытые снизу сферическими днищами. Колодцы 4 сообщаются противоположными сторонами с колодцами 5 труб-резервуаров 8 такого же диаметра 85 отборными и передающими патрубками 6 и 7. Патрубки между собой соединяются фланцами 9. Передающие патрубки 7 в колодцах 5 труб-резервуаров заканчиваются нагнетательными клапанами 10. Сверху труб-резервуаров установлены гасители колебаний давления 11, которые выполняют роль воздушных колпаков в трубах-резервуарах. Гасители колебания давления соединяются с трубами-резервуарами короткими трубами 12 такого же диаметра, как трубы - гасители колебаний давления (разрезы А-А и В-В). Трубырезервуары секций водоподъемника-тарана соединены с водоводом 14 переходными трубами 13, которые подсоединены к колодцам труб-резервуаров и водоводу на фланцах 15. Водовод имеет на горизонтальном участке гаситель колебаний давления 16, соединенный с водоводом трубами 17. Он транспортирует воду под давлением к соплу 18 ковшовой турбины 19. Ковшовая турбина на одном валу с электрогенератором 20 устанавливается на суше выше уровня подтопления на величинуво время половодья (разрез Б-Б). Отработавшая в турбине вода сбрасывается вниз в водосточный канал 21 и по каналу поступает в железобетонный колодец 22, из которого по водосточной трубе 23 поступает в реку перед входом в водоподъемник, чтобы компенсировать возможное падение уровня воды в реке. Диаметр водосточной трубы 23 не должен быть меньше диаметра водовода 14. Секции водоподъемника-тарана устанавливают погруженными в воду на железобетонных сваях 24, забитых в дно реки. Питательные трубы, кроме железобетонных свай,должны иметь по одному-два железобетонных фундамента 25 для восприятия горизонтальной силы гидравлического удара. Диаметр питательной трубы 1 принимают в зависимости от глубины воды в реке. Верх питательной трубы должен быть ниже толщины слоя промерзания реки, а низ должен быть установлен так, чтобы отсутствовали донные наносы. Питательную трубу следует устанавливать с соблюдением естественного уклона, а по концам предусмотреть защитные сетки 3 для предупреждения попадания посторонних предметов и заплыва рыбы. Количество секций водоподъемника-тарана принимается в зависимости от ширины реки с оставлением прохода для судов. Принцип действия секции водоподъемника-тарана основан на принципе действия питательной трубы, погруженной в безнапорный поток движущейся воды. Питательная труба преобразует энергию движущейся воды в ней в энергию давления. Под воздействием скоростного напора воды, созданного уклоном дна реки, приходит в движение ударный клапан, установленный у выходного конца трубы, быстро отсекая движение воды, в результате под действием сил инерции останавливающаяся масса воды создает повышенное избыточное давление, называемое гидравлическим ударом. Энергия гидравлического удара заключена в упругой деформации сжатия воды в питательной трубе и упругой деформации расширения материала самой трубы, расходуется на создание четырех ударных волн положительная ударная волна давления, отрицательная ударная волна отражения давления, отрицательная ударная волна вакуума, положительная ударная волна снятия вакуума. Действие положительной ударной волны давления представляется так при закрытии ударного клапана вода в трубе останавливается не сразу, а продолжает движение отдельные объемы воды останавливаются у ударного клапана, нажимая друг на друга по всей длине трубы, создают положительную ударную волну давления, которая несет давление сжатия от ударного клапана до начала входа в трубу. Этот процесс называют прямым гидравлическим ударом. Часть энергии прямого гидравлического удара расходуется на привод ковшовой турбины с электрогенератором. Эта 3 13141 1 2010.04.30 часть энергии накапливается в трубах-резервуарах 8 и отсекается от питательной трубы нагнетательными клапанами 10. Закончив движение, остальная энергия сжатия положительной ударной волны давления переходит в энергию отражения давления отрицательной отраженной волны отражения давления. Действие отрицательной волны отражения давления представляется так сжатые объемы воды со входа в трубу начинают расширяться и вытекать в обратном направлении из трубы, создавая отрицательную волну отражения давления, эта волна, проходя от начала входа в трубу до ударного клапана, снимает давление сжатия до нуля и сообщает движение воде по всей длине питательной трубы в обратном направлении. Этот процесс называется отраженным гидравлическим ударом. Оставшаяся энергия отрицательной отраженной волны или отраженного гидравлического удара переходит в энергию отрицательной ударной волны вакуума. Действие отрицательной ударной волны вакуума представляется так отрицательная ударная волна отражения давления привела в движение воду в питательной трубе в обратном направлении под действием сил инерции эта вода продолжает движение, создавая отрицательную волну вакуума, так как за счет прочности воды на разрыв начинает поступать вода со стороны выхода из питательной трубы на уклон, а в самой питательной трубе вода подвергается упругой деформации растяжения, которая снижает скорость обратного течения воды в питательной трубе до нуля. Волна вакуума движется от выхода из трубы до входа в трубу при открытом ударном клапане и передает энергию упругой деформации растяжения воды положительной ударной волне снятия вакуума. Положительная ударная волна снятия вакуума, двигаясь от входа в трубу к выходу из трубы, создает в питательной трубе нулевое давление и первоначальную скорость движения воды в трубе в прямом направлении, при открытом ударном клапане, который удерживается грузом в нижнем положении. Нулевое давление гидравлического удара соответствует величине пьезометрического давления воды в реке, поэтому давление гидравлического удара называют избыточным. После снятия вакуума до нулевого давления гидравлического удара в трубе процесс начинает повторяться. Гидравлический удар в безнапорной трубе аналогичен гидравлическому удару в напорной трубе, поскольку в обоих случаях он появляется при изменении скорости движения жидкости. Гидравлический удар в напорной трубе был исследован Н.Е.Жуковским с получением таких расчетных зависимостей, как величина гидравлического удара величина относительной скорости распространения гидравлического удара в круглой тонкостенной трубе, заполненной водой, величина времени полного периода колебания гидравлического удара в любом неподвижном поперечном сечении трубы. Приводим расчетные зависимости, необходимые для расчета конструкции секции водоподъемника-тарана. Величина гидравлического удара 1, где 1 - величина гидравлического удара, м С - величина относительной скорости распространения гидравлического удара в круглой тонкостенной трубе, мс- скорость движения воды в питательной трубе до появления гидравлического удара, приравнивается к скорости течения реки, мс м .9,81 2 с Величина относительной скорости распространения гидравлического удара в круглой тонкостенной трубе, заполненной водой 4,1 Е ж 1 ЕТ где 1 - внутренний диаметр питательной трубы, м- толщина стенок трубы, м Еж - модуль объемной упругости жидкости Е ж 2 109 н 2 м ЕТ - модуль упругости материала стенок трубы Е Т 2 1011 н 2 . м Величина времени полного периода колебания гидравлического удара в любом неподвижном поперечном сечении трубы 42 2 Т 1, где Т - величина времени полного периода колебания градуса, с 1 - длина питательной части трубы от середины седла ударного клапана до входа в трубу, м 2 - длина части трубы от середины седла ударного клапана до выхода из трубы, м. Время полного периода колебания гидравлического удара плюс время хода ударного клапана при закрытии называем временем цикла работы секции водоподъемника-тарана ЦТТ 1,где Ц - время цикла работы секции водоподъемника-тарана, с Т 1 - время хода ударного клапана при закрытии, с. Ход ударного клапана определяется при открытии временем распространения ударной волны вакуума и средней скоростью движения воды в трубе в обратном направлении при распространении вакуума 2 где- ход ударного клапана, м- средняя скорость движения воды в трубе в обратном направлении при распространении вакуума, мс 12- время распространения вакуума в трубе, с. Средняя скорость движения воды в трубе в обратном направлении при распространении вакуума определяется по выражению,2 где- скорость движения воды в трубе в обратном направлении в конце отраженного гидравлического удара, м . с Скоростьопределяется в конце отраженного гидравлического удара при закрытом ударном клапане по уравнению Д.Бернулли, написанному для сечений по закрытому ударному клапану и по входу в трубу. Оно будет иметь вид 2 28,1 ВЫХ где 8 - величина отраженного гидравлического удара, равная давлению в труберезервуаре 8, м 2- скоростной напор движения воды в реке, в данный момент рассматривается как 2 сопротивление, м 21- коэффициент сопротивления по длине трубы 1 ВЫХ - коэффициент местного сопротивления при выходе воды из трубы в реку, ВЫХ 1- коэффициент гидравлического трения,0,0167. После окончания отраженного гидравлического удара скоростьпереходит для создания отрицательной волны вакуума, которая распространяется при открытом ударном клапане. После окончания распространения волны вакуума скоростьобращается в нуль. Время хода ударного клапана при закрытии 1 Количество отборных и передающих патрубков 6 и 7 определяют, исходя из условия полной передачи в трубы-резервуары расхода питательной трубы 11,3 где 1 - расход питательной трубы мс 1 - живое поперечное сечение питательной трубы, м 2. 1 Ц П где П - количество отборных и передающих патрубков, шт. П - скорость в передающем и отборном патрубках, мс П - площадь живого сечения патрубков м 2 1/С - время распространения волны прямого гидравлического удара, с. Скорость П в отборном и передающем патрубках определяем по уравнению Д.Бернулли, написанному для сечений по выходу воды в отборный патрубок и по нагнетательному клапану относительно оси патрубков, оно будет иметь вид (разрез В-В) 2 1238 П ( ВХКЛ) ,2, ВХКЛгде 1 - величина гидравлического удара в питательной трубе, м 2 - высота уровня воды в реке относительно оси патрубков, м 3 - высота столба воды в трубе-резервуаре относительно оси патрубков, м 8 - давление воды в трубе-резервуаре, м ВХ - коэффициент местного сопротивления на входе в отборный патрубок, ВХ 0,5 КЛ - коэффициент местного сопротивления в нагнетательном клапане, принимается по аналогу с обратным клапаном в зависимости от внутреннего диаметра патрубка 2 П П - длина отборного и передающего патрубков, м П - внутренний диаметр патрубка, м. Количество отборных и передающих патрубков должно быть четным, определяется из выражения (стр. 8-9) подбором, задаваясь четными величинами П, находим живое поперечное сечение П патрубка и внутренний диаметр патрубка При необходимости производим корректировку величины 8 и П, принимая приемлемые значения. Величину скорости воды в патрубке рекомендуется принимать не более П 7 м . с Нагнетательный клапан 10 (разрез В-В) состоит из тела клапана, представляющего полый усеченный конус, закрытый по основаниям обрезными сферическими днищами труб и трубчатой оси во втулке, закрепленной крестовыми ребрами внутри патрубка 7, являющегося седлом тела клапана. Трубчатая ось клапана на конце несет упор из крестовых ребер. Нагнетательный клапан выполняется плавающим, когда вес клапана равен вертикальной подъемной силе воды (архимедова сила). Узел ударного клапана 2 (разрез Г-Г) в собранном виде крепится к питательной трубе 1, диаметры их равны 21. Внутри трубы 2 на роликах 26, закрепленных в опорах 27,свободно помещена трубчатая ось 28, несущая ударный клапан 29. Под действием скоростного напора воды в питательной трубе ударный клапан приходит в движение и закрывает седло 30, которое сварено из двух полых усеченных конусов меньшими основаниями, а большими основаниями седло приварено к внутренний поверхности трубы 2. Тело ударного клапана изготовляется из усеченного полого конуса, закрытого по основаниям сферическими днищами из труб аналогично нагнетательному клапану, и является совместно с трубчатой осью плавающим. Ход ударного клапана в сторону открытия ограничен упорами 31, закрепленными на трубе оси 28 и воздействующими на опору 27 (разрез Е-Е). С наружной стороны трубы узла ударного клапана закрепляется с помощью фасонок 32 грузовое устройство ударного клапана, состоящее из ограждающей трубы 33, груза 34 в виде куска трубы, подвешенного с помощью траверсы 35 канатно-роликовой системой из двух роликов 36, каната 37 и ушка 38, приваренного к трубчатой оси ударного клапана(разрезы Д-Д и Е-Е). Когда ударный клапан открыт, груз 34 находится в нижнем положении и его можно стопорить чекой 39, введенной через направляющие втулки 40 насквозь противоположной стенки ограждающей трубы 33 (разрез З-З). Когда груз находится в верхнем положении,ударный клапан закрыт и его можно опустить вниз только принудительно упорной вилкой 42 усилием одного человека, другой человек должен ввести чеку 39. Чтобы запустить питательную трубу в работу, нужно вынуть чеку 39, предварительно вынув упорную вилку из ограждающей трубы. Упорная вилка 42 вводится внутрь ограждающей трубы через полуотверстия направляющих пластин 41 (разрезы Ж-Ж и И-И). Внутренний диаметр ограждающей трубы 33 назначается таким, чтобы была свободная проходимость груза 34 с наружным диаметром 34 и упорной вилкой 42. Вес груза 34 принимается в одну треть величины усилия скоростного напора, действующего на ударный клапан 2 12 29,3435 35 3 2 4 где Р 34 - вес куска трубы груза 34, н Р 35 - вес траверсы груза 35, н м 3 29 - наружный диаметр ударного клапана, м. Ход груза ударного клапанаравен ходу ударного клапана. Трубу-резервуар 8 рекомендуется принимать по внутреннему объему 8, равному внутреннему объему питательной трубы 1. Оптимальный расчетный внутренний объем гасителя колебания давления и соединительных труб с трубой-резервуаром 11 определяется по закону Бойля-Мариотта Р 11 Р 22,где 1 и 2 - абсолютные давления в начале и конце сжатия воздуха в объеме трубарезервуар 8 и гаситель 11 колебания давления, н 2 м 3 1 и 2 - объемы в начале и конце сжатия, мР 1 Р 105 н 2 м Р 28 Р , н 2 м 3 1811, м 211, м 3. Подставив данные значения в выражения закона, получим Р(811)(8 Р)11,откуда 21088 3 118 м ,848 где 11 - внутренний объем гасителя колебаний давления совместно с соединительными трубами, м 3 8 - внутренний объем трубы-резервуара, м 3 8 - давление в трубе-резервуаре избыточное, м 8 - внутренний диаметр трубы-резервуара, м 8 - длина трубы-резервуара, м. По величине 11 определяем предварительную длину 11 гасителя колебаний давлений, задавшись внутренним диаметром трубы гасителя колебаний давления 11. По величине 11 определяют внутренний объем шаровых днищ трубы гасителя колебаний давления и соединительных труб 12, предварительно назначив их количество и длину, потом вычитают этот объем из объема 11 и уточняют длину 11 гасителя колебаний давления. Одна переходная труба 13 пропускает половину расхода питательной трубы 2 13 130,51131313 ,4 3 где 13 - расход переходной трубы, мс 13 - скорость воды в переходной трубе мс 13 - живое поперечное сечение переходной трубы, м 2. Скорость воды в переходной трубе рекомендуется принимать не более 134 м . с Определим давление на входе переходной трубы в водовод по уравнению Д.Бернулли,написанному по входу и выходу переходной трубы относительно оси, он будет иметь вид 2831413 ( ВХВЫХ ) ,2 8( ВХВЫХ ) ,2 где 14 - давление на входе в водовод переходной трубы, м 1313 13 - длина переходной трубы, м 13 - внутренний диаметр переходной трубы, м. Для водовода 14 рекомендуется скорость воды принимать не более 144 м . К вос доводу подключают до двух секций водоподъемника-тарана или до четырех переходных 3 труб суммарной подачей 1421 м , по которой определяют поперечное живое с сечение водовода и внутренний диаметр 2 Определяем давление в конце водовода в сопле, для чего напишем уравнение Д.Бернулли для сечения на входе первой переходной трубы в водовод и по соплу 18, находящегося на высоте 9 относительно горизонтальной оси водовода (разрез Б-Б), оно будет иметь вид 2 14914 (2 К ) ,2 откуда давление в сопле 214914 (2 К ) ,2 где 1414- давление в сопле, м 14 - скорость воды в водоводе, мс 14 - длина водовода, м 14 - внутренний диаметр водовода, м К - коэффициент местного сопротивления в колене,0,15. Верхняя часть водовода с соплом устанавливается на береговой опоре 44 (разрез Б-Б). Поддерживание постоянной частоты в 50 герц выполняется регулирующей иглой сопла, а следовательно, и мощность струи воды, что создает условия появления гидравлических ударов в водоводе при уменьшении подачи. Для гашения гидравлических ударов на водоводе необходимо ставить на горизонтальном участке гаситель колебания давления 16,который сообщается с водоводом соединительными трубами 17 (разрез А-А). Внутренний объем гасителя колебания давления 16 совместно с соединительными трубами 17 определяется аналогично объему гасителя колебания давления на трубопроводе резервуара 8. Гаситель колебаний давления 16 должен быть установлен под уровень гасителей колебаний давления 11. Внутренний объем гасителя 16 колебаний давления определяется аналогично объему гасителя колебаний давления 11 214 101414 13141 1 2010.04.30 14 - внутренний объем водовода 14, м 3 16 - внутренний объем гасителя колебаний давления 16. До запуска в работу секций, входящих в водовод, необходимо секции совместно с водоводом и гасителями колебаний давления полностью заполнить водой, потом при закрытой игле сопла сжатым воздухом выдавить объем воды из гасителей колебания давления 11 и 16 и установить давление в секциях 8 до нормы, затем включить секции и ковшовую турбину. Следует отметить, что используемое нами уравнение Д.Бернулли для определения скорости и давления воды, обусловленных гидравлическим ударом, строго говоря, неприменимо без использования гасителей колебания давления. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.