ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW ENERGY ABSORBER

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, а именно к конструкции гасителя энергии водного потока в концевых устройствах закрытых трубопроводах и туннельных водопропускных сооружений.
Известен гаситель энергии потока, включающий водовод с горизонтальным и расширяющимися участками и направляющие элементы с постепенно увеличивающейся по направлению потока высотой, закрепленные на внутренних стенках водовода, при этом расширяющийся участок водовода имеет криволинейную форму с выпуклостью по направлению движения потока, а направляющие элементы выполнены в виде закручивающих лопастей с прямолинейными и ориентированными вдоль потока начальными участками, расположенными в горизонтальном участке водовода, и криволинейными закручивающими частями, расположенными в расширяющемся участке (Авторское свидетельство СССР №1569375, кл. E02B 8/06, 1990).
Недостатком известного гасителя является низкая эффективность гашения избыточной энергии водного потока, в результате происходит соударение струй под уровень в водобойном колодце. Это не снижает перед выходным порогом колодца придонных скоростей по всему расширению выходящего потока и недостаточно эффективно происходит его во взаимное соударение, что не может исключить волнения водной поверхности в отводящем канале. При малых перепадах уровней воды не обеспечивает достаточного гашения, так как отводящий поток является нерегулируемым и не участвует для создания местных гидравлических сопротивлений, а также не использует возможность автоматического поддержания заданного уровня в колодце. Кроме того, недостаточная надежность обусловлена отсутствием использования сооружения регулированием уровня в колодце.
Наиболее близким к предложенному по назначению технической сущности является гаситель энергии потока для трубчатого водовыпуска, включающий установленный горизонтально в водобойном колодце трубчатый оголовок с отверстиями в боковых стенках и отражателем на торце, при этом оголовок выполнен в виде расширяющегося усеченного конуса и снабжен расширяющимся завихрителем потока воды, установленным в начале оголовка, а отверстия в боковых стенках оголовка выполнены в виде поперечной щелевой перфорации, причем водобойный колодец выполнен в виде усеченного полуконуса, угол конусности которого равен или больше угла конусности оголовка, кроме того, отражатель выполнен в виде круглой поперечной пластины с трапецеидальными концентрическими отверстиями, причем поперечная щелевая перфорация в боковых стенках оголовка выполнена с помощью отверстий с увеличивающейся к его торцу площадью (Авторское свидетельство СССР №1435690, кл. E02B 8/06, 1988).
Недостатком данного гасителя энергии потока является то, что оно не может контролировать как верхний, так и нижний уровень в колодце, а значит, снижается эффективность и надежность в работе, при этом в процессе эксплуатации не представляется возможность точного и гибкого регулирования гашения потока при изменяющихся расходах в подводящем водоводе от максимального до минимального. Если в момент гашения приток воды в колодец будет меньше чем рассчитан колодец, то горизонт воды в колодце, малоэффективно будет влиять на выход струй из отверстий и тем самым в отводящем канале появятся волновые явления, выплески, т.е. автоматическое регулирование величины напора не выполняется. Такой гаситель не может обеспечить автоматическое закрытие колодца при снижении определенного уровня воды в колодце, что ограничивает его применение на закрытых трубчатых и туннельных водопропускных сооружений.
Цель изобретения - повышение эффективности и равномерности распределения удельных расходов по ширине гасителя и снижение придонных скоростей в потоке.
Указанная цель достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, включающем водовод с концевым расширением, рассеиватель потока воды, отверстия в боковых стенках оголовка водовода, приемную камеру, в его состав включены поплавок с кольцевым затвором и тягами регулируемой длины, камера с подпорными сооружениями в виде Г-образных лабиринтных перегородок, и концевой участок камеры выполнен успокоительной емкостью, поплавковый привод которой снабжен дополнительно поплавком, связанным посредством рычага с клапаном. Кроме того, оголовок трубы снабжен кольцевым упором на выходном конце и кольцевым ограничителем на внутренней поверхности кольцевого затвора, расположенным в верхней части, взаимодействующим с кольцевым упором, причем кольцевой затвор с тягами прикреплен к стоякам для фиксированного перемещения относительно оголовка трубы, а конец стояка закреплен в основании вертикального оголовка трубы, причем дно успокоительной емкости выполнено выходным порогом, снабженным в верхней части горизонтальной полкой, причем по варианту выполнения отводящий трубопровод снабжен  регулирующей задвижкой для установки величины перепада в успокоительной емкости.
Такое выполнение гасителя энергии водного потока из взаимосвязанных элементов позволит увеличить интенсивность гашения энергии, погасить кинетическую энергию потока и дальнейшее повышение равномерности распределения удельных расходов по ширине гасителя. Кроме того, наличие поплавковых приводов как на выходном оголовке трубы, так и в успокоительной емкости, в конце участка камеры, за счет подпорных сооружений в виде Г-образных лабиринтных перегородок позволит в случае необходимости поддерживать в автоматическом режиме уровень воды в камере - затоплен. В успокоительной емкости устанавливается уровень, регулируемый поплавком, связанный посредством рычага с клапаном, а вариант выполнения регулирующей задвижки на отводящем трубопроводе является в виде вставки для задания уровня воды в емкости.
Успокоительная емкость с дополнительным поплавковым приводом позволяет обеспечить поддержание уровней в камере перед оголовком с рассеивателем потока, а также гибкое и дифференцированное регулирование заданных уровней в камере в зависимости от расходов в подающем водоводе и автоматическое открытие при проведении сработки приемной камеры гашения. Когда уровень в камере снижается, вместе с ним опускается поплавок в успокоительной камере. При опускании поплавка опускается и открывающий рычаг, который связан с клапаном, последний закрывает выпускное отверстие трубы, в которую вытекает вода. Если к этому моменту приток воды в камере гашения будет равен расходу воды из емкости, то горизонт воды в камере будет оставаться на одном и том же уровне, а лабиринтные Г-образные перегородки отделяют и увеличивают расстояние между поплавками, а также между собой оголовок трубы водовода от остальных частей сооружения, в том числе и от успокоительной емкости с поплавковым приводом. Все это увеличивает точность регулирования и надежность гашения напора. В конечном итоге улучшаются динамические характеристики гасителя. Необходимая разность высот уровня воды в камере гашения и в успокоительной емкости может поддерживаться и по варианту за счет регулирующей задвижки на отводящем трубопроводе на уровне, позволяющем управлять клапаном с поплавком и поднять уровень в камере гашения, образующийся при падении воды и истечении через выпускной оголовок трубы, а также образованием уровней воды в частях сооружения между лабиринтными Г-образными перегородками.
На чертеже схематически изображен гаситель энергии водного потока, поперечный разрез.
Гаситель энергии водного потока включает горизонтальный участок водовода 1, в концевом вертикальном расширении оголовок трубы 2 в виде расширяющегося конуса, обращенного вверх, содержит поплавок 3, тяги 4 регулируемой длины, в полости которого установлен рассеиватель потока 5, связанные со свободно насаженным на выходном оголовке трубы 2 кольцевым затвором 6. В стенках оголовка трубы 2 на регулируемом уровне выполнены отверстия 7, через которые вода поступает во внутреннюю полость кольцевого затвора 6 и может выходить в камеру гашения 8 через отверстия, как и через рассеиватель потока 5.
Кольцевой затвор 6 представляет собой тонкостенный пустотелый цилиндр с выступами 9 в виде втулок, в которые ввинчены тяги 4. Выступы 9 соединены со стойками 10 с направляющими втулками 11 с фиксатором 12 (он может отсутствовать). Стойки 10 жестко закреплены нижним концом на опорной плите 13 в основании вертикального оголовка трубы 2. Сверху к фланцам тяг 4 с поплавком 3 прикреплен экран 14 с ограничителем 15, соосно установленный оголовку трубы 2 и контактирующий на уровне верхней кромки трубы 2. Выходной конец трубы 2 снабжен кольцевым упором 16 перемещения вертикально кольцевого затвора 6 соосно водонепроницаемому оголовку трубы 2 с рассеивателем 5 на внутренней стенке трубы 2. На верхнем конце с внутренней стороны кольцевого затвора 6 установлен дополнительный кольцевой ограничитель 17 перемещения вертикально кольцевого затвора 6, контактирующий с кольцевым упором 16 на наружной стенке трубы 2.
Ограничительный упор 16 на неподвижном оголовке трубы 2 устраняет возможность перекоса вертикального кольцевого затвора 6 при его вертикальном перемещении соосно неподвижному оголовку трубы 2.
Экран 14 предназначен для изменения направления вытекающего потока из выходного отверстия оголовка трубы 2 выше рассеивателя 5 также в полость кольцевого затвора 6, где потоки струй соединяются в один общий поток, что устраняет удары струи в поплавок 3.
Успокоительная емкость 18 выведена из камеры гашения 8 и ограничена лабиринтными Г-образными перегородками 19, 20, 21, перекрытие стенок которых снижает придонные скорости перед емкостью 18. Емкость 18 имеет выходной порог 22 с горизонтальной полкой 23. В емкости 18 расположен клапан 24, установленный на выпускной трубе 25 и закрепленный на шарнире 26. К клапану 24 прикреплен открывающий рычаг 27, к которому в свою очередь на гибкой нити 28 крепится поплавок 29, подвешенный на удерживающей гибкой нити 30, выпускная труба 25 снабжена регулирующей задвижкой 31.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Клапан 24 с поплавком 29 в емкости 18 настраивают на определенный заранее выбранный уровень в камере гашения 8 или с регулирующей задвижкой 31 на отводящем трубопроводе 25, при этом фиксируют длину гибкой нити 28 поплавка 29 и удерживающей его гибкой нити 30.
Напорный поток из водопадающего водовода 1 поднимается вертикально вверх в расширяющийся оголовок трубы 2. Поступающая из подводящего водовода 1 вода через отверстия 7, внутреннюю полость оголовка трубы 2 заполняет полость кольцевого затвора 6 и далее камеру гашения 8. Поплавок 3 поднимает кольцевой затвор 6, поперечное сечение конического расширения угла конусности между стенками уменьшается и удается достичь, что поток воды сжимается и под действием сил тяжести поступает на дно камеры 8. Одновременно вода поднимает поплавок 3 с тягами 4 и созданное некоторое избыточное давление во внутренней полости кольцевого затвора 6, дополнительно поднимается давление на экран 14 вверх, поплавок 3, который с помощью регулируемых тяг 4 тянет за собой тонкостенный пустотелый цилиндр - кольцевой затвор 6, а следовательно, и расход воды поступает на дно камеры 8, не расщепляется, отрываясь от стенок кольцевого затвора.
Конструкция кольцевого затвора 6 с поплавком 3, экраном 14 обеспечивает регулировку общего уровня в камере 7 механизмом перемещения в виде тяг 4 регулирующей длины, связанных через полые втулки 11 с возможностью перемещения по стойке 10 подъемом или опусканием кольцевого затвора 6.
В поплавке 3 предусмотрен ограничитель 15, на верхней кромке трубы 2 - упор 16 и предусмотрен ограничитель 17 опускания и подъема кольцевого затвора 6 в нижнем и в верхнем положении, при этом верхняя кромка затвора 6 не поднимается выше верхней кромки оголовка трубы 2.
Поступающая вода, заполняя камеру 8, проходит через лабиринтные Г-образные перегородки 19, 20, 21, растекается по всей ширине камеры гашения, заполняя ее по высоте. При этом между Г-образными перегородками и дном камеры 8 происходят изменения направления движения воды, это создает благоприятные условия для выравнивания удельных расходов между Г-образными перегородками по всей ширине гасителя. Пройдя Г-образные перегородки 20 и 21, поток воды попадает в емкость 18, образованную выходным порогом 22 с горизонтальной полкой 23. Горизонтальная полка 23 поворачивает поток воды назад к Г-образной полке 20. В результате между Г-образной полкой 21 и горизонтальной полкой 23 происходит дополнительное гашение энергии, в результате уровень воды в емкости 18 стабилизируется, следовательно, отводящий расход стабилизируется в отводящем трубопроводе 25 с высокой степенью точности и быстродействия работы, так как в емкости 18 исчезает волновой процесс поверхности воды. Наступает динамическое равновесие. В случае поднятия  воды в емкости 18 до уровня, когда подъемная сила поплавка 29 становится равной или больше давления столба на клапан 24, выталкивающая сила воды, действующая на поплавок 29, поднимет клапан 24 на большее открытие, следовательно, уровень воды в камере 8 выравнивается, а часть воды отводится по отводящему трубопроводу 25 с задвижкой 31. При опускании поплавка 29 опускается и открывающий рычаг 27, который соединен с клапаном 24 с шарниром 26, клапан закрывается, т.е. цикл повторяется.
Необходимая разность высот уровня воды в камере гашения 8 в емкости 18 может поддерживаться по варианту за счет регулирования регулирующей задвижки 31 на отводящем трубопроводе 25.
Процесс перемещения кольцевого затвора 6 через полые направляющие втулки 11 по стойкам 10 относительно оголовка трубы 2 в виде расширяющегося конуса, обращенного вверх, происходит при отсутствии особых трений скольжения и зависит от исходных данных изменения перепадов уровней в камере 8 гашения и в успокоительной емкости 18 с поплавковым приводом, а по варианту - с регулирующей задвижкой 31 на отводящем трубопроводе 25. Элементы гасителя: клапан с поплавком в емкости, регулирующая задвижка на отводящем трубопроводе на уровне, позволяющем затопить оголовок трубы 2, при поступлении воды из него, с образованием лабиринтными Г-образными перегородками, снижают придонные скорости и создают поверхностный характер движения воды после гасителя энергии, улучшая гидравлические условия работы успокоительной емкости с поплавком, связанным с клапаном для автоматического регулирования уровня.
Вследствие взаимной гидравлической связи поплавковых приводов, камеры, клапанного затвора, Г-образных перегородок, емкости и горизонтальной полки на выходном пороге повышается эффективность и надежность работы устройства, улучшается равномерность распределения удельных расходов по ширине камеры гашения в переходных режимах гашения энергии потока для различного расхода. Кроме того, устройство полностью предотвращает возникновение гидравлических прыжков.