Патент на изобретение №2392652

(54) РЕГУЛЯТОР РАСХОДА ВОДЫ В НАПОРНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к регулирующим устройствам на водовыпусках при плотинах водохранилищ. Регулятор расхода содержит установленный в выходном отверстии напорного трубопровода (5) конусный затвор (10) и следящий автоматический гидропривод (17) затвора, обеспечивающий регулирование степени открытия сбросного отверстия (15) затвора. Напорный трубопровод проложен внутри галереи водовыпуска в теле плотины. Гидропривод состоит из группы гидроцилиндров (18) и вертикальной пьезометрической камеры, заполненной рабочей жидкостью (гидравлическим маслом). У гидроцилиндров штоки (20) прикреплены к подвижному цилиндрическому патрубку (14) конусного затвора, рабочие камеры (21), обеспечивающие уменьшение степени открытия сбросного отверстия (15), посредством трубок (22), подключенных к трубкам Пито (25), сообщены с проточной полостью (16) затвора, а рабочие камеры (23), обеспечивающие увеличение степени открытия сбросного отверстия (15), – с пьезометрической камерой. Емкость пьезометрической камеры в пределах рассчитанного диапазона колебания уровней рабочей жидкости в ней и размеры ее поперечного сечения в пределах этого диапазона на разных уровнях обеспечивают регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора. Изобретение обеспечивает автоматическое регулирование расхода простым и надежным приводом. 11 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, в частности к водорегулирующим устройствам на водовыпусках при водохранилищных плотинах.

Известен регулятор расхода воды в напорном трубопроводе, выполненный в виде регулирующего дроссельного клапана, в котором диафрагма совместно с подвижным цилиндрическим патрубком образует вокруг неподвижной части кольцевое отверстие. При изменении давления воды в трубопроводе диафрагма перемещается до уравновешивания пружинами, вследствие чего происходит изменение площади кольцевого зазора, следовательно, и расхода воды в трубопроводе [1].

Такой регулятор расхода воды сложный в изготовлении, имеет недостаточную точность регулирования. Кроме того, регуляторы данного типа используются только при малых расходах. Это обуславливается тем, что при изготовлении трудно выполнить пружины, нелинейные деформации которых были бы надежно увязаны с изменением давления воды в трубопроводе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является регулятор расхода воды, включающий установленный в выходном отверстии напорного трубопровода конусный затвор, содержащий неподвижный цилиндрический патрубок, конический экран, прикрепленный с внутренней стороны к неподвижному цилиндрическому патрубку посредством радиальных ребер жесткости, и подвижный цилиндрический патрубок, расположенный соосно с наружной стороны неподвижного цилиндрического патрубка и образующий с конусным экраном сбросное отверстие из проточной полости затвора, и механический привод затвора, обеспечивающий регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора [2 или 3].

Недостатком этого известного регулятора расхода является его недостаточная надежность из-за того, что сложно регулировать степень открытия сбросного отверстия затвора посредством механического привода. При этом требуется постоянное присутствие на объекте квалифицированного персонала.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности работы регулятора расхода, а достигаемый при этом технический результат заключается в автоматическом регулировании расхода воды простым и надежным приводом.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в регуляторе расхода воды в напорном трубопроводе, включающем установленный в выходном отверстии напорного трубопровода конусный затвор, содержащий неподвижный цилиндрический патрубок, конический экран, прикрепленный с внутренней стороны к неподвижному цилиндрическому патрубку посредством радиальных ребер жесткости, и подвижный цилиндрический патрубок, расположенный соосно с наружной стороны неподвижного цилиндрического патрубка и образующий с конусным экраном сбросное отверстие из проточной полости затвора, и привод затвора, обеспечивающий регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора, согласно изобретению привод затвора выполнен в виде автоматического следящего гидропривода, состоящего из группы гидроцилиндров, расположенных вокруг неподвижного цилиндрического патрубка затвора и прикрепленных к нему, и пьезометрической камеры, заполненной рабочей жидкостью. У гидроцилиндров штоки прикреплены к подвижному цилиндрическому патрубку, рабочие камеры, обеспечивающие уменьшение степени открытия сбросного отверстия затвора, посредством трубок гидравлически сообщены с проточной полостью затвора, а рабочие камеры, обеспечивающие увеличение степени открытия сбросного отверстия затвора, – с пьезометрической камерой. Емкость пьезометрической камеры в пределах рассчитанного диапазона колебания уровней рабочей жидкости в ней и размеры ее поперечного сечения в пределах этого диапазона на разных уровнях обеспечивают регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора, т.е. обеспечивают остановку в требуемом положении поршней гидроцилиндров, перемещение которых при изменении давления воды в проточной полости затвора завершается в момент уравновешивания нормально приложенных к ним сил от давления воды проточной полости затвора и от собственного веса подвижных частей регулятора расхода воды силами давления рабочей жидкости пьезометрической камеры.

Дополнительно:

– штоки всех гидроцилиндров сориентированы по направлению закрытия сбросного отверстия затвора, при этом с проточной полостью затвора гидравлически сообщены их поршневые полости, а с пьезометрической камерой – их штоковые полости;

– штоки всех гидроцилиндров сориентированы по направлению открытия сбросного отверстия затвора, при этом с проточной полостью затвора гидравлически сообщены их штоковые полости, а с пьезометрической камерой – их поршневые полости;

– гидроцилиндры разделены на две группы, при этом у каждого гидроцилиндра первой группы шток сориентирован по направлению закрытия сбросного отверстия затвора, поршневая полость посредством трубки гидравлически сообщена с проточной полостью затвора, а штоковая полость через отверстие в корпусе гидроцилиндра сообщена с атмосферой, а у каждого гидроцилиндра второй группы шток сориентирован по направлению открытия сбросного отверстия затвора, поршневая полость посредством трубки гидравлически сообщена с пьезометрической камерой, а штоковая полость через отверстие в корпусе гидроцилиндра сообщена с атмосферой;

– гидроцилиндры снабжены сильфонными или мембранными рабочими камерами;

– гидроцилиндры гидравлически сообщены с проточной полостью затвора и/или с пьезометрической камерой по трубкам малого диаметра;

– трубки, гидравлически сообщающие гидроцилиндры с проточной полостью затвора, подключены к трубкам Пито, установленным в поточной полости затвора.

Кроме того, емкость пьезометрической камеры V и ее высота h, начиная от высоты h₀, увеличиваются по зависимостям:

причем:

где:

а=а₀-а_i;

Z₀=H₀+0,5а₀ sin;

Z_i=H_i+0,5а_i sin;

Q – заданный постоянный расход воды в проточной полости затвора;

H₀ – минимальный расчетный напор воды в проточной полости затвора, отсчитываемый от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора, при превышении которого начинается регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора;

H_i – напор воды в проточной полости затвора, отсчитываемый от центра

тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора, H_i>H₀;

Z₀ – напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, соответствующий напору H₀;

Z_i – напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, соответствующий напору H_i;

a₀ – расчетное максимальное открытие сбросного отверстия затвора, соответствующее напору воды в проточной полости затвора H₀; a_i – открытие сбросного отверстия затвора, соответствующее напору воды в проточной полости затвора H_i;

h₀ – высота от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до начала рассчитанного диапазона колебания уровней рабочей жидкости в пьезометрической камере, соответствующая напору H₀;

h_i – высота от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до i-го уровня рабочей жидкости в пьезометрической камере, соответствующая напору H_i>H₀;

_в – плотность воды, пропускаемой через проточную полость затвора;

_ж – плотность рабочей жидкости в пьезометрической камере;

S_в – суммарная площадь поперечного сечения рабочих камер, обеспечивающих уменьшение степени открытия сбросного отверстия затвора;

S_ж – суммарная площадь поперечного сечения рабочих камер, обеспечивающих увеличение степени открытия сбросного отверстия затвора;

G – суммарный вес подвижных частей регулятора расхода воды;

– угол наклона продольной оси затвора к горизонту;

с₁ – длина нормали от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до плоскости, при расчетном максимальном открытии сбросного отверстия затвора секущей гидроцилиндры по рабочим поверхностям их рабочих камер, обеспечивающих уменьшение степени открытия сбросного отверстия затвора;

с₂ – длина нормали от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до плоскости, при расчетном максимальном открытии сбросного отверстия затвора секущей гидроцилиндры по рабочим поверхностям их рабочих камер, обеспечивающих увеличение степени открытия сбросного отверстия затвора;

µ₀, µ_i – коэффициенты расхода сбросного отверстия затвора при его максимальном и при i-ом открытии;

l – периметр истечения воды через сбросное отверстие затвора;

g – ускорение свободного падения;

k₃, k₂, k₁, k₀ – коэффициенты полиноминального уравнения, вычисленные с использованием результатов модельных гидравлических исследований затвора.

Вместе с тем, пьезометрическая камера выполнена вертикальной, с уменьшающейся по высоте площадью поперечного сечения, удовлетворяющей условию:

где:

Дополнительно, пьезометрическая камера, по крайней мере, на одном из ее участков может быть выполнена криволинейной – из плавно восходящей вверх трубы с постоянной площадью поперечного сечения, при этом длина трубы криволинейного участка пьезометрической камеры l^к в пределах рассчитанного диапазона колебания уровней рабочей жидкости в нем и его высота h, начиная от высоты h₀, увеличиваются по зависимостям:

причем:

где:

H₀ – расчетный напор воды в проточной полости затвора, отсчитываемый

от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора, при превышении которого регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора обеспечивается криволинейным участком пьезометрической камеры;

H_i – напор воды в проточной полости затвора, отсчитываемый от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора, H_i>H₀;

Z₀ – напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, соответствующий напору Н₀;

Z_i – напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, соответствующий напору H_i;

Z_max – максимальный напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, при достижении которого уровень рабочей жидкости в пьезометрической камере повышается до верхней границы ее криволинейного участка;

h₀ – соответствующая напору H₀ высота от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до начала криволинейного участка пьезометрической камеры;

h_i – соответствующая напору H_i>H₀ высота от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до i-го уровня рабочей жидкости в трубе криволинейного участка пьезометрической камеры.

К тому же:

– криволинейный участок пьезометрической камеры выполнен в виде спирали с увеличивающимся по высоте шагом витков;

– криволинейный участок пьезометрической камеры выполнен из отрезков трубы, шарнирно соединенных между собой, или из гибкой трубы, недеформируемой под воздействием напора рабочей жидкости.

Принцип действия такого регулятора расхода воды заключается в том, что емкость пьезометрической камеры в пределах рассчитанного диапазона колебания уровней рабочей жидкости в ней и размеры ее поперечного сечения в пределах этого диапазона на разных уровнях обеспечивают регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора, т.е. обеспечивают остановку в требуемом положении поршней гидроцилиндров автоматического следящего гидропривода, перемещение которых при изменении давления воды в проточной полости затвора завершается в момент уравновешивания нормально приложенных к ним сил от давления воды проточной полости затвора и от собственного веса подвижных частей регулятора расхода воды (от подвижного цилиндрического патрубка и от поршней и штоков гидроцилиндров) силами давления рабочей жидкости пьезометрической камеры.

Вывод указанных в заявляемом изобретении зависимостей, описывающих емкость пьезометрической камеры в пределах рассчитанного диапазона колебания уровней рабочей жидкости в ней и размеры ее поперечного сечения в пределах этого диапазона на разных уровнях, выполнен ниже с использованием известных в гидравлике формул. Расчетная схема, использованная для вывода указанных зависимостей, представлена на фиг.10.

Пусть в начальном положении, при максимальном открытии сбросного отверстия затвора, соответствующем минимальному расчетному напору воды в проточной полости конусного затвора, работающего с истечением в атмосферу, штоки гидроцилиндров находятся в состоянии равновесия при высоте заполнения пьезометрической камеры рабочей жидкостью, равной:

где: h₀ – высота (пьезометрический напор) от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до начала рассчитанного диапазона колебания уровней рабочей жидкости в пьезометрической камере, соответствующая напору H₀;

_в – плотность воды, пропускаемой через проточную полость затвора;

_ж – плотность рабочей жидкости в пьезометрической камере;

S_в– суммарная площадь поперечного сечения рабочих камер, обеспечивающих уменьшение степени открытия сбросного отверстия затвора;

S_ж – суммарная площадь поперечного сечения рабочих камер, обеспечивающих увеличение степени открытия сбросного отверстия затвора;

Н₀ – минимальный расчетный напор воды в проточной полости затвора, при превышении которого начинается регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора, отсчитываемый от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора;

G – суммарный вес подвижных частей регулятора расхода воды (цилиндрического патрубка и штоков и поршней гидроцилиндров);

– угол наклона продольной оси затвора к горизонту;

с₁ – длина нормали от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до плоскости, при расчетном максимальном открытии сбросного отверстия затвора секущей гидроцилиндры по рабочим поверхностям их рабочих камер, обеспечивающих уменьшение степени открытия сбросного отверстия затвора;

с₂ – длина нормали от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до плоскости, при расчетном максимальном открытии сбросного отверстия затвора секущей гидроцилиндры по рабочим поверхностям их рабочих камер, обеспечивающих увеличение степени открытия сбросного отверстия затвора;

Тогда выше высоты h₀ емкость пьезометрической камеры V_i должна удовлетворять условию:

где: a – перемещение подвижного цилиндрического патрубка затвора при изменении напора жидкости в проточной полости затвора и, что тоже, перемещение выходных звеньев гидроцилиндров от их начального положения:

a₀ – расчетное максимальное открытие сбросного отверстия затвора, соответствующее напору воды в проточной полости затвора Н₀,

a_i – открытие сбросного отверстия затвора, соответствующее напору воды в проточной полости затвора H_i>H₀.

Емкость пьезометрической камеры V_i в интервале ее высот от h₀ до h_i и, что тоже, объем рабочей жидкости, вытесненный из рабочих камер гидроцилиндров, обеспечивающих увеличение степени открытия сбросного отверстия затвора, при перемещении поршней гидроцилиндров на величину a, при этом в соответствии с расчетной схемой на фиг.10:

где: h_i – высота (пьезометрический напор) от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до i-го уровня рабочей жидкости в пьезометрической камере, соответствующая напору Н_i>Н₀;

H_i – напор воды в проточной полости затвора, отсчитываемый от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора, Н_i>Н₀, остальные буквенные обозначения те же, что и в формулах (1) и (2).

Требуемое открытие затвора а_i определяется как:

где: Z_i – напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, равный:

Открытие затвора a_i; при расчете по (5) и (6) определяется подбором.

Из (3) и (5):

где: Q – заданный постоянный расход воды в проточной полости затвора;

µ₀, µ_i – коэффициенты расхода сбросного отверстия затвора при максимальном и при i-ом открытии;

l – периметр истечения воды через сбросное отверстие затвора (для конкретного затвора постоянная величина);

Z₀ – напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, определяемый по (6) при Н_i=Н₀ и a_i=a₀;

g – ускорение свободного падения.

Коэффициент расхода для конкретного конусного затвора может быть выражен зависимостью от отношения расхода стабилизации к напору в проточной полости затвора. При этом в большинстве случаев вполне достаточно использовать полином третьей степени:

где: k₃, k₂, k₁, k₀ – коэффициенты полиноминального уравнения, вычисленные с использованием результатов модельных гидравлических исследований конкретного затвора.

При всем этом с использованием рассчитанных значений открытий сбросного отверстия затвора a_i и соответствующих им значений пьезометрических напоров рабочей жидкости h_i могут быть определены уменьшающиеся по высоте площади поперечных сечений емкости вертикальной пьезометрической камеры:

Причем поперечные сечения площадью расположены на высоте h_j от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора:

где: a_i и a_i+1 – расчетные открытия сбросного отверстия затвора по (5), соответствующие напорам в проточной полости затвора Н_i и Н_i+1;

h_i и h_i+1 – высоты (пьезометрические напоры рабочей жидкости) от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до i-го и i+1-го уровня рабочей жидкости в пьезометрической камере по (4), соответствующие напорам в проточной полости затвора H_i и Н_i+1.

При использовании (9) и (10) решение не является абсолютно точным, погрешность вычисления площади поперечного сечения емкости пьезометрической камеры тем выше, чем больше принятый при расчете шаг изменения напора воды в проточной полости затвора.

Для получения точного решения из формул (2) и (7) получим:

где из формул (6) и (4):

Подставляя (12) в (11) и беря производную функции V от h, получим формулу для расчета площади поперечного сечения емкости вертикальной пьезометрической камеры S^к_i, находящейся на высоте h_i, над центром тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора:

где: a’_i – производная функции открытия сбросного отверстия a от h:

При расчетах a’_i определяется подбором.

В случае выполнения пьезометрической камеры всей целиком или отдельного ее участка криволинейной из трубы с постоянной площадью поперечного сечения, длина участка трубы криволинейной пьезометрической камеры от его начала до в интервале его высот от h₀ до h_i определяется по формуле:

где: V_i – емкость пьезометрической камеры в интервале ее высот от h₀ до h_i, определяемая по (11);

S_к – площадь поперечного сечения емкости пьезометрической камеры (постоянная величина), не превышающая площади, определенной по (13) для максимального значения напора воды в проточной полости затвора, при достижении которого уровень рабочей жидкости в пьезометрической камере повышается до верхней границы ее криволинейного участка.

Подставляя V_i по (11) в (15), получим формулу для определения длины трубы пьезометрической камеры с постоянной площадью поперечного сечения S_к от ее начала до в зависимости от напора в проточной полости затвора:

При расчете l^к_i по (16) возвышение конца участка трубы пьезометрической камеры длиной l^к_i над центром тяжести неподвижного торца цилиндрического сбросного отверстия регулятора определяется по формуле (4).

Причем криволинейная пьезометрическая камера начинается на высоте h₀, вычисленной по (1) при напоре Н₀, при превышении которого регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора обеспечивается криволинейным участком пьезометрической камеры.

Изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-10, при этом на фиг.1 степень уменьшения горизонтальных размеров превышает степень уменьшения вертикальных размеров, а на фиг.10 чертеж дан схематично, без масштаба.

На чертежах изображены:

на фиг.1 – трубчатый водовыпуск при водохранилищной плотине, оборудованный регулятором расхода воды, рассмотренным в примерах 1, 2 и 3, продольный разрез (криволинейная пьезометрическая камера регулятора расхода воды, относящаяся к примерам 2 и 3, показана пунктиром);

на фиг.2 – разрез по А-А фиг.1;

на фиг.3 – конусный затвор регулятора расхода воды с гидроцилиндрами автоматического следящего гидропривода, размещение гидроцилиндров по варианту 1;

на фиг.4 – разрез по Б-Б фиг.3;

на фиг.5 – конусный затвор регулятора расхода воды с гидроцилиндрами автоматического следящего гидропривода, размещение гидроцилиндров по варианту 2;

на фиг.6 – разрез по В-В фиг.5.

на фиг.7 – конусный затвор регулятора расхода воды с гидроцилиндрами автоматического следящего гидропривода, размещение гидроцилиндров по варианту 3;

на фиг.8 – разрез по Г-Г фиг.7;

на фиг.9 – фрагмент регулятора расхода воды в примере 3, принципиальная схема подключения гидроцилиндров автоматического следящего гидропривода к двум пьезометрическим камерам;

на фиг.10 – расчетная схема регулятора расхода воды

Пример 1 (фиг.1-8 и 10).

Трубчатый водовыпуск 1 в теле плотины 2, создающей подпор уровня воды в водохранилище 3, выполнен с железобетонной галереей 4, внутри которой проложен металлический напорный трубопровод 5. В пределах верхового клина 6 плотины 2 устроена камера 7, в которой установлены затворы: ремонтный 8 и аварийно-ремонтный 9. В выходном отверстии напорного трубопровода 5 установлен конусный затвор 10, включающий неподвижный цилиндрический патрубок (корпус) 11, снабженный в конце конусным экраном 12, прикрепленным ребрами жесткости 13 к неподвижному цилиндрическому патрубку (к корпусу) 11. С наружной стороны неподвижного цилиндрического патрубка 11, соосно с ним, расположен подвижный цилиндрический патрубок 14, образующий совместно с конусным экраном 12 сбросное отверстие 15 из проточной полости 16 конусного затвора 10.

Автоматический следящий гидропривод 17 регулятора расхода воды включает:

– гидроцилиндры 18, расположенные вокруг неподвижного цилиндрического патрубка 11 конусного затвора 10 и прикрепленные к нему;

– вертикальную пьезометрическую камеру 19.

В том случае, если все штоки 20 гидроцилиндров 18 сориентированы по направлению закрытия сбросного отверстия 15 (фиг.3, фиг.4), то у каждого гидроцилиндра 18 поршневая полость 21 посредством трубки 22 гидравлически сообщена с проточной полостью 16 конусного затвора 10, а штоковая полость 23 посредством трубки 24 – с вертикальной пьезометрической камерой 19. Трубки 22 подключены к трубкам Пито 25, установленным в поточной полости 16 конусного затвора 10.

Заполненная рабочей жидкостью (например, гидравлическим маслом) вертикальная пьезометрическая камера 19 установлена в верхней части скважины 26, пробуренной с бермы 27 в галерею 4 трубчатого водовыпуска 1 и обсаженной металлической трубой.

Низ вертикальной пьезометрической камеры 19 находится на отметке, соответствующей высоте h₀ над центром тяжести неподвижного торца 28 сбросного отверстия 15 конусного затвора 10.

Выше высоты h₀, определенной по формуле (1), вертикальная пьезометрическая камера 19 выполнена с уменьшающейся по высоте h площадью поперечного сечения S^к. Все интересуемые высоты h_i, и площади определены по формулам (4) и (13).

Для повышения точности изготовления поперечное сечение вертикальной пьезометрической камеры 19 принято прямоугольным.

Гидроцилиндры 18 могут быть сориентированы штоками 20 и по направлению открытия сбросного отверстия 15 конусного затвора 10. В этом случае (фиг.5, фиг.6) с проточной полостью 16 конусного затвора 10 посредством трубок 22 гидравлически сообщены штоковые полости 23 гидроцилиндров 18, а с пьезометрической камерой 19 посредством трубок 24 гидравлически сообщены поршневые полости 21 гидроцилиндров 18. Данный вариант размещения гидроцилиндров 18 исключает вынос рабочей жидкости (гидравлического масла) из гидравлической системы автоматического следящего гидропривода 17 через штоковые отверстия 29 гидроцилиндров 18. Для полной герметизации гидравлической системы автоматического следящего гидропривода 17 у каждого гидроцилиндра 18 поршневая полость 21 может быть снабжена сильфонной рабочей камерой 30, соединенной с поршнем 31 гидроцилиндра 18 и его корпусом 32. Сильфонная рабочая камера 30 дополнительно позволяет снизить точность подгонки поршня 31 к корпусу 32 гидроцилиндра 18 и тем самым уменьшить трение в гидроцилиндре 18.

Кроме того, гидроцилиндры 18 могут быть разделены на две группы, при этом у каждого гидроцилиндра 18 первой группы 33 шток 20 сориентирован по направлению закрытия сбросного отверстия 15 конусного затвора 10, а у каждого гидроцилиндра 18 второй группы 34 шток 20 сориентирован по направлению открытия сбросного отверстия 15 (фиг.7, фиг.8). Причем с проточной полостью 16 конусного затвора 10 посредством трубок 22 гидравлически сообщены поршневые полости 21 гидроцилиндров 18 первой группы 33, сориентированных штоками 20 по направлению закрытия сбросного отверстия 15, а с пьезометрической камерой 19 посредством трубок 24 гидравлически сообщены поршневые полости 21 гидроцилиндров 18 второй группы 34, сориентированных штоками 20 по направлению открытия сбросного отверстия 15. При этом у всех гидроцилиндров 18 штоковые полости 23 сообщены с атмосферой через штоковые отверстия 29. Данный вариант размещения гидроцилиндров 18 предотвращает вынос рабочей жидкости (гидравлического масла) из гидравлической системы автоматического следящего гидропривода 17 через штоковые отверстия 29, а при использовании гидроцилиндров 18 с эластичной мембраной 35, перекладывающейся при перемещениях поршня 31 с его стенок на стенки корпуса 32 гидроцилиндров 18 и обратно, к которым она плотно поджимается давлением жидкости, обеспечивает полную герметизацию гидравлической системы автоматического следящего гидропривода 17 и уменьшает трение поршней 31 о стенки корпуса 32 гидроцилиндров 18.

В примере 1 рассмотрен регулятор, обеспечивающий стабилизацию расхода, равного 15 м³/с. Данный регулятор расхода снабжен конусным затвором 10 с диаметром подвижного цилиндрического патрубка 14, равным 1100 мм, и гидроцилиндрами 18 с диаметром поршней 31-400 мм. Рабочая жидкость пьезометрической камеры 19 имеет плотность 0.9 г/см³.

Рассчитанные для рассматриваемых в примере 1 напоров воды в проточной полости 16 конусного затвора 10 открытия сбросного отверстия 15 и площади поперечных сечений вертикальной пьезометрической камеры 19 приведены ниже в таблице.

Напор воды Hi, м	Коэф. расхода µi	Открытие сбросного отверстия ai, мм	Высота hi м	Площадь поперечного сечения пьезометрической камеры Sкi, мм2	Размеры поперечного сечения пьезометрической камеры, мм
1	2	3	4	5	6
15.000	0.594	425.6	16.658	10072	100.36×100.36
20.000	0.664	330.0	22.212	4337	65.86×65.86
25.000	0.698	280.8	27.767	2617	51.16×51.16
30.000	0.719	248.8	33.323	1817	42.63×42.63

На представленных чертежах обозначены и другие элементы сооружения и среды, а именно:

36 – опоры гидроцилиндров;

НПУ – нормальный подпорный уровень;

УМО – уровень мертвого объема;

УНБ – уровень нижнего бьефа;

Р-Р – линия пьезометрического напора в трубопроводе 5 водовыпуска 1;

H₀ и H_i – напоры в проточной полости 16 конусного затвора 10, отсчитываемые от центра тяжести неподвижного торца 28 его сбросного отверстия 15;

h₀ и h_i – пьезометрические напоры рабочей жидкости пьезометрической камеры 19 на поршни 31 гидроцилиндров 18, отсчитываемые от центра тяжести неподвижного торца 28 сбросного отверстия 15 затвора 10;

a₀ и a_i, – расчетные открытия сбросного отверстия 15, соответствующее напорам Н₀ и H_i;

с₁ и с₂ – длина нормалей от центра тяжести неподвижного торца 28 сбросного отверстия 15 до плоскостей, при расчетном максимальном открытии сбросного отверстия 15 a₀ секущей гидроцилиндры 18 по рабочим поверхностям их рабочих камер;

– угол наклона продольной оси конусного затвора 10 к горизонту.

Регулятор расхода воды работает следующим образом.

При неизменном напоре в проточной полости 16 конусного затвора 10 под действием давления воды и давления рабочей жидкости, а также под действием веса подвижных частей регулятора расхода воды поршни 31 гидроцилиндров 18 находятся в состоянии устойчивого равновесия, удерживая подвижный цилиндрический патрубок 14 в заданном положении.

В случае повышения напора воды в проточной полости 16 конусного затвора 10 поршни 31 под действием на них разности давлений выходят из состояния устойчивого равновесия и смещают подвижный цилиндрический патрубок 14, уменьшая открытие сбросного отверстия 15. Перемещение поршней 31 сопровождается поступлением воды в гидроцилиндры 18 (в варианте 1 размещения гидроцилиндров 18 – в поршневую полость 21; в варианте 2 – в штоковую полость 23; в варианте 3 – в поршневую полость 21 гидроцилиндров 18 первой группы 33) из проточной полости 16 конусного затвора 10 и вытеснением рабочей жидкости из гидроцилиндров 18 (в варианте 1 – из штоковой полости 23; в варианте 2 – из поршневой полости 21; в варианте 3 – из поршневой полости 21 гидроцилиндров 18 второй группы 34) в вертикальную пьезометрическую камеру 19. При этом емкость вертикальной пьезометрической камеры 19, имеющая уменьшающуюся по высоте площадь поперечного сечения, принятую по формуле (13), заполняется рабочей жидкостью до уровня, обеспечивающего уравновешивание приложенных к поршням 31 сил и остановку поршней 31.

В случае снижения напора воды в проточной полости 16 конусного затвора 10 поршни 31 снова выходят из состояния устойчивого равновесия, смещаются и вытесняют из гидроцилиндров 18 воду в проточную полость 16 конусного затвора 10. При перемещении поршней 31 перемещается и подвижный цилиндрический патрубок 14 конусного затвора 10, открытие сбросного отверстия 15 конусного затвора 10 увеличивается. Рабочая жидкость из вертикальной пьезометрической камеры 19 перетекает в гидроцилиндры 18, уровень рабочей жидкости в пьезометрической камере 19 снижается, что приводит к уравновешиванию сил, воздействующих на поршни 31 гидроцилиндров 18, и к остановке поршней 31, а соответственно и подвижного цилиндрического патрубка 14.

При работе регулятора расхода воды случайные смещения подвижного цилиндрического патрубка 14 и его повышенная вибрация при пульсации потока в проточной полости 16 конусного затвора 10 предотвращаются установкой трубок 22 и 24, имеющих малый диаметр.

В реальных условиях регулятор расхода воды работает, преодолевая силы трения в цилиндрах 18 и в направляющих (на чертежах не показаны) подвижного цилиндрического патрубка 14. При этом погрешность стабилизации расхода будет тем меньше, чем больше площадь поршней 31 гидроцилиндров 18. Так для регулятора расхода, рассмотренного в примере 1, установка на конусном затворе 10 гидроцилиндров 18 с диаметром поршней 31, равным 400 мм, по предварительной оценке позволит получить погрешность стабилизации расхода, не превышающую ±2.7%.

Пример 2 (фиг.1 и 2).

Отличие регулятора расхода воды от вышеописанного в примере 1 регулятора расхода воды заключается в том, что он снабжен криволинейной пьезометрической камерой 37 из трубы с постоянной площадью поперечного сечения. Для более компактного размещения криволинейная пьезометрическая камера 37 смонтирована по ломанной кривой, имеющей между точками перелома плавно восходящие криволинейные участки. В верхней своей части криволинейная пьезометрическая камера 37 навита на опору 38 в виде спирали 39, имеющей увеличивающийся по высоте шаг витков.

Так при расходе стабилизации 5.0 м³/с и при изменении напоров воды в проточной полости 16 конусного затвора 10 от 15.0 м до 30.0 м криволинейная пьезометрическая камера 37, рассчитанная по формулам (4), (13) и (16) и выполненная из трубы с внутренним диаметром 16 мм, в пределах высот 16.658-33.323 м имеет длину 60.2 м.

По длине трубы криволинейной пьезометрической камеры 37 предусмотрены шарнирные соединения (на чертежах не показаны), позволяющие корректировать ее положение в процессе эксплуатации и тем самым настраивать регулятор расхода воды на требуемый расход.

Работа регулятора расхода воды с криволинейной пьезометрической камерой 37 аналогична работе регулятора расхода с вертикальной пьезометрической камерой 19.

Пример 3 (фиг.1, 2 и 9).

Отличие регулятора расхода воды от вышеописанных в примерах 1 и 2 регуляторов расхода воды заключается в том, что он снабжен двумя пьезометрическими камерами: криволинейной 37 и вертикальной 19. Для возможности переключения с одной пьезометрической камеры на другую на входе в галерею 4 трубчатого водовыпуска 1 на трубках 24 установлены задвижки 40, 41, 42, 43, 44, 45. Дополнительно регулятор расхода воды снабжен насосом 46, обеспечивающим заполнение рабочей жидкостью подключаемой пьезометрической камеры (19 или 37), и тарированной гидроемкостью 47, в которую рабочая жидкость сливается из отключаемой пьезометрической камеры (37 или 19).

Для случая увеличения расхода стабилизации при переключении регулятора расхода воды на пьезометрическую камеру, обеспечивающую его работу с расходом Q_j+1>Q_j, ее необходимо заполнить рабочей жидкостью от высоты h₀ до высоты h_i, соответствующей действующему в момент переключения напору в проточной полости 16 конусного затвора 10. Дополнительно подключаемую пьезометрическую камеру необходимо заполнить объемом рабочей жидкости, достаточным для перемещения поршней 31 гидроцилиндров 18 из положения, соответствующего максимальному открытию затвора a_0,j при расходе Q_j, в положение, соответствующее открытию затвора a_0,j+1 при расходе Q_j+1.

Объем рабочей жидкости, требуемый для заполнения подключаемой пьезометрической камеры 19 или 37 от высоты h₀ до высоты h_i по аналогии с (11) определяется по формуле:

Объем рабочей жидкости, достаточный для перемещения поршней 31 гидроцилиндров 18 из положения _0,j в положение _0,j+1, может быть определен по формуле, составленной с использованием (2) и (7) для случая переключения регулятора расхода воды на пьезометрическую камеру 19 или 37, обеспечивающую его работу с расходом, большим предыдущего:

В итоге общий объем заполнения рабочей жидкостью подключаемой пьезометрической камеры 19 или 37, зависящий от напора в проточной полости 16, действующего в момент переключения, и от величины расходов до и после переключения, может быть определен по формуле:

где в формулах (17), (18) и (19): Q_j, Q_j+1 – расходы стабилизации до и после перенастройки регулятора расхода воды;

µ_0,j, µ_0,j+1 – соответствующие расходам стабилизации коэффициенты расхода сбросного отверстия 15 конусного затвора 10, определенные для максимального открытия сбросного отверстия 15;

µ_i,j+1 – соответствующий новому расходу стабилизации коэффициент расхода сбросного отверстия 15, определенный для требуемого открытия сбросного отверстия при Z_i и Q_j+1;

Z₀, Z_i, – напоры в проточной полости 16 конусного затвора 10 над центром тяжести сбросного отверстия 15, определяемые по (6), остальные обозначения даны выше.

Работа регулятора расхода воды до и после переключения аналогична работе регулятора расхода с вертикальной пьезометрической камерой 19 и работе регулятора расхода с криволинейной пьезометрической камерой 37.

В процессе переключения регулятора расхода, например с пьезометрической камеры 37 на пьезометрическую камеру 19, он может работать следующим образом. Перед переключением закрывается задвижка 40, установленная на трубке 24 непосредственно у гидроцилиндров 18. При открытых задвижках 41 и 42 рабочая жидкость из криволинейной пьезометрической камеры 37 сливается в гидроемкость 47. После закрытия задвижек 41 и 42 и открытия задвижек 43, 44 и 45 рабочая жидкость из гидроемкости 47 в объеме, рассчитанном по действующему в момент переключения напору, насосом 46 закачивается в вертикальную пьезометрическую камеру 19. После заполнения подключаемой вертикальной пьезометрической камеры 19 все открытые задвижки, кроме 45, закрываются, открывается задвижка 40, установленная на трубке 24 непосредственно у гидроцилиндров 18.

При переключении регулятора расхода с пьезометрической камеры 19 на пьезометрическую камеру 37 порядок действий аналогичен.

Настоящее изобретение не ограничивается представленными примерами. В изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от его объема, например:

– при необходимости снижения высоты пьезометрических камер 19 и 37 на конусном затворе 10 можно установить большее количество гидроцилиндров 18 в группе 34, обеспечивающей открытие подвижного цилиндрического патрубка 14 конусного затвора 10, чем в группе 33 гидроцилиндров 18, обеспечивающих закрытие подвижного цилиндрического патрубка 14 конусного затвора 10, то же может быть достигнуто установкой гидроцилиндров 18 большего диаметра в группе 34, чем в группе 33;

– при невысоких требованиях к точности стабилизации расхода и на малых диапазонах колебания напоров в проточной полости 16 конусного затвора 10 регулятор расхода, имеющий одну пьезометрическую камеру 19 или 37, может перенастраиваться с одного расхода на другой путем увеличения или уменьшения объема рабочей жидкости в пьезометрической камере.

Конструкция описанного в заявляемом изобретении регулятора расхода воды является надежной и удобной при эксплуатации водовыпусков, работающих в условиях с резкими колебаниями напоров воды в их трубопроводах. Однако регулятор расхода воды должен быть исследован в лабораторных условиях, потому как приведенные параметры регулятора являются оценочными, и они не учитывают ряд факторов, прежде всего продольную составляющую гидродинамического воздействия потока на подвижный цилиндрический патрубок 14.

Источники информации

1. Техническое описание регулятора расхода К 512 компании «Tour & Andersson».

2. Гидротехнические сооружения. Учебное пособие для вузов. Под ред. Н.П.Розанова, М.: Стройиздат, 1978 г., стр.389-392.

3. ВСН 38-70 Глубинные водосбросы и водовыпуски гидроузлов (гидравлические расчеты). ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, «Энергия», Ленинградское отделение, 1972 г., стр.44.

Формула изобретения

1. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе, включающий установленный в выходном отверстии напорного трубопровода конусный затвор, содержащий неподвижный цилиндрический патрубок, конический экран, прикрепленный с внутренней стороны к неподвижному цилиндрическому патрубку посредством радиальных ребер жесткости, и подвижный цилиндрический патрубок, расположенный соосно с наружной стороны неподвижного цилиндрического патрубка и образующий с конусным экраном сбросное отверстие из проточной полости затвора, и привод затвора, обеспечивающий регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора, отличающийся тем, что привод затвора выполнен в виде автоматического следящего гидропривода, состоящего из группы гидроцилиндров, расположенных вокруг неподвижного цилиндрического патрубка затвора и прикрепленных к нему, и пьезометрической камеры, заполненной рабочей жидкостью, при этом у гидроцилиндров штоки прикреплены к подвижному цилиндрическому патрубку, рабочие камеры, обеспечивающие уменьшение степени открытия сбросного отверстия затвора, посредством трубок гидравлически сообщены с проточной полостью затвора, а рабочие камеры, обеспечивающие увеличение степени открытия сбросного отверстия затвора, – с пьезометрической камерой, причем емкость пьезометрической камеры в пределах рассчитанного диапазона колебания уровней рабочей жидкости в ней и размеры ее поперечного сечения в пределах этого диапазона на разных уровнях обеспечивают регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора, т.е. обеспечивают остановку в требуемом положении поршней гидроцилиндров, перемещение которых при изменении давления воды в проточной полости затвора завершается в момент уравновешивания нормально приложенных к ним сил от давления воды проточной полости затвора и от собственного веса подвижных частей регулятора расхода воды силами давления рабочей жидкости пьезометрической камеры.

2. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.1, отличающийся тем, что штоки всех гидроцилиндров сориентированы по направлению закрытия сбросного отверстия затвора, при этом с проточной полостью затвора гидравлически сообщены их поршневые полости, а с пьезометрической камерой – их штоковые полости.

3. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.1, отличающийся тем, что штоки всех гидроцилиндров сориентированы по направлению открытия сбросного отверстия затвора, при этом с проточной полостью затвора гидравлически сообщены их штоковые полости, а с пьезометрической камерой – их поршневые полости.

4. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.1, отличающийся тем, что гидроцилиндры разделены на две группы, при этом у каждого гидроцилиндра первой группы шток сориентирован по направлению закрытия сбросного отверстия затвора, поршневая полость посредством трубки гидравлически сообщена с проточной полостью затвора, а штоковая полость через отверстие в корпусе гидроцилиндра сообщена с атмосферой, а у каждого гидроцилиндра второй группы шток сориентирован по направлению открытия сбросного отверстия затвора, поршневая полость посредством трубки гидравлически сообщена с пьезометрической камерой, а штоковая полость через отверстие в корпусе гидроцилиндра сообщена с атмосферой.

5. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.1, отличающийся тем, что гидроцилиндры снабжены сильфонными или мембранными рабочими камерами.

6. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.1, отличающийся тем, что гидроцилиндры гидравлически сообщены с проточной полостью затвора и/или с пьезометрической камерой по трубкам малого диаметра.

7. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.1, отличающийся тем, что трубки, гидравлически сообщающие гидроцилиндры с проточной полостью затвора, подключены к трубкам Пито, установленным в проточной полости затвора.

8. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.1, отличающийся тем, что емкость пьезометрической камеры Vi и ее высота h, начиная от высоты h0, увеличиваются по зависимостям:


причем

где
a=a₀-a_i;


Z₀=H₀+0,5a₀ sin;
Z_i=H_i+0,5a_i sin;


Q – заданный постоянный расход воды в проточной полости затвора;
Н₀ – минимальный расчетный напор воды в проточной полости затвора, отсчитываемый от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора, при превышении которого начинается регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора;
H_i – напор воды в проточной полости затвора, отсчитываемый от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора, H_i>H₀;
Z₀ – напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, соответствующий напору Н₀;
Z_i – напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, соответствующий напору H_i;
а₀ – расчетное максимальное открытие сбросного отверстия затвора, соответствующее напору воды в проточной полости затвора Н₀;
a_i – открытие сбросного отверстия затвора, соответствующее напору воды в проточной полости затвора Н_i;
h₀ – высота от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до начала рассчитанного диапазона колебания уровней рабочей жидкости в пьезометрической камере, соответствующая напору Н₀;
h_i – высота от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до i-го уровня рабочей жидкости в пьезометрической камере, соответствующая напору Н_i>Н₀;
_в – плотность воды, пропускаемой через проточную полость затвора;
_ж – плотность рабочей жидкости в пьезометрической камере;
S_в – суммарная площадь поперечного сечения рабочих камер, обеспечивающих уменьшение степени открытия сбросного отверстия затвора;
S_ж – суммарная площадь поперечного сечения рабочих камер, обеспечивающих увеличение степени открытия сбросного отверстия затвора;
G – суммарный вес подвижных частей регулятора расхода воды;
– угол наклона продольной оси затвора к горизонту;
c₁ – длина нормали от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до плоскости при расчетном максимальном открытии сбросного отверстия затвора секущей гидроцилиндры по рабочим поверхностям их рабочих камер, обеспечивающих уменьшение степени открытия сбросного отверстия затвора;
c₂ – длина нормали от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до плоскости при расчетном максимальном открытии сбросного отверстия затвора секущей гидроцилиндры по рабочим поверхностям их рабочих камер, обеспечивающих увеличение степени открытия сбросного отверстия затвора;
µ₀, µ_i – коэффициенты расхода сбросного отверстия затвора при его максимальном и при i-м открытии;
l – периметр истечения воды через сбросное отверстие затвора;
g – ускорение свободного падения;
k₃, k₂, k₁, k₀ – коэффициенты полиноминального уравнения, вычисленные с использованием результатов модельных гидравлических исследований затвора.

9. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.8, отличающийся тем, что пьезометрическая камера выполнена вертикальной с уменьшающейся по высоте площадью поперечного сечения, удовлетворяющей условию:

где

10. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.8, отличающийся тем, что пьезометрическая камера, по крайней мере, на одном из ее участков может быть выполнена криволинейной – из плавно восходящей вверх трубы с постоянной площадью поперечного сечения, при этом длина трубы криволинейного участка пьезометрической камеры l^k в пределах рассчитанного диапазона колебания уровней рабочей жидкости в нем и его высота h, начиная от высоты h₀, увеличиваются по зависимостям:


причем:

где


Н₀ – расчетный напор воды в проточной полости затвора, отсчитываемый от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора, при превышении которого регулирование степени открытия сбросного отверстия затвора обеспечивается криволинейным участком пьезометрической камеры;
H_i – напор воды в проточной полости затвора, отсчитываемый от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора, H_i>H₀;
Z₀ – напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, соответствующий напору Н₀;
Z_i – напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, соответствующий напору Н_i;
Z_max – максимальный напор воды в проточной полости затвора, для случая истечения в атмосферу отсчитываемый от центра тяжести сбросного отверстия затвора, при достижении которого уровень рабочей жидкости в пьезометрической камере повышается до верхней границы ее криволинейного участка;
h₀ – соответствующая напору Н₀ высота от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до начала криволинейного участка пьезометрической камеры;
h_i – соответствующая напору H_i>H₀ высота от центра тяжести неподвижного торца сбросного отверстия затвора до i-го уровня рабочей жидкости в трубе криволинейного участка пьезометрической камеры.

11. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.10, отличающийся тем, что криволинейный участок пьезометрической камеры выполнен в виде спирали с увеличивающимся по высоте шагом витков.

12. Регулятор расхода воды в напорном трубопроводе по п.10, отличающийся тем, что криволинейный участок пьезометрической камеры выполнен из отрезков трубы, шарнирно соединенных между собой, или из гибкой трубы, недеформируемой под воздействием напора рабочей жидкости.

РИСУНКИ