ВОДОВЫПУСК ИЗ КАНАЛА С БОЛЬШИМ УКЛОНОМ
WATER OUTLET FROM CHANNEL WITH STEEP SLOPE

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для забора воды из каналов с большими уклонами, для которых характерно значительное колебание уровней воды, а также в условиях обильных донных наносов.
Известен водовыпуск из канала с большим уклоном, включающий подводящий, транзитный и отводящие каналы и секторно-ковшовый затвор с приводом, установленный с возможностью выдвижения в подводящий канал на вертикальной оси вращения, расположенной на верховой стенке отводящего канала, причем секторно-ковшовый затвор снабжен растекателями, выполненными в виде вертикальных пластин, установленных, внутри секторно-ковшового затвора в его центрально-угловой зоне по всей высоте внутренней полости затвора с перекрытием части ширины проточного тракта затвора, а также снабжен сорозадерживающим устройством, выполненным в виде решетки (SU 1312138, кл. Е02В 13/00, 1987).
Недостатком работы данного водовыпуска обусловлены его сложной конструкцией, включающей растекатели внутри полости затвора, выполненные в виде вертикальных пластин и радиально установленные в его центрально-угловой зоне по всей высоте внутренней полости затвора. Вода поступает в полость затвора за счет конструкции растекателей различной длины во вращательном движении и поступает в сторону отводящего канала. Растекатели заполняют воздушное внутренней пространство на повороте движения воды со стороны центрально-угловой формы.
Применение растекателей с точки зрения экономии пространства имеет некоторые недостатки. Размеры ковшового затвора увеличиваются, давление внутри полости затвора уменьшается, в результате чего возникает тенденция к отрыву потока от криволинейной стенки на выходе из затвора, что приводит к потерям энергии, вызванным турбулентностью. Отрыв потока может также частично вызвать кавитацию на внутренней стенке на выходе из затвора, способную повредить стенки отводящего канала и уменьшить срок службы. Кроме того, может быть уменьшена кривизна обшивки затвора, однако она может привести к нарушению структуры потока в полости затвора и снижению пропускной способности.
Известен также водовыпуск-стабилизатор расхода воды из каналов с бурным режимом течения, включающий подводящий и транзитный каналы, регулирующий затвор и донную водоприемную галерею, имеющую в верхней части водоприемное отверстие, перекрытое решеткой, а в низовой части разделительную стенку, сопряженную с дном транзитного канала, причем донная водоприемная галерея соединена с отводящей трубой посредством водовыпускного отверстия, причем за счет изменения гидравлических сопротивлений галерея снабжена струенаправляющей системы в виде разделительных криволинейных стенок, а также снабжена по длине галереи выступом и плоской пластиной, образующих отдельные секции, и галерея выполнена в виде зигзагообразного водовода (патент RU 2 484 203, кл. Е02В 13/00, 2013).
Недостатком известного водовыпуска-стабилизатора является его сложность, обусловленная наличием выступов и пластин, размещенных внутри полости галереи и т.д. Эти устройства создают сложную эпюру скоростей на повороте, создают сложность в эксплуатации. Ведут к большим потерям энергии из-за трения по длине галереи.
Известно из литературы источников, что водовыпуски работают лучше при «закругленной» эпюре скоростей или по возможности ровной, а скошенная эпюра скоростей потока, выходящего из изогнутого трубопровода, приводит к неэффективной пропускной способности и вызывает сбойность в отводящем канале. Для гашения такого потока строят гасительные колодцы и другие гасительные сооружения на прямом участке, что также удорожает общую длину крепления отводящего канала - это все приводит к большим потерям энергии.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, - упрощение конструкции и повышение эффективности в работе.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении пропускной способности, обеспечении заданного расхода воды и повышении урожайности.
Указанный технический результат достигается тем, что водовыпуск из канала с большим уклоном, содержит подводящий и транзитный каналы, регулирующий затвор, водоприемную галерею, имеющую в верхней части водоприемное отверстие, перекрытое решеткой, галерея выполнена входным оголовком в виде трубы, верхняя часть корпуса которой с косым срезом расположена выше щелевого отверстия галереи, при этом перед щелевым отверстием дополнительно расположен V-образный порог, а боковые стенки подводящего канала снабжены струенаправляющими элементами с возможностью перемещения в сторону порога, причем струенаправляющие элементы выполнены Г-образными вертикальными стенками с полками, размещенными над дном подводящего канала, а нижние торцы вертикальных стенок установлены относительно дна подводящего канала с зазором.
Кроме того, галерея, выполненная в виде трубы, содержит отводящий напорный трубопровод, трубчатая часть которого изогнута в трех измерениях и имеет по существу постоянную площадь сечения по всей длине.
Первым аспектом изобретения является создание водовыпуска с напорным трубопроводом с входной частью оголовка в виде трубы, корпус которой с косым срезом расположен выше щелевого отверстия галереи. При этом дополнительно имеется V-образный порог и струенаправляющие элементы, при этом трубчатая часть сопряжена с отводящим каналом в виде напорного трубопровода, изогнутого в трех измерениях.
Наличие трубчатой части, изогнутой в трех измерениях (ближе к спирали), способствует развитию вихревого потока и позволяет сохранить скорость движения воды на повороте, обеспечить быстрый вынос атмосферного воздуха с водой в отводящий канал. Напорный трубопровод может быть выполнен и составным, одинакового диаметра, сохраняя устройство, изогнутое в трех измерениях. При таких условиях эпюра осевых скоростей потока, проходящего через трубчатую часть, становится более ровной или «закругленной», при этом скорость потока вне изогнутой части меньше скорости аналогичного потока в трубе, изогнутой в двух измерениях, а скорость внутри изогнутой части больше. Таким образом, эпюра скоростей вблизи стенок вокруг трубчатой части при ее не плоской геометрии стремится к большей равномерности по окружности, чем при плоской геометрии. Такой поток применительно к напорному трубопроводу и отводящему каналу имеет ряд преимуществ.
Это приводит к уменьшению потерь энергии, вызванной вихревой турбулентностью. Таким образом, могут быть уменьшены потери напора в напорном трубопроводе при наличии в нем трубчатой части, изогнутой в трех измерениях, и улучшено восстановление перепада давления в отводящем канале при наличии в нем такой трубчатой части, соответственно заметно повышается пропускная способность водовыпуска. Таким образом, возможно применение более короткого участка в галерее поворотной трубы, и при этом напорный отводящий трубопровод может быть расположен ближе к боковой наружной стенке канала, что уменьшает общую длину участка отводящей трубы (отсутствует колодец-гаситель), сопряженную с открытым отводящим каналом, с затвором. В этом случае входная часть напорного трубопровода может иметь по существу короткий участок большего диаметра, чем трубчатая часть, при этом поток из ламинарного, преобразуется в трубчатой части в турбулентный. Такое расположение упрощает конструкцию в отводящем канале.
Известно, что водовыпуски, выполненные в виде одного колена под 90°, отрыв может привести к кавитации на внутренних стенках изогнутой частей. Кавитация возможна и вне изогнутых частей там, где быстрый поток создает низкие давления, и при этом возможны разрушение потока во всем водовыпуске и повреждение на выходе труб.
Поток может быть насыщен влекомыми по дну канала наносами, или иметь небольшое наполнение перед входной частью напорного трубопровода. Исходя из этого дополнительно устраивается V-образный порог (выступ) в подводящем канале перед входной частью напорного трубопровода. Для создания необходимого уровня воды над входной частью напорного трубопровода при минимальном наполнении воды в подводящем канале, и пропуска наносов по длине канала, нижний слой потока с наносами проходит под нижним торцом вертикальной стенки (пластины), путем вращения вокруг своей оси приводом в боковой стенке подводящего канала, т.е. выдвигается в сторону V-образного порога и водоприемной входной части напорного трубопровода, обеспечивая забор максимального расхода воды при минимальном наполнении в подводящем канале (минимальный уровень воды). Это также обеспечивает потребителя водой с заданной обеспеченностью для повышения урожайности на поливных землях.
Такой подход к конструкции сооружения может увеличить расход воды не мене чем на 15-20%. Комбинация напорного и винтового режима и послужила для создания нового технического решения, поскольку при наличии изгиба эпюра скоростей потока более равномерна, то при этом уменьшена тенденция к отрыву потока во внутренней стенке изогнутой части. Это приводит к уменьшению потерь энергии, вызванных вихревой турбулентностью. В свою очередь, очевидно, что могут быть уменьшены потери давления во входной части оголовка при продолжении его с трубчатой частью, изогнутой в трех измерениях в продолжение с отводящей трубой, соответственно уменьшение давления в выходной части трубопровода в открытый канал, что экономически выгодно, возможно, сокращение отводящей трубчатой части при ее сопряжении с каналом, т.е. экономия пространства, одновременно учитывается и снижение в трубе кавитации.
Исходя из вышесказанного автор считает возможным утверждать, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 изображен водовыпуск из канала с большим уклоном, план; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схематический вид изогнутой трубы, показанной на фиг. 1, в большом масштабе; на фиг. 4 - схематичный вид изогнутой трубы на конце напорного трубопровода, показанного на фиг. 1, в большом масштабе; на фиг. 5 - схематичный вид сбоку трубопровода, показанного на фиг. 1.
Водовыпуск из канала с большим уклоном содержит расположенную между подводящим каналом 1 и транзитным каналом 2 камеру 3, с водоприемной галерей 4. Входная часть 5 галереи 4 по высоте поперечного сечения с косым срезом 6 выполнена несколько выше дна подводящего канала 1, по центру канала, и соединена с напорным трубопроводом 7, при этом поперечное сечение на всей длине постоянно. Напорный трубопровод 7 сопряжен посредством затвора 8 с подъемным механизмом с открытым отводящим каналом 9.
Каждая трубчатая часть трубопровода 7 образует часть спирали. Обычно угол поворота части спирали составляет менее 360°, и в этом случае центральная линия входа в трубчатую часть и центральная линия выхода из нее лежат в различных плоскостях. Форма спирали может иметь постоянный или переменный радиус.
В подводящем канале 1, по центру, на дне жестко закреплен V-образный порог 10 перед входной частью камеры 3 с галереей 4, перекрытые решеткой 11, верхний конец которой сопряжен с порогом 10. Порог 10 служит для защиты входного участка галереи 4 от попадания в него крупного камня. К боковым стенкам подводящего канала 1 примыкают струенаправляющие элементы 12, выполненные в виде Г-образной вертикальной стенки (пластины) 13 с горизонтальной полкой 14 с возможностью поворота в горизонтальной плоскости на вертикальной оси 15, связанной с приводом 16 выше верховой стенки подводящего канала 1, причем нижний торец вертикальной стеки 13 размещен выше дна подводящего канала 1 на величину размера, влекомого по дну крупного камня (определяется конструктивно), т.е. установлены относительно дна подводящего канала с зазором.
Струенаправляющие элементы 12, закрепленные в стенке канала 1, расположены напротив стенок порога 10 под углом, функционально зависящие от степени вращения вокруг оси 15 с Г-образной вертикальной стенкой 13 с горизонтальной полкой 14, обеспечивая беспрепятственный пропуск крупного камня и дополнительно предохраняя решетку 11 от завала крупного камня и снятие на нее статической нагрузки, концы которой закреплены на выступе 10.
Поскольку уровень воды в подводящем канале 1 может уменьшится, и забор воды в напорный трубопровод 7, соответственно, уменьшается, с помощью механизма привода 16 с осью 15 перемещают горизонтально струенаправляющие элементы 12 в сторону выступа 10. Поэтому входная часть галереи 4 с косым срезом 6 имеет высоту поперечного сечения в плане выше дна подводящего канала 1, что позволяет увеличить по направлению течения потока забор воды в трубопровод 7.
Водовыпуск из канала с большим уклоном работает следующим образом.
Скоростной поток, насыщенный наносами, по подводящему каналу 1 поступает к входной части 5 галереи 4, при этом выступ (порог) 10 создает подпор в канале 1, вследствие чего через решетку 11 осветленная вода поступает в напорный трубопровод 7, и из последнего - в отводящий канал 9. Причем скоростной поток, набегая на выступ 10, разделяется в плане на три потока, средний поступает в галерею 4 напорного трубопровода 7, а одновременно два боковых потока воды проходят между струенаправляющим элементом 12 и выступом 10, при этом свободное пространство между ними способствует пропуску крупного камня в транзитный канал 2, за счет оттеснения от завала решетки 11 к боковым стенкам канала 1 от центральной его оси.
При минимальных наполнениях воды в подводящем канале 1 за счет вращения на оси 15 струенаправляющий элемент 12, состоящий из вертикальной плоской стенки 13 с горизонтальной полкой 14, в результате уменьшения свободного пространства между стенкой 13 и выступом (порогом) 10 уровень воды перед выступом 10 повышается и часть потока через просветы решетки 11 также поступает в напорный трубопровод 7. Следовательно, и при минимальном наполнении воды в подводящем канале 1, он может забираться в напорный трубопровод 7. При этом крупные влекомые наносы беспрепятственно проходят через свободное пространство между нижней кромкой стенки 13 и дном подводящего канала 1, вследствие того, что струенаправляющий элемент 12 закреплен жестко к приводу 16 с осью 15, нижний торец стенки 13, который несколько выше дна подводящего канала 1, т.е. закреплен свободно, типа консоль.
При отсутствии забора при минимальном уровне воды в подводящем канале 1, струенаправляющий элемент 12 занимает исходное положение параллельно боковой стенке канала 1. Таким образом, скорость течения воды не нарушается в сторону транзитного канала 2, и все наносы уходят вниз, предохраняя от завала крупными наносами перед выступом 10.
Наличие горизонтальной полки 14 над вертикальной стенкой 13 и ее расположение в подводящем канале 1 перед входной частью 5 галереи 4 при минимальном расходе в канале 1 значительно увеличивает коэффициент водозабора в напорный трубопровод 7. Круглая труба работает полным сечением. Устройство горизонтальной полки 14 имеет небольшие размеры по ширине и дешевле, по сравнению, если бы вместо нее вводили какие-либо заборные элементы (достаточно повернуть вертикальную стенку 13).
Как описано выше в отношении работы напорного трубопровода 7, при таких условиях скорость очищенного потока воды внутри трубопровода его становится более ровной или «закругленной», как и сама эпюра скоростей. Таким образом, эпюра скоростей вблизи стенок вокруг трубчатой части при ее не плоской геометрии стремится к большей равномерности по окружности, чем при плоской геометрии. Такой поток имеет ряд преимуществ.
Поскольку при наличии изгиба эпюра скоростей потока более равномерная, то при этом уменьшена тенденция к отрыву потока от внутренней изогнутой стенки. Это приводит к уменьшению потерь энергии, вызванных вихревой турбулентностью. Таким образом, могут быть уменьшены потери давления во входной трубе 7 при наличии в ней трубчатой части, изогнутой в трех измерениях, и уменьшения потери давления в выходной части трубопровода 7.
Таким образом, наличие или во входном, или в выходном патрубке его трубчатой части, изогнутой в трех измерениях, может привести к более эффективному использованию водовыпуска и к экономической выгоде. Для достижения максимальной выгоды устройство водовыпуска в канале с большим уклоном по центру канала 1 предпочтительно, когда входной и выходной патрубки имели такую трубчатую часть.
Уменьшение тенденции к отрыву потока снижает вероятность повреждений от кавитации. Это относится как к входному, так и к выходному патрубку напорного трубопровода 7. Это в свою очередь повышает полный коэффициент полезного действия водовыпуска в работе и позволяет разместить галерею в виде трубы с косым срезом по центру подводящего канала 1, и выше щелевого отверстия галереи, без применения каких-либо сложных перегораживающих водозаборных элементов.
Напорный трубопровод 7 имеет спиральную конфигурацию, и для ее лучшего понимания на видах сверху и сбоку показаны крестиком точки (фиг. 5).
Сороудерживающая решетка 11 имеет форму выпуклой и сводит к минимуму попадания твердых частиц наносов в напорный трубопровод 7, а в конце трубопровода 7 установлен регулирующий затвор 8 (может быть установлен поворотный или дроссельный клапан). Таким образом, в целом уменьшается общая длина отводящего трубопровода при сопряжении с открытым отводящим каналом 9.
Применение изобретения позволяет разрешить проблему повышенной пропускной способностью на открытых каналах с большими уклонами в составе сооружений. Когда перед отводящим каналом не требуется строительство гасительных колодцев, работающих со свободным режимом истечения, это способствует равномерному движению расходов воды по ширине и длине отводящего канала.
Устройство позволяет забирать стабильный расход воды в поливной период эксплуатации и не требует сложных перегораживающих элементов сооружения, например, с целью очистки от крупного камня.