ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW ENERGY DAMPER

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для гашения водного потока в различных водосбросных сооружениях.
Известен гаситель энергии водного потока, включающий водобойный колодец с установленной на уровне подводящего канала Г-образной стенкой (Многоязычный словарь по ирригации и дренажу. / Под ред. К.К.Шубладзе. М.: Русский язык, 1978, с.209, №5930).
Недостатком указанного гасителя является то, что Г-образная водобойная стенка находится под воздействием пульсационных нагрузок потока. В результате этого снижается эксплуатационная надежность бетонной водобойной стенки. Переливной -сбросной режим через гребень водобойной стенки отсутствует, при котором не происходит поступление воды в нижний бьеф канала, при этом невозможен автоматический режим работы при любом заданном уровне. Кроме того, обтекаемая поверхность водобойной стенки подвергается кавитационным разрушениям, а при значительных колебаниях горизонтов воды в нижнем бьефе, происходит сбой струй в ту или иную сторону, следовательно, оно малоэффективно гасит энергию потока. Другим недостатком является то, что высота водобойной стенки определяется для пропуска расчетного расхода для отверстия ниже водобойной стенки, а, следовательно, она препятствует затоплению гидравлического прыжка в верхнем бьефе, и ее параметры не достаточно увязаны с геометрическими параметрами колодца. Кроме того, местоположение водобойной стенки определяется не только из расчетных, но и из конструктивных соображений. Занесение водобойного колодца крупнообломочным материалом уменьшает реактивное воздействие стенки на водный поток.
Наиболее близким по технической сущности из известных ранее является гаситель энергии водного потока, включающий водобойный колодец, водобойную стенку выполненную криволинейной в вертикальной плоскости и дно подводящего канала выполнено в виде консоли, а в дне колодца выполнено промывное отверстие (Авторское свидетельство СССР №1562396 Е02В 8/06, 1988).
Недостаток указанного гасителя заключается в том, что поток не имеет переливной - сбросной режим через гребень водобойной стенки, и поток, выходя из водобойной стенки с боковыми контрфорсами, образует с ними камеру, установленную с зазором к стенкам колодца, в результате чего за стенкой происходит сужение потока в плане, что приводит к концентрации расхода на узком фронте, в результате местные скорости сохраняют высокие значения на большом расстоянии от гасителя, что снижает эффективность гашения энергии на участке сужения канала. При этом не исключается ударного воздействия на элементы крепления отводящего канала, а это значит, не способствует достаточному сглаживанию поверхности воды. Таким образом, эффективность гашения энергии потока в отводящем канале недостаточна. По прототипу при непрерывном поступлении воды в отводящий канал отсутствует препятствие для перемещения наносов, т.е. отсутствует автоматическая промывка от накопившихся наносов перед криволинейной водобойной стенкой, так как промывка зависит при постоянном наблюдении эксплуатационного штата и дополнительном открытии дросселирующей пластины в ручную, при этом последняя является препятствием для промывки крупнофракционной части наносов. Это повышает затраты на его обслуживание. Кроме того, усложнение конструкции водобойной стенки из-за сложных железобетонных работ, требуется устойчивость криволинейной напорной грани в вертикальном положении, так как основное усилие равнодействующей гидростатического давления происходит по всей напорной грани, что вызывает увеличение массы и вес водобойной стенки по размерам, не позволяет снизить строительные затраты.
Цель изобретения - повышение эффективности путем обеспечения автоматизации срабатывания водобойной стенки.
Поставленная цель достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, включающем водобойный колодец, водобойную стенку, выполненную криволинейной в вертикальной плоскости и дно подводящего канала выполнено в виде консоли, а в дне колодца выполнено промывное отверстие, водобойная стенка выполнена в виде затвора и имеет в поперечном сечении форму сектора, прикрепленного вершиной к задней стенке колодца посредством шарнира с горизонтальной осью вращения, при этом в днище колодца выполнена ниша для размещения в ней затвора, а со стороны отводящего канала в основании и боковых стенках колодца выполнены упоры, взаимодействующие с затвором в рабочем положении, причем одна из стенок затвора, обращенная в сторону ниши колодца, выполнена вертикальной, а другая - полотном крышевидной формы с козырьком и с поплавком-противовесом цилиндрической формы в коньковой его части, и дополнительно установлен упор в виде поплавка, прикрепленного к стенке затвора, который установлен с возможностью контактирования-стыковки с задней вертикальной стенкой колодца.
Кроме того, с целью увеличения функциональных возможностей, конец одной из стенок затвора, обращенного в сторону ниши колодца, выполнен вогнутым, а верхняя часть крышевидного полотна выполнена в виде незамкнутой спирали, обращенной к ниши, при этом отгиб начальной части спирали соединен с концом крышевидного полотна с образованием водоприемной щели, при этом одна из стенок затвора, выполненной вогнутой, со стороны ниши выполнена прямоугольной формы с козырьком-уступом, расположенных в нише колодца с возможностью контактирования с дном консоли в рабочем положении, причем привод выполнен в виде поплавков, жестко соединенных с вогнутой стороной стенки.
Такая конструкция гасителя энергии водного потока обеспечивает эффективное гашение энергии потока в широком диапазоне колебания уровней в отводящем канале, Водобойная стенка, выполненная в виде затвора в вертикальном положении обеспечивает необходимое гашение, так как теряется определенная часть кинетической энергии за счет поворота в вертикальной и горизонтальной плоскостях, после чего поток по водосливной поверхности полотнища крышевидной формы поступает общим потоком в отводящий канал. Цилиндрический поплавок в коньковой его части и второй дополнительный поплавок несколько меньших размеров первого, в автоматическом режиме поддерживают в вертикальном положении затвор, а устойчивость затвора обеспечивается упорами, выполненными в основании и боковых стенках колодца со стороны сопряжения с отводящим каналом. При прекращении воды в подводящем канале начинается ускоренно опускаться затвор в нишу колодца, так как поплавок и козырек своим общим весом (в вертикальном) превышают вес водосливной стенки, устойчивость теряется и за счет поворота затвора относительно оси на шарнирах, опускается в нишу колодца, а меньшим поплавком упирается в заднюю вертикальную стенку колодца. За счет наличия зазора между нишей и полотнищем с козырьком, расположенных в нижнем положении, не происходит отложение наносов и возможна постоянная их промывка, т.е. происходит защита колодца с нишей автоматически.
Начинается заполнение подводящего канала, соответственно, и ниши колодца. По мере повышения уровня воды в колодце оба поплавка, соединенные с прямоугольным полотнищем затвора, в форме сектора, начинают подниматься вверх. При этом одновременно под действием гидростатического давления со стороны ниши на выпуклую часть конца криволинейного полотнища дополнительно теряется устойчивость, затвор в начале медленно, а затем с ускорением поднимается за счет поплавкового привода в виде всплытия поплавков, входит в упоры и окончательно фиксируется автоматически в своем вертикальном положении, т.е. примыкая к ограничителям.
Таким образом, в процессе работы водобойной стенки выбором габаритов в виде подвижного затвора в форме сектора с его элементами и их размерами, достигается высокая степень плавного поступления воды по водосливной поверхности крышевидного полотнища и исключает сбойность потока по ширине отводящего канала, при этом уменьшается динамическое воздействие на саму конструкцию.
Кроме того, с целью увеличения функциональных возможностей (по варианту), одна из стенок затвора выполнена вогнутой, а верхняя часть крышевидного полотна выполнена в виде незамкнутой спирали. Поток, поступая в щель незамкнутой спирали, разворачивается вдоль внутренней поверхности криволинейной стенки. Скорость по мере движения жидкости снижается. В верхней части происходит торможение потока и далее в верхней части крышевидного полотна сбрасывается в отводящий канал. Со стороны водобойной стенки образуется надвинутый прыжок воды выше консоли подводящего канала. Таким образом, гашение дополнительно осуществляется за счет потерь на вихреобразование, а также закрученного потока спиралью и перемешивания в нише колодца.
Соотношение веса поплавка с крышевидым полотнищем и с козырьком подбирается таким образом, чтобы при заполнении ниши колодца водой над ними, затвор начинает медленно подниматься за счет всплытия поплавка и перемещается вверх с повышением уровня в результате дополнительной силы под действием гидростатического давления со стороны подводящего канала на конец вогнутой части затвора, и прикрытую сверху незамкнутой спиралью со щелью. При этом при необходимом гашении энергии воды, происходит поступление ее из ниши колодца по водосливной поверхности крышевидного полотна плавно при сопряжении с дном отводящего канала.
Работа гасителя энергии имеет устойчивое положение при контактной связи с упорами. За счет наличия перекрытия входного отверстия колодца прямоугольным полотнищем с козырьком-упором, по варианту, расположенного в горизонтальном положении, весь поток воды поступает в отводящий канал. По мере накопления гряды наносов на полотнище, вес его увеличивается, и затвор теряет устойчивость, частично приоткрывается ниша в колодце и сбрасывает через щель наносы, далее они промываются через сбросное отверстие, расположенное в дне колодца. Возвращение затвора в рабочее положение дает возможность плотно запирать проходное сечение в начале отводящего канала. Момент силы гидростатического давления повышается.
В связи с этим нужно предусматривать оптимальные соотношения и взаимовлияния всего устройства в целом.
Использование предлагаемого устройства в гидротехнических сооружениях повышает их надежность точной установки устройства в расчетное положение, сокращает габариты отводящего участка канала во всем диапазоне сбрасываемых расходов, исключает возможность занесения крупнообломочным материалом путем промывки при пропуске расходов.
Практическая работоспособность предлагаемого гасителя энергии очевидна и он вписывается в технологию конструирования ирригационного оборудования.
На фиг.1 показана схема компоновки гасителя энергии; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - узел 1 на фиг.2 в рабочем положении (верхнее положение); на фиг.4 - то же в не рабочем положении (нижнее положение); на фиг.5 - узел 1 затвор (выполнение полотна крышевидной формы с дополнительным гасителем энергии в форме незамкнутой спирали) в рабочем положении; на фиг.6 - то же в нерабочем положении (нижнее положение; на фиг.7 - узел 1 затвор (выполнение дополнительного сдвоенного затвора в виде сектора, который примыкает к основному затвору) в рабочем положении; на фиг.8 - то же в нерабочем положении (нижнее положение).
Гаситель энергии водного потока включает подводящий канал 1 с консолью 2, установленной в ниши 3 колодца 4. В колодце 4 с нишей 3, размещена донная промывная галерея 5 с отверстием 6. Водобойная стенка в виде затвора 7 имеет в поперечном сечении форму сектора, установленного шарнирно с горизонтальной осью 8, прикрепленного к задней стенке 9 колодца 4. При этом поперечное сечение ниши 3 соответствует поперечному сечению затвора 7.
Затвор 7, в форме сектора, содержит вертикальное полотно 10 (в рабочем положении) со стороны подводящего канала по течению потока, а со стороны отводящего канала 11 выполнен полотном 12 крышевидной формы, снабженный со стороны ниши 13 цилиндрическим поплавком-противовесом 14 в коньковой части полотна 12, оканчивающимся плавно изогнутым козырьком 15. Вертикальное полотно 10 в верхней части (ниша 13) соединяется с полотном 12 крышевидной формы, а с внешней стороны дополнительно закреплен поплавок 16 меньшего размера, служащий также упором с возможностью контакта в нижнем положении с задней стенкой 9 после отключения воды в подводящем канале 1 (опрокидывания).
Полотно 10 в верхнем положении (вертикальном) установлено с возможностью взаимодействия (примыкания) с задней стенкой колодца выше оси 8 вращения в виде упоров 17, ограничивающих поворот полотна 10 затвора 7, а со стороны отводящего канала 11, сопряженного с основанием колодца 4, в последнем выполнена ниша 18 с упором 19. В нишу 18 входит боковая нижняя стенка 20 полотна 12, опирающаяся на упор 19. Для ликвидации зазоров в зонах примыкания полотно 10 имеет уплотнения при контакте с упорами 17, являющимися задней стенкой колодца 4 выше оси 8 вращения (не показано).
Затвор 7 с полотном 10, с поплавком-противовесом 14 и малым поплавком 16, который является одновременно и упором при взаимодействии с задней стенкой 9 колодца 4, отклоняется вниз к дну колодца под собственным весом, угол составляет 25...30° к горизонту, то в процессе работы его при поступлении воды в нишу 3 колодца 4 позволяет срабатывать в верхнее положение под действием гидростатического давления со стороны ниши 3 колодца 4. Галерея 5 с отверстием 6 сопряжена с трубой 21 и имеет затвор 22.
По варианту (фиг.5 и 6) предусматривается, что верхняя часть полотна 12 снабжена дополнительно гасителем энергии потока 23 в форме незамкнутой спирали, начальный изгиб спирали выполнен заподлицо с вершиной вогнутого полотна 12 с образованием водоприемной щели 24. С внутренней стороны стенки полотна 10 и к стенке полотна 12 крышевидной формы жестко прикреплен ригель 25, а между собой полотна 10 и 12 соединены жестко поплавком 26 (приводом).
Затвор 7 может быть выполнен в виде дополнительного сектора с дугообразной вогнутой стороной 27 в сторону подводящего канала 1 (фиг.7 и 8) и снабжено Г-образным козырьком 28 на вершине полотен 10 и 12, а вогнутая сторона 27 снабжена двумя цилиндрическими поплавками 29 и 30. Дополнительный сектор имеет прямоугольную стенку 31 с козырьком-уступом 32.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Поток воды из подводящего канала 1 поступает на консоль 2, далее поступает в нишу 3 и натекает на вогнутый конец 20 полотна 12, а со стороны дна колодца 4 давление воды действует на полотно 10 с поплавковыми приводами 14 и 16. При этом, по мере заполнения водой ниши 3 колодца 4 до отметки оси 8 вращения момент выталкивающей силы потока на полотно 10 с поплавками 14 и 16 поплавкового привода, как и давление на конец вогнутой стенки 20, увеличивается. Поднимается затвор 7 в верхнее вертикальное положение, что приводит к перекрытию поперечного сечения колодца 4 со стороны отводящего канала 11. Полотно 10 в своем вертикальном положении примыкает к упорам 17 (задняя верхняя стенка колодца выше оси вращения), а полотно 12 затвора 7 опускается в нишу 18 и упирается в скошенный порог 19 (стенку).
Полотно 10 и полотно 12 крышевидной формы с плавно изогнутым козырьком 15 в вертикальном положении обеспечивают необходимое гашение энергии воды. Поток воды из колодца 4 по водосливной поверхности полотна 12 и стенки 20 поступает в отводящий канал 11, происходит параллельно-струйное движение ее по длине отводящего канала. Наличие плавно изогнутого конца стенки 20 (носка) назначают не ниже дна основания колодца, сопряженного с отводящим каналом 11 и угол наклона стенки 15…20°, что способствует сглаживанию поверхности воды, т.е. за счет наличия плавно изогнутой в плане траектории движения потока, уменьшается нагрузка, и размыв дна канала в пределах крепления.
При понижении уровня воды до полного прекращения в подводящем канале 1, начинается процесс постоянного опускания вниз поплавков 14 и 16 с полотнами 10 и 12. Затвор 7 вращаясь вокруг оси 8, принимает исходное положение в нише 3 колодца 4. Поплавок 16, жестко прикрепленный к полотну 10 со стороны стенки 9 колодца 4, упирается в последнюю, ограничивающий поворот затвора расположенного, например, под углом 25…30° к горизонту. Полотно 12 в крайнем нижнем положении частично приоткрывает и сбрасывает наносы через отверстие 6 галереи 5 вследствие вогнутости полотна 12 и криволинейной поверхности стенки ниши 3. Поэтому, за счет наличия зазора между криволинейными поверхностями 12 и 3, расположенного под углом к дну галереи 5 в вертикальном положении, не происходит отложение наносов и возможна их промывка.
Значение углов 25…30° должны обосновываться в процессе проектно-конструкторских разработок.
На фиг.5 и 6 затвор 7, как, опускаясь, так и особенно опрокидываясь вниз, при возвращении наклонно в нишу 3 колодца 4, удерживается от быстрого его первоначального восстановления за счет выполнения в виде незамкнутой спирали дополнительного гасителя энергии 23.
На фиг.7 и 8, снабженный дополнительным сектором с дугообразной вогнутой стороной 27 начинает ускоренно подниматься в начале за счет динамического давления на полотно 12 с криволинейным концом 20 (носка), и за счет поворота в вертикальной и горизонтальной плоскостях затвор 7 отрывается от консоли 2. После чего поток поступает через зазор в нишу 3. где происходит давление воды на вогнутую поверхность 27 с поплавками 29 и 30, а также динамическое давление на Г-образый козырек 28, происходит всплытие, так как дополнительный сектор выполнен пустотелым на оси 8. Затвор 7 в крайнем верхнем положении перекрывает колодец 4. Нижняя прямоугольная стенка 31 с козырьком-уступом 32 дополнительного сектора, примыкает к консоли 2 со стороны ниши 3 и перекрывает входное отверстие ниши 3 колодца 4. В случае скопления наносов (песка и гравия) в начале стенки на вогнутую поверхность 27, сила давления (веса) на поверхность возрастает, что приводит в движение дополнительный сектор и вместе с ним затвор 7 на частичное открытие ниши 3. Резко увеличивается транспорт наносов с водой в промывную галерею 5. При смыве наносов с вогнутой поверхности 27 затвор 7 вновь занимает свое вертикальное положение. В результате чего не происходит постоянного накопления наносов и возможен их смыв. При этом, затвор 7 с дополнительным сектором, как опускаясь, так и вновь опрокидываясь вверх, при возвращении нижней прямоугольной стенки 31 с козырьком-уступом 32 при контакте с консолью 2, обеспечивает не только временную промывку наносов, но и экономить воду при отсутствии сброса ее через отверстие 6 в промывную галерею 5.
Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить гашение энергии потока в автоматическом режиме. Однако, возможен вариант, когда подъем и опускание затвора 7 осуществляют с помощью тяг зафиксированных на оси вращения, сопряженных с барабаном (не показано).
Затвор в рабочем положении обеспечивает затопление закрученного потока в нише колодца и над консолью подводящего канала, т.е. перемешивание потока, в результате происходит эффективное гашение избыточной кинетической энергии водного потока.
Благодаря наличию взаимосвязи и взаимозависимости основных элементов гасителя энергии, повышается его статическая устойчивость. Конструкция гасителя не чувствительна к наличию в пропускаемом потоке наносов, а опорожнение ниши 3 через промывное отверстие 6 облегчает возвращение затвора 7 (водобойной стенки) в исходное положение.
Экономическая эффективность от применения предложенного изобретения складывается из:
упрощения конструкции водобойной стенки в изготовлении, например, из металла, чем в проведении железобетонных работ в полевых условиях, благодаря чему снижается стоимость водобойной стенки;
позволяет отказаться от дополнительного укрепления водобойной стенки и ограничений размеров, которые накладываются на режим работы гасителя энергии.
Увеличение расходов поднимает уровень воды перед затвором 7 и начинается подтопление верхнего бьефа, что значительно повышает эффект гашения энергии водного потока, при этом используя нишу колодца. Вода переливается через полотно крышевидной формы плавно и, как следствие, возрастает гидродинамическое давление на верховые козырьки 15 или по варианту козырек 24, или 28, поддерживаемые в вертикальном положении также поплавками 14, 16 или по варранту, поплавками 26, 29, 30. При этом упоры 17 и 19 обеспечивают устойчивость затвора 7 в рабочем положении. Этим повышается эксплуатационная надежность затвора на оси вращения.
Гашение потока с помощью ниши колодца и самого устройства водобойной стенки с ее элементами, повышает надежность точной установкой затвора в расчетном положении, ведет к высокоэффективному гашению.
Автоматический режим работы затвора при любом заданном уровне выше оси вращения, поддерживает поднятием затвора и переливами расходов в отводящий канал.