ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
DISSIPATING DEVICE OF WATER FLOW

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для гашения энергии водного потока в различных водосбросных сооружениях.
Известен высоконапорный глубинный водосброс, выполненный в виде трубы и снабженный сужением на конце ее напорной части, сужение выполнено в виде выступов пирамидальной формы, установленных по периметру трубы, с высотой по диаметру не более его четверти и углом наклона водорезного ребра не более 15° к продольной оси трубы (Авторское свидетельство СССР №905362, кл. Е02В 8/06, 1982).
Это устройство обладает низкой эффективностью гашения энергии потока, так как не обеспечивается взаимное вращение струй и не исключается ударное воздействие их на элементы крепления отводящего русла. Кроме того, размах колебаний в конечном створе устройства, т.е. в конце участка растекания воды, вновь создает волновые движения вследствие большой скорости потока за выступами и вызывает необходимость применения дорогостоящих средств защиты откосов отводящего русла (канала).
Известен также вихревой гаситель энергии потока, включающий горизонтальный участок водовода, установленные в конце его и расположенные по периметру носки-трамплины, и расширение водовода, которое выполнено в виде кольцевой камеры гашения, а носки-трамплины расположены симметрично относительно вертикальной оси выходного сечения водовода так, что нижний носок-трамплин расположен диаметрально противоположно свободному промежутку между боковыми носками-трамплинами, при этом нижний носок-трамплин выполнен прямоугольного сечения, а боковые - треугольного (Авторское свидетельство СССР №1030479, кл. Е02В 8/06, 1982).
К недостаткам данного гасителя относятся неполное использование внутреннего объема кольцевой камеры для гашения водной энергии при переменных расходах в напорном водоводе, поскольку в нем установлены только носки-трамплины в выходном сечении водовода. В результате этого работает только часть выходного участка водовода, расположенного при расщеплении потока на выходе в кольцевую камеру, при этом последняя обладает низкой эффективностью гашения энергии волнового потока, так как кольцевые камеры мало влияют на волновой поток при выходе в отводящее русло.
Цель изобретения - повышение эффективности работы в условиях переменных расходов воды.
Поставленная цель достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, включающем горизонтальный участок водовода, расширение водовода, выполненное в виде кольцевой камеры гашения, камера гашения снабжена закрепленными продольными стенками на дне дополнительной прямоугольной камеры гашения в виде двух вертикальных водосливных перегородок параллельно стенкам ее, а на выходном участке кольцевой камеры - конфузорно под углом одна к другой, при этом верхний конец стенок конфузора имеет загнутую по радиусу стенку, установленную с зазором к противоположно свободному промежутку между боковой стенкой камеры, при этом нижний конец вертикальных перегородок, в сторону отводящего русла, расположен перед промывной галереей, боковые стенки над ней выполнены с криволинейной напорной гранью, причем последние сопряжены с выходным порогом галереи, и верхняя часть его снабжена горизонтальной полкой и плоским затвором на отводящем трубопроводе во входной его части. При этом верхний конец стенок конфузора, установленного во входной части кольцевой камеры, выполнен диаметром сечения, большим диаметра подводящего водовода, а нижний - выполнен меньшим диаметром сечения отводящего русла.
Такая конструкция гасителя энергии водного потока благодаря установленным в дополнительной прямоугольной камере на дне продольным стенкам конфузорно под углом одна к другой перед отводящим руслом и промывной галереей делит волновой поток в кольцевой камере при наличии  сужающей центральной части в прямоугольной камере. Ввиду того что подпор воды между ними превышает удельные расходы в дополнительной камере, скорость продвижения всего потока затормаживается, часть потока задерживается в кольцевой камере, поступает через уступ и далее через промежутки ее боковых стенок, закручивается в загнутых стенках в начале конфузора и поступает в боковые каналы прямоугольной камеры гашения. Часть потока, обладающая повышенной удельной энергией, поступает через переливные продольные стенки также в боковые каналы прямоугольной камеры. В результате этого скорость потока воды по мере движения снижается. В концевой части продольных стенок боковые каналы также сужаются к центральной части благодаря наличию боковых криволинейных стенок над галереей, сопряженных с порогом отводящего русла. В этой части камеры соединяющиеся струи образуют безотрывное течение в отводящем русле. В процессе гашения энергии также участвует весь объем промывной галереи перед входной частью отводящего русла. Происходит дополнительный эффект гашения избыточной кинетической энергии воды в галерее в сторону отводящего русла, и поток приобретает параллельно-струйное движение, т.е. позволяет более равномерно сохранить движение потока по длине отводящего русла. Порог галереи, снабженный горизонтальной полкой выше дна прямоугольной камеры, препятствует вертикальному движению части потока в галерее вверх, отразившегося от дна ее при винтообразном вращении воды в ней, чему также способствует и наличие криволинейной боковой стенки над ней, и наносы по мере накопления отводятся потоком через отверстие в галерее и отводящую трубу. Конструкция гасителя не чувствительна к наличию в пропускаемом потоке мусора, наносов и длинномерных предметов.
На фиг.1 изображен гаситель энергии водного потока, вид сверху; на фиг.2 - то же, разрез А-А на фиг.1.
Устройство содержит водовод 1 с уступом 2 в кольцевой камере 3, сопряженной с дополнительной прямоугольной камерой 4, в которой установлены разделительные переливные продольные стенки 5, имеющие излом. Разделительные стенки 5, сближаясь, образуют центральный 6 и боковые 7 каналы неодинаковой ширины, в конце стенок 5 устанавливается промывная галерея 8 с переходными криволинейными стенками 9, расположенными над боковыми стенками галереи 8. Дно галереи 8 сопряжено через отверстие с трубопроводом 10 грязной воды с плоским затвором 11. Выходной порог 12 галереи 8 расположен выше дна 13 камеры 4 и выполнен с горизонтальной полкой 14 в верхней части длиной (0,15-0,20)L, где L - длина галереи, и сопряжен с дном отводящего русла 15. Высота боковых стенок камер 4 после кольцевой камеры 3 уменьшается. При этом на выходном участке кольцевой камеры 3 верхний конец продольной стенки 5 имеет загнутую по радиусу стенку 16 с зазором к противоположно свободному промежутку между боковыми стенками кольцевой камеры 3 с углом охвата более 120° и стенка 16 сопряжена с уступом 2 водовода 1. Кроме того, установленные переливные стенки 5 закреплены на дне камер 3 и 4 соосно выходному  участку кольцевой камеры, причем верхний конец стенок конфузора, установленный во входной части кольцевой камеры 3, выполнен сечением диаметра, большим диаметра подводящего водовода 1, а нижний - выполнен соосно в сторону отверстия отводящего русла 15. Угол излома перегородок α≤10-13° принят из условия исключения образования косых прыжков в сужающемся канале 6 и прямолинейного движения в сторону отводящего русла 15 с переходными криволинейными стенками 9, расположенными у стен галереи 8. Длина участка сближения перегородок зависит от соотношения пропорции распределения расхода по ширине центрального 6 и боковых 7 каналов в камере 4, соответственно, связана с длиной перегородок конфузора, а также последнего с шириной кольцевой камеры 3 (геометрические размеры подбираются расчетом, не показано). Для изменения расхода воды через отверстие промывной галереи 8 от наносов служит плоский затвор 11. В практике гидротехнического строительства параметры промывной галереи должны иметь квадратное или круглое поперечное сечение, на которые можно ориентироваться при назначении размеров галереи, при этом в условиях бурного потока промывной расход может стабилизироваться для различных открытий плоского затвора 11, т.е. автоматический сброс грязной воды независимо от изменения уровня (расхода) в предложенном сооружении.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Поток воды поступает из подводящего водовода 1, далее поступает на уступ 2 и в кольцевую камеру 3, через конфузор направляет его в сужающийся центральный 6 и расширяющиеся 7 каналы. Ввиду того что поток воды ограничен сужением стенок 5 центральным каналом 6, образуется подпор в верхнем бьефе. Вследствие этого часть воды с уступа 2 поступает в зазоры между свободными промежутками боковой стенки кольцевой камеры, вновь сужается в сторону выхода воды в боковые 7 каналы. Данная часть потока, встречая на своем пути преграду в виде загнутого конца по радиусу стенки 16 ниже уступа, закручивается. А другая часть потока, переливаясь через стенки 5, поступает в боковые 7 каналы, где соединяется. Донные наносы интенсивно сдвигаются к отверстию галереи 8 под горизонтальную полку 14 размещенной выше дна 13 камеры 4 и далее выносятся в отводящий трубопровод 10, что не влияет на работу русла 15. Наносы, осевшие на дно галереи 8 при закрытом затворе 11, могут промываться периодически путем открытия затвора 11.
Увеличение расходов поднимает уровень в центральном канале 6 и начинается больший перелив через стенки 5, а также увеличивается подпор на уступе 2, соответственно в начале конфузора, начинается большее обтекание верхнего конца стенок 16, встречая на своем пути загнутую по радиусу стенку, поток больше закручивается. Таким образом, увеличивается расход и скорость воды и, как следствие, соударение потоков. Возрастает гидродинамическое давление под полкой 14, где также приобретает вихревое движение, тормозящее движение между слоями воды, т.е. нижнего слоя потока воды, проходящего над галереей 8 и имеющего переходные криволинейные стенки 9 у стен галереи, сопряженные с отверстием отводящего русла 15.
Вследствие суммарной всей генерации как перепад вихрей, так и переливающейся воды через стенки 5 в боковые каналы 7 происходит гашение энергии соединяемых потоков в начале отводящего русла 15. Кроме того, полка 14, выполненная в верхней части уступа 12 выше дна 13 камеры 4, предохраняет от распространения по отводящему руслу также волнений, возникающих при изменении общего расхода и при соударении потока под полкой 14, с образованием в галерее 8 воздушного винтового движения (вращения) потока воды.
Таким образом, поток делится на части, одна из которых направляется в его сужающий центральный канал, соосно направленный в сторону подводящего водовода с уступом, за счет интенсивного соударения частей потока происходит эффективное гашение избыточной кинетической энергии водного потока. Предлагаемый гаситель может эффективно работать в уловителях малого заглубления дна камер гашения относительно дна отводящего русла, что особенно важно в условиях производства работ для исключения глубоких колодцев, стоимость которых достигает не менее 30% стоимости самого сооружения. Конструкция гасителя не чувствительна к наличию в пропускаемом потоке мусора, наносов и длинномерных предметов. Создаются условия соединения двух и более потоков, выходящих из камер гашения, предотвращаются выплески воды в отводящем русле, равномерно распределяя расход воды по ширине русла, что уменьшает возможность образования локальных размывов его дна.