ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW ENERGY DAMPENER

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для гашения водного потока после напорных водоводов в приемном колодце.
Известен гаситель энергии потока для трубчатого водовыпуска, включающий установленный горизонтально в водобойном колодце трубчатый оголовок с отверстиями в боковых стенках и отражателем на торце, при этом оголовок выполнен в виде расширяющегося усеченного конуса и снабжен расширяющимся завихрителем потока воды, установленным в начале оголовка, а отверстия в боковых стенках оголовка выполнены в виде усеченного полуконуса, угол конусности которого равен или больше угла конусности оголовка, кроме того, отражатель выполнен в виде круглой поперечной пластины с трапециодальными концентрическими отверстиями, причем поперечная щелевая перфорация в боковых стенках оголовка выполнена с помощью отверстия с увеличивающейся к его торцу площадью (Авторское свидетельство SU №1435690, Е02В 8/06 от 07.11.1988).
Недостатком известного гасителя потока является то, что он не может контролировать как верхний, так и нижний уровень в колодце, а значит, снижается эффективность и надежность в работе, при этом в процессе эксплуатации не представляется возможность точного и гибкого регулирования гашения потока при изменяющихся расходах е подводящем водоводе от максимального до минимального. Если в момент гашения приток воды в колодец будет меньше, чем рассчитан колодец, то горизонт воды в колодце малоэффективно будет влиять на выход струй из отверстий и тем самым в отводящем канале появятся волновые явления, выплески, т.е. автоматическое регулирование величины напора не выполняется. Такой гаситель не может обеспечить гашение при снижение определенного уровня воды в колодце, что ограничивает его применение на закрытых трубчатых и туннельных водовыпускных сооружениях.
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, сообщенные 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 камеры (Авторское свидетельство SU №1504307, Е02В 8/06 от 30.08.1989).
Недостатком является то, что соударения потока в смесительной камере в основном отходят от центра камеры, образуется распластанность вращающего потока из-за прямоугольной формы камеры в поперечном сечении, т.е. отсутствует квадратная форма камеры. 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 пробок течения в нем. Таким образом, от выходного отверстия (щели) в водобойной камере выходное отверстие расположено ближе к потолку 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 в целом, и оно недостаточно эффективно при работе в открытом режиме канала из-за недостатка самой конструкции, при этом оно громоздко и, как следствие, материалоемко.
Наиболее близким к предложенному по назначению, технической сущности и достижению результату является гаситель энергии водосбросного устройства, включающий подводную трубу, конический расширяющийся водовод, в котором установлен завихритель потока и отражатель с отверстиями, при этом он содержит вертикальную камеру в виде усеченного конуса, поверхность которого установлена в колодце вниз расширяющейся частью соосно патрубку с возможностью заключения в него завихрителя потока и фиксированного перемещения относительно патрубка, причем боковая стенка камеры выполнена с криволинейной поверхностью по направлению движения потока к водовыпускным окнам в месте примыкания к ним внешней стенки патрубка (Патент RU №2484201, Е02В 8/06 от 24.01.2012).
Недостатком данного гасителя энергии потока является то, что устройство сложно конструктивно и, как следствие, большая материалоемкость, а это ведет к усложнению эксплуатационной надежности, т.е. недостаточная эффективность его эксплуатации; устройство на выходе из колодца дополнительно имеет подпорные сооружения для полного гашения потока. Кроме того, у этого устройства недостаточная совершенность гидравлических местных сопротивлений при закручивании потока.
Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности и снижения придонных скоростей в потоке и упрощении конструкции.
Технический результат достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, включающий подводную трубу, водовод, расположенный в колодце, отражатель, подводная труба соединена через впускной патрубок с водоводом, в виде напорного трубопровода выполненным трубчатой частью с образованием выпускного канал с плавно изменяющейся площадью поперечного сечения, выходной конец трубчатой части снабжен выпускным патрубком с дополнительно установленным экраном сферической формы выпуклостью вверх, торцы которого отогнуты по диаметру вниз в сторону выходного конца выпускного патрубка, причем отражатель, выполненный в виде экрана сферической формы, жестко закреплен к выступам-ограничителям, которые вторым концом закреплены к оголовку конца выпускного патрубка, при этом трубчатая часть с плавноизменяющейся площадью поперечного сечения с отражательными дугообразными коленами снабжены выпускными отверстиями, причем выпускные отверстия дугообразных колен наклонены в сторону боковых стенок и дна колодца под острым углом и ориентированы в направлении движения потока к верхней части колодца, который в своей верхней части соединен с дополнительной камерой гашения с отводящим лотком.
Кроме того, отводящий лоток подключен к выпускной трубе с задвижкой.
Первым аспектом изобретения является создание гасителя энергии с напорным водоводом в виде трубчатой части с образованием выпускного канала с плавно изменяющейся площадью поперечного сечения, а также с отражательными дугообразными коленами, выполненными с выпускными отверстиями внутри колодца в направлении его боковых стенок и дна, что приводит к выравниванию эпюры относительно скорости и эпюры давления и, в коечном итоге предотвращает отрыв потока на повороте трубчатой части. Напорный водовод может быть выполнен составным из разного диаметра с переходными участками между собой, сохраняя устройство, изогнутое в трех измерениях. При таких условиях также эпюра осевых скоростей потока, проходящего через трубчатую часть в виде канала становится более ровной или «закрученной», при этом скорость потока вне изогнутой части колодца меньше скорости аналогичного потока в трубе, изогнутой в двух направлениях, а скорость внутри изогнутой трубы также уменьшается из-за потери части воды, с отражательными дугообразными пластинами снабженные выпускными отверстиями. При этом этот поток на выходе вверх соударяется с потоком воды, поступающим под выполненным отражателем в виде экрана сферической формы, торцы которого отогнуты вниз. Таким образом, весь поток гасится в верхней своей части дополнительной камере гашения, которая является по своей высоте продолжением колодца. Кроме того эпюра скоростней вблизи стенок вокруг трубчатой части при ее не плоской геометрии стремится к большей равномерности по окружности, чем при плоской геометрии. Такой поток применительно к напорному водоводы и помещенному в колодец имеет ряд преимуществ.
Это приводит к увеличению интенсивности гашения энергии непосредственно в самом колодце с его дополнительной камерой гашения, погасить кинетическую энергию потока и дальнейшее поступление расхода воды, в сторону отводящего лотка подключенного к отводящей трубе с задвижкой. Ограничительный цельный экран в виде тарелки совместно с работой выпускных отверстий в отражательных дугообразных пластинах (коленах) позволяет гибкое и дифференцированное регулирование струй при поступлении в колодец, при этом края экрана в виде сферической формы (тарелки) отогнуты по диаметру вниз, прежде чем вода поступить в дополнительную камеру гашения в верхней ее части с отводящим лотком.
Таким образом, это обеспечивает более полное гашение воды, которая поступает в напорный водовод, расположенный внутри колодца, что уменьшает длину трубчатой части с образованием выпускного канала с изменяющейся площадью поперечного сечения, т.е. экономия пространства и одновременно учитывается и снижение в водоводе кавитации. При этом предлагаемое устройство просто по конструкции и позволит повысить эффективность работы гасителя энергии.
Исходя из вышеизложенного авторы считают возможным утверждать, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию «существенные отличия».
На чертеже схематически изображен гаситель энергии водного потока, поперечный разрез.
Гаситель энергии водного потока содержит горизонтальный участок подводной трубы 1, который соединен с напорным водоводом 2, при этом водовод 2 расположен внутри колодца 3 прямоугольного поперечного сечения. Колодец 3 в верхней своей части имеет дополнительную камеру 4 гашения. Колодец 3 с напорным водоводом 2 имеет впускной 5 и выпускной 6 патрубки, при этом колодец 3 в своей в верхней части имеет дополнительную камеру 4 гашения. В камере 4 гашения с зазором по периметру установлен выпускной патрубок 6, соединенный с трубчатой частью напорного водовода 2. Впускной патрубок 5 и трубчатая часть с выпускным патрубком 6 соединены между собой каналами 7 и 8 с плавно изменяющимися площадями поперечного сечения, промежуточной расширительной камерой 9, образованной отражательной дугообразной 10 пластинами и выпускным каналом 11, образованным герметичным соединением с выпускным патрубком 6 с отражательной дугообразной пластиной 12 и направляющей пластиной 13. Отражательные дугообразные пластины 10 и 12 снабжены выпускными отверстиями 14, при этом корпус водовода 2 прикреплен к корпусу колодца 3, образуя при этом камеры 15 и 16, соединенные посредством зазора 17 между трубчатым выпускным патрубком 6 с камерой 4 гашения и с отводящим лотком 18, дно которого соединено с отводящим трубопроводом 19 с регулируемой задвижкой 20.
Выпускной конец оголовка патрубка 6, размещенный в дополнительной камере 4 гашения, снабжен выступами-ограничителями 21 и 22, к которым жестко присоединен дополнительный отражатель 23, выполненный в виде экрана сферической формы выпуклостью вверх, торцы (края) которого по диаметру (окружности) отогнуты вниз.
Поскольку обеспечивается многократное изменения направления движения отводимой из колодца 3, напорного водовода 2 с камерой 4 гашения, то в сочетании с его высокой входной скоростью и низкой выходной скоростью при поступлении в отводящий лоток 18, дно которого соединено с отводящим трубопроводом 19 с регулируемой задвижкой 20, в целом поток воды гасит кинетическую энергию в отводящем лотке 18.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Напорный поток из горизонтальной водоподающей трубы 1 поднимается вертикально вверх через впускной патрубок 5 в напорный водовод 2, расположенный внутри колодца 3 прямоугольного поперечного сечения. Поступающая из водоподающей трубы 1 вода через впускной патрубок 5 и по каналу 7 направляется к промежуточной расширительной камере 9, образованной отражательной 10 дугообразной пластиной. Так как сочетание канала 11 и канала 9, образованы взаимным расположением дугообразной пластиной 12, снабженной выпускными отверстиями 14, стенок корпуса колодца 3, частью потока воды заполняет колодец 3. Далее по длине напорного водовода 2 с каналами 9 и 11 и с плавноизменяющимися площадями поперечного сечения, частично уменьшается скорость движения воды, и, вода поступает в расширяющийся в выпускной канал 11, образованный отражательный 12 дугообразной пластины, где данный процесс происходит аналогично в выпускном канале 9 с выпускными отверстиями 14. Затем остаточный поток воды направляется в сторону дополнительного отражателя 23 в виде сферической формы экрана, который имеет выпуклость вверх и жестко закреплен к выступам-ограничителям 21 и 22 со стороны выпускного патрубка 6, а диаметр экрана 23 больше чем выпускной патрубок 6. Поступающая вода снизу растекается равномерно по поверхности дополнительной камеры 4 гашения, далее равномерно по поверхности ее поступает в отводящий лоток 18 с отводящим трубопроводом 19. Благодаря подавлению пульсаций в потоке воды в колодце 3 в верхней своей части в дополнительной камере 4 гашения, динамические нагрузки на конструкцию не столь высоки, как в случаях, если бы гашение осуществлялось только непосредственно в напорном водоводе.
Напорный водовод 2 расположен внутри колодца 3 с зазором по периметру с установленной трубчатой частью с выпускными отверстиями 14 и плавно изменяющимися площадями поперечного сечения с каналами 9 и 11. Происходит уменьшение тенденций к отрыву потока на закруглениях отражательных 10 и 12 дугообразных пластин, а это снижает вероятность повреждений от кавитации, обусловливая в целом понижение статического давления в полостях каналов 9 и 11, как и в самом колодце 3. В результате выхода части потока воды через выпускные отверстия 14 происходит перемешивание воды, вызывающее сглаживание водной поверхности, при этом далее поток воды поступает через зазоры 17 по периметру выпускного патрубка 6 и стенками дополнительной камеры гашения непосредственно в саму емкость камеры 4 гашения с отводящим лотком 18. Это позволяет погасить избыточную кинетическую энергию потока на меньшей длине отводящего лотка 18. Это также в свою очередь упрощает в целом конструкцию гасителя энергии, так как экран 23 выполнен сферической формы выпуклостью вверх, торцы которого по диаметру отогнуты вниз, и его возможность фиксировать выступами-ограничителями 21 и 22 в верхнем положении. Благодаря повышению гашения энергии потока, улучшаются гидравлические условия работы дополнительной камеры гашения, связанной с колодцем и с отводящим лотком с отводящим трубопроводом. Такое направление истечения ослабляет выход напорного потока воды в дополнительную камеру 4 гашения с отводящим лотком 18, что приводит к выравниванию в них эпюры относительной скорости и эпюры давления и в конечном итоге гасит кинетическую энергию потока.
Особенность предлагаемого изобретения заключается в его простоте конструкции и использование его сокращает затраты гасителей энергии воды, а следовательно, повышается надежность гасителя энергии водного потока, кроме того, расположение самого колодца и линейных размеров поперечного сечения его с расположением напорного водовода, вызывает гашение на его изгибах и по длине канала напорного водовода, где все колебания скоростей воды также распространяются в расширяющимся в выпускном канале 11 и направляющими 12 и 13 пластинами, что аналогично процессу работы в расширительной камере 9. Это способствует в целом увеличению надежности гасителя энергии водного потока.