Как применить насосную установку «Гидротаран»

Рогозин Г. В., к.т.н., Кыргызско- Российский Славянский университет

        Малые реки, каналы и ручьи Кыргызской Республики на местности со значительным уклоном несут в себе громадный энергетический потенциал, который в настоящее время используется крупными и средними гидроэлектростанциями лишь на одну десятую часть по всей территории.

         Земельные ресурсы Кыргызстана составляют около 19,85 млн.га, из них 10,8 млн.га представляют сельхоз угодья, в которых 9,2 млн.га пастбища, а 1,6 млн.га пашня и прочие с/х угодья. Орошаемые земли занимают площадь 1,074 млн.га, из них благополучные 0,56 млн.га.

         Проблемными являются:

         - горные и предгорные участки на площади 184,1 тыс.га;

         - плоскогорья (с уклонами более 0,03) на площади 269,3 тыс.га;

         - мелиоративно-неблагоприятные земли (с точки зрения земледелия) на площади 88,8 тыс.га. В сумме составят 542,2тыс.га.

         До периода перестройки в Кыргызстане для подачи воды на богарные земли существовало 65 государственных и 153 внутрихозяйственных насосных станций, предназначенных для орошения богарных земель площадью около 200 тыс.га.

         После развала СССР десятки электрических насосных станций были разукомплектованы по причине повреждения, расхищения оборудования и линий электропередач. Восстановление насосных станций и ЛЭП требует капвложений сотен миллионов, а может миллиардов сом. При этом себестоимость сельхозпродукции на землях машинного водоподъема почти в 10 раз выше чем самотечный полив и использование электрических насосных станций без дотаций нерентабельно.

Приватизация земель дала толчок к широкому развитию малых и средних фермерских хозяйств. Крестьяне осваивают новые горные целинные земли, имеющие высокую плодородность, но требующие подъема воды для их орошения. При этом необходимо обеспечение жизненно важных аспектов существования – тепло и электроэнергия. Однако фактор низкого финансового дохода среднего фермера не дает возможности применять дорогостоящее электрооборудование.

         В мировой практике на удалённых объектах, не обеспеченных электрической энергией, сохраняя экологию окружающей среды, используют силу ветра, солнечную энергию и энергию водного потока рек и каналов. «Роза» ветров в Кыргызстане весьма не постоянная и основной период времени занимает спокойное состояние воздушного потока. Технические средства, использующие солнечную энергию на настоящий период весьма дороги и не по карману среднему фермеру. Наиболее стабильным и дешёвым является водный поток рек горно-предгорной зоны, имеющих питание ледников горных вершин. С древних времён используют водяное колесо «Чигирь» или по другому «Чарполак», которые работают за счет скорости водного потока. В последнее время учёными Кыргызстана такая установка модернизирована применением схемы «колесо-редуктор-насос» с передаточным числом редуктора от 50 до 150 и выше. Применяют водяное колесо с намотанным по спирали пластмассовым трубопроводом, выведенным на оросительный массив. В первой конструкции система редукции значительно снижает коэффициент полезного действия установки. Оба устройства целесообразно применять на широких каналах и реках со скоростью движения потока воды более  1 м в секунду.

        Наиболее энергоемким является принцип использования гидравлического удара в коротком трубопроводе, где сначала идет разгон потока, а затем мгновенная его остановка, взрывной характер гидравлического импульса - гидроудар, затем откат потока. За счет специальной системы клапанов цикл повторяется многократно в автоматическом режиме. Выброс энергии, хотя и кратковременный, но по давлению превышает величину действующего напора более чем в 30- 40 раз.

         Первые научные труды, посвященные изучению гидравлического удара, проведены Н.Е.Жуковским. Установку, использующую гидравлический удар для подъёма воды называют гидравлический таран. Первый гидротаран был изобретен в начале 19 века братьями Монгольфьер во Франции. В начале и средине 20 века изучению гидротарана посвящены научные труды Д.И.Трембовельского, А.Я.Калабугина, В.М.Овсепяна, А.А.Искандаряна, Г.М.Тимошенко, М.С.Харченко, В.П.Унуковича, Я.В.Бочкарева и др. По инициативе Д.И.Трембовельского в 30-е годы 20 века в СССР был построен завод «Таран».

Мощная электрификация страны в то время и индустриализация производства с дешевыми источниками энергоносителя вытеснили «Гидротаран» из производства и рынка. Но с развалом СССР такие энергетические источники  как ГСМ, электроэнергия выросли до мирового уровня. Снова встала проблема использования недорогих природных источников. Также, дополнительно, встала острая проблема сохранения экологии окружающей среды.

Используя опыт предшественников, нами разработан гидротаран нового поколения с использованием новых эластичных материалов для запорно-нагнетательных элементов. Это обеспечило расширение типоразмерного ряда конструкций в сторону увеличения для орошения крупных земельных массивов. Если в аналогах применялся ударный трубопровод диаметром не более 200 мм, то наши установки используют диметр 700-800 мм и более. В результате производительность увеличилась десятикратно. Обеспечилось устойчивое функционирование гидротарана в широком диапазоне изменения рабочих напоров при этом различные включения потока такие как песок, мелкий гравий, взвешенные частицы наносов и плавающие предметы не оказывают пагубного воздействия на его работоспособность. Гидротаран  функционирует в зимних условиях при температуре минус 25 градусов.

Рис.1 Накопительная емкость

Рис.2 Бетонный бассейн

Рис. 3. Установка гидротарана ГТ-200             

         Проведённые нами экономические расчеты сравнительной эффективности показали, что водоподъем на богарные земли с помощью гидротарана в 5 раз дешевле чем использование электронасоса и в 11 раз дешевле использования дизельной насосной станции.

Гидротаран может устанавливаться на мелких и средних каналах, коллекторах сбросной и дренажной сети, водохранилищах, реках и др. водных источниках, где  имеется движение потока воды, перепад уровней воды или уклон местности. Он наиболее компактен, технологичен в изготовлении и применении с использованием стандартных труб. Для его функционирования необходим рабочий напор, обеспечивающий достаточную скорость в короткой трубе с ударным клапаном, который автоматически входит в режим вибраций и при закрытии создает гидравлический удар. В момент гидроудара давление повышается в десятки раз по сравнению с рабочим напором, вода мгновенно через нагнетательный клапан поступает в воздушный колпак, который после цикла нагнетания закрывается, а сжатый в колпаке воздух выдавливает воду наверх через отводящий трубопровод. Гидротаран (ГТ) работает циклами, выдает воду порциями. Частота циклов так же, как и производительность, зависит от рабочего напора, длины ударной трубы и высоты подъема. В среднем, частота внедренных ГТ находится в пределах 15-60 ударов в минуту. Устройство как изобретение запатентовано в Кыргызпатенте, KG 521 и в Евразийском патентном ведомстве патент №003722 от 2003 года.

         Разработаны десять типоразмеров гидравлического тарана от ГГ-60 до ГТ-800 для нужд сельского и водного хозяйства (цифрами обозначен условный диаметр ударной трубы). Малые типоразмеры предназначены для приусадебных и дачных участков, средние для орошения участков 1-5га, крупные для орошения 10-30 га одной установкой. Разработан кассетный вариант, когда параллельно уложены несколько гидротаранных установок. Перепад может уже существовать на объекте внедрения или же его создают исскуственно.

Рассмотрим несколько вариантов применения гидротаранных установок в горно-предгорной зоне. Река Аламудун, село Беш-Кунгей дачный поселок «Энергетик». Гидротаран ГТ-100 установлен на протоке реки , которая в осенний, зимний и весенний периоды не имеет тока воды, а в июле-августе затапливается во время паводков. На правом берегу реки установлен бетонный зуб высотой 35 см.,а по контакту с основным потоком уложена гряда из булыжника на протяжение 10 м. На неё уложены стебли травы и сверху полиэтиленовая пленка. В результате получился короткий деривационный канал или по другому длинная шпора, создающая подпор 30-40 см. На дно протоки уложена и закреплена в грунт стальная труба диаметром 114 мм, длинной 30 м, в конце которой на фланец закреплен корпус гидротарана ГТ-100. От воздушного колпака гидротарана отходит уложенный в грунт пластмассовый трубопровод диаметром d=32 мм. длинной l=180 м. Конец этого трубопровода опущен в стальную бочку объемом V= 4 м3 расположенной на высоте h= 30 м. дачного участка. Частота ударов клапана составляет n= 13 ударов минуту при рабочем напоре z= 1,2 м. Производительность установки q=300 л/час, бочка заполняется за t=14 часов. Фото объекта представлено на рисунке 1.

Ниже по течению реки Аламудун па правом крутом берегу дачного участка «Лесовод», на деривационном канале установлен ГТ-100 и осуществляет водоподъём на высоту h= 17м в бетонный бассейн объёмомV= 8,0 куб.м. От нижней части бассейна отходит поливной трубопровод с вмонтированными капельницами, уложенный методом серпантина для орошения декоративных саженцев. Частота вибраций ударного клапана n=38 уд/мин, производительность q=400 л/час, время заполнения бассейна t=20 часов. Фото бассейна представлено на рисунке 2.

Село Кашка-Суу ,дачный поселок «Гидротехник» река Ала-Арча.

Здесь также на речной протоке установлена плотина из булыжника высотой 0,7 м., на дно уложена труба диаметром 219 мм. длиной 60 м., а в конце закреплен корпус гидротарана ГТ-200. Напорный трубопровод диаметром d=100мм. длиной l=150 м выходит на дачный участок площадью w=0,5 га, расположенный на высоте h=26 м. Рабочий напор гидротарана z=2,0 м частота вибрации ударного клапана n=13 ударов /мин., производительность q=108 м3/сут. Фото объекта представлено на рисунках 3 и 4.

        Село Арашан, Аламудунского р-на, демонстрационный участок «Ассоциации лесопользователей и землепользователей», площадь орошения w=1 га. В бетонном канале установлен ГТ-200 так, что впускной решетчатый оголовок шарнирно закреплён в дно, а противоположный конец ударной трубы содержит корпус гидротарана и может перемещаться по вертикали в ремонтное и рабочее положение. Используется кинетическая энергия скоростного потока и статический напор регулируемой перемычки. Рабочий напор z=0,9 м, диаметр напорного трубопровода d=50мм, l=100 м, h=4,5 м, q=69 м/сут. Фото объекта представлено на рисунке 5.

       Баткенская область Кадамжайский район, село Майдан река Пум.

На отводящем канале установлен водоприемный колодец в который замоноличена ударная труба комбинированной конструкции: первые 20 м. диаметром 325 мм., вторые 50м. диаметром 219 мм. Общая  длина ударной трубы 70 м. Напорная пластмассовая труба диаметром d= 75 мм. общей длиной l= 850 м. Рабочий напор z=7м, высота подъема h=90м, производительность q=28,5м3/сут., площадь орошения w= 4 га подготовлена под капельное орошение. Фото впускного оголовка представлено на рис. 6.

Рис. 4. Выход поднятой воды

 Рис.5 ГТ-200 на бетонном канале    

Рис.6. Впускной оголовок гидротарана.

              Село Озёрное в Чуйской области, пруд  рыбного хозяйства. На водовыпуске шандорного типа установлен ГТ-300 таким образом,что ударная труба и воздушный колпак находятся под водой, а ударный клапан под действием атмосферы. Рабочий напор z=1,3 м, h=5,0 м, q=604 м³/сут. Объект представлен на рисунке 7.
               Канал «Совхозный», отводящий канал-быстроток в Чуйской области. В боковые вертикальные стенки  закреплены швеллеры,в которые вставлена перемычка и оголовок с эластичным затвором ударной трубы диаметром 325 мм, уложенной на дно канала и закреплённой.  Справа находится земельный участок площадью w=4,0 га со спланированной поверхностью на высоте от 2 до 4 м. Рабочий напор z=1,0 м, h = 4,0 м , q = 864 м³/сут. Объект представлен на рисунке 8.

Рис. 7. Выход воды от ГТ-300                          

Рис. 8. ГТ-300 на быстротоке

          Гидравлический таран служит исходным звеном для гидроимпульсной микро ГЭС по патенту KG 680 от 2003 года. Проведены лабораторные исследование в лаборатории «Гидравлики и Гидроэнергетики» Кыргызско - Российского Славянского Университета. На рисунке 9 фрагменты этого изобретения.

 Рис.9. Модельная установка гидроимпульсной микро ГЭС.

Технические характеристики:

Рабочий напор………………………........................................1,87 м;

Расход воды через ударный клапа……….………….….1,20 л/с;

Масса маховика ……………………………………………………...26 кг;

Время разгона маховика на холостом ходу…….……30 с;

Максимальная частота вращения маховика на холостом ходу….850 об/мин;

Показания манометра …………………………………………..3.5 кг/см2;

Лампочка 6,3 вольт на 0,3 ампер ………………….……....3 шт..

                                                                                                            Заключение

         Приведённые технические решения по внедрению гидротарана являются лишь малой частью того объёма, который внедрён нами за последние 20 лет. Не раскрыты установки на самотечных артезианских скважинах, на лотковых каналах, на дренажных коллекторах. Хотелось бы показать работу экономной системы орошения малыми струями под корень, разработанную нами и внедрённую на 7 га в ОСО «Траст KG» и на других объектах.  Массовое применение наших разработок позволит превратить «лысые» поверхности предгорных вершин и их склонов в цветущие сады и виноградники,  источники строительной древесины.

© 2016 ОсОО "Гидропульс" Сайт создан на базе платформы Wix при поддержке z-Studio