ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ДЛЯ НАПОРНОЙ КАНАЛИЗАЦИОННОЙ СЕТИ
FLOW ENERGY DAMPER FOR DISCHARGE SEWERAGE

Изобретение относится к устройствам для отвода сточных вод канализационными сетями, транспортирования гравитационными водоводами и магистральными водопроводными сетями питьевой воды и может быть использовано в системах мелиорации и гидротехнических сооружений.
Одним из ответственных звеньев в напорной канализационной системе являются водобойные колодцы (шахты), призванные регулировать скорость перемещения водного потока по трассе трубопроводов.
На трассах большой протяженности поток может развивать большую скорость, как правило, это относится к магистральным трубопроводам.
Принцип работы напорной канализации заключается в том, что стоки сначала собираются в накопительный резервуар, а оттуда уже транспортируются с помощью насоса. Эта емкость располагается на такой отметке, чтобы сточные воды могли попасть в нее самотеком - это отстойники.
На участке трубопровода, от насосной станции до точки врезки, поток воды обычно и развивает наибольшую скорость. Перед входом автономного трубопровода в центральную магистраль размещают смотровой колодец, с которым совмещают водобойный колодец, который и выполняет функцию гасителя.
Колодцы-гасители регулируют поток, меняя скорость его движения, но в то же время необходимо учитывать при потере напора, что может случиться подтопление системы. В таких системах расчет скорости потока достаточно сложен, который рассчитывается по формулам гидравлики - это: плотность, динамическая и кинетическая вязкость воды и воздуха, протяженность трасы, диаметр труб, расход воды и радиусы поворотов.
Так, например, при входящей скорости 1,5 м/с, снижение напора на 15…20% можно считать допустимым.
Следует отметить, что канализационный трубопровод может самостоятельно очищаться от осадка, что зависит от скорости движения потока. Уменьшение энергии потока в перепадном колодце происходит за счет увеличения его глубины. В гидравлическом прыжке напор потока гасится в толще воды, находящейся в нижней части, называемой бьеф. Если это недостаточно, то во внутренней полости колодца устраиваются дополнительные гасительные устройства, где поток теряет свою повышенную скорость.
Актуально сейчас стало применение полимерных емкостей-гасителей. Качество современного пластика таково, что он может и не уступать в прочности классическим материалам, по устойчивости к температурным перепадам - даже превосходить.
Полимерные перепадные колодцы - явление относительно новое, которое внедряется уже в производство канализационных сетей. Это связано с небольшим весом емкости, колодец легко можно установить и подручными средствами, без применения грузоподъемной техники. Цена таких устройств мала по сравнению с традиционными емкостями-колодцами. Другим преимуществом таких сооружений является то, что отсутствует необходимость вырубки отверстий для вхождения трубопроводов - они уже заранее предусмотрены производителем, но для этого необходимо знать диаметр трубопровода. Кроме того, все элементы легко и герметично можно соединить между собой.
Перепадные колодцы и камеры гашения потока подразделяются на:
шахтного типа с перепадом;
выполненных по типу известных сопрягающих сооружений;
колодцы, гашение энергии в которых основано на соударение струй воды со стенкой сооружения или в результате разделения потока в основном колодце.
Известен канализационный перепад, выполненный в виде вертикальной канализационной шахты с подающим коллектором и водобойным колодцем, размещенным в ее основании, вертикальной стенкой с выступами, расположенными в шахматном порядке и направленными в сторону подводящего коллектора, причем выступы расположены под тупым углом один к другому, на лобовой поверхности выступов предусмотрены криволинейные винтообразные направляющие, переходящие в кондукторы, размещенные по высоте между выступами и выполненные в виде спирали из полосы листовой пружинистой стали, внутри которой размещена виброловушка формой в виде ласточкиного хвоста, соединенная у основания шахты с кольцевой канавкой и со сборником загрязнений (Патент RU №2149958, E03F 5/00, E03F 5/02, E02B 8/06 от 27.05.2000).
Недостатком данного перепада является то, что он усложнен конструкцией с наличием вертикальной стенки, криволинейных винтообразных направляющих, переходящих в кондукторы, выполненные в виде спирали, а также имеющих виброловушки. Кроме того, на дне шахты возникает при сопряжении подводящего коллектора соударение струй, что недостаточно гасит энергию потока и не снижает придонные скорости перед выходом потока в отводящий коллектор, а это создает волновые поверхностные явления, что снижает гидравлические условия работы отводящего коллектора. Таким образом, все это приводит к удорожанию канализационного перепада с применением классических дорогостоящих материалов и не учитывает применение полиэтиленовых колодцев в современных условиях в целом.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является канализационный перепад, содержащий вертикальную шахту с установленными по высоте в шахматном порядке ступенями и с разделительной стенкой, вертикальные каналы для подачи воздуха под ступени, подводящий и отводящий коллекторы, при этом вертикальные каналы размещены в разделительной стенке, выполнены открытыми и под каждой из ступеней вертикальной шахты (Авторское свидетельство SU №1775534, E03F 5/00 от 15.11.1992).
Недостатком канализационного перепада является то, что между ступенями отсутствует заметное в большей степени вращение, которое бы приводило к частичному гашению потока на каждой из ступеней в отдельности, т.е. образуется распластанность падающего потока воды в сторону дна шахты, причем энергия потока по пути его движения с верхнего бьефа в нижний бьеф гасится, в основном, только за счет сопротивлений горизонтальных ступеней. Кроме того, сточная вода растекается по всей площади горизонтальных ступеней, что также значительно осложняет их возможность полностью гасить энергию водного потока. При этом дополнительное поступление воздуха создает пробковое явление течения в отводящем коллекторе, а это может вызвать гидравлический удар по длине трубопровода. Другим недостатком является то, что при обтекании уступа ступени и под дном ее образуется вакуум, плохо влияющий на работу шахты, особенно при изменении расхода от минимального до максимального в направлении к дну шахты (колодца). Это приводит к уменьшению пропускной способности шахты, при этом возникают большие прыжковые явления при повороте воды по высоте шахты, которая работает с не полным внутренним сечением. Кроме того, это устройство создает сложность в эксплуатации. Все это снижает эффективность и надежность гашения водяного потока.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение процесса гашения кинетической энергии разделяемого потока за счет последующего соединения закручиваемых во взаимно противоположных направлениях его частей и соударение с падающей струей между ступенями и уменьшения материалоемкости.
Технический результат достигается тем, что в гасителе энергии потока для канализационной сети, содержащем вертикальную шахту с подводящим коллектором, установленные по высоте в шахматном порядке ступенями и отводящий коллектор, ступени снабжены струенаправляющей системой в виде вогнутой напорной грани изогнутой вверх стенки сверху каждой ступени и установленной дополнительно направляющей наклонной полки снизу под каждой ступени с частичным перекрытием по высоте проходного сечения шахты и с зазором к каждой вогнутой напорной грани, выполненных в виде сужающего по высоте шахты зигзагообразного перепада в сторону дна его, при этом каждая вогнутая напорная грань выполнена водопропускным поперечным щелевым отверстием и камерой, а дно шахты имеет уклон в сторону отводящего коллектора и совпадающего с отметкой дна шахты.
Кроме того, со стороны подводящего коллектора установлен наклонный козырек.
Выполнение гасителя энергии потока для канализационной сети из взаимосвязанных элементов способствует гашению водного потока за счет наличия ступеней, имеющих вогнутую напорную грань изогнутой вверх с наклонным водовыпускным щелевым отверстием для каждой ступени, а также основание наклонной полки прикреплено снизу к каждой ступени, сопровождающих интенсивное перемешивание на каждой ступени по высоте шахты, при интенсивном соударении струй происходит эффективное остаточное гашение избыточной кинетической энергии водного потока. Такой подход к конструкции сооружения может увеличить расход сточной воды на 15…20%. Комбинация напорного и винтового режима и послужила для создания нового технического решения, поскольку уменьшена тенденция отрыва падающего потока от стенок ступеней внутри шахты, т.е. экономия пространства, одновременно учитывается и снижение в шахте и в отводе кавитации. Экономическая эффективность предлагаемого сооружения заключается в замене перепадного колодца из сборного железобетона на современное производство из полиэтилена для канализационных сетей, который обусловлен небольшим весом в виде шахты, и таким образом, цена изделия играет немаловажную роль, отсутствуют затраты по необходимости герметизации стенок по сравнению с бетонными и кирпичными шахтами (колодцами).
На фиг. 1 изображен гаситель энергии потока для напорной канализационной сети, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение 1-1 вогнутой напорной грани ступени вогнутой вверх с наклонным водовыпускным щелевым отверстием.
Гаситель энергии потока для напорной канализационной сети состоит из шахты 1, подводящего коллектора 2 и отводящего коллектора 3. Шахта 1 по высоте выполнена перепадными ступенями 4 в виде горизонтальных полок, установленных в шахматном порядке по боковым ее стенкам.
Каждую ступень 4 в этом случае снабжают струенаправляющими элементами в виде вогнутой напорной грани 5 изогнутой вверх стенки, образуя камеру 6, стенка напорной грани 5 имеет наклонное поперечное водопропускное щелевое отверстие 7, соединяющее образовавшуюся полость в виде камеры с вогнутой напорной гранью над ступенью 4, и щелевое отверстие 7 направлено в сторону противоположной стенки шахты 1. Обычно угол поворота напорной грани 5, изогнутой вверх, составляет меньше 180°.
К нижней плоскости под ступенью 4 закреплена дополнительно наклонная полка 8, обеспечивая направление части падающего потока под углом в сторону, противоположную к вогнутой напорной грани 5 следующей ступени 4. Одновременно открываются просветы между напорной гранью 5 и наклонной полкой 8, ориентированных по высоте шахты 1 в сторону ее дна. При этом внутри шахты 1 со стороны выходной части оголовка подводящего коллектора 2 закреплен наклонный козырек 9 (или плита). Дно 10 шахты 1 выполнено с уклоном и совпадает с отметкой дна отводящего коллектора 3, где поток из струй соединяется в один общий поток.
Гаситель энергии потока для напорной канализационной сети работает следующим образом.
Сточная вода из подводящего коллектора 2, ударяясь о наклонный козырек 9, поступает в шахту 1, далее поступает часть воды в полость напорной вогнутой грани 5 в виде камеры 6, где создает закручивание потока. Из камеры 6 часть воды проходит через щелевое отверстие 7 и соударяется навстречу с основной частью воды, падающей сверху, при этом из камеры 6 оставшаяся часть воды переливается через поверхность грани 5 и смешивается также с основной частью ранее разделенного потока воды. При этом гашение энергии потока воды происходит не только в камере 6 за счет закручивания его в каждом лабиринте струенаправляющих элементов, но и за счет соударения встречных струй между собой на выходе перепадных лабиринтов с основным встречным потоком. Степень сопротивления повышается сужением свободного проходного сечения между ступенями 4 по высоте шахты 1 и создает изменение гидравлическими сопротивлениями также и самого потока, оказываемого струенаправляющими элементами внутри шахты 1. Устройство дополнительных наклонных полок 8 под ступенями 4 имеет небольшие размеры по ширине ступени и дешевле, по сравнению, если бы вместо нее вводили какие-либо гасительные устройства в свободном пространстве в сторону направления к напорной с вогнутой гранью 5 камеры 6. Таким образом, полость шахты 1 заполняется большим расходом сточных вод при отсутствии ввода воздуха снизу под каждую ступень, а также без применения каких-либо сложных перегораживающих гасительных элементов.
Вогнутая напорная грань 5 камеры 6 и наклонной полки 8 не позволяет оседать также твердым частицам как при закручивании потока в камере 6, так и при поступлении на наклонную полку 8, они свободно поступают вниз на дно 10 шахты 1.
При достижении потоком последней ступени вода проходит в основном через струенаправляющие элементы, которые выполнены сверху и снизу ступеней, выполненных горизонтальными полками. В результате, происходит равномерное заполнение полости шахты по высоте и полное гашение кинетической энергии, далее поток воды поступает в отводящий коллектор.
Особенность предлагаемого изобретения заключается в том, что повышение эффективности и надежности гашения кинетической энергии разделяемого потока и вновь соединяемого проходит в шахте, в которой закреплены ступени со струенаправляющими элементами и с водовыпускными поперечными щелевыми отверстиями в напорной стенке каждой камеры, и так до конца в сторону наклонного дна шахты, увеличивается пропускная способность и смыв твердых частиц в канализационном перепаде (шахте). Таким образом, более рационально используется площадь шахты.