ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW ENERGY SUPPRESSOR

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для гашения водного потока в концевых устройствах закрытых трубопроводов и туннельных водопропускных сооружений.
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 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 потоков в смесительной камере в основном отходят от центра камеры, образуется распластанность вращающегося 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 недостатков конструкции, при этом оно громоздко и, как следствие, материалоемко.
Известна конструкция гасителя энергии водосбросного устройства, включающая подводную трубу, конически 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 стена 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).
Недостатки известного устройства: сложность и, как следствие, большая материалоемкость, а это ведет к усложнению эксплуатационной надежности, т.е. дополнительно имеет подпорные сооружения для полного гашения потока. Кроме того, у этого устройства недостаточная совершенность гидравлических местных сопротивлений при закручивании потока.
Наиболее близким к предложенному по назначению, технической сущности и достижению результату является гаситель энергии водного потока, характеризующийся тем, что он имеет горизонтальный участок водовода в виде подводной трубы, в концевом вертикальном расширении которой размещен вертикальный колодец, образованный наклонными участками, завихритель потока, при этом колодец в верхней части имеет дополнительную камеру гашения, в которой над пережимом колодца размещен завихритель потока, выполненный в виде турбины винтолопастной с возможностью вращения относительно своей оси и прикрепленной к проходящему через уплотнение в крышке колодца прикрепленному в верхней части механизму изменения положения турбины, причем дополнительная камера гашения имеет внутреннюю кольцевую горизонтальную полку, закрепленную выше турбины с кольцевым зазором над турбиной, кроме того, колодец в верхней части с внешней стороны имеет отводящий лоток, при этом дно отводящего лотка соединено с отводящим трубопроводом, имеющим регулирующую задвижку (Патент RU №2701298, Е02В 8/06 от 25.09.2019).
Недостатком известного гасителя является недостаточная интенсивность гашения кинетической энергии потока из-за переменных скоростей вращения только самого в работе завихрителя в виде турбины винтолопастной. Кроме того, необходимо менять давление над пережимом колодца с помощью высотного (вертикального) положения завихрителя потока с помощью винтового механизма, а значит, в расширяющейся в верхней камеры ослабевает вращение воды, снижает диапазон изменения крутящего момента, передаваемых от лопастей турбины винтолопастной, зависящей от напора воды, поступающей из подводящего водовода. Это требует к снижению производительности, при этом возможно привести к недостаточному перемешиванию поступающего потока вверх и разрыву сплошности перемешиваемой среды при отсутствии в пережиме конфузора, закрепленного на лопастях тихоходного (дополнительного) колодца. Сам конфузор представляет собой эллипс, у которого отношение длины малой оси к диаметру лопастей тихоходного колодца подчиняется особому условию, и отношение большой длины конфузора в виде эллипса, т.е. к длине малой оси его эллипса. В предложенном устройстве крутящий момент передается от вала к тихоходному (дополнительному) вращающемуся колодцу, создающего зону перемешивания дополнительно воды, поступающей под крышку неподвижного колодца в периферийных (боковой и нижней) частей корпуса основного колодца с выпуклостью вниз. Кроме того, выполнение конфузора, представляющего собой эллипс, заставляет совместно совершать вращательное движение при выполнении приведенных размеров длин осей эллипса конфузора и диаметра колодца, приводящее к дополнительному гашению кинетической энергии потока, и тем самым, к росту производительности в целом.
Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности и снижении придонных скоростей в потоке и упрощение конструкции.
Технический результат достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, характеризующийся тем, что от имеет подводную трубу, конически расширяющийся водовод, завихритель потока, выполненный в виде турбины винтолопастной с возможностью вращения относительно своей оси с механизмом крепления, имеет внутреннюю горизонтальную полку, закрепленную выше с кольцевым зазором над турбиной, кроме того, колодец в верхней части с внешней стороны имеет отводящий лоток, при этом дно отводящего лотка соединено с отводящим трубопроводом, имеющим регулировочную задвижку, согласно изобретению, расширяющая часть колодца выполнена выпуклостью вниз, внутри которого по его сечению установлена дополнительно осесимметрично тихоходная часть вращающегося колодца, с внешней стороны которого равномерно по окружности установлены опорные вращающиеся катки, при этом верхняя часть прикреплена жестко к валу, дно его имеет входное отверстие направленное вниз, соосно отверстию подводной трубы, причем вращающийся тихоходный колодец снабжен приводом его вращения посредством мотора, закрепленного на крышке колодца, завихритель потока в виде турбины винтолопастной закреплен с возможностью вращения свободно относительно своей оси между поперечной лопастью с прикреплением к концу вала, причем лопасть прикреплена к внутренней стенке тихоходной части вращающегося колодца с кольцевым зазором к поперечной лопасти, снабжен конфузором, прикрепленным к поперечной лопасти тихоходной части вращающегося колодца.
м
м
б
м
б
Пример. Конфузор представляет собой эллипс, у которого отношение длины малой оси к диаметру лопастей тихоходной части колодце, подчиняется: D/d=1,15…1,25, где D - длина малой оси эллипса; d - диаметр лопастей завихрителя потока; а отношение длины большой оси эллипса к длине малой оси эллипса подчиняется условию: D/D=1,3…1,6, где D - длина большой оси эллипса.
Выполнение гасителя из взаимосвязанных элементов способствует гашению энергии потока за счет/во-первых, разделение (расщепления) потока в колодце, выполненного с выпуклостью вниз, в полости которого размещен дополнительный осесимметрично установленный тихоходный колодец, верхняя часть которого жесткими стержнями прикреплена к валу, оснащенным мотором; во-вторых, в средней части дополнительного тихоходного вращающегося колодца завихритель потока в виде турбины винтолопастной размещен с возможностью свободного вращения относительно своей оси между поперечной лопастью, прикрепленной к внутренней стенке дополнительной тихоходной части колодца с кольцевым зазором к поперечной лопасти; в-третьих, к поперечной лопасти установлен конфузор осесимметрично с валом вращения, причем конфузор представляет собой эллипс, у которого разные отношения длин, и размеры которого подчиняются условиям вращения турбины винтолопастной; в-четвертых, наружные стенки дополнительно вращающегося тихоходного колодца снизу и сверху снабжены опорными вращающимися катками по внутренней образующей стенки неподвижного колодца, выполненного выпуклостью вниз; в-пятых, дно вращающегося дополнительного тихоходного колодца имеет входное отверстие ориентировано и направлено вниз, соосно отверстию подводной трубы. Кольцевой отражатель закреплен на боковых внутренних стенках тихоходной части дополнительного вращающегося колодца и расположен выше поперечной лопасти с кольцевым зазором с конфузором таким образом, что кольцевой отражатель расположен ниже верхних кромок тихоходной части вращающегося колодца. В целом это снижает скорости. Так как кинетическая энергия воды расходуется на разделение потока в виде струй и их соударения между собой, прежде чем вода поступит выше вращающимся дополнительным колодцем в верхнюю часть неподвижного колодца под крышку, далее - в отводящий лоток с выпускным отверстием, устроенным на уровне, совпадающем с отметкой дна отводящего лотка, дно последнего соединено с отводящим трубопроводом с регулирующей задвижкой. Таким образом, это обеспечивает более полное гашение воды, которая поступает в отводящий лоток. При этом предлагаемое устройство просто по конструкции и позволит повысить эффективность работы гасителя энергии.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически показан гаситель энергии водного потока в разрезе; на фиг. 2 схема конфузора в разрезе.
м
м
м
б
м
б
Гаситель энергии водного потока содержит горизонтальный участок водовода 1, в концевом вертикальном расширении колодец 2 имеет выпуклость вниз и крышку 3, приводной мотор (на чертеже не показан) с валом 4, на котором установлен завихритель потока в виде турбины 5 винтолопастной с возможностью свободного вращения относительно свой оси 6 и размещен между установленной поперечной лопастью 7, прикрепленной к внутренней стенке дополнительно вращающегося тихоходного колодца 8, лопасти 7 выполнены с кольцевым зазором и сами лопасти вращающегося колодца выполнены в виде упругой пластины и имеют осесимметричный с валом поперечный разрез в нижней части отверстия 9. Поперечная лопасть 7 осесимметрично закреплена с дополнительной тихоходной части вращающегося колодца 8 (рамного) выполненного по внутреннему профилю неподвижного колодца 2. Лопасти рамной тихоходной части дополнительно вращающегося колодца 8, выполнены в виде упругой пластины (например, стали, титана, полимера). Имеют в нижней части входные отверстии 9 осесимметричные между собой. С внешней сторон снизу и сверху тихоходной части вращающегося колодца 8 равномерно по его окружности закреплены опорные вращающиеся катки 10. Конфузор 11 имеет форму эллипса, который прикреплен к лопасти 7, с соотношением длины малой оси D конфузора 11 к диаметру d лопасти завихрителя 5, подчиняющегося условию (1): D/d=1,15-1,25 (1), где D - длина малой оси конфузора 11; d - диаметр лопастей завихрителя 5, а подчиняющегося условию (2): D/D=1,3-1,6 (2), где D - длина большой оси эллипса.
При этом кольцевой отражатель 12 (экран) расположен ниже верхних кромок тихоходной части вращающегося колодца 8 над лопастью 7 и завихрителя 5.
Поскольку обеспечивается разделение потока, выходящего из дополнительного тихоходного колодца 8 в верхнюю часть неподвижного колодца выполненного в виде сферы 2 под крышку 3, то в сочетании с предложенными элементами с низкой скоростью потока поступления вверх он под крышкой 3 выходит через выпускное отверстие 13, устроенное на уровне, совпадающем с отметкой дна отводящего лотка 14, соединенного с внешней стороны колодца 2, причем дно отводящего лотка 14 соединено с отводящим трубопроводом 15 с регулирующей задвижкой 16.
Верхняя часть стенок тихоходного вращающегося колодца 8 связана жесткими стержнями 17 с валом 4, а нижняя внутренняя часть стенок его связаны между собой поперечиной в виде жестких стержней 18. Внутренняя стенка вращающегося тихоходного колодца 8 имеет отражатель в виде кольцевой горизонтальной полки 12, ориентированной выше расположения лопастей 7, конфузора 11 и винтолопастной турбины 5, при этом последняя размещена в конфузоре 11, выполненного в виде эллипса для выпуска воды под крышку 3 колодца в виде сферы 2.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Напорный поток из водоподающего трубопровода 1 (водовода) в расширяющейся части дна сферы 2, через осесимметричные отверстия 9 поступает в дополнительный вращающийся колодец 8, выполненный в виде упругой пластины. Включается привод (не показан), начинает вращаться вал 4 с дополнительным тихоходным колодцем 8, создающий зону закручивания потока в корпусе колодца 8. Крутящий момент вращательного тихоходного колодца 8 происходит за счет жестких связей крепления стержней 18 снизу и стержней 17 сверху, закрепленных к валу 4, поток проходит через лопасти 7, конфузора 11, в котором закреплен на конце вала 4 завихритель потока в виде турбины 5 винтолопастной с возможностью свободного вращения относительно своей оси 6. Турбина 5 винтолопастная, свободно вращаясь от напора воды, создает также при этом закручивание потока несколько больше, чем сам вращающийся тихоходный колодец 8 с поперечными лопастями 7 с конфузором 11 одновременно под отражатель 19, в процессе которого происходит интенсивное гашение, т.е. практически полностью гасит свою кинетическую энергию при поступлении в отводящий лоток 14 с выпускным отверстием 13, устроенным на уровне, совпадающем с отметкой дна отводящего лотка 14, дно последнего соединено с отводящим трубопроводом 15 с регулирующей задвижкой 16. Необходимая разность высот воды в колодце 2 и в дополнительном вращающемся тихоходном колодце 8, и в отводящем лоте 14 поддерживается за счет регулирования задвижки 16 на отводящем трубопроводе 15 на уровне, позволяющем затопить поступающий поток воды в отводящий лоток 14. Это снижает поверхностный характер движение воды к потребителю.
б
м
Следует отметить на примере: так как конфузор 11 представляет собой эллипс с отношением размеров длин D и малой D осей и диаметра d лопастей завихрителя потока 5 в тихоходном колодце 8 вращаются с разными скоростями, то зазор между лопастями тихоходного колодца 8 становится, то набольший, когда горизонтальная ось лопастей 7 по отношению быстроходной вращающейся самостоятельно (от напора воды) турбины винтолопастной совпадает с малой осью конфузора 11, то наименьшим, когда горизонтальная ось лопастей быстроходной турбины 5 (завихрителя) совпадает с большой осью конфузора 11. Это вызывает то увеличение, то уменьшение крутящего момента, предаваемого через этот зазор от быстроходной турбины 5 к стенке конфузора 11, в связи к тихоходному вращающемуся дополнительному колодцу 8, что также приводит во вращение воды в нем в круговом положении. Такие совместные амплитуды колебаний потока способствуют эффективному перемешиванию потока воды в зоне тихоходного колодца 8 по высоте перед горизонтальной полкой 19 (отражателем) кольцевой с зазором. Кроме того, эти условия при выполнении размеров длин осей эллипса подчиняются вышеприведенным условиям (1) и (2), и приводят к гашению кинетической энергии воды. В этом случае, скорость снижена уже перед отводящим лотком 14. Сама работа турбины 5 винтолопастной описана в приведенном прототипе подробно. Однако ее работа постоянно будет связана с работой вращающейся тихоходной части колодца 8 с его устройствами внутри крепления. Кроме того, устойчивость вращения дополнительно тихоходного вращающегося колодца 8 будет надежно связана при наличии выполнения с внешней стороны его стенки снизу и сверху равномерно по его окружности закрепленных опорных вращающихся катов 10, а внутри связи крепления жестких стержней 18 в нижней части, а также верхних стержней 17, закрепленных к валу 4 с приводом (не показан), обеспечивая при этом входные отверстия 9 надежно для поступления через них воды из подводного водовода 1.
Таким образом, исходя из взаимосвязи и взаимозависимости, и оригинальности предлагаемого изобретения с узлами гасительного сооружения, повысить эффективность гашения избыточно-кинетической энергии воды разделяемого потока и снизить придонные скорости потока, особенно высококинетических потоков сооружения. Это сокращает строительную стоимость сооружения, следовательно, выход воды из отводящего лотка в отводящий трубопровод исключает размыв дна отводящего канала к потребителю, снижает динамические нагрузки в целом на конструкцию неподвижного колодца в виде сферы с его элементами, не столь высоки по сравнению с известными.