Концевой участок раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выходом потока
END SECTION OF SPOUT TYPE OF PRESSURE WATER-PASSAGE STRUCTURE WITH VERTICAL OUTLET OF FLOW

Заявленное техническое решение концевого участка относится к области гидротехники, а именно к конструктивным элементам напорных водопропускных сооружений, может быть использовано в качестве гасителя энергии потока напорного закрытого водовода водосброса, водовыпуска или водоспуска на гидроузлах со средними и высокими напорами.
Известна конструкция концевого участка напорного водопропускного сооружения, которая включает в себя примыкающий к транзитной части вертикально восходящий водовод с установленным горизонтально над его выходным отверстием диском-отражателем круглого очертания на радиально расположенных в плане бычках обтекаемой формы; на сходе с диска-отражателя формируется кольцевая струя с углом растекания 360°. Это решение предполагает применение в широких створах (патент на изобретение №2211279 от 27.08.2003 г.).
Недостатком такого решения является ограниченность его применения в стесненных условиях, например в узких долинах горных рек, где близкое расположение крутых береговых склонов делает его нецелесообразным. Из-за широкого диапазона зоны размыва требуется выполнение большого объема работ по укреплению дна отводящего канала.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является «Концевой участок раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском воды» (патент №2341616 от 20.12.2008 г.), который включает в себя примыкающий к транзитной части, вертикально восходящий водовод с горизонтально установленным над ним плоским сектором-отражателем, опирающимся на ограничивающую стенку, повторяющую в плане часть упомянутого выходного отверстия, и примыкающие к ней вертикальные направляющие стенки; также распространяет поток радиально на угол раструбности и включает гладкие вертикальные стенки.
Недостатком этой конструкции является наличие переходного режима за концевым участком с отогнанным гидравлическим прыжком, что увеличивает зону размыва и, соответственно, площадь крепления дна отводящего канала.
Из анализа известных технических решений выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала технических средств, для обеспечения надежной работы водопропускного сооружения и безопасное сопряжение выходящего из него потока с нижним бьефом в условиях узких створов.
Техническим результатом изобретения является обеспечение надежной работы водопропускного сооружения за счет стабилизации положения гидравлического прыжка во всем диапазоне расходов, что позволяет уменьшить зону размыва и необходимую площадь крепления.
Для решения указанной проблемы и достижения технического результата в конструкции концевого участка раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выходом потока, включающем напорный водовод с горизонтально установленным над его выходным отверстием отражателем потока, симметричным в плане формы, который опирается на вертикальную стенку, повторяющую в плане раструбную часть контура отражателя. Отражатель, имеющий форму треугольника или фигуры полигонального очертания снабжен направляющим козырьком, примыкающим к свободной кромке отражателя с углом наклона к горизонтали от 30° до 45°. Козырек направляет отраженную струю в водобойный колодец трапецеидального поперечного сечения с шириной по дну b=(2…4)t, где t - высота вертикальной стенки, на которую опирается отражатель. Угол наклона верхового откоса к вертикали аналогичен углу наклона козырька, угол наклона низового откоса варьируется от 0° до 30°. Водобойный колодец позволяет предотвратить возникновение отогнанного гидравлического прыжка и уменьшить длину зоны размыва. В плане форма водобойного колодца повторяет форму свободной части контура отражателя. Высота t расположения отражателя над выходным отверстием водовода, равная высоте вертикальной стенки, на которую опирается отражатель находится в диапазоне от 0,5d до 1,25d, где d - диаметр напорного водовода. Отражатель с направляющим козырьком обеспечивает стабильное очертание соприкосновения падающей струи с дном нижнего бьефа во всем диапазоне расходов, а водобойный колодец позволяет гидравлическому прыжку формироваться в заданной зоне.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен разрез устройства с треугольным отражателем вид сбоку.
На фиг. 2 - вид сверху.
На фиг. 3 представлен вид сверху устройства с отражателем в форме фигуры полигонального очертания вид сбоку.
Концевой участок напорного водопропускного сооружения включает в себя отражатель потока 1 раструбного типа, установленный горизонтально над выходным отверстием 2 вертикального водовода 3 диаметром d. Отражатель 1 представляет собой треугольник или фигуру полигонального очертания, к свободной кромке которого примыкает направляющий козырек 4. Отражатель потока 1 опирается на вертикальную стенку 5, в плане повторяющую раструбную часть его контура. Козырек 4 с углом Y наклона к горизонтали от 30° до 45° имеет высоту вертикальной проекции t'≤0,5t. При таких углах наклона козырька, обеспечивается наилучшая эффективность гашения энергии в водобойном колодце 6 с шириной по дну b=(2…4)t, где t - высота вертикальной стенки. Водобойный колодец 6 позволяет предотвратить возникновение отогнанного гидравлического прыжка и уменьшить длину зоны размыва. Форма водобойного колодца 6 в поперечном сечении трапецеидальна, а в плане повторяет форму свободной части контура отражателя 1. Угол наклона верхового откоса водобойного колодца 6 к вертикали аналогичен углу наклона козырька, угол наклона низового откоса варьируется от 0° до 30°.
При чем, если угол Y наклона козырька 4 меньше 30°, то возрастает длина отлета струи и, следовательно, увеличиваются размеры водобойного колодца 6 и диапазон зоны размыва. При углах наклона больше 45°, козырек 4 ограничивает свободное растекание потока и подвергается повышенным нагрузкам. Транзитная часть водовода 7, располагается под произвольным углом к оси отводящего канала 8. Угол α раструбности отражателя потока 1 находится в пределах от 30° до 90°, а его размер по оси симметрии составляет: L=(1,5…4)d. Предлагаемая конструкция позволяет получить увеличение ширины потока в пять и более раз при указанных углах раструбности.
При углах раструбности меньше 30° возрастают удельные расходы потока, из-за чего требуется устройство более протяженного водобойного колодца 6 и увеличение общей длины крепления отводящего русла 8. Использование конструкции с углами раструбности более 90° является нецелесообразным в условиях узких створов, так как увеличение угла раструбности приводит к неравномерному распределению удельных расходов и, соответственно, к увеличению площади зоны размыва.
Устройство работает следующим образом: поступающий из выходного сечения вертикального водовода 3 поток соударяется с отражателем 1 и, растекаясь по его поверхности, козырьком 4 направляется в водобойный колодец 6, обеспечивая стабильное положение зоны соприкосновения струи с дном нижнего бьефа.
Эффект от применения данной конструкции состоит в том, что гидравлический прыжок формируется в заданной зоне нижнего бьефа во всем диапазоне расходов. Это позволяет уменьшить зону размыва и необходимую площадь крепления дна отводящего канала 8.
Предложенное решение по сравнению с прототипом позволит обеспечить надежную работу водопропускного сооружения и безопасное сопряжение выходящего из него потока с нижним бьефом в условиях узких створов.