УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ ВОЛНЫ

Полезная модель относится к устройствам для имитации физических явлений, а именно к устройствам, обеспечивающим формирование волн, подходящих для тренировок по водным видам спорта, например, водные лыжи, серфинг и т.д. в закрытых или открытых бассейнах.
Из уровня техники известны следующие решения.
Известно устройство для генерирования волн, сконфигурированный с возможностью центрального расположения внутри бассейна с водой и содержащий по меньшей мере, один исполнительный механизм, выполненный с возможностью активировать по меньшей мере одну среду вытеснения воды, чтобы вытеснять воду так, что волны распространяются в воде; и средство направления, выполненное с возможностью направления волн от механизма генерирования волн после приведения в действие исполнительного механизма так, что волны распространяются наружу от механизма генерирования волн в разных направлениях; и систему сбора воды, выполненную с возможностью циркуляции воды по кругу к механизму генерирования волн от положений периметра внутри емкости обратно по направлению к механизму генерирования волн (патент РФ №2592935, опубликован 27.07.2016).
Известно устройство для формирования искусственной волны, включающая бассейн, наклонную поверхность, выпускное отверстие, расположенное в центре; бассейна и направляющее воду в однонаправленном потоке вверх по наклонной поверхности посредством насоса, размещенного в отстойнике под наклонной поверхностью и направляющего воду к выпускному отверстию, расположенного в нижней точке наклонной поверхности, при этом устройство выполнено с возможностью возобновления подачи волны при приближении пользователя к выпускному отверстию для повторного поднятия пользователя в верхнюю область наклонной поверхности для повторного спуска пользователя (патент США №5738590, опубликовано 14.04.1998).
Наиболее близким аналогом патентуемого решения является устройство для формирования искусственной волны, включающее в себя дно, наклоненное вверх по длине бассейна, определяющее глубокий край и край берега. Генератор волн расположен рядом с глубоким краем. Открытая волнообразная прорезь, расположена рядом с краем пляжа и приспособлена для удержания воды. Устройство сконструировано таким образом, что, когда генератор волн не приводится в действие, в бассейне сохраняется вода, определяющая статический уровень воды, а часть береговой кромки выше статического уровня воды. Когда возбуждается генератор волн, он создает волну, которая распространяется по бассейну волн от глубокого края до берега, а энергия волны гасится, когда волна сталкивается с водой, оставшейся в лотке (заявка на патент США №2018106058, опубликовано 19.04.2018).
Недостаток известных решений заключается в том, что в известных устройствах гребень волны создается потоком (течением) воды, движущейся самотеком, и создающийся поток имеет свойства ламинарного потока, в котором частицы преимущественно перемещаются слоями, не смешиваясь и без пульсаций. Другими словами, движение проходит равномерно, без беспорядочных скачков давления, направления и скорости, что не соответствует естественным волнам, используемых при тренировке, например, по серфингу.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, состоит в создании волны, свойства которой максимально приближены к волнам, встречаемым в естественных условиях.
Техническим результатом патентуемой полезной модели является образование гребня стоячей волны, который имеет меньшую, чем в известных устройствах, скорость продольного перемещения потока, достигая минимума в области вершины волны, что существенно улучшает потребительские свойства и приближает создаваемую волну к той, что формируется в естественных условиях на море в области плавного повышения морского или океанского дна в прибрежной зоне, при этом обеспечивается возможность регулировки параметров волны с достижением оптимальных показателей для каждого конкретного случая (например, определенные параметры волны для спортсменов разных категорий, любителей, детей, подростков и т.д.).
Заявленный технический результат достигается за счет использования устройства для формирования искусственной волны, содержащего первый и второй каналы постоянного поперечного сечения и водяной турбонасос, соединяющий первый и второй каналы через адаптеры, сопрягающие вход первого канала и выход второго канала с выходом и входом турбонасоса, соответственно, при этом первый канал выполнен с изогнутой выходной частью, а выход первого канала сопряжен с входом сужающегося сопла, расположенным под уклоном в строну от выхода первого канала, внутреннее пространство сопла ограничено верхней регулируемой плоскостью и нижней плоскостью, сопряженной под выгнутым углом с первым краем первой донной плоскости, расположенной с уклоном в сторону от сопла, второй край которой плавно сопряжен с первым краем вогнутой донной поверхности отбойника, второй край которой сопряжен шарнирно с первым краем отбойника и переходит в донную плоскость под прямым углом, затем переходит вниз в нишу под отбойником, в которой располагается гидроцилиндр для управления изменением угла наклона отбойника, вторая сторона ниши под отбойником сопрягается с первой стороной второй донной плоскости, второй край которой обрывается водосборником, выход которого сопряжен с входом второго канала, при этом пространство водосборника ограничено нижней плоской стенкой, нижний край которой плавно сопряжен с нижним краем второго канала, при этом, устройство выполнено с открытым пространством, ограниченным, с одной стороны верхней плоскостью сопла, с другой стороны вторым краем горизонтальной стенки водосборника, а первый, второй каналы, сопло, водосборник, а также открытое пространство ограничены с боков двумя вертикальными стенками, выполненными, преимущественно, параллельными, а устройство снабжено защитным перфорированным днищем, расположенным под уклоном от водосборника к отбойнику и прикрепленным к второй донной плоскости, вертикальной стенке водосборника, а также к вертикальным стенкам.
В частном случае реализации полезной модели гребень отбойника имеет закругление с радиусом от 1 мм до 5 мм.
В частном случае реализации полезной модели сужающееся сопло регулируется в диапазоне ширины от 100 до 500 мм на выходе посредством гидроцилиндра, а угол наклона отбойника регулируется посредством гидроцилиндра в диапазоне наклона верхней плоскости относительно горизонта от 5 до 40 градусов.
В частном случае реализации полезной модели пространство водосборника ограничено верхней горизонтальной стенкой.
В частном случае реализации полезной модели верхний край нижней; изогнутой стенки водосборника сопряжен под углом с первым краем верхней горизонтальной стенки.
В частном случае реализации полезной модели поверхность стенок устройства имеет облицовку, например, виниловую пленку.
В частном случае реализации полезной модели устройство выполнено с возможностью заполнения водой, слой которой в спокойном состоянии покрывает горизонтальную поверхность устройства, при этом глубина слоя воды составляет 100÷1000 мм.
В частном случае реализации полезной модели устройство содержит от одного до пятнадцати турбонасосов, что влияет на ширину устройства.
В частном случае реализации полезной модели адаптеры для насосов;>выполнены в виде плит с отверстиями под входы и выходы насосов.
За счет того, что вода в пространство бассейна выходит из сужающегося сопла, на выходе из сопла образуется турбулентный поток воды, течение жидкости в котором носит неупорядоченный характер, то есть траектории частиц воды могут произвольно пересекаться и вести себя достаточно непредсказуемо, что свойственно морским волнам, образуемым в естественной среде и используемым для тренировок по серфингу. Закругления поверхностей отбойника с заданными диаметрами и возможность регулирования угла наклона отбойника обеспечивают оптимальные параметры стоячей волны: высоты волны и глубины жидкости перед гребнем и после. Закругление вершины рифа, выполненное с радиусом не более 5 мм, обеспечивает эффективное формирование турбулентного потока за рифом с достижением оптимальных параметров; искусственной волны на всем ее протяжении. При этом регулируемая поверхность верхней части трубопровода над выходным соплом, и регулируемая поверхность отбойника обеспечивают регулирование таких параметров волны как толщина и высота, соответственно. Скорость потока регулируется за счет регулировки, оборотов насоса. Регулировка параметров волны обеспечивает возможность получения искусственной волны, близкой к волне, получаемой в естественных условиях, при этом учитываются физические возможности пользователей (то есть имеется возможность настройки параметров волны, например, для спортсменов различных категорий и опыта, любителей, детей и т.д.).
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее:
Фиг. 1 - изображение проточной части устройства для формирования искусственной волны.
Фиг. 2 - вид сбоку секции устройства с регулируемым изливом.
Фиг. 3 - вид сбоку секции устройства с регулируемым отбойником.
Фиг. 4 - начальный момент времени после заполнения бассейна до запуска насоса.
Фиг. 5 - векторное распределение скоростей потока воды в установившейся волне.
Фиг. 6 - общий вид устройства в месте установки насоса.
Устройство для формирования искусственной волны представляет собой часть бассейна и выполнено из металла или железобетона. Устройство содержит первый 1 и второй 2 каналы постоянного поперечного сечения с диаметром 500÷1300 мм и водяной турбонасос 13, соединяющий первый и второй каналы через адаптеры, сопрягающие вход первого канала и выход второго канала с выходом и входом турбонасоса, соответственно. Обозначенные позиции 1 и 2 указывают места подсоединения труб к каналам, при этом расстояние между указанными местами подсоединения составляет не менее 3 м.
Первый канал 1 выполнен с изогнутой выходной частью, а выход первого канала сопряжен с входом сужающегося сопла 3, расположенным под уклоном в сторону от выхода первого канала 1. Внутреннее пространство сопла 3 ограничено верхней регулируемой плоскостью 4 и нижней плоскостью 5. Диаметр выходной части сопла составляет 100÷500 мм.
Нижняя плоскость 5 сопла 3 сопряжена под выгнутым углом с первым краем первой донной плоскости 6, расположенной с уклоном в сторону от сопла 3. Второй край первой донной плоскости 6 плавно сопряжен с первым краем вогнутой донной поверхности 7. Второй край вогнутой донной поверхности 7 сопряжен шарниром 15 с поверхностью 10 отбойника. Нижняя плоскость вогнутой донной поверхности 7 сопрягается с емкостью для установки гидроцилиндра 16, второй край емкости сопряжен с первым краем второй донной плоскости 9. Второй край второй донной плоскости 9 обрывается водосборником 12, выход которого сопряжен с входом второго канала 2. Вершина рифа (гребень отбойника) имеет закругление от 1 до 5 мм.
Гидроцилиндр 16 с ходом 50-200 мм н. ст. входит в комплект привода электрического телескопического влагозащищенного из нержавеющей стали. К опорному ригелю крепится посредством резьбового соединения. Управление приводом осуществляется как автоматически, так и вручную.
Ширина сужающегося сопла регулируется в диапазоне от 100 до 500 мм на выходе, а угол наклона отбойника регулируется в диапазоне наклона верхней плоскости 4 относительно горизонта от 5 до 40 градусов посредством гидроцилиндра 17 (телескопический шток), установленного над регулируемой поверхностью 4, соединенной шарниром 8 с верхней поверхностью бассейна 18. Гидроцилиндр 17 с ходом 50-300 мм н. ст. входит в комплект привода электрического телескопического влагозащищенного из нержавеющей стали. К опорному ригелю крепится посредством резьбового соединения. Управление приводом осуществляется как автоматически, так и вручную.
Пространство водосборника ограничено верхней горизонтальной стенкой и нижней изогнутой стенкой 12, нижний край которой плавно сопряжен с нижним краем второго канала, а верхний край, под углом, сопряжен с первым краем верхней горизонтальной стенки.
В целом, устройство выполнено с открытым пространством, ограниченным с одной стороны верхней плоскостью сопла, с другой стороны - вторым краем горизонтальной стенки водосборника.
Первый, второй каналы, сопло, водосборник, а также открытое пространство ограничены с боков двумя вертикальными стенками бассейна, выполненными, преимущественно, параллельными.
2
2
2
2
Кроме того, устройство снабжено защитным перфорированным днищем 11, расположенным под уклоном от водосборника к отбойнику и прикрепленным ко второй донной плоскости, нижней стенке водосборника, а также к вертикальным стенкам. Суммарная площадь отверстий составляет от 3,5 мм до 4,5 м. При суммарной площади отверстий днища менее 3,5 м значительно снижается скорость поступления воды в водосборник, что нарушит рециркулирование воды в устройстве для формирования искусственной волны. При суммарной площади отверстий днища более 4,5 м снижается механическая прочность перфорированного днища, что препятствует выполнению его защитной функции.
Трубопровод проточной части устройства для жесткости снабжен каркасом 20 с резиновыми демпфирующими компенсаторами 19.
Ширина устройства зависит от количества турбонасосов насосов, которых может быть, преимущественно, от 1 до 30, но в принципе количество насосов не ограничено, соответственно ширина бассейна так же не ограничена, при этом ширина одной секции с одним турбонасосом составляет 2 м.
Устройство содержит воду, слой которой в спокойном состоянии покрывает горизонтальную поверхность устройства, при этом глубина слоя воды составляет 100÷300 мм.
Адаптеры для насосов выполнены в виде плит с отверстиями под входы и выходы насосов.
Устройство работает следующим образом. Бассейн заполняется водой (фиг. 4), попадающей в водосборник и во второй канал, затем запускается турбонасос, нагнетающий воду из второго канала в первый канал, преимущественно в ламинарном режиме, и оттуда в сопло, из которого вырывается поток воды, приобретающий турбулентный характер с образованием волны, которая за счет острого гребня обретает форму стоячей волны, приближенную к форме стоячей волны, образующейся на море в области рифов. При этом в области перехода от первой донной плоскости к вогнутой поверхности отбойника гребня достигается максимальная скорость потока, которая гасится по мере продвижения потока к вершине волны и достигает минимума на вершине волны. Острый гребень обеспечивает срыв потока, а, следовательно, турбулентный поток, необходимый для формирования высокой волны. Распределение скоростей частиц воды в потоке сформированной волны показано на фиг. 5. На вершине стоячей волны появляется возможность кататься посетителям развлекательного парка и упражняться в сохранении равновесия, например, на доске для серфинга или водных лыжах. Далее вода поступает в водосборник, проходит по второму каналу, успокаиваясь и приобретая ламинарный характер потока, и по трубопроводу, соединяющему первый и второй каналы, поступает во второй канал, откуда под действием турбонасоса закачивается в сопло, смешиваясь с воздушной струей, и вырывается в первую донную область, повторяя цикл, описанный выше.
3
Для предлагаемого устройства используется насос осевого типа, так как он отличается хорошим КПД при заданных параметрах (12000 м /ч расход и до 4 м напор), например, производителя HEBEI ZIDONG PUMP INDUSTRY CO., LTD, при этом предпочтительно модель 900QGL-100.
Расчет разных режимов турбонасоса для разной высоты волны (2 м, 1,4 м; 1 м):
3
Расход необходимый для высоты волны 2 м: Q=до 12000 м /ч; потребляемая мощность N=75КBт.
3
Расход необходимый для высоты волны 1,4 м: Q=7700 м /ч; потребляемая мощность N=50КBт.
3
Для высоты волны 1 м, Q=6100 м /ч, потребляемая мощность N=25КBт.
Помимо технических аспектов, необходимых для формирования волны, устройство может включать вспомогательное оборудование для возможности выполнения развлекательной задачи бассейна, например, бассейн может иметь встроенный бар или трибуны.