СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГИИ ВОДОСБРОСА В НИЖНЕМ БЬЕФЕ
METHOD TO REDUCE ENERGY OF SPILLWAY IN LOWER REACH

Изобретение относится к области гидротехнических сооружений, а именно к гасителям водной энергии водосбросов.
Известны способы гашения водной энергии, когда используют быстротоки, перепады, водобойные колодцы. См. книгу «Устройства нижнего бьефа водостоков», Н.П.Розанов и др., М., Колос, 1984, стр.34, рис.2.7.
Они содержат, в составе подпорного сооружения, устьевую часть трубы, транспортирующую трубу, рассеивающий порог, водобойную стенку, стенку раструба, открылок, отводящий канал. Гасители энергии в нижнем бьефе могут представлять собой ломаные, прямолинейные и криволинейные водобойные стенки, трапецеидальные пирсы, шашки в шахматном порядке. См. книгу «Устройства нижнего бьефа водостоков», Н.П.Розанов и др., М., Колос, 1984, стр.38, рис.2.9, книгу «Управление бурными потоками на водосбросах», Л.И.Высоцкий, М., Энергия, 1977, стр.26, 33, 35, рис.112-4, 112-8, 112-11. Скорость водного потока в устройствах более 20 м/с. В местах интенсивного размыва основания энергогасящей части закладываются массивные монолитные железобетонные сооружения.
Недостаток такого способа: его осуществление приводит к большим материальным затратам.
Известны способы гашения водной энергии, когда используют гасители энергии за трубчатыми сооружениями, см. книгу П.И.Коваленко и др. «Мелиоративные и гидротехнические сооружения», стр.34, рис.10, изд. Будiвельник, Киев, 1974.
В местах интенсивного размыва основания энергогасящей части закладываются массивные монолитные железобетонные сооружения.
Недостаток способа: его осуществление отражается высокой материалоемкостью и высокой стоимостью.
Известен способ гашения водной энергии при помощи «Водосбросного сооружения» SU №1754843 A1, Е02В 8/06, бюл. №20 от 15.08.92, авт. М.А.Галант и др.
«Водосбросное сооружение» содержит подводящий, вертикальный водовод, завихритель, разгрузочный трубопровод, камеру сепараций, вентиляционный воздуховод, дренажный водовод, отводящий, горизонтальный водовод. Оно предназначено для снижения пульсирующих, гидродинамических нагрузок на сооружение.
Недостаток - сложность устройства узла сооружений.
Прототипом изобретения принят способ гашения водной энергии при помощи «Водосбросного сооружения» SU №1754843 A1, Е02В 8/06, бюл. №20 от 15.08.92, авт. М.А.Галант и др.
«Водосбросное сооружение» содержит подводящий, вертикальный водовод, завихритель, разгрузочный трубопровод, камеру сепараций, вентиляционный воздуховод, дренажный водовод, отводящий, горизонтальный водовод. Оно предназначено для снижения пульсирующих, гидродинамических нагрузок на сооружение.
Недостаток - сложность устройства узла сооружений.
Задачей «Способа снижения энергии водосброса в нижнем бьефе» является снижение стоимости сооружения гашения водной энергии в нижнем бьефе. Задача решается тем, что увеличивают пропускную способность водного потока, ликвидируя пульсирование внутритрубного потока, путем придания окружной скорости движения водного потока в трубном пространстве, благодаря закручиванию воды в трубе, исключают неорганизованное, с перерывами движение воздуха. При этом на выходе из устья трубы центробежные силы закручивают поток, разрушают выходную струю, снижая ее плотность в околоосевом пространстве, дополнительно уменьшают скорость струи, благодаря сопротивлению воздуха, встречающего струю при выходе потока из устья, и соответственно разрушающую способность потока в нижнем бьефе.
Для этого применяют в водосбросном трубопроводе «Трубную вставку для закручивания потока», патент RU №2403460 от 10.11.10, бюл. №31.
Дополнительно закручивание водного потока и ослабление энергии потока при сбросе струи в нижний бьеф по изобретению достигают применением суммы воздействующих на водный поток факторов:
1. Использование Кориолисовых сил для закручивания водного потока - направление трубного водостока выбирают левое, при водосбросе с юго-запада (до юго-востока) на северо-восток (до северо-запада) и правое, при водосбросе с северо-запада (до северо-востока) на юго-восток (до юго-востока), как в северном, так и в южном полушарии.
2. Подвод в осевое пространство водосбросной трубы трубопровода атмосферного воздуха.
3. Сопротивление воздуха, встречающего струю при выходе потока из устья.
При «Способе снижения энергии водосброса в нижнем бьефе», как средстве для эффективного гашения водной энергии, в составе подпорного сооружения 1, предполагают использование трубопровода 2 с входной 3 и выходной частью 4, выполненной горизонтально, наклонного трубопровода 2 с трубными закручивающими вставками 5 (одна или несколько), трубопровода атмосферного воздуха 6.
На фиг.1 показан профиль узла сооружений, показан профиль трубопровода по направлению оси водосброса, профиль по оси подводящего трубопровода атмосферного воздуха, на фиг.2 показано сечение внутритрубного потока с границами воздушной депрессионной воронки 7 и направлением вращения кольцевой водной струи, на фиг.3 показан профиль не разрушенной и разрушенной струй на выходе, на фиг.4 показан в плане след не разрушенной и разрушенной струй при их встрече потока с неподвижным атмосферным воздухом и с поверхностью воды уровня нижнего бьефа. Траектории движения струй в воздухе показаны ориентировочно при горизонтальной скорости выхода воды ориентировочно 10 м/с и окружной скорости, на выходе, ориентировочно 1,0÷1,5 м/с.
Пример конкретного выполнения: водный поток направляют по трубопроводу 2 по направлению от входной 3 до выходной части 4, через закручивающие вставки 5, по трубопроводу атмосферного воздуха 6 происходит осевое подмешивание воздуха, при этом добиваются дополнительного закручивания потока, увеличивающего касательную скорость, расслаивающую по границе депрессионную воронку, центробежные силы и встречающийся атмосферный воздух рассеивают внеосевой слой выходной струи, тем самым уменьшают интенсивность размыва (разрушения) в нижнем бьефе (фиг.1, 2, 4), кроме того, используют торможение потока благодаря сопротивлению атмосферного воздуха, при выходе потока из устья водосбросной трубы.
Разъяснения по закручиванию потока по факторам:
1. При движении жидкости по трубопроводу, напорном или безнапорном режиме с юга на север, согласно возникающим Кориолисовым силам поток стремится получить левое вращение, напорном или безнапорном режиме с севера на юг, согласно возникающим Кориолисовым силам поток стремится получить правое вращение.
2. Трубная вставка в трубопроводе с шнековой (винтовой) конструкцией, с осью, расположенной по диаметру трубопровода, принуждает поток вращаться вправо, при левом направлении винтовой линии и принуждает поток вращаться влево, при правом направлении винтовой линии.
3. При наличии в оси шнека трубы, на которой размещена винтовая поверхность, подвод атмосферного воздуха с избыточным или атмосферным давлением осуществляют сверху, а выход воздуха осуществляют по оси потока жидкости в направлении его движения, воздушная депрессионная воронка, образующаяся при вращении потока жидкости по его оси, сохраняет устойчивую и расширяющуюся форму до выхода из устья трубопровода.
Таким образом, при совпадении направления импульсов по первому и второму пунктам, а также при участии воздушной декомпрессионной воронки из третьего пункта, создают предпосылки для получения потоком достаточной окружной скорости кольцевого сечения потока жидкости и его рассеивания, благодаря центробежным силам и касательной составляющей скорости ее движения и уменьшают скорость потока после выхода из трубопровода за счет увеличения площади сопротивления воздуха разрушенной струи. Площади, ограниченные следами касания струй с поверхностью воды уровня нижнего бьефа, свидетельствуют об интенсивности падения не закрученного и закрученного потока.
Технический результат изобретения: уменьшают разрушение гасящих сооружений в нижнем бьефе; уменьшают стоимость водосбросного сооружения.