CC BY
12Принципы действия регуляторов расхода для каналов оросительных систем
о см о см
!Л
О Ш
т
X
<
т О X X
Бенин Дмитрий Михайлович
кандидат технический наук, доцент, доцент кафедры информационных технологий в АПК, ФГБОУ ВО Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, Dmitrij552@mail.ru
В статье описаны основные принципы, используемые в работе гидродинамических регуляторов расхода для водопропускных сооружений, расположенных на оросительных каналах. Рассмотрены существующие классификации автоматических водовыпусков, выполнен обзор формы исполнения проточной части сооружений и анализ способов изменения их пропускной способности. В основу классификаций положены применяемые принципы регулирования расхода воды, основанные на изменении напора, динамических свойств потока жидкости, изменении коэффициента расхода, использовании дополнительных гидравлических потерь при слиянии напорных потоков. Особое внимание уделено изучению принципов работы сооружений, имеющих расширяющийся выходной участок и осуществляющих процесс регулирования по нижнему бьефу. Выполнен обзор гидродинамических водовыпусков, в состав которых входят диффузоры с различной степенью расширения. Оценена эффективность их работы и дальнейшие направления совершенствования конструкции сооружений из условий точности процесса регулирования. Ключевые слова: гидродинамические водовыпуски, регулятор расхода, стабилизатор расхода, диффузор, водовыпускные сооружения, гидравлические потери, оросительный канал.
Одной из задач Федеральной целевой программы развития мелиорации земель сельскохозяйственного назначения, направленной на повышение продукционного потенциала мелиорируемых земель и эффективное использование природных ресурсов, является экономия водных ресурсов в процессе сельскохозяйственного производства [1]. На орошаемых землях это может быть достигнуто за счет повышения коэффициента полезного действия мелиоративных систем, внедрения микроорошения и водосберегающих технологий, предотвращения процессов подтопления, затопления и опустынивания территорий.
Автоматизация водопропускных сооружений способствует экономии воды за счет снижения непроизводительных потерь в оросительной системе (холостых сбросов), а также высвобождению трудовых ресурсов. В случае использования гидравлической энергии потока в процессе регулирования водоподачи энергозатраты системы снижаются.
Одни из первых классификаций средств автоматизации водораспределения приведены в работах В.Я. Поповой и П.И. Коваленко [2, 3]. Разработка стабилизаторов и регуляторов расхода для гидротехнических водопропускных сооружений, действие которых основано на гидродинамических свойствах водного потока, получило свое развитие в конце прошлого века. На рисунке 1 приведена упрощенная классификация автоматических водовыпусков, использующих гидравлические свойства потока [4].
Рис.1. Классификация автоматических водовыпусков.
По принципу работы регуляторы расхода подразделялись на устройства, использующие гидравлические сопротивления самих потоков, устройства, использующие гидравлические сопротивления, создаваемые механическими подвижными элементами, и устройства, функционирование которых основано на взаимодействии водных струй.
Автоматизация водоподачи гидротехнических сооружений на оросительной системе может реализовывать один из принципов регулирования: по верхнему бьефу либо по нижнему бьефу. В сооружениях, использующих принцип регулирования по верхнему бьефу, осуществляется плановое или нормированное водораспределе-ние. Применение таких сооружений оправдано при недостаточной водообеспеченности, когда потребителю поступает заданный расход независимо от уровня воды в верхнем бьефе. Водовыпуски указанного действия либо поддерживают заданный уровень воды выше
створа перегораживающего сооружения, либо подают постоянный расход. В настоящее время широкое применение на оросительных системах нашли именно стабилизаторы расхода.
Другой способ управления водоподачей - управление по-требованию. Для сооружений этого типа характерно наличие обратной гидравлической связи между уровнем нижнего бьефа и подаваемым расходом. В этом случае расход, поступающий ниже створа перегораживающего сооружения, равен водопотреблению в нижнем бьефе. Автоматические водовыпуски, реализующие этот принцип, называются регуляторами расхода.
Наиболее полная классификация стабилизаторов расхода дана в работах О.В. Атамановой [5, 6]. Классификация основана на группировках принципов, способов и средств стабилизации водоподачи (рисунок 2). Способы регулирования были связаны с различным использованием напора на сооружение или регулирующий элемент, использованием динамических свойств водных струй и комбинацией указанных способов.
урН , классификация сооружений была уточнена (рисунок 4). В основу этой классификации легли сооружения, работающие по принципу изменения коэффициента расхода в функции пропускной способности.
Регуляторы расхода
Компоновочные схемы
— Головные
Конструктивные схемы
□I
Подача сигнала управления
Гидравлические схемы
Затворы
Концевые
Транзитные
Гидродинамические регуляторы
с подвижными элементами
неподвижным и элементами
Башенного типа
Безбашенного типа
Слияние потоков
Истечение из-под шита
Деление потока
Комбинированный
Свойства струи
Рис. 3. Классификация регуляторов расхода Д.М. Бенина
ё £
а X
5 ^
По пользование гидравлических сопротивлений
Использование противотока основному потоку' неподБкнзшми _конструкциями_
гсжегрукшиши с рассредоточенными перогородкаьш
автоматами, создающими вихревые ПОХОД! в камерах
гшевм оп |~р.1г.л; вескими регуляторами, работавшими за счет давления а трубе
стационарными автоматам!т со встречными струями
стаоплнзаторами расхода по типу «коростатын шит-
Использование гидравлических соелиненни от подвижных конструкции авторег\яяторами расхода с
подвижными элементами
Использование дополнительных гидравлических потерь при елняннн напорного транзитного и управляющего штоков
аэнструкцнн с расширяющимся низовым участком
Рис. 2. Классификация водовыпусков-стабилизаторов по Атамановой О.В.
Под сигналом управления понимается уровень бьефа, изменение которого приводит к началу процесса стабилизации или регулирования. Впервые в классификацию регуляторов расхода это понятие было внесено в работе [7]. На рис.3 приведена классификация, включающая компоновочную, конструктивную и гидравлическую схемы сооружений, а также подачу сигнала управления. Недостатком указанной классификации является отсутствие детализации способов подачи управляющего сигнала в автоматических водовыпусках.
Наиболее детальное изучение регуляторов расхода, управляющим сигналом для которых служил уровень воды в нижнем бьефе, приведено в работах [8, 9]. На основании анализа работы водовыпусков оросительных систем, осуществляющих регулирование пропорционально корню квадратному из напора на сооружение
Рис. 4. Классификация автоматических водовыпусков А.А. Гайсина
Большинство водопропускных сооружений оросительных систем были построены в период так называемой «широкой мелиорации земель» 1965-1985 гг. Эксплуатационный срок службы большинства сооружений давно превышен, они требуют капитального ремонта, модернизации и реконструкции [10]. Использование дополнительных гидравлических потерь при слиянии транзитного и управляющего потоков является достаточно перспективным направлением гидравлической автоматизации сооружений. Гидродинамические регуляторы расхода одни из немногих сооружений, которые могут осуществлять как нормированный процесс управления водоподачей, так и управление водоподачей «по-требованию», что является их бесспорным преимуществом. Гидроавтоматы этого типа не содержат механических подвижных частей, подверженных водной коррозии, и датчиков, подающих сигнал для начала процесса регулирования.
Необходимым условием подвода потока управления со стороны нижнего бьефа является снижение пьезометрической линии по трассе напорного водовыпуска.
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м о
о
CS
о
CS
in
О Ш
m
X
<
m О X X
Эта возможность реализуется путем устройства расширяющегося выходного участка, исполняемого, как правило, в форме диффузора с безотрывным течением. В настоящее время разработан ряд конструкций, которые могут быть получены в результате реконструкции существующих трубчатых сооружений на оросительных каналах [11, 12]. При необходимости регуляторы расхода могут иметь изначально более высокую пропускную способность, чем реконструируемые водовыпуски. Это целесообразно в том случае, когда планируется увеличение пропускной способности оросительных каналов, на которых они установлены.
При реконструкции оросительных систем актуальным направлением исследований является дальнейшая разработка автоматических водовыпусков гидравлического действия, процесс управления водоподачей которых увязан не только с параметрами действующих каналов (в т.ч. фактическими и планируемыми уровнями воды), но и с возможностью частичного или полного использования существующих трубчатых водопропускных сооружений.
Литература
1. Федеральная целевая программа «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы» : утв . постановлением Правительства Рос . Федерации от 12 октября 2013 г . № 922: в ред . постановления Правительства Рос . Федерации от 17 мая 2017 г . № 583// Собр . законодательства Рос . Федерации . - 2017. - № 22.
2. Коваленко П.И. Автоматизация мелиоративных систем -М : Колос, 1983. 304 с.
3. Попова В.Я. Сооружения для распределения и учета воды при орошении. М: Колос, 1966. 126 с.
4. Снежко В.Л. Автоматизация водопропускных сооружений мелиоративных гидроузлов / В.Л. Снежко, С.И. Хусни // В сб. Новые направления решения проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий. Материалы научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне. 2010. С. 264 - 266.
5. Атаманова О.В. Совершенствование систем водо-распределения с гидравлическими стабилизаторами расхода воды / О.В. Атаманова / Автореферат дисс. на соиск. уч. степени доктора техн. наук. / Кыргыз. аграрный ун-т им. К.И. Скрябина. Бишкек, 2003.
6. Атаманова О.В. Систематизация способов и средств стабилизации водоподачи оросительных систем // О.В. Атаманова / Вестник Саратовского госагро-университета им. Н.И. Вавилова. 2005. № 3-2. С. 6-11.
7. Бенин Д.М. Гидравлическое обоснование параметров проточных частей стабилизаторов расхода трубчатых водопропускных сооружений, диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук / Московский государственный университет природообустройства. М., 2011, 175 с.
8. Гайсин А.А. Гидравлическое обоснование параметров проточных частей регуляторов расхода для реконструируемых трубчатых водопропускных сооружений, диссертация на соискание ученой степени канд. техн. Наук, ФГБОУ ВО Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, М., 2015, 191с.
9. Снежко В.Л., Гайсин А.А., Бенин Д.М. Ресурсосберегающие водопропускные сооружения для оросительных каналов, Природообустройство. 2016. № 5. С. 26-31.
10. Щедрин, В. Н. Мелиорация земель - основа устойчивого развития АПК России / В. Н. Щедрин, Г. Т. Балакай // Вестник аграрной науки Дона. - 2010. - № 3. - С. 98-107.
11. Бенин Д.М., Снежко В.Л. Увеличение диапазона работы гидродинамических водовыпусков-стабилизаторов расхода // Природообустройство. 2011. № 2. С. 85-87.
12. Снежко В.Л. К вопросу автоматизации напорных водовыпускных сооружений малых гидроузлов, Перспективы науки. 2010. № 10 (12). С. 54-58.
Principles of operation of flow regulators for irrigation system
channels Benin D.M.
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy
named after K.A. Timiryazev The article describes the basic principles used in the operation of hydrodynamic flow regulators for culverts located on irrigation channels. The existing classifications of automatic water outlets are considered, the review of the form of execution of the flow part of structures and the analysis of ways to change their capacity is performed. The classifications are based on the applied principles of water flow control, based on changes in the head, dynamic properties of the fluid flow, changes in the flow coefficient, and the use of additional hydraulic losses when merging pressure flows. Special attention is paid to the study of the principles of operation of structures that have an expanding output section and carry out the process of regulating the downstream. The review of hydro-dynamic water outlets, which include diffusers with different degrees of expansion, is performed. The efficiency of their work and further directions for improving the design of structures based on the accuracy of the regulation process are evaluated. Key words: hydrodynamic outlets, flow regulator, flow stabilizer,
diffuser, outlet structures, hydraulic losses, irrigation channel. References
1. The federal target program "Development of land reclamation of ag-
ricultural lands of Russia for 2014-2020": approved. Government Decree Ros. Federation of October 12, 2013 No. 922: as amended Government Decisions Ros. Federation of May 17, 2017 No. 583 // Collected Legislation Ros. Federation. - 2017. - No. 22.
2. Kovalenko P.I. Automation of reclamation systems - M: Kolos,
1983. 304 p.
3. Popova V.Ya. Facilities for the distribution and metering of water
during irrigation. M: Kolos, 1966. 126 p.
4. Snezhko V.L. Automation of culverts of drainage waterworks /
V.L. Snezhko, S.I. Husni // Sat. New directions for solving agricultural problems based on modern resource-saving innovative technologies. Materials of the scientific-practical conference dedicated to the 65th anniversary of the Victory in the Great Patriotic War. 2010.S. 264 - 266.
5. Atamanova OV Improving water distribution systems with hydrau-
lic stabilizers for water flow / O.V. Atamanova / Abstract of diss. for a job. student degree of doctor of technical sciences. / Kyr-gyz. agrarian un-t them. K.I. Scriabin. Bishkek, 2003.
6. Atamanova OV Systematization of methods and means for sta-
bilizing the water supply of irrigation systems // O.V. Atamanova / Bulletin of the Saratov State Agrarian University named after N.I. Vavilova. 2005. No. 3-2. S. 6-11.
7. Benin D.M. Hydraulic substantiation of parameters of flowing
parts of flow stabilizers of tubular culverts, dissertation for the degree of candidate. tech. Sciences / Moscow State University of Environmental Engineering. M., 2011, 175 p.
8. Gaysin A.A. Hydraulic substantiation of parameters of flowing
parts of flow regulators for reconstructed tubular culverts, dissertation for the degree of candidate. tech. Science, Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education, Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K. A. Timiryazev, M., 2015, 191 p.
9. Snezhko V.L., Gaysin A.A., Benin D.M. Resource-saving culverts for
irrigation canals, Environmental Engineering. 2016. No. 5. P. 26-31.
10. Shchedrin, V. N. Land reclamation - the basis of sustainable development of the agro-industrial complex of Russia / V. N. Shchedrin, G. T. Balakai // Bulletin of agrarian science of the Don. - 2010. - No. 3. - S. 98-107.
11. Benin D.M., Snezhko V.L. Increase in the range of operation of hydrodynamic outlets-flow stabilizers // Environmental Engineering. 2011. No. 2. P. 85-87.
12. Snezhko V.L. On the issue of automation of pressure head water outlets of small hydroelectric facilities, Prospects of science. 2010. No. 10 (12). S. 54-58.
