RU2562205C2

RU2562205C2 - Method of creation of adjustable free flowing water flow and device for its implementation

Info

Publication number: RU2562205C2
Application number: RU2013106317/13A
Authority: RU
Inventors: Алексей Григорьевич Кирчанов
Original assignee: Алексей Григорьевич Кирчанов
Priority date: 2013-02-13
Filing date: 2013-02-13
Publication date: 2015-09-10
Also published as: RU2013106317A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: invention relates to hydraulic engineering, specifically to creation of the water flow and its control using pipes to drive the hydraulic turbines, devices of water systems, and protection of fill dams against washaway. To create water flow the siphon is used, at its ends the gates are installed, and in its top point a hole is made closed by the tight plug. The siphon intake end is lowered in the source water reservoir, and drain end is inserted in beginning of the distribution pipe, its internal diameter is selected higher then outside diameter of the siphon pipe. For the water flow start gates are closed in series, the siphon is filled with water up to plug, hole is tightly closed by plug, and gates are opened. The created water flow is directed in the required or safe for people and environment direction via the distribution pipes, trays or other water ways. The dam protection against washaway (in case of the water overflow over the dam) is performed by means of the siphon gates opening and water overflow over the siphon installed on the dam crest. Method is ensured using the device containing siphon with controlled gates in input and output ends, and with hole in its top point closed by tight plug, distribution pipes, buffer or water discharge devices, trays and water ways. To ensure the required higher intensity of the water flow the single flows of several specified devices installed in common or different source water reservoirs or acting water flows are combined in common rather powerful flow.

EFFECT: possibility of increasing of energy power with significantly lower specific and absolute expenses, and fill dams protection against washaway upon threat of dam pond overfilling.

8 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to the field of hydraulic engineering, and in particular to the formation of a water stream and its control using pipes to drive hydraulic turbines, water supply systems, and also to protect bulk dams from erosion.

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.Widely known methods are known for creating branched flows of water in the form of water supply networks using pumping systems and directed flows of falling water to drive hydroelectric power units.

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.The disadvantage of the former is the need for significant costs for the manufacture of sophisticated equipment and fixed costs for energy consumption, consumables and remuneration of staff when operating this equipment. The disadvantage of the second is that, in addition to the high cost of building a dam and a very limited number of places for possible location of dams in river beds, blocking the river flow with a dam at the same time interferes with the functioning of river navigation and rafting, disrupts fish migration for spawning and vice versa, and leads to flooding the large area of land necessary for household needs distorts the natural landscape and negatively affects the natural environment.

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.The objective of the present invention, the method, is to create an adjustable freely flowing water stream that does not require any mechanisms, constant energy consumption, dam construction, as well as protection of bulk dams from erosion.

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.The proposed method consists in the fact that a siphon is used to form a water stream, at the ends of which valves are installed, and a hole with an airtight stopper is made at its upper point. The receiving end of the siphon is lowered into the supply reservoir, and the drain end is placed at the beginning of the distribution pipe, the inner diameter of which is chosen larger than the outer diameter of the siphon pipe. To start the water flow, the valves at the ends of the siphon are successively closed, the siphon is filled with water “under the plug”, the hole in the siphon is closed with a stopper and the valves are opened. Thus, the water flow is created by using the natural property of the siphon to form a pressure difference in its short (receiving) and long (ebb) elbows, as a result of which it is possible to continuously suck in water without external influences, namely without using any pumping equipment and at no cost energy to create a vacuum or pressure.

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).The resulting water flow is directed in the direction necessary or safe for people and the environment through distribution pipes, gutters or other watercourses. If necessary, for a rational arrangement of the siphon in combination with a distribution pipe, its drain end is carried from the receiving end to the required, including significant, distance, observing the difference in the heights of the sections of the ends of these ends to the extent that cavitation does not appear in the siphon (no more 6-7 meters). The intensity of the water flow is regulated by changing its free passage through the siphon using controlled valves. To limit the pressure in the water conduit (not exceeding the permissible pressure in the distribution pipes and equipment used), breaks are made in the distribution pipes along their length, and the continuity of the water flow is maintained similarly to this at the siphon-distribution pipe interface or using buffer tanks (open vessels) , the water pressure in which is determined only by the level of water filled in them).

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.To feed the created water flow from the existing (river, canal) siphon ejection elbow is of such a length that a difference in levels of the siphon receiving and ejection ends is achieved, sufficient for stable suction of water by the siphon, and the length of the end section of the distribution pipe directly supplying the turbine is chosen , in which the difference in the heights of the ends of this section provides the water pressure necessary to drive the turbine. In this case, the water stream after it leaves the hydraulic turbine is sent back to the existing water stream downstream to restore the water flow in its original volume, or organize a cascade of similar hydraulic turbines or direct the water flow to other household needs.

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.To protect from erosion of the bulk dam, the siphon is installed on its crest, the siphon is “charged” (filled) with water when the valves are closed and the filling hole is closed with an airtight stopper. If there is a threat of overflow of water through the crest of the dam (and, accordingly, its erosion), open the valves for overflow of water through the siphon.

Используемые в способе элементы, перечисленные в описании устройства, показаны на чертеже.Used in the method of the elements listed in the description of the device shown in the drawing.

Задача изобретения - устройства - состоит в конструктивном обеспечении реализации предложенного способа.The objective of the invention is a device is to constructively implement the proposed method.

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.A particular embodiment of the device is shown in the drawing, where in FIG. 1 shows schematically the location of the siphon at the reservoir, its elements and the connection of the siphon to the distribution pipe, and in FIG. 2 also schematically shows the location of buffer tanks, a small hydroelectric power station and a water tower of a city water supply on the path of the water flow.

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.The device consists of a siphon formed by a bent pipe with a short (receiving) elbow 1 and a long (drain) elbow 2, at the upper point of which a hole 3 is made, closed by an airtight plug 4, and at its ends there are valves 5 with actuators 6 (mechanical or manual) or a combination thereof), distribution pipes 7, buffer (compensation) tanks 8, a small hydroelectric power station 9 and a water tower 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.Small and medium hydropower plants, water supply networks of cities and towns, irrigation systems, etc. can be consumers of a gravity water flow. Water flow from one siphon can be divided by distribution pipes (similar to the distribution of water to apartments from a common water supply pipe) into several flows to power different consumers or water flows from different siphons installed on a common or different supply reservoirs or existing water flows, can be combined to supply one consumer (similarly combining a drain from different apartments into a communal drain pipe), for example, a powerful hydroelectric power station or a water supply network of a metropolis.

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.The proposed method of using the physical properties of a simple device allows the most economical, efficient and stable consumption of natural energy resources, regardless of weather conditions (as opposed to the use of wind and solar energy). This method opens up new possibilities for increasing energy capacity with significantly reduced costs (for example, by installing siphons on the upper pool of waterfalls or in the upper reaches of rivers instead of constructing dams), to place hydraulic turbines in places most convenient for their operation. One of the promising technical solutions may be to supply cities with gravity and cleaner water than from a river flowing through a city, for example, supply directly to the Baikal water of the city of Irkutsk, supply water from St. Petersburg directly from Lake Ladoga.

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.As you know, when the water overflows through the bulk dam, it quickly erodes and the water breaks down into the formed hole downstream with a destructive rampart, as happened in the area of the Crimean village. The natural stone dam was also eroded, which formed in the gorge as a result of the collapse of rocks 8,000 years ago, Lake Issyk, which as a result of erosion of the dam no longer exists. An example of preventing overflow of water, the level of which increased sharply due to an abnormally fast melting of snow in the mountains, through a dam in the Medeo tract (near the Medeo high-mountain skating rink) by pumping water over the dam with pumps urgently delivered to the dam crest, shows that the installation “ charged ”siphons as a means of emergency discharge of water is the same necessary attribute of dams as a stop valve in transport or a blast valve in a steam boiler.

Claims

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.1. A method of creating an adjustable freely flowing water stream, characterized in that a siphon is used for its formation, the receiving end of which is lowered into the reservoir, and the drain end is placed at the beginning of the distribution pipe, the inner diameter of which is larger than the outer diameter of the siphon pipe, to ensure the start-up of the water flow, valves are installed at the inlet and outlet ends of the siphon, and a hole is closed at the top of the siphon, closed by an airtight stopper, the valves are closed, the siphon is filled with water stopper under "blind hole stopper, open the valve and guide the flow of water in the required or, when the threat alarm through the bulk water overflow weir, a safe for people and the environment direction distribution pipes, gutters or conduits.

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).2. The method according to p. 1, characterized in that the drain end of the siphon is carried from its receiving end to the required distance, providing a difference in the heights of these ends to the extent that cavitation does not occur in the siphon (not more than 6-7 meters).

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что интенсивность водного потока регулируют изменением его свободного прохода через сифон с помощью управляемых задвижек.3. The method according to p. 1, characterized in that the intensity of the water flow is controlled by changing its free passage through the siphon using controlled valves.

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.4. The method according to p. 1, characterized in that in order to prevent unacceptable pressure during operation of the water supply system, including for reasons of ultimate strength of the pipes, breaks are carried out in the distribution pipes, and the continuity of the water flow is maintained in the same way as at the siphon junction - distribution pipe ”or using buffer (compensation) tanks.

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.5. The method according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the siphon is installed upstream of the existing water stream (river, canal), a distribution pipe is made of such a length and positioned so that a pressure sufficient to act on the turbine is created at the outlet end of the pipe, while the flow water after its exit from the hydraulic turbine is sent back to the existing water stream downstream or used for household needs.

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.6. Device for creating an adjustable freely flowing water stream for implementing the method according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that it consists of a siphon with controlled valves at its receiving and drain ends and with a hole at its upper point closed by a sealed stopper, distribution pipes, buffer or water pressure devices, gutters and drains.

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.7. Device for creating an adjustable freely flowing water stream for implementing the method according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that to obtain the need for a greater intensity of the water stream, it consists of several devices according to claim 6, installed on a common or different supply water reservoirs or existing water streams, the individual streams of which are summarized in a common fairly powerful stream.

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. 8. The device according to claim 7, characterized in that for limiting the pressure in the distribution pipes to within acceptable limits, buffer (compensation) tanks are installed in the path of the freely flowing water flow, filled with water flowing from the distribution pipe located above the base level of a particular buffer tank, and water-supplying distribution pipe located below the base of this buffer tank.