ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW ENERGY DAMPENER

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для гашения водного потока после напорных водоводов в приемной камере.
Известен 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 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 SU №1435690, Е02В 8/06 от 07.11.1988).
Недостатком известного 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 мало эффективно будет влиять на выход струй из отверстий и тем самым в отводящем канале поятся волновые явления, выплески, т.е. автоматическое регулирование величины напора не выполняется. Такой гаситель не может обеспечить гашение при снижении определенного уровня воды в колодце, что ограничивает его применение на закрытых трубчатых и туннельных водовыпускных сооружениях.
Известен 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 камеры (Авторское свидетельство SU №1504307, Е02В 8/06 от 30.08.1989).
Недостатком является то, что соударения потоков в смесительной камере в основном отходят от центра камеры, образуется распластанность вращающегося потока из-за прямоугольной формы камеры в поперечном сечении, т.е. отсутствует квадратная форма камеры. Другим недостатком является то, что в теле подпорного сооружения - плотины камера соединена с отводящим водоводом в виде 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 трубы (водовода), происходит воздушное скопление, так как нижний бьеф подтоплен, и такие 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, при этом оно громоздко и, как следствие, материалоемко.
Наиболее близким к предложенному по назначению, технической сущности и достижению результату является гаситель энергии водосбросного устройства, включающий подводную трубу, конический 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 или подачи растворов реагентов с целью предупреждения гидробиологического обрастания внешней поверхностей оголовка. Кроме того, у этого устройства недостаточная совершенность гидравлических местных сопротивлений при закручивании потока.
Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности и снижении придонных скоростей в потоке и упрощении конструкции.
Технический результат достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, характеризующийся тем, что он имеет горизонтальный участок водовода в виде подводной трубы, согласно изобретения, в концевом вертикальном расширении которой размещен вертикальный колодец, образованный наклонными участками, при этом на стенках колодца установлены сопла, направленные тангенциально к условному телу вращения воды и ориентированные одновременно в сторону водовода, колодец в верхней части имеет симметричные, двухсторонние горизонтальные пережимы, образованные их вогнутостью вовнутрь колодца, или аэродинамические пережимы, образованными путем подачи сжатого воздуха от компрессора, а также колодец в верхней части имеет дополнительную расширяющуюся камеру гашения, в которой над пережимом колодца соосно выше условного тела вращения воды размещен отражательный экран, выполненный в виде П-образной горизонтальной полки в виде кольца и снабженный механизмом изменения зазора над условным телом вращения воды, закрепленным на крышке колодца, кроме того, колодец в верхней части с внешней стоны имеет отводящий лоток с выпускным отверстием, выполненным на уровне, совпадающем с отметкой дна отводящего лотка, при этом дно отводящего лотка соединено с отводящим трубопроводом, имеющим регулирующую задвижку.
Кроме того, механизм изменения зазора выполнен в виде винтовой пары.
Кроме того, погружная П-образная горизонтальная полка в виде кольца выполнена диаметром меньше диаметра в верхней части расширяющегося колодца.
Выполнение гасителя из взаимосвязанных элементов способствует гашению энергии потока за счет, во-первых, закрученного потока после выхода из нижнего пережима в расширяющуюся часть колодца, и через переходной участок в верхнюю часть пережима, соответственно, далее в дополнительную расширяющуюся камеру колодца с установленной погружной П-образной полкой в виде кольца; во-вторых, одновременно при этом предлагаемое удержание вихревого образования происходит за счет экранов сопел, направленных тангенциально к условному телу вращения и одновременно ориентированных вниз в сторону поступления воды из подводной трубы, имеет активную аэродинамику за счет поступления сжатого воздуха от источника питания через сопла. Экраны сопел расположены в средней расширяющейся части колодца, а также перед пережимом его верхней части с наклоном вниз. Этим самым в целом снижаются скорости в самом колодце, так как кинетическая энергия воды расходуется на интенсивное закручивание и соударение потока и воздуха, прежде чем вода поступить в верхнюю часть камеры дополнительно расширяющегося колодца, в котором расположена погружная П-образная полка в виде кольца над условным телом вращения. При этом за чет тангенциальной подачи струй сжатого воздуха из наклонных сопел, конкретизируется возможность применения этого устройства в гасительных колодцах с выделением дополнительными вертикальными пережимами, и сопла одновременно ориентированы вниз в сторону поступления воды из подводной трубы. Пережимы существенно в верхней части колодца повышают гашение в основной вертикальной части колодца и стабильность вихревых образований, тем более с пережимами круглого сечения, где скорость выхода сжатого воздуха составляет, не менее 20 м/сек, не вызывающего износ стенок колодца. Причем с увеличением сечения в колодце, в котором направлений струй воздуха совпадает с направлением движением вихревого условного тела воды кинетическая энергии воды, уменьшается. В этом случае рабочие поверхности стенок колодца, ниже погружной П-образной полки в виде кольца, очищаются, где вода соприкасается с ним. Геометрическое выделение конструкции по высоте колодца обеспечивает стабильное положение и устойчивый режим аэродинамики вихрей, которое формируется и гасится в верхней части (после пережима) вновь дополнительно расширяющаяся часть колодца в виде камеры с погружной П-образной полкой в виде кольца, диаметр которой меньше диаметра в верхней части расширяющегося колодца, и полка связана при помощи механизма изменения зазора над условным телом вращения воды. При этом 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 га отводящем трубопроводе на уровне, позволяющем 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 схематически показан гаситель энергии водного потока, разрез.
Гаситель энергии потока содержит горизонтальный участок водовода 1 (подводной трубопровод), в концевом вертикальном расширении размещен вертикальный колодец 2, образованный наклонными участками 3. На стенках колодца 2 располагаются сопла 4 и 5, направленные тангенциально к условному телу вращения 6 воды, причем сопла среднего и верхнего яруса одновременно ориентированы вниз в сторону водовода 1. Вертикальный колодец 2 в верхней части имеет горизонтальные пережимы 7, образованные их отгибкой (вогнутостью) вовнутрь колодца 2, т.е. пережим симметричный, двухсторонний. Кроме того, пережимы могут быть аэродинамическими, образованными за счет подачи сжатого воздуха от источника питания 8, например, подключены к компрессору 8. В верхней своей части колодец 2 имеет дополнительную расширяющуюся камеру гашения 9. В расширяющейся камере 9 над пережимом 7 колодца 2 соосно размещен выше условного тела вращения 6 воды отражательный экран 10 с механизмом 11 изменения зазора выше пережима 7 в расширяющейся камере 9, т.е. отражательный экран выполнен в виде установленной П-образной горизонтальной полки 10 в виде кольца, при этом последняя выполнена диаметром меньше диаметра расширяющейся камеры 9 колодца 2.
П-образная горизонтальная полка 10 крепится к подвесному механизму изменения, например, механизм изменения в виде винта 11 к крышке 12 колодца 2 с уплотнением (не показано), что обеспечивает подъем или опускание П-образной горизонтальной полки 10 в виде кольца, погружаемой в воду в расширяющейся камере 9.
Колодец 2 в верхней части с внешней стороны с отводящим лотком 13 с выпускным отверстием 14, устроенным на уровне, совпадающем с отметкой дна отводящего лотка 13, дно последнего соединено с отводящим трубопроводом 15 с регулирующей задвижкой 16.
Поскольку обеспечивается многократное изменение направление движения воды в вертикальном колодце 2, а также сжатый воздух от источника питания 8 (компрессора) поступает в сопла 4 и 5, то геометрические размеры изменения по высоте колодца обеспечивают в сочетании с П-образной горизонтальной полкой 10 и отводящим лотком 13 с выпускным отверстием 14, отводящим трубопроводом 15 с регулирующей задвижкой 16, поток воды гасит кинетическую энергию.
Кроме того, вертикальный колодец 2 предусматривает через сопла 4 и 5 поступление тангенциально к условному телу вращения 6 воды, одновременно ориентированными вниз в сторону водовода 1 поступление сжатого воздуха от источника питания 8, например, компрессора. При этом в начале отводящего лотка 13 происходит снижение придонных скоростей.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Напорный поток из водоподающего трубопровода 1 поднимается вертикально вверх в расширяющийся колодец 2. Вода поступает в колодец 2 при активном поступление сжатого воздуха через сопла 4 и 5, причем наклоненным вниз, в вихревом образовании, и позволяет во влечь воду для формирования такого кругового закручивающее течение потока, приводящего к условному телу вращения 6, которое направляется вверх через пережимы 7, образованные их отгибкой во внутрь колодца 2 в сторону дополнительной расширяющейся камеры 9 гашения, заполняемой водой.
Под давлением подают сжатый воздух, поступающего от источника питания 8 в виде компрессора, и воздух циркулирует, входя тангенциально к стенке колодца 2 по всему объему его, обеспечивая смешение наполняемого колодца 2 одновременно водой, т.е. в процессе которого образуется начало некоторого ослабление интенсивности циркуляционного течения в колодце 2. Далее вода заполняет расширяющуюся камеру 9 гашения, в которой размещена П-образная горизонтальная полка 10 в виде кольца под крышкой 12, при этом П-образная горизонтальная полка 10 погружена в воду, и размещена выше условного тела вращения 6 в верхнем положении под крышкой 12. П-образная горизонтальная полка выполняет роль отражательного экрана 10, где происходит также дополнительное ослабление интенсивности циркуляционного течения воды в расширяющейся камере 9. Окончательное ослабление интенсивности гашения кинетической энергии образуется в наполненном лотке 13 в виде затопления воды, поступающей через выпускное отверстие 14, и полностью гасит свою кинетическую энергию, совпадающее с отметкой дна отводящего лотка 13. Регулирующая задвижка 16 на отводящем трубопроводе 15 создает необходимую разность высот воды в колодце 2 и лотка 13, на уровне, позволяющем затопить поступающий поток воды в отводящий лоток 13. Это снижает поверхностный характер движения воды к потребителю.
Конусная форма боковых стенок колодца 2 обеспечивает возможность менять форму условного тела вращения 6 воды внутри колодца 2 по высоте. Расположение с возможностью регулирования высоты размещения П-образной горизонтальной полки 10, погруженной в воду относительно пережимов 7 над условным телом вращения 6 воды -может перемещаться, например, с помощью винтового механизма 11, закрепленного на крышке 12 колодца 2, и менять давление относительно пережимов 7, устройство при котором необходимо применять при выходе потока из пережимов 7 в дополнительную расширяющуюся камеру 9 гашения.
Таким образом, использование предлагаемого гасителя энергии водного потока позволит повысить эффективность конструкции и снизить придонные скорости потока в отводящем лотке, связанного с колодцем, сократить строительную стоимость сооружения, следовательно, исключается необходимость устройства дополнительного колодца при отводе воды из верхней его части.
Предлагаемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку осуществима с использованием известных технических средств по технологии разработки конструкции.