СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ПОТОКА В ОТКРЫТОМ КАНАЛЕ
FLOW MODE CONTROL METHOD IN THE OPENED CHANNEL

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к устройствам гашения потока воды для открытых каналов.
Известно устройство для гашения энергии потока воды, включающее, расположенный между подводящим и отводящим водоводом с вертикальными стенками и отводящим каналом расширяющийся в плане водобойный колодец с вертикальными стенками и порогом, оно снабжено двумя уступами, каждый из которых примыкает к одной из стенок колодца в начальной его части и выполнен с верхней плоской гранью, боковой вертикальной гранью, расположенной в одной плоскости со стенкой подводящего водовода, и передней гранью, выполненной с уклоном, в сторону отводящего канала (Авторское свидетельство SU №1341326, Е2В 8/06 от 30.09.1987).
Недостатком данного устройства является наличие сосредоточенного в центральной части устройства потока, поступающего в отводящий канал и являющегося источником повышенной пульсации скоростей, опасных для устойчивости ложа канала, так как при движении струй в сторону основного потока они натекают на уступы и оказываются над поверхностью потока, и, соударясь, только затем направляются в отводящий канал. При отсутствии перекрытия струи, ударяясь о порог в колодце, создают в его центральной части восходящие токи, экранирующие выход потока из водобойного колодца в центральной части, создавая таким образом неравномерное течение в отводящем канале, затягивающее время переходного процесса.
Известен также узел соединения открытых водотоков, включающий подключенный к транзитному каналу подводящий канал и струенаправляющее устройство, выполненное в виде вертикальных стенок, при этом стенки установлены напротив подводящего канала в ряд, ориентированный вдоль транзитного канала, параллельно между собой и под углом 20…30° к оси транзитного канала, причем стенки от поводящего канала в сторону оси транзитного канала выполнены с уменьшающейся высотой (Авторское свидетельство SU №1511329, Е02В 13/00 от 30.09.1989).
Недостатком известного узла соединения открытых водотоков является различное, не согласованное ориентирующее действие на выпуск потока непосредственно в транзитный канал, при котором отметка дна не совпадает с отметкой дна подводящего канала, т.е. узел работает на разных высотных отметках с перепадом колодца. Кроме того, узел соединения открытых потоков ориентирует принцип работы только на закручивание и соударение струй потока в сторону оси канала, а средний из них поток делится растекателем и направляется навстречу боковым потокам. В результате этого в зоне местного сопротивления возникают энергоемкие вихри нестационарности, затягивающие время переходного процесса. Накопление энергии в вихрях нестационарности происходит в период переходного процесса. Эти вихри имеют доминирующее вращение в плоскости, перпендикулярной направлению течения. Сам процесс образования вихрей нестационарности в местном сопротивлении получил название явления гидравлической индукции.
Таким образом, весь процесс происходит при установлении местного сопротивления определенной конфигурации. Вид местного сопротивления, так же как и форма гасителя, выбирается в зависимости от конкретной задачи.
Наиболее близким по технологической сущности является способ - гаситель энергии потока для открытых каналов, состоящий из формирования в откидном канале течений, причем течения формируют группой струенаправляющих элементов устройства, которое включает канал-быстроток с облицованными стенками и днищем и волногаситель, выполненный в виде вертикальных стенок, установленных параллельно стенкам канала-быстротока, между вертикальными стенками выполнен вертикальный продольный потоконаправляющий элемент в виде бычка длиной, большей длины вертикальных стенок, которые равны по высоте со стенками канала, с обтекателем в нижней части, делящим на два рукава с равными входными поперечными сечениями, расположенным относительно концевых участков вертикальных стенок, причем стенка потоконаправляющего элемента по оси канала выполнена с равной высотой канала, при этом боковые стенки канала выполнены с кольцевыми камерами гашения, а нижний конец вертикальных стенок снабжен плоским вертикальным затвором, шарнирно прикрепленным к торцу вертикальной стенки, расположенным диаметрально противоположно свободному промежутку между потоконаправляющим элементом, при этом концевой участок обтекателя имеет выпуклую форму, а боковые стенки канала дополнительно снабжены плоскими вертикальными затворами в виде выступов-ограничителей, обращенных к обтекателю (патент RU №2551992, F02B 8/06 от 18.03.2014).
Недостатком данного устройства является, хотя оно существенно снижает выходные скорости, то, что имеются большие потери напора в ниже размещенном водоводе, тем самым повышается наполнение канала, и необходимо будет наращивать надводный запас высоты борта канала непосредственно в узле гашения энергии потока. Кроме того, управление потоком обеспечивает в нижнем бьефе только дополнительно струенаправляющая система, выполненная в виде плоских вертикальных затворов с осями вращения, установленных напротив обтекателя, за которым поток вновь выходит общим потоком. Однако за выступом обтекателя образуется вакуумная зона, которая влияет на формирование соединения гидравлических струй, образуя общий поток по ширине отводящего канала (водовода). Эта структура формирования потока характеризуется внешними и внутренними границами гидравлической структуры струи, взаимодействующими за обтекателем, расположенным между дополнительной струенаправляющей системой, при этом она недостаточно эффективна в работе при слиянии двух потоков по центру водоотвода. Протяженность и направленность по активному течению потока еще недостаточно надежна, т.е. вне зоны расширения потока.
Целью изобретения является повышение эффективности работы путем уменьшения выходного подпора и обеспечения возможности регулирования угла диффузорности при различных режимах работы канала и исключения угловых застойных зон.
Технический результат решения упомянутой задачи достигается тем, что в способе управления режимом потока в открытом канале, предусматривающем использование  канала-быстротока с облицованными стенками и днищем, формирование в непосредственной близости от зоны влияния потоконаправляющих элементов, установку вертикальных стенок, при этом боковые стенки канала дополнительно снабжены вертикальными щитами с возможностью поворота в виде выступов-ограничителей в сторону движения потока, согласно изобретению гидравлическую структуру формируют ниже по течению непосредственно между боковыми стенками канала, потоконаправляющие элеметы выполняют посредством переходного участка регулятора в виде поворотных щитов, одна вертикальная кромка которых закреплена на оси вращения, а другая кромка соединена с приводом их горизонтального перемещения и с направляющей с возможностью размещения в боковой нише, выполненной в боковой стенке канала, при этом угловое соединение щита с направляющей шарнирно соединяют дополнительно с потоконаправляющими элементами в виде щитков, выполненных составными из среднего и боковых звеньев, соединенных посредством шарниров друг с другом, причем крайние боковые звенья каждого щитка шарнирно соединены с боковой стенкой канала в сторону струенаправляющей системы в виде вертикальных жалюзи, соединенных с приводом их перемещения в сторону направления течения потока.
Кроме того, угловое соединение щита с направляющей присоединено дополнительно с потоконаправляющими элементами в виде щитков, выполненных составными из звеньев, образует на выходном участке зону полного расширения перед струенаправляющей системой в виде вертикальных жалюзи.
Кроме того, при расширении потока по ширине канала предварительно сужают ширину канала, в месте которого формируется вначале сжатие потока для регулирования скоростного режима потока, а затем он расширяется по форме диффузорной камеры, образуя угол раструбности камеры 40…60°.
Кроме того, верхний конец поворотного регулятора в виде щита с направляющей со стороны течения воды в канале выполнен горизонтальным козырьком в одной высотной плоскости со стенкой подводящего канала.
Таким образом, в предложенном способе происходит перераспределение удельных расходов вдоль фронта гидравлического прыжка и гашение избыточной кинематической энергии бурного потока, т.е. можно снизить выходные потери в водоводе, обеспечить наименьшие потери напора в диффузорной камере, а следовательно, повысить эффективность работы водовода (канала). Кроме того, из-за равномерности распределения удельных расходов после выхода из диффузорной камеры происходит уменьшение скорости потока на выходе из струенаправляющей системы в виде вертикальных жалюзи, а значит, это позволяет уменьшить толщину крепления дна отводящего канала, а, следовательно, сократить объем бетона, расходуемого на крепление.
На чертеже представлена принципиальная схема способа управления режимом потока в открытом канале.
Способ осуществляется в следующей последовательности. В канале-быстротоке 1 с облицованными стенками 2 и с плоским дном выполняют устройство 3 для регулирования скоростного режима, выполненного в виде вертикально установленных щитов 4, одна вертикальная кромка которых закреплена на оси 5 вращения, а другая кромка соединена с приводом их горизонтального перемещения (не показано). Нижняя по течению кромка щита 4 снабжена направляющей 6, а сверху щиты 4 снабжены козырьками 7 в сторону течения воды. Направляющая 6 имеет возможность перемещения в боковой нише 8, выполненной в береговой части канала 1 (стенки 2).
Угловое соединение щитов 4 и направляющих 6 шарнирно соединяют дополнительно с потоконаправляющими элементами 9 в виде щитков 10, выполненных составными из среднего 11 и боковых 12 звеньев, соединенных посредством шарниров 13 друг с другом, при этом крайние боковые звенья 12 каждого щитка 10 шарнирно соединены с боковой стенкой 2 канала 1 (место крепления может быть регулируемо с дополнительно передвижным устройством - не показано).
Потоконаправляющий элемент 9 занимает положение в работе по форме диффузорной камеры 14, образуя угол раструбности камеры 40…60°. Отсутствие угловых зон создает благоприятные гидравлические условия, при которых потери напора наименьшие перед струенаправляющей системой, выполненной в виде жалюзи с приводом их перемещения (не показано). В сечении полного расширения в конце дифузорной камеры 14 растекающего бурного потока он непосредственно поступает между вертикальными жалюзи 15 в отводящий канал 16 (водовод). Количество вертикальных жалюзи 15 устанавливают расчетом на стадии проектирования, которое зависит от ширины и расходных характеристик канала 1. Вертикальные жалюзи 15 выполняют облегченными в виде пластин, снабженных поперечными ребрами жесткости, которые выполнены также из пластин (не показано) и установлены вдоль направления течения потока.
Способ управления режимом потока в открытом канале осуществляется следующим образом.
Поток воды, поступающий по каналу 1, предварительно сужают по ширине канала 1. При этом добиваются повышения средней скорости истекающего потока в суженной его части между щитами 4 с козырьками 7, прикрывающими частично поток сверху, далее формируют посредством дифузорной камеры 14 растекание потока перед вертикальными жалюзи 15. Потоконаправляющие щитки 10 занимают положение, образуя угол раструбности камеры 40…60°. Отсутствие угловых зон создает благоприятные гидравлические условия, при которых потери напора остаются небольшими и поток подходит к струенаправляющей системе, выполненной вертикальными жалюзи 15, установка направления с помощью привода (не показан) позволяет поучить равномерное распределение с пониженными удельными расходами и скоростями, а в целом это приводит и к равномерному распределению удельных расходов и местных скоростей по ширине отводящего канала 16, что уменьшает или предотвращает полностью возможность образования локальных ям размыва дна отводящего канала, т.е. повышается устойчивость сооружения в целом. Промывка наносов обеспечивается даже при пропуске расходов ниже расчетных. Таким образом, с выполненным устройством для регулирования скоростного режима с оптимальным углом диффузорности работы щитков, выполненных из составных звеньев и жалюзной системы, осуществляется комплексная компоновка процесса работы управления режима потока в открытом канале, и это позволяет также регулировать пропускную способность как в переходном участке регулятора, так и в диффузорной камере перед жалюзной системой. Благодаря этому образуется направленное движение воды в отводящем канале, поток которого практически максимально приближается к равномерному, и это способствует возможному забору воды потребителю. Тем самым существенно увеличивается эффективность управления потоком в отводящем канале и увеличивается его производительность с обеспечением уменьшения размыва отводящего канала. Таким образом, осуществление предлагаемого способа предусматривает выполнение последовательных операций: установка на пути нестационарного потока жидкости, в котором требуется погасить энергию, местного сопротивления для образования в нем сначала подъема вихрей нестационарности, далее установка за местным сопротивлением устройства, предназначенного для разрушения образованных в местном сопротивлении вихрей нестационарности, а в конечном итоге для получения равномерного распределения удельных расходов в плане по ширине отводящего канала, например, для забора воды из него потребителю.
В целом изобретение существенно упростит компоновку устройства для регулирования скоростного режима в канале и повысит надежность его работы.