ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW ENERGY DISSIPATOR

Изобретение относится к гидротехнике, гидравлике, гидромеханике, а более конкретно к гидротехническим сооружениям, предназначенным для гашения напорных водоводов в приемной камере и для снижения кинетичности потока при заполнении водой отстойных сооружений.
Известны гасители энергии SU №1030474, Е 02 В 8/06. 23.07.1983; SU №1043246, E02B 8/06. 23.09.1983; SU №1569375, E02B 8/06. 07.06.1990. В результате расщепления потока на струи и их соударения происходит падение скорости потока, следствием чего является интенсивное гашение его энергии.
Известен гаситель энергии потока, включающий цилиндрический водобойный колодец, делитель потока и два отвода, тангенциально соединенные с колодцем, плиты гасителя установлены на стойках с возможностью вертикального их перемещения и выполнены со стенками, расположенными по их периметру (Авторское свидетельство SU №1059054, E02B 8/06 от 07.12.1983).
Недостатком данной конструкции является то, что оно усложнено конструкцией плит, связанных с пригрузочными емкостями, заполняемых водой. При этом не исключается ударного воздействия на элементы крепления отводящего канала, а это значит, не способствует достаточному гашению и сглаживанию поверхности воды в отводящем канале. Разность высотных отметок не позволяет затопить гидравлический прыжок, образующий при падении жидкости. Таким образом, эффективность гашения потока в отводящем канале недостаточна. Кроме того, усложнение конструкции плит из сложных железобетонных работ требует устойчивость их выполнения в вертикальном положении, ограниченных стойками, при этом их может заклинить при перемещениях, так как усилие равнодействующей гидростатического давления в колодце в разных точках происходит неравномерно по всей напорной плоскости плит.
Известен также гаситель энергии потока, включающий водовод, закручивающее устройство, которое разделяет поток на струи и отводящий канал (Авторское свидетельство SU №1712530, E02B 8/06 от 15.02.1992).
Недостатком известного гасителя является то, что при закручивании потока устройствами на горизонтальных участках в гасительной камере возникает интенсивная пульсация скоростей и давлений, а также неполное гашение кинетической энергии потока в отводящем канале. Струи воды, вытекающие из колодца, направлены практически в одну сторону, следовательно, соударение их малоэффективно гасит энергию потока. При этом сопряжение бьефов производится по типу отогнанного прыжка, на котором рассчитывается участок крепления дна отводящего канала, что приводит к недопустимым размывам. Кроме того, наличие такого течения потока перед выходом из отверстия не снижает придонные скорости в отводящем канале и создает волновые поверхностные явления, что снижает гидравлические условия работы отводящего канала.
Известен водосброс, включающий башню со сливным отверстием и отводящую трубу, верхняя часть башни перекрыта герметичной крышкой и снабжена воздуховодом с запорной арматурой, установленным в герметичной крышке и сообщающим полость под крышкой с атмосферой (Авторское свидетельство SU №1011772, E02B 8/06 от 15.04.1983).
В описанной конструкции башня не создает вращательное движение потока воды в вертикальной шахте, поэтому длина отводящей трубы увеличивается, что создает в ней напор для работы полным сечением. Поток в шахте фактически всегда должен быть затоплен для конца воздуховода. Однако это не всегда возможно, так как уровень верхнего бьефа может меняться часто, соответственно, отверстие в воздуховоде берется с расчетом на отметке не ниже нормального подпертого уровня. Другим недостатком является то, что под крышкой собирается большой объем воздуха, выделяющегося из воды, что отрицательно сказывается на пропускной способности шахты, увеличивается давление на стенки шахты, возникают гидродинамические нагрузки. К тому же данная конструкция шахты соединена с отводящей трубой, в которой возможно образование воздушных скоплений под потолком труб, что является следствием деаэрации потока, при отсутствии заглубления конца отводящей трубы под уровень нижнего бьефа. Скопление воздуха перемещаются потоком, и выход из водосброса сопровождается гидравлическим ударом, что может привести к разрушению сооружения. Кроме того, такие воздушные сопротивления в трубе вызывают снижение пропускной способности в целом водосброса. Поэтому такие сооружения строятся с большим запасом прочности или должны ограничивать режим их работы с таким расчетом, чтобы исключить образование воздушных скоплений на тракте. То и другое приводит к удорожанию водосброса в целом.
Известен гаситель скорости потока для отстойников, включающий подводящий и отводящий каналы и расположенные между ними водоприемную камеру, выполненную в виде установленной перпендикулярно оси гасителя трубы с верхним отверстием, перекрываемым шарнирно закрепленной над ним криволинейной пластиной, обращенной вогнутой стороной к камере, труба расположена на уровне дна отводящего капала и выполнена с двумя боковыми горизонтальными отверстиями, ориентированными в сторону нижнего бьефа, при этом пластина закреплена в камере с низовой стороны, а напротив боковых отверстий установлены водобойные стенки (Авторское свидетельство SU №1682458, E02B от 07.10.1991).
Однако этот гаситель неработоспособен при высоких напорах. К тому же он предназначен в основном для борьбы с наносами. Кроме того, изготовление криволинейной пластины требует дорогостоящего дефицитного металла, а также поток, имеющий достаточно большую кинетическую энергию, может вызвать отрыв пластины с оси вращения, т.е. устройство ненадежно в работе. Следующим недостатком также является то, что низкая надежность гашения кинетической энергии, обусловленная прямоточностью движущихся навстречу друг другу потоков вместе схождения жестко закрепленных водобойных стенок, через верх которых также одновременно происходит перелив (это отмечают и сами авторы в описании).
Высокая случайно-вероятная однонаправленность соударяющихся потоков в отводящем канале, приводящая к суммированию кинетической энергии по центру между жесткими закрепленными к дну водобойными стенками, образует подъем воды вверх, что вызывает большие всплески и волнения за ними при расширении потока, размывание откосов канала, что снижает эффективность и надежность гашения водяного потока (подтверждению этого служит изобретение по а.с. SU №1550033, E02B 8/06 от 15.03.1990). Таким образом, эффективность гашения избыточной кинетической энергии потока в известном устройстве значительно снижена, имея при этом большую металлоемкость, и определяет жесткие требования к конструкции гасителя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является 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 с обращенной вверх и в сторону верхнего бьефа вогнутой гранью в четверть цилиндрической поверхности, радиус которой равен длине смесительной камере (Авторское свидетельство SU №1504307. E02B 8/06 от 30.08.1989).
Недостатком является то, что после соударения потока в смесительной камере с перепадом в водобойную камеру отсутствует заметное в большей степени активное вращение, которое в основном отходит от центра камеры, образуется распластанность вращающегося потока из-за прямоугольной формы камеры. Другим недостатком является то, что в теле подпорного сооружения - плотины - камера соединена с отводящим водоводом в виде прямолинейной 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 пробкового течения в нем. Таким образом, от выходного отверстия (щели) в водобойной камере выходное отверстие расположено ближе к потолку отводящей трубы (водовода), происходит воздушное скопление, так как нижний бьеф подтоплен, и также 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.
Технический результат использования заявленного изобретения заключается в снижении скорости потока, повышении надежности в работе и повышении эффективности промывки наносов.
Технический результат достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, включающем водовод, напорные трубопроводы, подключенные к замкнутому корпусу в виде смесительной камеры, стенка которой имеет выпускное отверстие и отводящий трубопровод, смесительная камера выполнена с двумя кольцевыми камерами, установленными симметрично относительно плоскости, проходящей по поперечной оси в теле замкнутого корпуса, и соединенными соосно навстречу друг другу в форме переходной ромбовидной камеры с сужающимися входными щелями, при этом отводящий трубопровод расположен на уровне дна переходной ромбовидной камеры с выпускным отверстием в боковой ее стенке.
Кроме того, входная часть каждой кольцевой камеры соединена с подводящими напорными трубопроводами, установленными тангенциально к поверхности кольцевых камер.
Кроме того, отводящий трубопровод выполнен расширяющимся напорным участком и соединен через конфузор с отводящим водоводом.
Выполнение гасителя энергии из взаимосвязанных элементов способствует в режиме вращения высокоскоростного потока в кольцевых камерах промывке и выносу наносов непосредственно в переходную ромбовидную камеру с последующей далее самоочисткой последней от призмы наносов и смыву в отводящий водовод. Кроме того, при выходе из щелей воды в сторону переходной ромбовидной камеры происходит взаимное соударение струй и эффективное гашение избыточной кинетической энергии водного потока, а выход воды в отводящий водовод увеличит дополнительно гашение кинетической энергии и уменьшит динамическое воздействие на конструкцию, что связано также с расширяющимся напорным участком трубопровода через конфузор с отводящим водоводом (каналом) во всем диапазоне поступления расходов.
На фиг. 1 изображен гаситель энергии водного потока, план (крышка корпуса не показана); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Гаситель энергии водного потока включает подводящий водовод 1, напорные трубопроводы 2, кольцевые камеры 3. Причем напорные трубопроводы 2 установлены тангенциально к поверхности кольцевых камер 3. Размещенные в теле корпуса 4 кольцевые камеры 3 вращающегося потока соединены входными щелями 5 соосно друг другу через расположенную переходную ромбовидную камеру 6 соударения струй, выходящих из камер 3, а боковая стенка переходной ромбовидной камеры 6 выполнена с отверстием 7, размещенным у дна камеры 6 и соединенным через расширяющийся напорный участок 8 трубопровода с конфузором 9 с отводящим водоводом 10, что позволяет увеличить интенсивность гашения энергии и погасить остаточную кинетическую энергию потока на меньшей длине, а также уменьшить динамическое воздействие на конструкцию, где происходит общий выход потока в водовод 10.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Скоростной поток, поступающий по напорным трубопроводам 2 с наносами, направляется в кольцевые камеры 3 и вращается в них. Вследствие действия центробежных сил вращательного движения удельная энергия возрастает от оси камеры к ее стенкам. Часть потока, обладающая повышенной удельной энергией, поступает из пристенной области камер 3 через входные щели 5 в переходную ромбовидную камеру 6, где два потока (левый и правый) вторично меняют направление движения в ромбовидной камере 6. Потоки, встречаясь между собой, соударяются, в результате чего теряется основная часть энергии. Однако, обладая еще достаточным запасом энергии, осевой поток, вытекая из ромбовидной камеры 6 через отверстие 7 в стенке у дна камеры 6 в расширяющийся напорный участок 8 трубопровода, перемешивается, получая третью ступень гашения энергии, и объединенный поток, который заполняет конфузор 9, поступает в водовод 10. В результате происходит окончательное снижение динамических нагрузок на конструкцию и возможность существенно предохранять отводящий открытый водовод от размыва в непосредственной близости от ромбовидной камеры гашения. В результате также происходит одновременно промывка всех камер от наносов. Кроме того, исключается возникновение явлений кавитации. Таким образом, высокоскоростной напорный поток расходует свою энергию, пройдя три ступени погашения избыточной кинетической энергии потока на меньшей длине конструкции водовода в целом. В отводящем водоводе отсутствуют завихрения потока и вода отводится к потребителю.
Предлагаемое устройство может быть использовано для гашения энергии водного потока в различных гидротехнических сооружениях. Особенно эффективно применение устройства высококинетических напорных потоков в сооружениях. Это сохраняет габариты участка крепления отводящего водовода (канала), а также уменьшает динамическое воздействие на конструкцию в целом, происходит интенсивный смыв наносов в нижний бьеф сооружения, следовательно, снижаются скорости потока в отводящем канале, повышается надежность гасителя энергии водного потока: увеличивается эффективность промывки наносов.