ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW ENERGY ABSORBER

Изобретение относится к гидротехнике, к гидравлике, гидромеханике, а более конкретно к гидротехническим сооружениям, предназначенным для использования 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 увеличивающейся к его торцу площадью (Авторское свидетельство SU №1435690, Е02В 8/06 от 07.11.1988).
Недостатком известного гасителя 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 малоэффективно будет влиять на выход струй из отверстий и тем самым в отводящем канале появятся 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 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 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, конически 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 исключения поступления атмосферного воздуха при подачи растворов реагентов с целью предупреждения гидробиологического обрастания внешней поверхности 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 снижения 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, в концевом вертикальном расширении которой размещен вертикальный колодец, образованный наклонными участками, завихритель потока, согласно изобретения колодец в верхней части имеет дополнительную камеру гашения, в которой над пережимом колодца размещен завихритель потока выполненный в виде турбины винтолопастной с возможностью вращения относительно своей оси и прикрепленной, проходящей через уплотнение в крышке колодца, в виде прикрепленного в верхней части механизма изменения положения турбины, причем дополнительная камера гашения имеет внутреннюю кольцевую горизонтальную полку, закрепленную выше турбины с кольцевым зазором над турбиной, кроме того, колодец в верхней части с внешней стороны имеет отводящий лоток, при этом дно отводящего лотка соединено с отводящим трубопроводом, имеющим регулирующую задвижку.
Кроме того, турбина винтолопастная установлена с возможностью вертикального перемещения, и ось ее прикреплена к механизму изменения зазора в виде винтовой пары над пережимом колодца.
Кроме того, угол кривизны лопастей турбины равен α=n⋅360°L/K⋅V,
где n - число оборотов турбины, об/мин; L - рабочая длина турбины, равная (0,8-l,2)D, м; V - скорость воды в пережиме, колодца в сторону турбины, м/мин; D - диаметр пережима колодца, м; K - коэффициент, учитывающий силы трения, равен 0,3.
Кроме того, дно расширяющегося колодца снабжено вмонтированным отводящим трубопроводом, имеющим регулирующую задвижку для подачи воды потребителю и/или для удаления накопившихся мелких наносов, осевших на дно колодца за пределы сооружения.
Выполнение гасителя из взаимосвязанных элементов способствует гашению энергии потока за счет устройства дополнительной камеры гашения, в которой над пережимом колодца закреплена в форме винтолопастной турбины, в которой теоретический напор пропорционален окружной составляющей и абсолютной скорости на выходе вверх из колодца через пережим в дополнительную камеру гашения через завихритель попадает в камеру, где закручивается и за счет наличия внутренней кольцевой горизонтальной полки с кольцевым зазором, закрепленную выше винтолопастной турбины, создает закрытый расходящийся поток воды от вращения винтолопастной турбины, который затем поступает через кольцевую горизонтальную полку, закрепленную с зазором выше турбины в сторону верхней части колодца, камера которого сообщается с отводящим лотком между собой по законам несвободного истечения из выходного отверстия, так как дно его устроено на уровне, совпадающем с отметкой дна отводящего лотка. Кроме того, дополнительно необходимо разность высот воды в дополнительной камере гашения и отводящем лотке можно поддерживать за счет регулирующей задвижки на отводящем трубопроводе на уровне, позволяющем затопить гидравлический прыжок в отводящем лотке при выходе из выпускного отверстия в верхней части колодца. Кроме того, конструкция сооружения позволяет забирать воду также из нижних слоев колодца посредством отводящего трубопровода с задвижкой, или проводит промывку устройства, в случае накопления мелких наносов на дне колодца.
Следует отметить, что предлагаемое удержание винтолопастной турбины над пережимом колодца связано за счет крепления к крышке колодца механизма изменения положения турбины в виде винтовой пары. Выход потока воды через пережим колодца позволяет существенно менять скорость вращения винтолопастной турбины в зоне расположения дополнительной камеры гашения, т.е. повышают гашение в верхней части колодца и стабильность вихревых образований, где скорость потока через пережим достаточно большая. В этом случае рабочие поверхности стенок камеры гашения в верхней части колодца ниже кольцевой горизонтальной полки, очищаются, где вода соприкасается с ней. Геометрическое выделение пространства конструкции камеры гашения в верхней части колодца обеспечивает стабильное положение аэродинамики вихрей, которое формируется турбиной и закрепленной выше турбины с кольцевым зазором кольцевой горизонтальной полкой, и винтолопастная турбина через ось свою вращения связана с механизмом изменения положения по высоте в виде винтовой пары.
Компактное, рациональное конструирование нового устройства имеет практическое применение при любом изменения напора через пережим в колодце.
Следует обратить особое внимание на форму винтолопастной турбины в том, что теоретический напор через пережим (круглый) пропорционален окружной составляющей и абсолютной скорости на выходе воды из турбины. При увеличении угла окружности составляющая абсолютной скорости увеличивается, а, следовательно, увеличивается напор. Однако в подводной трубе, в конце которой размещен вертикальный колодец, действующий напор учитывается вертикальным его расширением в объеме своем, и приводит частично уже к гашению энергии в нижней части, однако сами потери при выходе потока из турбины, позволяют обеспечить возможность вращения ее относительно своей оси к механизму изменения положения в виде виттовой пары. Улучшаются эксплуатационные условия работы камеры гашения (отсутствует неустойчивость работы). Поэтому угол кривизны лопастей принят по приведенному соотношению оптимально, т.е. это и есть оптимальный режим данного процесса и связь с внутренней горизонтальной полкой, закрепленную выше турбины с кольцевым зазором над турбиной. В свою очередь такая конструкция турбины в работе с ее КПД учитывает потери, возникающие вследствие поступления воды через круглый пережим колодца с учетом других потерь в элементах устройства. Поэтому винтолопастная турбина и выполнена с оптимальным количеством лопастей 4-8 шт., т.е. имеет оптимальную точку режима работы винтолопастной турбины.
Вертикальное перемещение устройства в сторону кольцевой горизонтальной полки с зазором может задаваться конструктивно размерами элементов узлов над круглым пережимом колодца для конкретных гидравлических режима работы колодца в целом.
В итоге предлагаемое устройство просто по конструкции и позволит повысить эффективность работы гасителя энергии.
На чертеже изображена схема гасителя энергии водного потока, разрез.
Гаситель энергии водного потока содержит горизонтальный участок водовода 1 в виде подводной трубы, в концевом вертикальном расширении размещен вертикальный колодец 2, образован наклонными участками 3. Вертикальный колодец 2 в верхней своей части имеет пережим 4 в виде круглого патрубка, который в нижней своей части соединен с колодцем 2, а в верхней части соединен с дополнительной расширяющейся камеры 5 гашения. В расширяющейся камере 5 гашения над пережимом 4 в виде круглого патрубка соосно размещена турбина 6 винтолопастная с лопастями с возможностью вращения на подшипнике оси 7 и прикрепленной к механизму 8 изменения зазора выше пережима 4 колодца 2, пропущенным через уплотнение 9, механизм 8 которого выполнен в виде винтовой пары. Внутренние стенки камеры 5 гашения имеют отражатель в виде кольцевой горизонтальной полки 10, ориентированной выше расположения винтолопастной турбины 6, при этом последняя выполнена диаметром меньше диаметра прохода через кольцевую горизонтальную полку 10 в расширяющейся камере 5 гашения для выпуска воды под крышку 11 вертикального колодца 2. Таким образом, винтолопастная турбина 6 крепится к подвесному механизму изменения, например механизм изменения, выполнен в виде винта 8 к крышке 11 колодца 2 с уплотнением 9, что обеспечивает подъем или опускание турбины 6 винтолопастной над пережимом 4 в виде круглого патрубка, погружаемой в воду, поступающую в дополнительную расширяющуюся камеру 5.
Колодец 2 в верхней части с внешней стороны соединен с отводящим лотком 12 с выпускным отверстием 13, устроенным на уровне, совпадающем с отметкой дна отводящего лотка 12, дно последнего соединено с отводящим трубопроводом 14 с регулирующей задвижкой 15. При этом в дно колодца 2 вмонтирован отводящий трубопровод 16 для подачи воды также потребителю или для возможного удаления накопившихся мелких наносов.
мин.
Оптимальный угол α кривизны лопастей турбины 6 винтолопстной способствует вращению турбины при подходной скорости потока уже не менее 1-3 м/с, а значит, происходит оптимальный режим вращения потока под кольцевой горизонтальной полкой 10 (Р - напор воды), а это уже создает оптимальную угловую скорость 3-8 об/мин. Форма выполнения лопастей турбины 6 с оптимальным углом кривизны (количество лопастей 4-8 шт.), способствует использованию энергии давление воды выходящей из колодца 2 через пережим 4 для улучшения и надежности вращательного момента.
Угол кривизны лопастей равен α=n⋅360°⋅L/K⋅V, где n - число оборотов турбины, об/мин; L - рабочая длина турбины, равная (0,8-l,2)D, м; V - скорость воды в пережиме колодца в сторону турбины, м/мин; D - диаметр пережима (патрубка) колодца, м; K -коэффициент, учитывающий силы трения, равен 0,3.
Следует отметить, поскольку обеспечивается изменение давление вращающего потока воды в расширяющейся камере 5 под закрепленной к внутренней ее стенке отражателя в виде кольцевой горизонтальной полкой 10, а также свободное вертикальное перемещение турбины 6 винтолопастной за счет прикрепленного последней к механизму 8 изменения зазора над пережимом 4 колодца 2 и связь с отводящим лотком 12 с регулирующей задвижкой 15, то в сочетание с его выходной скоростью поток воды гасит кинетическую энергию в целом.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Напорный поток из водоподающего трубопровода 1 поднимается вертикально вверх в расширяющийся колодец 2. Вода перед турбиной 6 винтолопастной сначала проходит через пережим 4, соединяющего полости колодца 2 и дополнительной расширяющей камеры 5 гашения, и турбина 6 винтолопастная создает при этом закручивание потока воды под отражателем в виде кольцевой горизонтальной полки 10, где она перемешивается слоями по высоте наполнения. В процессе того, что имеется свободное пространство в кольцевой горизонтальной полке 10, часть воды заполняет пространство выше полки 10, и с учетом наполнения отводящего лотка 12 одновременно водой, образуется окончательное ослабление интенсивности гашения кинетической энергии, что приводит к выравниванию эпюры давления, и в конечном итоге, вода поступает в отводящий лоток 12, в котором происходит заполнение поступающей воды, устроенное на уровне, совпадающем с отметкой дна отводящего лотка 12. Из отводящего лотка 12. вода отводится по отводящему трубопроводу 14 с установленной на нем регулирующей задвижкой 15. Необходимая разность высот воды в камере 5 гашения колодца 2 и отводящем лотке 12 поддерживается за счет регулирования задвижки If на отводящем трубопроводе 14 на уровне, позволяющем затопить поступающий поток воды в отводящий лоток 12. Это снижает поверхностный характер движения воды к потребителю. Кроме того, воду можно отводить через отводящий трубопровод 16 в дне колодца 2, как и мелкие наносы, осевшие на дно его (колодца) за пределы сооружения.
Наличие прикрепленной турбины 6 винтолопастной перед кольцевой горизонтальной полки 10 с кольцевым зазором и размещенной в камере 5 гашения способствует также гашению выходящего потока через пережим 4 колодца 2, вращающегося за счет наличия турбины 6 винтолопастной с вращательным движением по ширине камеры 5 гашения. За счет перемещения турбины 6 винтолопастной можно изменять зазор над пережимом и кольцевой горизонтальной полки 10, таким образом, регулируя выход потока вверх, вытекающего из пережима 4 колодца 2, что влияет на верхнюю поверхность над кольцевой горизонтальной полкой 10 в камере 5 гашения в целом.
Следует описать и саму работу турбины 6 винтолопастной. Вода поступает в пережим 4 колодца 2 и по оси его передается по оси самой турбины 6 винтолопастной, разделяя при этом ее лопастями на множество равных частей, поступающих в межлопастные отсеки. Под давлением поступающей воды снизу в пережим 4, турбина 6 винтолопастная вращаясь, турбулизирует поток внутри камеры 5 гашения под кольцевой горизонтальной полкой 10 и интенсивно смешивается с межлопастными отсеками поступившей воды в камеру гашения. Максимальная скорость вращения имеет место, когда выполняются вышеприведенные соотношения лопастей турбины 6 по отношению диаметра пережима 4 (например, выполнением круглого патрубка), т.е. при угле установки наклона лопастей 4-8 шт.и скорости воды вверх не менее 1-3 м/с.Это оптимальный режим данного процесса. Поэтому высоту установки турбины 6 винтолопастной можно менять с помощью механизма 8, закрепленного к крышке 11 колодца 2. Кроме того, турбина 6 может, входит в центральное отверстие в пережиме 4 (патрубка).
В свою очередь КПД турбины учитывает потери, возникающие вследствие поступления давления воды вверх на воде и выходе пережима колодца. Потери возникают во всех других элементов устройства в целом.
Таким образом, это позволяет.Исходя из взаимосвязи и взаимозависимости основных узлов гасительного сооружения, повысить эффективность гашения избыточной кинетической энергии воды; эффективность работы повышается вначале вращательным движением воды непосредственно турбиной винтолопастной, затем препятствуя вертикальному выпуску закрученных струй воды сразу непосредственно под крышку колодца, происходит соударение под кольцевой горизонтальной полкой, размещенной к внутренней стенке камеры гашения над турбиной винтолопастной на заданном высотном расстоянии над центральным отверстием пережима колодца, в целом динамические нагрузки на конструкцию камеры гашения не столь высоки по сравнению с прототипом.
Предлагаемое устройство может быть использовано для гашения энергии водного потока в различных гидротехнических сооружениях. Особенность предлагаемого сооружения заключается в его простоте конструкции и использование сокращает затраты гасителей энергии воды, а следовательно, повышается надежность гасителя энергии водного потока, кроме того, снижаются придонные скорости потока в камере, что сокращает строительную стоимость сооружения в целом.