ВОДОВЫПУСК ИЗ КАНАЛА С БОЛЬШИМ УКЛОНОМ
WATER OUTLET CHANNEL WITH HIGH SLOPE

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для забора воды, для которых характерно значительное колебание уровней воды.
Известен водовыпуск из канала с бурным течением, содержащий подводящий и транзитный каналы, регулирующий затвор и донную водоприемную галерею, имеющую в верховой части водоприемное отверстие, перекрытое решеткой, а в низовой части разделительную стенку, сопряженную с дном транзитного канала, причем галерея соединена с отводящей трубой посредством водовыпускного отверстия, донная водоприемная галерея выполнена в виде расширяющейся по направлению движения потока водовода, при этом регулирующий затвор установлен на выходе из отводящей трубы, а отношение площади водоприемного отверстия донной водоприемной галереи к площади ее водовыпускного отверстия составляет не более 1,5 (Патент RU №2054085, Е02В 13/00 от 10.02.1996).
Однако данная конструкция обеспечивает лишь частичное гашение энергии по длине галереи за счет имеющегося поворота и не обеспечивает гашение турбулентных струй в самой галереи, которые продолжают движение и в отводящем канале, что требует большой длины отводящих труб, а это увеличивает стоимость сооружения. Для предотвращения винтообразного движения воды необходимо применение противодоворотных устройств, а это в свою очередь также приводит к уменьшению отводимого расхода воды и ухудшению гидравлического режима работы сооружения.
Известен также водовыпуск-стабилизатор расхода воды из каналов с бурным режимом течения, включающий подводящий и транзитный каналы, регулирующий затвор и донную водоприемную галерею, имеющую в верхней части водоприемное отверстие, перекрытое решеткой, а в низовой части разделительную стенку, сопряженную с дном транзитного канала, причем донная водоприемная галерея соединена с отводящей трубой посредством водовыпускного отверстия, причем за счет изменения гидравлических сопротивлений галерея снабжена струенаправляющей системы в виде разделительных криволинейных стенок, а также снабжена по длине галереи выступом и плоской пластиной, образующих отдельные секции, и галерея выполнена в виде зигзагообразного водовода (Патент RU №2484203, Е02В 13/00 от 03.02.2013).
Недостатком известного водовыпуска-стабилизатора является его сложность, обусловленная наличием выступов и пластин, размещенных внутри устройства, создают сложную эпюру скоростей на повороте, создают сложность эксплуатации. Ведут к большим потерям энергии из-за трения по длине галереи.
Известно из литературы источников, что водовыпуски работают лучше при «закругленной» эпюре скоростей или по возможности ровной, а скошенная эпюра скоростей потока, выходящего из изогнутого трубопровода, приводит к неэффективной пропускной способности и вызывает сбойность в отводящем канале. Для гашения такого потока строят гасительные колодцы и другие гасительные сооружения на прямом участке, что также удорожает общую длину крепления отводящего канала - это все приводит к большим потерям энергии.
Наиболее близким к предложенному по назначению, технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является водовыпуск из канала с большим уклоном, содержащий подводящий и транзитный каналы, регулирующий затвор, водоприемную галерею, имеющую в верхней части водоприемное отверстие, перекрытое решеткой, галерея выполнена входным оголовком в виде трубы, верхняя часть корпуса которой с косым срезом расположена выше щелевого отверстия галереи, при этом перед щелевым отверстием дополнительно расположен V-образный порог, а боковые стенки подводящего канала снабжены струенаправляющими элементами с возможностью перемещения в сторону порога, причем струенаправляющие элементы выполнены Г-образными вертикальными стенками, с полками, размещенными над дном подводящего канала, а нижние торцы вертикальных стенок установлены относительно дна подводящего канала с зазором. Кроме того, галерея, выполненная в виде трубы, содержит отводящий напорный трубопровод, трубчатая часть которого изогнута в трех измерениях и имеет по существу постоянную площадь сечения по всей длине (Патент RU №2550421, Е02В 13/00, Е02В 8/02 от 10.05.2015).
Однако данная конструкция напорного трубопровода, хотя имеет спиральную конфигурацию, обеспечивает лишь частичную вероятность повреждений от кавитации и только часть напорного трубопровода размещена в закрытой галереи. Кроме того, подсасывание воздуха вместе с поступающей водой из подводящего канала, приводит к снижению эффективности работы напорного трубопровода по длине, а также наличие большого количества и размещение элементов сооружения в канале вызывает громоздкость и, как следствие большая металлоемкость. Кроме того, приводит к недостаточности улучшения гидравлического режима истечения воды, так как на выходе отводящей трубы могут появляться вытекание воды с недостаточным винтовым движением и гашение энергии.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы путем улучшения контакта с отводящим каналом и улучшение гидравлического режима работы сооружения.
Указанный технический результат достигается тем, что водовыпуск из канала с большим уклоном, содержащий подводящий и транзитный каналы, регулирующий затвор, водоприемную галерею, имеющую в верхней части водоприемное отверстие, перекрытое решеткой, галерея выполнена с выходным оголовком в виде трубы, которая содержит напорный трубопровод, трубчатая часть которого изогнута, отличающийся тем, что напорный трубопровод размещен в прямоугольном закрытом колодце, расположенным со стороны подводящего и транзитного каналов, при этом напорный трубопровод для отвода воды выполнен в плане с отражательными и направляющими коленами трубопровода с образованием выпускного канала, связанного с каналом с плавно изменяющегося площадью поперечного сечения, причем выходной конец напорного трубопровода имеет конфузор-сопло, связанного с отводящим трубопроводом снабженной направляющей пластиной, расположенной на его внутренней по винтовой линии, угол наклона которой к оси отводящего трубопровода составляет 3-60°, причем напорный трубопровод в выходной части оголовка до выхода из колодца имеет разгрузочные отверстия для отвода воды из колодца в сторону конфузора-сопла, при этом отражательные направляющие колена снабжены отверстиями.
Кроме того, внутренний диаметр отводящего трубопровода выбирают по формуле:
отв.
3
, где Q - расход отвода воды, м/с; V - скорость воды в отводящем трубопроводе, м/с, а длину отводящего трубопровода выбирают по соотношению
, где α - угол между направляющей пластиной и осью отводящего, трубопровода, рад., при этом высоту направляющей пластины выбирают в пределах от 0,1 до 0,16 внутреннего диаметра отводящего трубопровода.
Кроме того, конфузор-сопло и отводящий трубопровод снабжены регулировочным затвором.
Первым аспектом изобретения является создание водовыпуска напорным трубопроводом, трубчатая часть которого в плане изогнута и по существу расположена внутри закрытого колодца. При этом отражательные направляющие дугообразные колена снабжены отверстиями, и напорный трубопровод в выходной части оголовка до выхода из колодца имеет разгрузочные отверстия для отвода воды из колодца в сторону конфузора-сопла, при этом последний сопряжен с отводящим трубопроводом.
Наличие трубчатой части изогнутой в закрытом колодце образует камеры в самом колодце, соединенные посредством разгрузочных отверстий в сторону конфузора-сопла и отсос воды с воздухом, и позволяет сохранить скорость потока в напорном трубопроводе с образованием выпускного канала, связанного с каналом с плавно изменяющейся площадью поперечного сечения с полным его заполнением водой по длине. Таким образом, давление в коленах «закругленных» напорного трубопровода становится пониженным и тем самым предотвращает отрыв потока в сторону конфузора-сопла, а это также приводит к уменьшению гидравлических потерь в коленах и выравнивание скоростей потока в сторону прямого выходного участка трубопровода. Форма напорного трубопровода уменьшает общую длину его, сопряженную с конфузором-соплом, выходная часть которого сопряжена с отводящим трубопроводом. В этом случае отводящий трубопровод на внутренней поверхности его выполняют дополнительно в виде винтовой линии, определяемой предложенной формулой, как по диаметру, так и его длиной. Такое расположение упрощает конструкцию и резко снижает материалоемкость в целом, благодаря чему отсутствует расслоение воды с воздухом при поступлении в отводящий канал (или в закрытый поливной трубопровод). Поэтому последовательное размещение закрытого колодца с напорным трубопроводом в сторону от подводящего и транзитного каналов устанавливается на некотором расстоянии в сторону подачи потока потребителю, связанного с конфузором-соплом и с отводящим трубопроводом, внутренняя поверхность последнего снабжают направляющей пластиной по винтовой линии с заданным углом наклона к оси трубопровода, которое составляет 3-60° - все это в целом улучшает гидравлический режим работы сооружения.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить отсутствие технического решения в источниках, характеризующихся признаками тождественными признаками предложенного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов, наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявленном водовыпуске из канала с большим уклоном, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Результаты проведенного поиска известных решений показали, что заявленное изобретение не содержит признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого водовыпуска.
Следовательно, заявленное изобретение не вытекает для специалистов явным образом, из известного уровня техники, является результатом творческого труда автора изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень». Заявленное изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен водовыпуск на каналах с большим уклоном, план; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Водовыпуск из канала с большим уклоном состоит из подводящего канала 1, начальное сечение которого совпадает с донной прорезью 2 в дне транзитного канала 3, перекрываемого виброрешеткой 4 с наклоном навстречу потоку, входная часть донной прорези 2 имеет выпускную камеру 5, соединенную с напорным трубопроводом 6, при этом напорный трубопровод 6 в плане размещен в закрытом колодце 7. Напорный трубопровод 6 с впускной камерой 5 и выпускным конфузором-соплом 8 соединены между собой каналами 9 и 10 с плавно изменяющимися площадями поперечного сечения, промежуточной расширительной камерой 11, образованной отражательными и направляющими коленами 12 и 13 снабженными отверстиями 14 и прикрепленные к колодцу 7, расположенным в сторону от подводящего 1 и транзитного 3 каналов, образуя при этом в закрытом колодце 7 дополнительные камеры 15 и 16, соединенные посредством разгрузочных отверстий 17 и 18 для отвода воды из колодца 7 в сторону конфузора-сопла 8. При этом каналы 9 и 10 также соединены с выпускным каналом 19 с отражательным и направляющим коленом 13 в сторону конфузора-сопла 8, соединенного посредством регулировочного затвора 20 с отводящим трубопроводом 21.
На внутренней поверхности отводящего трубопровода 21 по винтовой линии, угол наклона которой выбирают в пределах от 3 до 60°, установлена направляющая пластина 22, которая имеет прямоугольный в сечении профиль. Внутренний диаметр отводящего трубопровода 21 выбирают по формуле
отв.
3
, где Q - расход отвода воды, м/с; V - средняя по сечению трубопровода скорость, м/с; π - коэффициент длины окружности сечения трубопровода к его диаметру (трансцендентное число).
Высоту направляющей пластины 22 выбирают в пределах от 0,1 до 0,16 внутреннего диаметра отводящего трубопровода 21. Выходное сечение отводящего трубопровода сопряжено с отводящим каналом 23 (или с трубопроводом закрытой оросительной системы).
Камеры 15 и 16 для отвода воды из колодца 7 через разгрузочные отверстия 17 и 18 соединены с концом напорного трубопровода 6 (со стороны канала 10) для подсоса воды конфузором-соплом 8 и заполнения ею до полного объема отводящего трубопровода 21.
Водовыпуск из канала с большим уклоном работает следующим образом.
Поток воды проходит через полезный просвет виброрешетки 4, донную прорезь 2 в дне транзитного канала 3 (начальное сечение подводящего канала 1), поступает через камеру 5 в сторону сопряженного с ней напорный трубопровод 6. Напорный трубопровод 6 размещен в закрытом прямоугольном колодце 7. В закрытом колодце 7 с зазором по периметру установлен напорный трубопровод 6.
Вода поступает из впускной камеры 5 и по каналу 9 направляется к промежуточной расширительной камере 11, образованной отражательным и направленным коленом 12. Так как сочетание канала 9 и камеры 11 представляет собой, куда поступает вода, то она также движется и в сторону канала 10 и колена 13. Колена 12 и 13 образованы взаимным расположением друг к другу и снабжены отверстиями 14 в сторону стенок колодца 1 с дополнительными камеры 15 и 16. При этом поток воды в каналах 9 и 10 создает в поперечном сечении увеличение давления потока, что исключает появления накопления воздуха, причем часть воды с воздухом через отверстия 14 в коленах 12 и 13 поступает в дополнительные камеры 15 и 16 колодца 7, а из них через разгрузочные отверстия 17 и 18 поступает в концевой участок напорного трубопровода 6, связанного с выпускным конфузором-соплом 8, что обеспечивает постоянный отсос воды с воздухом из закрытого колодца 7 и тем самым предотвращает отрыв потока при повороте колен 12 и 13, а это также приводит к уменьшению гидравлических потерь в напорном трубопроводе 7. При этом после выпускного конфузора-сопла 8 происходит выравнивание скоростей потока на прямом участке отводящего трубопровода 21 по всему сечению и восстанавливается в полном объеме, где происходит гашение потока за счет последующего прохождения через направляющие пластины 22 и приобретает винтовое движение, благодаря чему поток в полном объеме поступает в отводящий канал 23 (или закрытый поливной трубопровод), тем самым отсутствует размыв канала.
Воздух в зоне дополнительных камер 15 и 16 смешивается с водой, не создает энергетической плотности пульсаций в области закругленных колен 12 и 13, а разрушается в самом пространстве камер 17 и 18 в закрытом колодце 7 и, чем выше давление воды в напорном трубопроводе 6, тем эффективнее будет работа отводящего трубопровода 21, который сопрягается с открытым отводящим каналом 23. В конце выпускного конца конфузора-сопла 8 установлен регулирующий затвор 20 (может быть установлен поворотный или дроссельный клапан). Таким образом, в целом уменьшается общая длина отводящего трубопровода при сопряжении с открытым отводящим каналом 23.
Конструктивные элементы каналов 9 и 10 с плавно изменяющимися площадями поперечного сечения по длине напорного трубопровода 6 с коленами 12 и 13, снабженными с отверстиями 14 и расположенных в закрытом колодце 7 существенно облегчить конструкцию напорного трубопровода при сопряжении с выпускным конфузором-соплом 8, и обеспечит подсос воды с воздухом через разгрузочные отверстия 17 и 18, тем самым эффективнее будет работа отводящего трубопровода 21 с установленными направляющими пластинами 22, угол наклона которых выбирают в пределах от 3 до 60° по винтовой линии, что увеличивает надежность в целом сооружения. Вид местного сопротивления, так как и форма всех элементов сооружения выбирается в зависимости от конкретной задачи и определяется его геометрическими размерами.
Таким образом, исходя из взаимосвязи и взаимозависимости основных элементов водовыпуска из канала с большим уклоном, обеспечивает увеличение расхода воды, проходящей по напорному трубопроводу, размещенном в закрытом колодце, позволяет упростить конструкцию и повысить напор внутри напорного трубопровода перед поступлением потока через выпускной конфузор-сопло, где он гасится в отводящем трубопроводе с направляющей пластиной, расположенной на его внутренней поверхности по винтовой линии, что в свою очередь, приводит к выполнению задачи оптимального водозабора и улучшения гидравлического режима работы сооружения.