ПОВОРОТНОЕ СООРУЖЕНИЕ ДЛЯ КАНАЛОВ С БУРНЫМ ТЕЧЕНИЕМ
ROTARY STRUCTURE FOR RAPID FLOW CHANNELS

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к поворотным сооружениям, предназначенным для изменения направления трассы открытого канала, имеющего уклон дна больше критического, в гидротехнических, ирригационных системах и системах водоснабжения.
Известно поворотное сооружение для открытых каналов, содержащее размещенную между подводящим и отводящим каналами камеру, дно которой расположено ниже дна подводящего канала на отметке дна отводящего канала, а камера разделена на галереи стенкой, параллельной оси отводящего канала с козырьком в верхней части, направленным в сторону подводящего канала, причем дно подводящего канала перед камерой выполнено со скосом под острым углом к горизонту, передние стенки галереи снабжены горизонтальными козырьками, закрепленными к средней части передних стенок галереи, а угол скоса составляет 10…13°, причем ширина козырька второй галереи больше шины козырька первой галереи в 1,5-2 раза (Авторское свидетельство SU №1167269, Е02В 13/00 от 15.07.1985).
Недостатками этого устройства является ограниченность применения по пропускной способности, низкая надежность за счет создания лобового сопротивления подводящему потоку вертикальной стенкой с короткими козырьками, что приводит к выплескам воды за пределы сооружения, подмыву и разрушению канала в конце влияния сооружения.
Известно поворотное сооружение для каналов с бурным режимом течения, включающее подводящий и отводящий каналы, сопряженные наклонным участком, и криволинейную разделительную стенку с горизонтальной полкой, установленной в отводящем канале ниже уровня дна подводящего канала (Авторское свидетельство SU №918391, Е02В 13/00 от 07.04.1982).
Недостатками данного устройства являются выплески воды через заднюю стенку отводящего канала при столкновении с ней бурного потока, а также неравномерность распределения потока по ширине отводящего канала при малых и средних расходах на выходе из поворотного сооружения, что приводит к выплескам воды за пределы сооружения, снижая его надежность.
Известно поворотное сооружение для открытых каналов, содержащее, размещенную между подводящим и отводящим каналами, камеру, дно которой расположено ниже дна подводящего канала на отметке дна отводящего канала, а камера разделена на галереи стенкой, параллельной оси отводящего канала, с горизонтальной полкой с козырьком в верхней части, направленным в сторону подводящего канала, причем дно подводящего канала выполнено со скосом под острым углом к горизонту, конечный участок подводящего канала снабжен струенаправляющей системой в виде вертикальных продольных стенок, концы которых ориентированы по дну наклонного участка параллельно между собой и под углом 10…15° к оси закрытой галереи, причем стенки дна наклонного участка под разделительной полкой выполнены с уменьшающейся высотой (Патент RU №2485247, Е02В 13/00 от 20.06.2013).
Недостатком известного устройства является высокая трудоемкость производства работ и сложность выполнения вращающихся большого количества элементов для гашения потока при выходе из поворотного сооружения и сохранения повышенной пульсации скорости при изменении гидравлических параметров потока на поворот сооружения.
Наиболее близким техническим решением является поворотное сооружение для каналов с бурным течением, включающее подводящий и отводящий каналы, сопряженные наклонным участком, разделительную стенку с горизонтальной полкой, при этом разделительная стенка выполнена ломаной в плане, горизонтальная полка представляет собой решетчатую плиту с продольными сквозными прорезями, а за горизонтальной полкой в верхней части боковой стенки отводящего канала установлен трапецеидальный в плане горизонтальный козырек (Патент RU №162761, Е02В 13/00 от 27.06.2016).
Недостатком известного поворотного сооружения для каналов с бурным течением является неравномерность распределения потока воды в сооружении на повороте, в результате по ширине отводящего канала при соударении потоков, поступающих в отводящий канал, является источником повышенной пульсации скоростей, опасных для устойчивости ложа канала, и недостаточный участок длины выравнивания пульсационных скоростей по длине отводящего канала. Другим недостатком является возникновение возмущений в виде волны, выходящей из-под решетчатой части плиты из-за большого отсеченного потока воды в галереи, т.е. косой гидравлический прыжок в сторону отводящего канала, где образуется достаточное большое волнение движения потока. Основным недостатком также является выполнение продольных сквозных прорезей в решетчатой плите перекрытия, что нарушает ее прочность и целостность, вызывает не надежность перекрытия галереи (плита перекрытия изготовлена из бетона), происходит, особенно на концах ее упора излом от статических и динамических нагрузок воды, и постепенный износ (истирание) в эксплуатации таких высокоскоростных потоках, которые несут с собой большое количество взвешенных и влекомых наносов, а значит, данное перекрытие не надежно в работе поворотного сооружения. Во внутренней части галереи перед разделительной стенкой образуется при повороте потока косой гидравлический прыжок, повышается пульсационное давление в ней и поднятие вверх потока, уменьшающее пропускную способность продольных сквозных прорезей в решетчатой плите, т.е. снизу нет защиты от возникающего отрицательного давления воды - отсутствуют наклонные под углом боковые стенки, например, применения металлического уголкового профиля, который сам по себе уже при изготовлении образует снизу расширенную часть между боковыми стенками по конструкции, в прототипе решетчатая плита плоская. Отсюда следует, что нельзя исключить тем самым сбойность отводящего потока и увеличить пропускную способность поворотного сооружения и размыв канала.
Техническим результатом является создание поворотного сооружения повышенной надежности, с сохранением обеспечения поворота отводящего канала и с сохранением возможности повышения эффективности работы за счет улучшения режима потока, поступающего в галерею, и отвод из нее в отводящий канал, а также уменьшения подпора, перед водоприемным отверстием наклонного участка перекрытого решеткой из уголкового профиля металла с боковыми наклонными стенками вниз с поперечными перегородками, прикрепленными под решеткой, кроме того, отсутствие сбойности потока в отводящем канале.
Технический результат достигается тем, что в поворотном сооружении с бурным течением, включающем подводящий и отводящий каналы, сопряженные наклонным участком, разделительную стенку с горизонтальной полкой, которая представляет собой решетчатую плиту с продольными сквозными прорезями, а за горизонтальной полкой в верхней части боковой стенки отводящего канала установлен горизонтальный козырек, согласно изобретения, решетчатая плита выполнена решеткой из уголкового профиля металла с боковыми наклонными стенками вниз, соответственно, внутренний угол, который между стенками уголкового профиля равен 90° и выполнен в виде желоба, обращенного острой кромкой сверху к потоку, а расширяющаяся часть нижнего основания его направлена вниз, одна часть решетки расположена над наклонным участком, вторая - над дном внутренней галереи, при этом на повороте в сторону отводящего канала перед разделительной стенкой, нижняя часть решетки из уголкового профиля, соединена между собой поперечными перегородками, выполненными в поперечном сечении в форме сегмента, обращенного вогнутой поверхностью к потоку с радиусом и высотой, равными соответственно 0,45…0,55 и 0,25…0,5 высоты отверстия между плоскостью наклонного участка и перекрытия решетки сверху со стороны подводящего канала в одной плоскости его дна, а за решеткой в средней части боковых стенок отводящего канала в плане горизонтальные козырьки имеют большую длину, чем за горизонтальной решеткой в верхней части боковой стенки отводящего канала длина, установленный прямоугольный в плане козырек.
Новизна заявляемого технического решения заключается в том, что в поворотном сооружении для каналов с бурным течением путем использования решетки из уголкового профиля металла с боковыми стенками направленными вниз под определенным расходящимся углом над плоскостью наклонного участка и внутренней галереи перед перегородкой, уголковый профиль решетки также соединен между собой поперечными перегородками, ниже решетки, выполненными в поперечном сечении в форме сегмента, обращенного вогнутой поверхностью к потоку с радиусом и высотой, равными соответственно 0,45…0,55 и 0,25…0,5 высоты отверстия между плоскостью наклонного участка и перекрытия решетки сверху со стороны подводящего канала в одной его плоскости дна. Кроме того, при истечении через просветы (зазоры) решетки из уголкового профиля во внутреннюю галереи отводящего канала, расположенного из решетки уголкового профиля с наклонными боковыми стенками вниз, частично поступающий поток не встречает большого подпора снизу галереи, так как образованные желоба боковыми стенками уголкового профиля навстречу потоку заполняются каждые скоростными струйками снизу и отжимают вниз образовавшийся напор воды в галерее, давая возможность сверху через просветы (зазоры) решетки из уголкового профиля сливаться вниз и перемешиваться с общим потоком в галерее. При этом происходит выход воды из внутренней галереи по всей ширине в поворотный отводящий канал вначале частично разделенным за счет поперечных перегородок в поперечном сечении в форме сегмента, обращенного вогнутой поверхностью к потоку с определенными геометрическими размерами. При этом сама конструкция элемента стержневой решетки выполнена из уголкового профиля с достаточной жесткостью от прогиба нагрузкой воды сверху, где снизу уголковый профиль имеет расширяющуюся часть основания, направленного вниз в галерею дна отводящего канала. Это позволяет в целом рассредоточить часть забора воды над решеткой из уголкового профиля материала во внутреннюю галерею, а следовательно, расход галереи резко увеличивается дополнительно формируемой конструкции расщеплением элементами. В свою очередь, описываемые явления, а также конструктивные изменения способствуют равномерному истечению его в отводящий канал, где дополнительно закрепляют по длине в средней части боковых стенок отводящего канала прямоугольные в плане горизонтальные козырьки, гасящие волновые явления дополнительно, длина которых больше, чем длина установленного за горизонтальной решеткой в верхней части боковой стенки отводящего канала, прямоугольного в плане козырька.
Исходя из вышеизложенного, автор считает возможным утверждать, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 изображено поворотное сооружение в плане; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - фрагмент выполнения решетки из уголкового профиля из металла со стороны потока, скрепленного поперечной балкой.
Поворотное сооружение включает подводящий 1 и отводящий 2 каналы, сопряженные наклонным участком 3, разделительную стенку 4 и делит отводящий канал 2 на поворотном участке на два отсека - внешний отсек 5 и внутреннюю галерею 6. Решетка представляет собой уголковый профиль 7 из металла повышенной изгибающей прочности по самой уже конструкции выполнения с боковыми расширяющимися и наклонными вниз боковыми стенками 8 с просветом 9 (зазором) между уголковыми профильными стенками 8, соответственно, внутренний снизу между стенками 8 угол равен 90° и выполнен виде желоба, острая кромка которого обращена сверху основанием, расширяющимся вниз, при этом одна часть решетки 7 расположена над наклонным участком 3, а вторая часть - над дном внутренней галереи 6. Через просветы 9 уголка 7 решетки 7 проходит бурный поток при повороте из подводящего канала 1 в отводящий канал 2. Передняя часть уголковых профилей 7 и задняя часть их связаны жестко между собой поперечными балками 10 с образованием целостной решетки 7 с просветами 9 (зазорами) относительно друг друга из уголковых профилей 7. Снизу решетка из уголкового профиля 7 выполнена закрепленными в поперечном сечении над дном галереи 6 и под просветами 9 поперечными перегородками 11 в поперечном сечении в форме сегмента, обращенного вогнутой поверхностью к потоку под решеткой из уголкового 7 профиля, с радиусом и высотой, равными соответственно 0,45…0,55 и 0,25…0,5 высоты отверстия между наклонным участком 3 и перекрытием решетки из уголкового профиля 7 материала, которые соединены между собой балками 10 в начале в конце в виде цельной жесткой решетки со стороны подводящего канала и над разделительной стенкой 4 с закреплением к ней со стороны внешнего отсека 5. В верхней части боковой стенки 12 отводящего канала 2 установлен горизонтальный козырек 13. В средней части боковых стенок 12 и 14 отводящего канала 2 размещены козырьки 15 и 16, длина которых больше, чем длина верхней части боковой стенки 12 отводящего канала 2, установленного горизонтального козырька 13, препятствующие выплескам и сглаживанию пульсационных составляющих скоростей в продолжение ложи отводящего канала 2 с боковыми стенками 12 и 14.
Поворотное сооружение для каналов с бурным течением работает следующим образом.
Бурный поток, поступающий из подводящего канала 1 по наклонному участку 3 к разделительной стенке 4, делится решеткой выполненной из уголкового профиля 7 из металла, связанных между собой в начале и в конце поперечными балками 10, и делится на две части - верхнюю и нижнюю. Вторая часть бурного потока попадает на решетку из уголкового профиля 7 с продольными сквозными просветами 9 (зазорами) между наклонными вниз боковыми стенки 8 уголкового профиля 7 (уголка), частично истекает через просветы 9 решетки 7 во внутреннюю галерею 6 отводящего канала 2, расположенного под решеткой из уголкового профиля 7 из металла повышенной изгибающей прочности по самой ее конструкции, поток протекает сверху по плоскости острого сверху кромок их и поступает во внешний отсек 5 отводящего канала 2. Расположение наклонных конструктивных параметров боковых стенок 8 уголкового профиля 7 вниз в виде решетки образует снизу расширяющийся угол между стенками 90° с острой кромкой сверху, снизу разделяет под решеткой на множество струек воды, позволяя при этом свободно сливаться потоку воды сверху через просветы 9 в галерею 6, т.е. поток, частично в заполненной галерее 6, не оказывает заметного давления воды вверх. Это также обеспечивает увеличение расхода, как и наличие натекания на поперечные перегородки 11, которые отсекают поток и равномерно над галереей 6 направляют вниз и в сторону отводящего канала 2. Наличие сегментного сечения перегородки 11 над галереей 6, размещенной под решеткой, выполненной из уголкового профиля 7 с углом 90° расхождения боковых его стенок 8 в сторону, обращенную вогнутой поверхностью к потоку. При этом в галерее 6 отводящего канала 2 радиус и высота сегментного сечения перегородок 11 не должна быть меньше соответственно 0,45 и 0,25 высоты отверстия между наклонным участком 3 и решеткой 7, т.к. при меньшем значении радиуса 0,45 и больше 0,50 высоты отверстия происходит закручивание потока и направление части его струй вверх, под решетку, а при значениях радиуса сечения перегородок больше 0,55 и высоты меньше 0, 25 отверстия установка таких форм перегородок мало будет сказываться в работе на равномерное истечение и деление потока в отводящий канал 2 в сторону горизонтальных козырьков 15 и 16 в отводящем канале 2 по его ширине и длине. При этом потоки, сформировавшиеся под решеткой в галерее 6, сталкиваются между собой, взаимно гася поперечные скорости, частично избыточной энергии потока, поступающего в галерею 6 поворотного сооружения, далее увеличивают тем самым пропускную способность поворотного сооружения. Выход потока из галереи 6 и отека 5 объединяет в один общий поток, и его водная поверхность дополнительно сглаживается наличием расположения боковых горизонтальных козырьков 15 и 16 по длине отводящего канала 2 на достаточном расстоянии и по всей ширине сглаживает пульсационные составляющие скорости, препятствуя выплескам за борта канала.
Такое предложенное конструктивное исполнение поворотного сооружения для каналов с бурным течением, индустриально, имеет значительно больший диапазон осуществлять равномерность истечения через решетку из уголкового профильного металла, устойчивость переходных процессов гидравлического режима, возникающих при работе этих сооружений, обеспечивается рациональной компоновкой и технически грамотным конструктивным решением поворотного сооружения. Такая взаимосвязь и взаимозависимость основных элементов поворотного сооружения позволяет повысить надежность конструкции и улучшить эксплуатационные качества за счет управления потоком и уменьшить его фонтанирование при наименьшем габарите галереи отводящего канала, в свою очередь исключает на большой длине отводящего канала сбойность отводящего потока, препятствует образованию восходящих потоков и повышает равномерность течения в плане на выходе в отводящий канал.