ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
DAMPER OF WATER FLOW ENERGY

Изобретение относится к гидротехнике, гидравлике, гидромеханике, а более конкретно к гидротехническим сооружениям, предназначенным для гашения энергии после напорных водоводов в приемной камере.
Известен гаситель скорости потока для отстойников, включающий подводящий и отводящий каналы и расположенную между ними водоприемную камеру, выполненную в виде установленной перпендикулярно оси гасителя трубы с верхним отверстием, перекрываемым шарнирно закрепленной над ним криволинейной пластиной, обращенной вогнутой стороной к камере, труба расположена на уровне дна отводящего канала и выполнена с двумя боковыми горизонтальными отверстиями, ориентированными в сторону нижнего бьефа, при этом пластина закреплена к камере с низовой стороны, а напротив боковых отверстий установлены водоотбойные стенки (Авторское свидетельство SU №1682458, Е02В 8/06 от 07.10.1991).
Однако этот гаситель неработоспособен при высоких напорах. К тому же он предназначен в основном для борьбы с наносами. Кроме того, изготовление криволинейной пластины требует дорогостоящего дефицитного материала, а также поток, имеющий достаточно большую кинетическую энергию может вызвать отрыв пластины с оси вращения, т.е. устройство не надежно в работе. Следующим также основным недостатком является то, что низкая надежность гашения кинетической энергии обусловлена прямоточностью движущихся навстречу друг другу потоков в месте схождения жестко закрепленных водоотбойных стенок, через верх которых также одновременно происходит перелив (это отмечают и сами авторы в описании).
Высокая случайно-вероятная однонаправленность соударяющихся потоков в отводящем канале, приводящая к суммированию кинетической энергии по центру между жестко закрепленными к дну водобойными стенками, образует подъем воды вверх, что вызывает большие всплески и волнения за ними при расширении потока, размывание откосов канала, что снижает эффективность и надежность гашения водяного потока (подтверждением этого служит изобретение по а.с. SU №1550033, Е02В 8/06 от 15.03.1990). Таким образом, эффективность гашения избыточной кинетической энергии потока в известном устройстве значительно снижена, имея при этом большую металлоемкость, и определяет жесткие требования к конструкции гасителя.
Известен водосброс, включающий расположенную в теле подпорного сооружения выше нижнего бьефа смесительную камеру, напорные галереи с затворами, сообщенные с верхним бьефом и подключенные к смесительной камере навстречу друг другу, воздуховод, сообщающий смесительную камеру с атмосферой, водобойную камеру, расположенную под смесительной камерой, и отводящий водовод, соединяющий водобойную камеру с нижним бьефом, при этом он снабжен поперечной водобойной стенкой, установленной в водобойной камере под смесительной камерой и выполненной с обращенной вверх и в сторону верхнего бьефа вогнутой гранью в четверть цилиндрической поверхности, радиус которой равен длине смесительной камере (Авторское свидетельство SU №1504307, Е02В 8/06 от 30.08.1989).
Недостатком является то, что после соударения потоков в смесительной камере и в водобойной камере отсутствует заметное в большей степени вращение, которое в основном отходит от центра камеры, образуется распластанность вращающегося потока из-за прямоугольной формы камеры в поперечном сечении, т.е. отсутствует ее форма, которая не позволяет сжимать поток. Другим недостатком является то, что в теле подпорного сооружения-плотины камера соединена с отводящим водоводом в виде трубы с подтоплением с нижнего бьефа для снижения кинетической энергии потока, выходящего из водовода. Однако в таких водоводах - это малая пропускная способность затопленных с выходящим воздухом, в котором движение потока происходит в виде пробкового течения в нем. Таким образом, от выходного отверстия (щели) в водобойной камере выходное отверстие расположено ближе к потолку отводящей трубы (водовода), происходит воздушное скопление, так как нижний бьеф подтоплен, и такие пробки не могут быть ликвидированы полностью. Кроме того, не исключается возможность гидравлического удара, что отрицательно сказывается на надежности сооружения, его стоимости в целом, и оно недостаточно эффективно при работе в открытом режиме канала из-за недостатков конструкции.
Известен гаситель энергии потока, включающий цилиндрический водобойный колодец, делитель потока и два водовода, тангенциально соединенных с колодцем, плиты перекрытия выполнены криволинейными в вертикальной плоскости симметрии колодца, выпуклостью, направленной вверх (Авторское свидетельство SU №1043246, Е02В 8/06 от 23.09.1983).
Недостатком данной конструкции является то, что возвышающие криволинейные плиты находятся под воздействием пульсационных нагрузок потока. В результате снижается эксплуатационная надежность бетонных плит. Кроме того, после выходного отверстия вода имеет остаточное волнообразование по длине отводящего канала, а следовательно, и местные скорости сохраняют высокие значения на большом расстоянии от гасителя, что приводит к размыву русла. Следует отметить, что отводящая часть канала вынуждена иметь более увеличенную (распластанную) ширину для растекания выходящего потока из отверстия при колебаниях уровней воды в канале. Таким образом, затягивается время переходного процесса на пути нестационарного турбулентного потока.
Известен также гаситель энергии потока, включающий цилиндрический водобойный колодец, делитель потока в два отвода, тангенциально соединенных с колодцем, плиты гасителя установлены на стойках с возможностью вертикального их перемещения и выполнены со стенками, расположенными по их периметру (Авторское свидетельство SU №1059054, Е02И 8/06 от 07.12.1983).
Недостатком известного гасителя является то, что оно усложнено конструкцией плит, связанных с пригрузочными емкостями, заполненными водой. При этом не исключается ударное воздействие на элементы крепления отводящего канала, а это не способствует достаточному сглаживанию поверхности воды. Таким образом, эффективность гашения энергии потока в отводящем канале недостаточна. Кроме того, усложнение конструкции плит из-за сложных железобетонных работ требует устойчивости их всплытия в вертикальном положении, ограниченных стойками плит, при этом их может заклинить при перемещениях, в случаях перекосов, так как усилие равнодействующей гидростатического давления в колодце в разных точках происходит неравномерно по всей напорной плоскости плит.
Следует отметить, что под нестационарным понимается поток жидкости, в котором расход (скорость) изменяется во времени. К нестационарным течениям относятся широко встречаемые в технике переходные процессы, при которых расход меняется от одного до другого установившегося движения. В частном случае, расход изменяется от нуля до установившегося максимального значения, отводимого в отводящий водовод.
Таким образом, если имеет место накопление энергии в колодце в виде турбулентного перемешивания жидкости, то происходит нестационарный период переходного процесса. Этот процесс образования движения нестационарности может отрицательно сказываться на отсутствии сглаживания волны потока в отводящем канале. При этом недостаток таких устройств заключается в большой материалоемкости и сложности ремонта.
Известен также гаситель энергии потока, включающий водовод, закручивающее устройство, которое разделяет поток на струи, и отводящий канал (Авторское свидетельство SU №1712530, Е02В 8/06 от 15.02.1992).
Недостатком известного гасителя является то, что при закручивании потока устройствами на горизонтальных участках в гасительной камере возникает интенсивная пульсация скоростей и давлений, а также неполное гашение кинетической энергии потока в отводящем канале. При этом сопровождение бьефов производится по типу отогнанного прыжка, на котором не рассчитывается участок крепления дна отводящего канала, что приводит к недопустимым размывам. Кроме того, наличие такого течения потока создает волновые поверхностные явления, что снижает гидравлические условия работы отводящего канала.
Известен также гаситель энергии потока, включающий цилиндрический водобойный колодец, к которому тангенциально подключены подводящие водоводы, и отводящий канал, он снабжен цилиндрической камерой с перфорированной стенкой, установленной коаксиально внутри колодца, а отводящий канал подключен к камере через стенку (Авторское свидетельство SU №1428804, Е02В 8/06 от 07.10.1988).
Недостатком известного гасителя является то, что наличие дополнительной цилиндрической камеры внутри колодца с перфорированной стенкой резко уменьшает пропускную его способность. Кроме того, наличие перфорированной стенки, выполненной в виде прорезей, также резко уменьшает пропускную способность колодца, образует большой подпор воды, при этом ход движения потока претерпевает сложное течение жидкости, а это значит, что в процессе гашения потока в колодце образуется застойная зона на дне колодца, в результате чего будут оседать на дно наносы, что отрицательно сказывается на эксплуатации сооружения в целом. Конструкция установленной цилиндрической камеры с прорезями чувствительна к наличию в водном потоке мусора и длинномерных предметов, которые могут ее вывести из строя. При этом глубина колодца и сложность выполнения дополнительно установленной цилиндрической камеры вызывают его высокую стоимость, поскольку колодец является повышенной пульсации скоростей, опасных для устойчивости крепления установленной цилиндрической камеры, при этом динамические нагрузки на конструкцию достаточно высоки по данной классической гасительной камере.
Технический результат от использования заявленного изобретения заключается в повышении надежности работы путем уменьшения динамических нагрузок на всю площадь сечения камеры, повышении долговечности обтекателя потока, размещенного в колодце и уменьшении материалоемкости.
Технический результат достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, включающем цилиндрический водобойный колодец, к которому тангенциально подключены подводящие водоводы, и отводящий канал, и на входе снабжен делителем потока, водобойный колодец в плане имеет смесительную камеру, которая снабжена внутри обтекателем, концевой участок которого имеет выпуклую форму, делящим на два водовода с равными входными сечениями, при этом водоводы одинаковой длины соединены между собой камерой с увеличивающейся по направлению движения потока сечением, а выходной порог камеры в плане выполнен в виде симметричной относительно продольной оси колодца кривой, обращенной выпуклостью в сторону отводящего канала, причем кривая состоит из двух дуг, а в верхней части выходного порога установлено перекрытие в виде горизонтальной полки над его криволинейной частью, при этом в месте выхода из смесительной камеры выходное отверстие колодца выполнено перегородкой в виде ряда жалюзийных пластин, обращенных с зазором над дном отводящего канала, сверху перекрытого плитой, а пластины скошены под углом 30° к выходящему потоку.
Кроме того, длина плиты перекрытия отводящего канала составляет 0,25…0,30 ширины отводящего канала.
На фиг. 1 изображен гаситель энергии водного потока, план; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
2
Гаситель энергии водного потока содержит подводящий 1 и отводящий 2 каналы, разделяющий между ними колодец 3. Камера колодца 3 включает два изогнутых водовода 4 и 5, соединенных между собой в виде камеры 6, имеющей увеличивающее сечение по направлению движения потока в сторону отводящего канала 2. В подводящем водоводе 1 (канале) перед колодцем 3 для лучшего деления потока установлена разделительная перегородка 7, высота которой принимается равной или больше величины скоростного напора V/2g. Смесительная камера колодца 3 снабжена внутри обтекателем 8, концевой участок которого имеет выпуклую форму с двумя водоводами 4 и 5 (рукава) равными входными сечениями и одинаковой длины. За концевым участком обтекателя 8 расположена камера 6 с увеличенным поперечным сечением по отношению с входными изогнутыми водоводами 4 и 5. При этом на выходном участке камеры 6, где потоки увеличивают свое поперечное сечение за счет растекания в плане и в вертикальной плоскости, теряя при этом скорость, а с ней и избыточную кинетическую энергию за счет подвода к выходному порогу 9, где криволинейные дуги 10, перекрытые сверху в виде горизонтальной полки 11 по ширине дуг 10, формируют два потока с поворотом в сторону выпуклой стороны обтекателя 8. В колодце 3 выполнено водовыпускное отверстие 12, к которому примыкает отводящий канал 2. В отверстии 12 колодца 3 закреплена вертикальная металлическая перегородка 13, имеющая вертикальные жалюзные пластины 14.
Жалюзный экран с жалюзийными пластинами 14 установлены параллельно друг другу и расположены под углом 30° к выходящему потоку, т.е. к створу водовыпускного отверстия 12 в колодце 3 с зазором над дном отводящего канала 2. Пластины 14 выполнены консольными над дном отводящего канала 2 и способствуют параллельно-струйному движению воды под плитой 15 перекрытия канала 2, так как ориентированы концами в направлении потока по отводящему каналу 2, а длина плиты 15 перекрытия составляет 0,25…0,30 ширины отводящего канала. Здесь потоки взаимодействуют между собой, объединяются, и результирующий поток, в результате вращательного движения внутри на участке камеры 6 и их соударения, поступает практически в расщепленном и в спокойном состоянии через выходной порог 9 с горизонтальной полкой 11, через жалюзийные пластины 14, перекрытый сверху плитой 15 в отводящий канал 2.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
С помощью деления перегородки 7 и обтекателя 8, исходный поток делится на два потока, обладающих одинаковой энергией и скоростью, которые направляются в водоводы 4 и 5 (рукава), далее направляются в расширяющуюся камеру 6 колодца 3.
Под действием подъема уровня воды в расположенной камере 6 формируются потоки, сталкивающиеся межу собой, взаимно гася поперечные составляющие скорости, остатки избыточной энергии потока, поступающие в колодец 3. Перегородка 13 создает заданный уровень перед отверстием 12 для отвода воды в отводящий канал 2 с плитой перекрытия 15. Поскольку подъем уровня воды в основном происходит по всему сечению расширяющейся камеры 6 колодца 3, то под действием перепада уровней в камере 6 колодца 3 и отводящем канале 2, поток, ударяясь в пластины 14, обтекает вертикальную часть ее. Скос каждой пластины 14 уменьшает сопротивление на ее входе в сторону движения волы в отводящий канал 2. Наносы, содержащиеся в воде, проходят между пластинами 14 и по дну канала 2, так как пластины 14 расположены с зазором над дном отводящего канала 2. Таким образом, такое положение жалюзийных пластин 14 в совокупности с перекрытием плиты 15 отводящей части канала 2 над дном его не допускает повышения уровня, и поток движется и развивается в параллельно-струйное движение. При этом скорость выходящего потока из выходного отверстия колодца в сторону отводящего канала 2 также будет зависеть и от заполнения водой камеры 6 колодца 3, где поток приобретает сжатое поперечное сечение, т.е. выход отверстия 12 в колодце 3 находится защищенным от выплесков за борта канала 2.
Наличие формы кривых дуг 10 перед выходным порогом 9 с верхней горизонтальной полкой 11, жалюзийных пластин 14 и плиты 15 перекрытия в совокупности решают задачу создания благоприятных условий для выравнивания удельных расходов как в самой камере 6 по всему ее сечению, так и по всему поперечному сечению отводящего канала 2 удельных расходов, сходящихся далее в один общий поток.
Таким образом, исходя из взаимосвязи и взаимозависимости основных узлов гасительного сооружения, можно повысить эффект гашения избыточной кинетической энергии воды, а также эффективность работы, что позволяет уменьшить материалоемкость сооружения. Особенность предлагаемого изобретения заключается в том, что повышение эффективности и надежности гашения кинетической энергии разделяемого потока и вновь соединяемого происходит в камере, форма которой выполнена криволинейной в плане с обтекателем с последующим направлением частей соединяющего потока в сторону криволинейных дуг с горизонтальной полкой, т.е. под полку с уступом, далее оптимальное кинематическое воздействие жалюзийной пластины с перегородкой у дна канала и перекрытия сверху плиты способно бороться как с наносами, так и созданием параллельно-струйного движения потока в начале отводящего канала, тем самым достигается высокая степень защиты отводящего канала от динамических воздействий, обусловленных выходом потока в нижний бьеф, а следовательно, повышается надежность гасителя энергии водного потока; сокращаются размеры сооружения и длина закрытого участка отводящего канала.