ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW ENERGY DAMPERS

Изобретение относится к гидротехнике, к гидравлике, гидромеханике, а более конкретно к гидротехническим сооружениям, предназначенным для использования гашения водного потока после напорных водоводов в приемной камере.
Известен гаситель энергии водосбросного устройства, включающий 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 стенка 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. недостаточная эффективность его эксплуатации; устройство на выходе из колодца дополнительно имеет подпорные сооружения для полного гашения потока; расположение телескопического патрубка (по варианту) с коленом приводит к исключению поступления атмосферного воздуха при подаче растворов реагентов с целью предупреждения гидробиологического обрастания внешней поверхности оголовка. 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 регулировочную задвижку (Патент RU №2701298, Е02В 8/06 от 25.09.2019).
Недостатком известного гасителя является недостаточная эффективность гашения при закручивании потока только в верхней части перед кольцевой полкой, что не приводит к дополнительному гашению потока при выходе его из напорного водовода в сторону расширяющейся основной камеры колодца, в результате в ней местные скорости сохраняют высокие значения до пережима колодца, что приводит к неравномерности распределению по сечению колодца, который должен был гаситься уже в основной камере его, т.е. сохраняются большие волнения водной поверхности в водобойном колодце. Кроме того, расширяющая камера гашения над пережимом в виде круглого патрубка и соосно над ним размещенная турбина винтолопастная с лопастями, частично оказывает свое влияние на волнение водной поверхности в сторону отводящего лотка при выходе из выпускного отверстия, даже при затопленном его уровне, и требует определенного заглубления турбины винтолопастной.
Техническим результатом изобретения является создание конструктивно простого, технологичного в изготовлении и улучшения равномерности распределения потока воды по высоте колодца, определенного размера, и последующего соединения под крышкой колодца, обеспечивающего снижение скорости потока в сторону отводящего лотка.
Технический результат достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, включающий горизонтальный участок водовода в виде подводной трубы, в концевом вертикальном расширении которой размещен вертикальный колодец, завихритель потока, выполненный в виде турбины с возможностью вращения относительно своей оси и прикрепленной к проходящему через уплотнение в крышке колодца валу, кроме того, колодец в верхней части с внешней стороны имеет отводящий лоток, при этом дно отводящего лотка соединено с отводящим трубопроводом, имеющим регулирующую задвижку, согласно изобретения, колодец разделен на два отсека перегородкой, верхний отсек является камерой гашения в виде цилиндра с размещенными многоярусными каскадными разделительными лопастями, прикрепленными к приводному валу, соединенному с мотором, прикрепленным с одной стороны к стенке колодца и позволяющим вращать приводной вал с определенной скоростью, а нижняя часть наклонного участка ниже кольцевой перегородки является камерой гашения, в которой расположен спиральный шнек, вращающий подводящий поток, а завихритель в виде турбины закреплен в нижней части приводного вала свободно и вращается от напора воды, поступающей в его межлопастное пространство через патрубок под давлением снизу, при этом верхний отсек, выполненный камерой гашения под крышкой, соединен с отводящим лотком, последний соединен с отводящим трубопроводом с регулирующей задвижкой.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие технического решения условию патентоспособности «новизна».
Такое выполнение гасителя энергии водного потока от взаимосвязанных элементов способствует гашению энергии водного потока за счет многократного изменения направления от нижней части участка колодца (конусовидный вид), в котором расположен спиральный шнек с отдельно вращающимся завихрителем в виде турбины, далее приводной вал в передней части над кольцевой горизонтальной перегородкой расположены многоярусные каскадные разделительные лопасти с определенным интервалом. В верхней части колодца вал соединен с мотором, прикрепленным с одной стороны к стенке колодца, с другой - к приводному валу, позволяющему вращать приводной вал, например, со скоростью 80-120 об/мин, что последовательно по всей высоте колодца, разделенного кольцевой горизонтальной перегородкой на две части, создается вращение вокруг приводного вала, при этом поток закручивается, и далее при выходе в среднюю цилиндрическую часть колодца, поток вновь над кольцевой перегородкой благодаря многоярусным каскадным лопастям (длина их может быть разной по отношению друг другу), способствует распределению потоку в сторону верхней крышки, соответственно, поток смешивается в верхней части колодца, реализуется массообмен потока в средней цилиндрической части колодца. Причем движение в средней цилиндрической части колодца с размещением многоярусными каскадными лопастями на приводном валу создают направления, стенки колодца очищаются, где вода соприкасается с ними. Геометрическое выделение конструкции по высоте с предложенными элементами обеспечивают стабильное положение и устойчивый режим вращения потока, которое формируется и гасится в верхней части (в сторону крышки колодца). При этом увеличение частоты вращения мотора свыше 120 об/мин нецелесообразно, поскольку это увеличивает вращение в сторону крышки колодца и связано это с поступлением потока в отводящий лоток, так как вертикальный колодец в верхней части своей сообщается с отводящим лотком между собой по законам несвободного истечения из выходного отверстия, т.е. образования затопленного гидравлического прыжка за выпускным отверстием, так как дно его устроено на уровне, совпадающем с отметкой дна отводящего лотка. Кроме того, имеет необходимую разность высот воды в вертикальном колодце гашения и отводящем лотке, что можно поддерживать за счет регулирования регулирующей задвижки на отводящем трубопроводе на уровне, позволяющим затопить гидравлический прыжок в отводящем лотке при выходе из выпускного отверстия в верхней части вертикального колодца.
В итоге предлагаемое устройство просто по конструкции и позволит повысить эффективность работы гасителя энергии.
На чертеже схематично показан гаситель энергии водного потока, разрез.
Гаситель энергии водного потока содержит горизонтальный участок водовода 1 в виде подводной трубы, в концевом вертикальном расширении размещен колодец 2, в нижней части своей колодец 2 имеет патрубок 3. Колодец 2 разделяется на две неравные части камеры 4 и 5 кольцевой разделительной перегородкой 6. Спиральный шнек 7 установлен в нижней камере 4, которая образована наклонным участком, а верхняя камера 5 имеет вид цилиндра. Колодец имеет приводной вал 8, размещенный в центре оси колодца 2, на котором в верхней части расширяющей камеры 5 расположены разделительные лопасти 9 (длина их может быть любой относительно друг друга) в виде длины 0,4-0,6 размера расширяющейся камеры 5 колодца 2. Расстояние между собой по высоте крепления на приводном валу 8 определяется экспериментальным путем. Кольцевая разделительная перегородка 6, отделяющая верхнюю камеру 5 колодца 2 от нижней камеры 4 колодца 2 имеет кольцевой зазор для пропуска воды вверх под напором из водовода 1 и размещения соосно в патрубке 3 свободно вращающейся на подшипнике с осью 10 турбины 11, последняя выполнена диаметром меньше диаметра прохода патрубка 3, и ось 10 подшипника прикреплена к приводному валу 8. Между кольцевой разделительной перегородкой 6 (отражателя) и турбиной 11 на приводном валу 8 закреплен спиральный шнек 7. При этом на приводном валу 8 также закреплены разделительные многосекционные каскадные лопасти 9 выше кольцевой перегородки 6 в расширяющейся камеры 5, имеющая вид цилиндра колодца 2.
В верхней части колодца 2 с крышкой 12 соединен с мотором 13, прикрепленным с одной стороны к стенке колодца 2, с другой - к приводному валу 8, позволяющему вращать приводной вал 8 со скоростью, например, 80-120 об/мин.
Следует отметить, что рабочим элементом вращающейся турбины 11 на подшипниковой оси 10 свободно, является передача энергии снизу вверх через патрубок 3, которая происходит за счет напора воды, поступающей из водовода 1, а рабочим элементом вращающегося устройства в виде расположенных в расширяющейся камере 5 многосекционных каскадных разделительных лопастей 9 является приводной вал 8, соединенный с мотором 13. Характеристика в целом такого дробления закручивания струй потока определяется кинетическими параметрами устройства, в частности расположением и формой винтолопастной турбины 11 на подшипниковой оси 10 (свободно прикрепленной к приводному валу 8), формой спирального шнека 7 и окружной скоростью, соответственно, многосекционных каскадных разделительных лопастей 9, когда закручивание струй происходит и с помощью приводного вала 8 с мотором 13. В данном случае, известен червячный мотор-редуктор постоянного тока WG5946 (http://gearmotor.ru/wg5946/ htm). Передаточные числа редуктора 10, 15, 30 обеспечивают скорости 80-120 об/мин и крутящие моменты от 12 до 30 кг*см. Фирма - производитель-King Righr Motor.
Колодец 2 в верхней части с внешней стороны соединен с отводящим лотком 14 с выпускным отверстием 15, устроенным на уровне, совпадающем с отметкой дна отводящего лотка 14, дно последнего соединено с отводящим трубопроводом 16 с регулирующей задвижкой 17. Как известно по прототипу устройства, оптимальный угол α кривизны лопастей турбины 11 винтолопастной способствует свободному вращению турбины при подходной скорости потока уже не менее 1-3 м/с, остальные геометрические параметры ее описаны в прототипе устройства гасителя энергии (не приводятся).
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Напорный поток из водоподающего трубопровода 1 поднимается вертикально вверх через патрубок 3, причем турбина 11 на подшипнике оси 10 при свободном вращении от поступающего потока из водовода 1, крепиться к концу приводного вала 8, соответственно вначале расщепляет поток на множество струй и позволяет, поступает их в нижнюю камеру гашения 4 для формирования воды кругового закручивание течения потока, и за счет подачи спирального шнека 7 вверх через кольцевую с зазором разделительную перегородку (отражателя), способствует заполнению расширительной гасительной камеры 5, выполненной в форме цилиндра колодца 2. При вращении приводного вала 8 колодца со скоростью 80-120 об/мин разделительные лопасти 9 вращаются, отстающие на некотором расстоянии от стенок камеры 5, происходит дополнительное вращение потока с ослабленной интенсивностью циркуляции течения воды в расширяющейся камере 5. Выполнение многоярусных каскадных вращающихся разделительных лопастей 9, закрепленных на приводном валу 8 (количество их может быть разным по высоте размещения в камере, как и разная их длина в сторону боковой стенки камеры 5), приводной вал 8, который соединен сверху крышки 12 с мотором 13, позволяющий одновременно вращать спиральный шнек 7 и разделительные лопасти 9 с одинаковой скоростью их вращения в нижней наклонной камере 4, так и в расширяющейся камере 5 цилиндрической формы. Соответственно, расположение при наличии перегородки 6, разделяющей на две неравные части камеры гашения 4 и 5, они связаны также кольцевым зазором в перегородке 6. Взаимодействие всего потока за счет наличия всех элементов колодца приводит к дополнительному смешиванию в толщу наполняемого водой сверху под крышкой 12 колодца 2 при вращении многоярусных каскадных разделительных лопастей 9, а затем весь поток, окончательно ослабленный интенсивности гашения кинетической энергии образуется в наполнении лотка 14 в виде затопления воды, поступающей через выпускное отверстие 15, и полностью гасит свою кинетическую энергию, совпадающее с отметкой дна отводящего лотка 14. Регулирующая задвижка 17 на отводящем трубопроводе 16 создает необходимую разность высот воды в колодце 2 и лотке 14, на уровне, позволяющем затопить поступающий поток воды в отводящий лоток 14. Это снижает поверхностный характер движения воды к потребителю.
Если конусная (наклонная) нижняя форма камеры 4 обеспечивает возможность менять форму за чет вращения спирального шнека 7, то форма колодца в виде цилиндра камеры 5 дает возможность менять форму вращения потока воды за счет вращения многоярусных каскадных разделительных лопастей 9 с помощью от приводного вала 8 соединенного с мотором 13 и менять давление в каждой из камер гашения 4 и 5.
Использование предлагаемого технического решения позволяет значительно расширить применение гасителей энергии водного потока, повышает эффективность гашения кинетической энергии разделяемого потока, это достигается в результате при движении струй в сторону крышки колодца, они с вращающимися элементами посредством наличия разделения с кольцевым зазором перегородки, далее соударяются между собой и, объединившись, направляются в сторону отводящего лотка.
Все в совокупности и оригинальность предлагаемого изобретения и обуславливает достижение поставленной цели при значительном снижении затрат на строительство, эксплуатацию для подобных объектов гидротехнического строительства, в том числе для повышения эффективности и надежности гашения кинетической энергии разделяемого потока, а затем соединяющего потока в колодце, в котором размещены элементы устройства.