ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW ENERGY DAMPERS

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для гашения водного потока после напорных водоводов в водобойном колодце.
Известен гаситель энергии, включающий горизонтальный участок водовода, кольцевую камеру гашения, она снабжена виброэкраном сферической формы выпуклостью вверх, размещенным соосно отверстию вертикального впускного патрубка, установленного в конце водовода, камера имеет ограничители, взаимодействующие с кольцевым упором в виде диска, а виброэкран выполнен с возможностью вертикального перемещения и имеет стойки в виде направляющих регулировочных болтов, снабженных пружинами (Патент RU №2524987, Е02В 8/06 от 10.08.2014).
Недостатком известного гасителя является то, что отсутствует возможность контролировать как верхний, так и нижний уровень в камере, разделяющей на две части виброэкран, а значит, снижается эффективность и частично надежность в работе, т.е. в процессе эксплуатации отсутствует гибкое регулирование гашения потока при изменяющихся расходах в подводящем водоводе от максимального до минимального, а значит, давление также в камере меняется в широком диапазоне поступающего расхода. Кроме того, в случае частого изменения частот возмущающих интенсивных давлений воды, когда колебательные пружины, сжимаясь и разжимаясь на подвижных стойках, могут постепенно менять свою жесткость, а значит, возможна их поломка при длительной эксплуатации, при этом механические удары между верхними и нижними ограничителями, размещенного виброэкрана претерпевают большие динамические нагрузки. Таким образом, основным недостатком является недостаточная эффективность и надежность, а также не устойчивость виброэкрана в случае его перекоса по вертикали.
Известен гаситель энергии водного потока, включающий горизонтальный участок водовода, кольцевую камеру гашения, виброэкран сферической формы выпуклостью вверх, вертикальный впускной патрубок, установленный в конце водовода, камера имеет прикрепленные к ее внутренней поверхности выступы-ограничители, виброэкран выполнен с возможностью вертикального перемещения и имеет стойку в виде направляющего регулировочного винта, снабженного пружиной, камера снабжена дополнительно экраном в виде тарелки, установленной соосно виброэкрану, при этом дно тарелки жестко закреплено к выступам-ограничителям со стороны выпускного патрубка, диаметр экрана который меньше, чем диаметр виброэкрана, причем корпус виброэкрана выполнен с водоприемными окнами, края его имеют загнутую вверх по радиусу боковую стенку (Патент RU №2574472, Е02В 8/06 от 10.02.2016).
Недостатком известного гасителя энергии водного потока является сложность устройства и, как следствие, большая материалоемкость, а это ведет к усложнению эксплуатационной надежности, т.е. недостаточная эффективность его эксплуатации. Кроме того, упругая пружина имеет свойство усталости металла при длительной эксплуатации, в результате может произойти ее поломка и необходимость ее замены, так как виброэкран может опуститься вниз на дополнительный экран и перекрыть его. Другим недостатком является то, что волновой поток при выходе из заглубленного патрубка, которой не достаточно полно перекрывает отводящий трубопровод, обладает низкой эффективностью гашения.
Наиболее близким к предложенному по назначению, технической сущности и достигаемому результату является гаситель энергии водного потока, горизонтальный участок водовода, камеру гашения, экран, вертикальный впускной патрубок, установленный в конце водовода, камера имеет прикрепленные к ее внутренней поверхности выступы-ограничители, экран с выпускными отверстиями выполнен с возможностью вертикального перемещения и имеет направляющие регулировочные винты, при этом экран установлен соосно выпускному патрубку, водобойный колодец. Камера снабжена перфорированными конусными вставками с общим малым основанием, ориентированным в сторону выпускного патрубка, а впускной патрубок частично размещен внутри корпуса камеры и выполнен расширяющимся, при этом гаситель дополнительно снабжен упругими демпферами и жестким кольцевым упором, расположенным внутри корпуса камеры со стороны малого основания, перемещающимися соосно в нем в осевом направлении при помощи регулировочных винтов с контрогайками через торцевую стенку корпуса, причем один из демпферов, жестко закреплен на внутренней торцевой стенке корпуса камеры со стороны впускного патрубка, а второй - на жестком кольцевом упоре, при этом, в месте выхода потока из колодца отверстие последнего перекрыто вертикальной стенкой и подключенного к корпусу в виде дополнительной камеры гашения с порогом, причем вертикальная стенка закреплена ниже выпускного отверстия отводящего трубопровода (Патент RU №2705849, Е02В 8/06 от 12.11.2019).
Недостатком известного гасителя энергии водного потока является сложность устройства перфорированной конусной вставки с возможностью осевого перемещения ограниченного небольшими упругими демпферами по высоте корпуса камеры, также укороченной по высоте, а значит, недостаточная эффективность его эксплуатации, кроме этого, недостающий рассеивающий выпуск потока при соударении в сторону выпускного патрубка, сопряженного с колодцем при применение каскадных многоярусных горизонтальных перегородок связанных с наклонными сетчатыми полками, кроме того, сама форма движения потока воды зависит от перфорированной конусной вставки, ограниченной установленным жестким кольцевым упором, имеющим возможность перемещения соосно в осевом направлении корпуса и поджимом регулировочными винтами, однако это вызывает трудности трения между боковыми стенками корпуса камеры, в случае перекоса перфорированной конусной вставки, может ее заклинить при перемещениях, так как усилие со стороны винтов может меняться не равномерно.
Следует иметь в виду, что эффект гашения в известном гасителе несколько понижается в сторону движения воды в камере, т.е. отсутствует многоступенчатый каскад каналов с поворотами при движении воды по высоте камеры гашения, а это не делает камеру экономичнее.
Технический результат заключается в повышение эффективности работы рабочей камеры, которая разделена по высоте многоярусными установленными спиралеобразными перегородками в виде сетчатого полотна с наклоном вниз, и поступающего соединения на дне водобойного колодца, упрощение конструкции, путем сообщения совершать колебательное возвратно-поступательное движение посредством балок с шарнирами крепления, когда угол наклона каждого витка спиралеобразных перегородок может регулироваться за счет перемещения по стержню с пружинной опорой.
Технический результат достигается тем, что гаситель энергии водного потока, включающий горизонтальный участок водовода, камеру гашения, вертикальный впускной патрубок, установленный в конце водовода, экран, водобойный колодец, камера снабжена с выпускным патрубком, упругие демпферы и жесткий упор, расположенный внутри камеры с винтами, проходящими через стенку корпуса, демпферы жестко закреплены на внутренней стенке корпуса камеры, а в месте выхода потока из колодца отверстие последнего перекрыто вертикальной стенкой и подключено к корпусу в виде дополнительной камеры гашения с порогом, а выпускной патрубок установлен в колодце, согласно изобретения, камера разделена по всей высоте многоярусными установленными спиралеобразными перфорированными перегородками в виде сетчатого полотна с наклоном вниз, который крепится к вертикальному стержню, имеющему вибропривод в виде пружины опорной с закрепленными снизу и сверху между пластинами, которые с внутренней стенкой корпуса посредством балок с шарнирами крепления, края спиралеобразных перегородок связаны с гибким полотном, примыкающим к внутренней поверхности корпуса, закрепленных накладными планками с опорными винтами, угол наклона каждого витка спиралеобразных перегородок может регулироваться за счет вертикального перемещения по вертикальному стержню с пружинной опорой.
Кроме того, спиралеобразная перегородка крепится к вертикальному стержню с помощью разъемных втулок посредством крепления болтовыми соединениями.
Такое выполнение гасителя от взаимосвязанных элементов способствует гашению энергии водного потока за счет многократного изменения направления по высоте рабочей камеры смешения от закрепленных многоярусных установленными спиралеобразными перфорированными перегородками в виде сетчатого полотна с наклоном вниз, имеющих вибропривод в виде пружины опорной, балки с шарнирами крепления и закрепленными накладными планками с опорными винтами, а также имеющих угол наклона сетчатого полотна. Далее поток поступает в сторону колодца дополнительной камеры гашения за счет вертикальной консольной подпорной перегородки, размещенной ниже дна выходного отверстия отводящего трубопровода.
По второму варианту выполнения, спиралеобразная перфорированная перегородка в виде наклонного сетчатого полотна, с определенным углом наклона, с примыкающей к внутренней стенке корпуса камеры гибкой по окружности лентой, также вибрирует с находящимися внутри вертикальным пружинных амортизаторов, закрепленных сверху к вертикальному стержню, который' может совершать колебательное возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости. Таким образом, реализуется во всех вариантах массообмен потока по высоте корпуса камеры с водобойным колодцем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематически показан гаситель энергии водного потока, разрез;
на фиг. 2 показан гаситель энергии, фрагмент расположения на крышке камеры, установленной пружинной опоры;
на фиг. 3 показан вариант выполнения пространственное изображение общего вида выполнения гасителя энергии со спирально сетчатым полотном с наклоном вниз;
на фиг. 4 показан гаситель энергии, поперечное сечение А-А на фиг. 3;
на фиг. 5 показан фрагмент узла выреза крепления к вертикальному стержню сетчатого полотна с разъемной втулкой.
Гаситель энергии водного потока включает водовод 1 с впускным патрубком 2 сбоку крышки 3, выпускной патрубок 4, вертикальный стержень 5, который жестко соединен с наклонным сетчатыми полками 6. Наклонные сетчатые полки 6 выполнены многоярусными каскадами, одним концом связаны к неподвижным горизонтальным перегородкам 7 с помощью гибких полотнищ 8 с накладными планками 9 с опорными винтами 10, другой конец наклонной сетчатой полки 6 гибким полотном 8 закреплен к боковой стенке корпуса камеры 11 также с помощью накладных планок 9 с опорными винтами 10.
Каждая неподвижная перегородка 7 жестко связана с направляющими 12 вокруг вертикального стержня 5 и, также связана с наклонными стенками 13, имеющие отверстия (не показано). Наклонная стенка 13 расположена ниже горизонтальной перегородки 7, и они вместе образуют многоярусный каскадный канал 14 с поворотами по высоте корпуса камеры 11 для движения потока воды вниз в сторону выпускного патрубка 4 (количество каналов может быть разным по высоте с впускными и выпускными отверстиями).
Для интенсивного гашения воды в процессе движения по наклонным многоярусным каскадным каналам 14 с сетчатой полкой 6, которая существенно оказывает сопротивления и давление сверху воды с повышением эффективности гашения энергии потока, при этом часть воды поступает ниже на следующую ступень горизонтальной перегородки 7, заполняет, соответственно, нижнюю полость 15, и верхнюю полость 16 выше наклонной стенки 13 через ее отверстие (не показано), т.е. под неподвижной горизонтальной перегородки 7, где движение потока сообщается вынужденным колебаниям вертикального стержня с пружинной опорой 17, которая своим верхним концом жестко связана с пластиной 18, а нижним концом установлена на крышке 3 корпуса камеры 11 (возможно на пластине 18 сверху может быть закреплен и вибратор, в качестве которого используют дебалансовый электромеханический вибратор - не показан для упрощения).
Эти колебания воды сообщает, кроме напора воды при ее движении, и вертикальный стержень 5, который жестко соединен с каждой сетчатой наклонной полкой 6, имеет возможность возвратно-поступательного перемещения в режиме вибрации в направляющих 12 жестко укрепленных на горизонтальных перегородках 7. Стержень 5 своим верхним концом снабжен жестко с установленной пружинной опорой 17 с пластиной 18 на крышке 3.
Дно 19 колодца 20 имеет удлинение его в сторону отводящего трубопровода 21. Дополнительная закрытая камера 22 гашения расположена за вертикальной консольной стенкой 23, дно закрытой камеры 22 гашения которой расположено в одной плоскости с дном 19 колодца 20, имеет порог 24. При этом закрытая камера 22 гашения, которая в конце имеет перегородку 25, в плане соединена через выпускное отверстие 26 с отводящим трубопроводом 21, причем вертикальная консольная стенка 23 закреплена ниже выпускного отверстия отводящего трубопровода 21. Перегородка 25 предназначена для изменения напорного вытекающего потока из отверстия колодца 20, где общий поток выходит с пониженными донными и поверхностными скоростями.
По основному варианту выполнения (фиг. 3) внутри корпуса камеры 11 установлена спиралеобразная перфорированная наклонная перегородка 27, которая крепится к вертикальному стержню 5, имеющего внутри камеры 11 сверху пружинную опору 28, закрепленную между двумя пластинами 29 и 30, которые с помощью направляющих балок 31 закреплены к внутренним боковым стенкам корпуса камеры 11. Вертикальный стержень 5 с помощью пружинной опоры 28 имеет возможность совершать колебательно- поступательное движение в вертикальной плоскости.
Спиралеобразная перфорированная наклонная перегородка 27 крепится к вертикальному стержню 5 с помощью разъемных втулок 32, которые могут перемещаться по вертикальному стержню 5 посредством болтовых соединений. Края наклонной перегородки 27 входя в прорези разъемных втулок 32 и, фиксируются в них под углом α (фиг. 5). Для прочности расположения спиралеобразной перфорированной наклонной перегородки 27, наружная поверхность ее по окружности стенок крепления связана с внутренними стенками корпуса камеры 11 (не показано) с помощью выше отмеченных элементов виде гибких полотен 8 с наклонными планками 9 с опорными винтами 10 (наподобие крепления по первому варианту выполнения).
Угол наклона α (фиг. 5) и шаг витков спиралеобразной наклонной перегородки 27 может регулироваться за счет ее вертикального перемещения с помощью втулок 32 по вертикальному стержню 5.
Угол наклона α определяется расчетным путем спиралеобразной наклонной перегородкой 27 и связан с движением потока воды вниз, который в свою очередь является функцией скорости движения, таким образом, чтобы обеспечить движение потока в сторону выпускного патрубка 4 в колодец 20. Наклонная перегородка 27 также создает сопротивлению движению потоку воды, часть потока которого одновременно поступает на следующий каскад устройств ниже по высоте корпуса камеры 11 и перемешивается другой частью потока воды, стекающей под углом (фиг. 3) (представлено пространственное изображение общего вида гасителя). Эти колебания вертикального стержня 5 также связаны вынужденным колебанием пружинной опоры 28, закрепленной между двумя пластинами 29 и 30, последние закреплены с помощью направляющих балок 31 к стенкам корпуса камеры 11.
Нижняя часть конструкции сооружения выполнена аналогично конструкции в первом варианте выполнения и, не требует ее описания повторно.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Вода поступает из водовода 1, проходит через впускной патрубок 2 и, поступая сначала на верхнюю сетчатую наклонную полку 6. Полка 6, жестко связанная с вибрирующим вертикальным стержнем 5, получает дополнительные колебания, что положительно действует на движение потока по каналу в сторону образованного многоярусного каскадного канала 14 с его поворотами внутри корпуса камеры 11, сверху прикрытого наклонной стенкой 13 с отверстие (не показано) и, часть потока при этом заполняет полость 15 под горизонтальной перегородкой 7, другая часть - заполняет полость 16 через сетчатую (перфорированную) наклонную полку 6 над горизонтальной перегородкой 7 жестко прикрепленной одни концом боковой стенке корпуса камеры, а другим свободным концом связано посредством гибкого полотна 8 с наклонными планками 9 с опорными винтами 10. Образующие каналы 14 по высоте камеры 11 выполнены в виде многоярусных каскадных наклонных в сторону выпускного патрубка 4 (количество их может быть по высоте разными с впускным и выпускными отверстиями). Наклонные сетчатые полки 6 создают торможению потоку, двигающемуся вниз, и влияют на скорость воды, приводящие с учетом ее многократных поворотов к частичному гашению кинетической энергии.
При движении потока воды по сетчатой наклонной полке 6 часть ее заполняет полость 16 выше горизонтальной перегородки 7, а другая часть воды заполняет полость 15 под горизонтальной перегородкой 7. В процессе такого расслоения потока он направляется и продолжает двигаться вниз в сторону выпускного патрубка 4. Практически погашенный вертикальный поток воды в районе выхода в дополнительную камеру гашения колодца 20 соединяется в ней в толще воды.
При этом происходит колебательные явления, так как вода, имея напорное движение, оказывает также на сжатия и разжатая витков на пружинную опору 17, т.е. дополнительно происходит эффект - резонансный, наклонные сетчатые перегородки 6, при этом они начинают колебаться за счет их соединения с гибким полотном 8 в виде упругих действий, как демпфер, начинают деформироваться, поддерживая наклонные сетчатые полки 6 и снижать ударные нагрузки на вертикальный стержень 5 от давления потока, а значит, эти колебания будут связаны и с работой пружинной опоры 17 надежно в эксплуатации, связанное с гашением кинетической энергии дополнительно.
Заполнение водой в нижней части колодца 20 одновременно является слоем толщины воды наполнения уровня его, что гасит падающий поток сверху после его многоярусного каскадного и поворотного движения за счет каналов 14, а окончательное гашение кинетической энергии происходит в дополнительной закрытой камере 22, заполнение которой зависит от перегородки 25 над выпускным отверстием 26 порога 24, а также через связь с расположением консольной стенки 23, закрепленной ниже выпускного отверстия отводящего трубопровода 21.
Эффективность тем выше, чем приобретает массовая энергетическая плотность пульсации скоростей потоку многоярусных каскадных каналов 14 с поворотами по кругу корпуса камеры 11, а также с дополнительной работы закрытой камеры 22 гашения со стороны перегородки 25 над порогом 24 и расположением консольной стенки 23, где поток направляется в сторону отводящего трубопровода 21. Окончательно погасив кинетическую энергию водного потока, обеспечивает возможность существенно предохранить отводящий канал от размыва в непосредственной близости отводящей трубы, связанной с камерой гашения.
Следует отметить, что верхняя пластина 18 пружины опорной 17 может быть снабжена и ввинчиваемыми регулировочными болтами (не показано), что может регулировать свободный ход растяжения пружины 17, а значит, меняется, и диапазона вибрации стержня 5 для дополнительного гашения воды в камере 11.
По второму варианту исполнения работа гасителя связана непосредственно с самой конструкцией под заданным углом наклона α каждого витка спиралеобразной перегородки в виде наклонного сетчатого полотна 27 внутри корпуса камеры 11. Причем углы наклона α связаны с движением потока воды вниз, и который крепится к вертикальному стержню 5 вибропружинной опоры 28, которая придает сетчатому наклонному полотну 27 колебательное возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости, вместе с движением по нему потока воды вниз в сторону выпускного патрубка 4. Одновременно часть воды проходит на следующую, ниже расположенную спиралеобразную перегородку с наклоном угла α, частично гасится, т.е. проходя по винтовой линии окружности. Активное гашение кинетической энергии потока в движении его обусловлено и дополнительной вибрацией сетчатого полотна 27 за счет крепления к вертикальному стержню 5 с пружиной опоры 28, заключенной между двумя закрепленными между собой пластинами 29 и 30, которые, соответственно жестко прикреплены к направляющим балкам 31. Таким образом, поток воды последовательно частично гасится в сторону выпускного патрубка 4, размещенного в колодце 20 с дополнительной закрытой камерой 22 гашения. Далее процесс продолжается уже по выше описанному способу по первому варианту исполнения. Такая организация процесса гашения потока сверху вниз в сторону выпускного патрубка 4 способствует повышению эффективности работы гасителя энергии водного потока.
Благодаря расширению диапазона подавления окончательно пульсаций динамические нагрузки на выходе потока из дополнительной камеры во многом уменьшаются по сравнению с прототипом, повышается эффективность работы сооружения в целом, за счет максимального гашения в корпусе камеры по высоте ее, и далее падающего потока в водобойный колодец со всеми его элементами.
Для оценки эффективности предложенного сооружения гасителя энергии водного потока, наличие многоярусных каскадных наклонных вибрирующих перфорированных полок или сетчатых наклонных под углом полотен по высоте корпуса камеры с закреплением их на гибких полотнах и стержня с пружиной опорой в верхней части, а также с перетоком части воды через перфорацию в устройствах, оказывается весьма эффективным и может быть применено для объектов гашения водного потока после напорных водоводов в водобойном колодце, в котором дополнительно размещены предложенные элементы устройства.