ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА
WATER FLOW BAFFLE

Изобретение относится к гидротехнике, гидравлике, гидромеханике, а более конкретно к гидротехническим сооружениям, предназначенным для гашения энергии напорных водоводов в приемной камере.
Известен гаситель энергии потока, включающий цилиндрический водобойный колодец, делитель потока в два отвода, тангенциально соединенные с колодцем, плиты гасителя установлены на стойках с возможностью вертикального их перемещения и выполнены со стенками, расположенными по их периметру (Авторское свидетельство SU № 1059054, Е02В 8/06 от 07.12.1983).
Недостатком данной конструкции является то, что оно усложнено конструкцией плит, связанных с пригрузочными емкостями, заполняемых водой. При этом не исключается ударного воздействия на элементы крепления отводящего канала, а это значит, не способствует достаточному гашению и сглаживанию поверхности воды в отводящем водоводе. Разность высотных отметок не позволяет затопить гидравлический прыжок, образующийся при падении жидкости. Таким образом, эффективность гашения потока в отводящем канале (водовода) недостаточна. Кроме того, усложнение конструкции плит из сложных железобетонных работ требует устойчивости их всплытия в вертикальном положении, ограниченных стойками, при этом их может заклинить при перемещениях, так как усилие равнодействующей гидростатического давления в колодце в разных точках происходит неравномерно по всей напорной плоскости плит.
Известен также гаситель энергии потока, включающий водовод, закручивающее устройство, которое разделяет поток на струи, и отводящий канал (Авторское свидетельство SU № 1712530, Е02В 8/06 от 15.02.1992).
Недостатком известного гасителя является то, что при закручивании потока устройствами на горизонтальных участках в гасительной камере возникает интенсивная пульсация скоростей и давлений, а также неполное гашение кинетической энергии потока в отводящем канале. Струи воды, вытекающие из колодца, практически направлены в одну сторону, следовательно, соударение их малоэффективно гасит энергию потока. При этом сопряжение бьефов производится по типу отогнанного прыжка, на котором не рассчитывается участок крепления дна отводящего канала, что приводит к недопустимым размывам. Кроме того, наличие такого течения потока перед выходом из отверстия не снижает придонные скорости в отводящем канале и создает волновые поверхностные явления, что снижает гидравлические условия работы отводящего канала.
Известен водосброс, включающий башню со сливным отверстием и отводящую трубу, верхняя часть башни перекрыта герметичной крышкой и снабжена воздуховодом с запорной арматурой, установленным в герметичной крышке и сообщающим полость под крышкой с атмосферой (Авторское свидетельство SU № 1011772, Е02В 8/06 от 15.04.1983).
В описанной конструкции башня не создает вращательное движение потока воды в вертикальной шахте, поэтому длина отводящей трубы увеличивается, что создает в ней напор для работы полным сечением. Поток в шахте фактически всегда должен быть затоплен для конца воздуховода. Однако это не всегда возможно, так как уровень верхнего может меняться часто, соответственно, отверстие в воздуховоде берется с расчетом на отметке не ниже нормального подпертого уровня. Другим недостатком является то, что под крышкой собирается большой объем воздуха, выделяющегося из воды, что отрицательно сказывается на пропускной способности шахты, увеличивается давление на стенки шахты, возникают гидродинамические нагрузки. К тому же данная конструкция шахты соединена с отводящей трубой, в которой возможно образование воздушных скоплений под потолком длинных труб, что является следствием деаэрации потока, при отсутствии заглубления конца отводящей трубы под уровень нижнего бьефа. Скопление воздуха перемещается потоком, и, выходя из водосброса, сопровождается гидравлическим ударом, что может привести к разрушению сооружения. Кроме того, такие воздушные сопротивления в трубе вызывают снижение пропускной способности в целом водосброса. Поэтому такие сооружения строятся с большим запасом прочности или должны ограничивать режим их работы с таким расчетом, чтобы исключить образование воздушных скоплений на тракте. То и другое приводит к удорожанию водосброса в целом.
Известен гаситель скорости потока для отстойников, включающий подводящий и отводящий каналы и расположенные между ними водоприемную камеру, выполненную в виде установленной перпендикулярно оси гасителя трубы с верхним отверстием, перекрываемым шарнирно закрепленной над ним криволинейной пластиной, обращенной вогнутой стороной к камере, труба расположена на уровне дна отводящего канала и выполнена с двумя боковыми горизонтальными отверстиями, ориентированными в сторону нижнего бьефа, при этом пластина закреплена к камере с низовой стороны, а напротив боковых отверстий установлены водоотбойные стенки (Авторское свидетельство SU № 1682458, Е02В 8/06 от 07.10.1994).
Однако этот гаситель неработоспособен при высоких напорах. К тому же он предназначен в основном для борьбы с наносами. Кроме того, изготовление криволинейной пластины требует дорогостоящего дефицитного металла, а также поток, имеющий достаточно большую кинетическую энергию, может вызвать отрыв пластины с оси вращения, т.е. устройство ненадежно в работе. Следующим основным недостатком также является то, что низкая надежность гашения кинетической энергии, обусловленная прямоточностью движущихся навстречу друг другу потоков в месте схождения жестко закрепленных водобойных стенок, через верх которых также одновременно происходит перелив (это отмечают и сами авторы в описании).
Высокая случайно-вероятная однонаправленность соударяющихся потоков в отводящем канале, приводящая к суммированию кинетической энергии по центру между жесткими закрепленными к дну водобойными стенками, образует подъем воды вверх, что вызывает большие всплески и волнения за ними при расширении потока, размывание откосов канала, что снижает эффективность и надежность гашения водяного потока (подтверждение этого служит изобретение по а.с. SU № 1550033, Е02В 8/06 от 15.03.1990). Таким образом, эффективность гашения избыточной кинетической энергии потока в известном устройстве значительно снижена, имея при этом большую металлоемкость, и определяет жесткие требования к конструкции гасителя.
Известно устройство для гашения энергии потока воды, включающее расширяющийся в плане водобойный колодец с криволинейными стенками и порогом, расположенный между подводящим водоводом с вертикальными стенками и отводящим каналом, водобойный колодец в плане имеет прямоугольную форму и снабжен на входе вертикальными торцевыми стенками и продольными стенками, являющимися продолжением стенок подводящего водовода, порог в плане выполнен в виде симметричной относительно продольной оси колодца кривой, обращенной выпуклостью в сторону отводящего канала, причем кривая состоит из двух дуг, а в вертикальной части порога установлено перекрытие над его криволинейной частью (Патент RU № 2161224, Е02В 8/06 от 27.12.2000).
Недостатком является неполнота устранения волн во всем диапазоне, пропускаемых через водобойный колодец, так как хотя и формируется два потока с поворотом каждого из них в сторону торцевых стенок, однако, движение по акватории водобойного колодца принимает циркуляционное хаотичное движение. Эти возмущения переходят в повышенные уровни воды, и в результате симметричного расположения по центру оси колодца кривой в виде двух дуг зарождаются возмущения, нарушающие его осевую симметрию. Описанные явления переходят на порог продольной оси отводящего канала. Потерю устойчивости с разрушением высокоскоростного потока и переход к стохастическому движению следует признать недостаточно эффективным для высоконапорных водосбросных сооружений. Такая форма закрутки выходящих струй в колодце обусловлена не достаточным конструктивным решением за счет растекания потока в плане по ширине прямоугольного водобойного колодца, и вода через перекрытие практически переходит открыто, сжимаясь в узком переходном участке в отводящий канал, что образует подъем воды вверх, вызывает всплески и волнения за переходным участком и далее эти волны размывают откосы канала, а это снижает эффективность гашения и надежность гасителя водного потока. Таким образом, избыточная кинетическая энергия потока в известном устройстве значительно снижена, имея при этом большую плановую форму колодца. Особо следует признать неприемлемым для высоконапорных водосбросных сооружений.
Наиболее близким по технической к предлагаемому является 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 руг 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 камере (Авторское свидетельство SU №1504307, Е02В 8/06 от 30.08.1989).
Недостатком является то, что после соударения потоков в смесительной камере в водобойной камере отсутствует заметное в большей степени вращение, которое в основном отходит 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 непосредственно с отводящим водоводом в виде длинной 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 отводящей 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.
Технический результат от использования заявленного изобретения повышения степени гашении энергии воды, т.е. повышение эффективности.
Технический результат достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, включающем колодец с вертикальными стенками, расположенные в нем симметрично оси колодца водобойную часть в виде дуги, подводящий и отводящий водоводы, в колодце установлено дополнительно эжектирующее устройство, размещенное над водобойной частью в виде дуги, и в целом устройство выполнено в виде конфузорно-диффузорного вертикального колодца с перфорированным диффузорным участком, подключенным к выходу из колодца, при этом внутренняя часть колодца дополнительно снабжена кольцевым оребрением, охватывающим перфорированный диффузорный участок и сообщенным с водобойной частью в виде дуги.
Кроме того, верхняя часть диффузорного участка имеет отверстие под воздушную трубку для нагнетания сжатого воздуха.
Выполнение гасителя из взаимосвязанных элементов способствует гашению водного потока за счет наличия в колодце эжектирующего устройства, и в целом устройство выполнено в виде конфузорно-диффузорного вертикального колодца с перфорированным диффузорным участком. Кроме того, внутренняя часть вертикального колодца снабжена кольцевым оребрением, охватывающим перфорированный диффузорный участок, обеспечивает удовлетворительную работу всего колодца, независимо от поступления в него воды из подводящего водовода. Кольцевое оребрение, установленное искривленными направляющими (каналами) под углом к направлению потока, обеспечивает многократное изменение направления движения падающего разделенного потока воды, например, на входе поток разделен в водобойную часть в виде двух потоков, которые на дне водобойного колодца, обладающих одинаковой энергией, окончательно происходит полное гашение энергии, т.е. падающей воды, которая далее по лотку поступает в отводящий водовод, не вызывая в нем изменения гидравлического режима работы. Количество поступления приточно сжатого воздуха основано на разности давления воды, находящегося в конфузорно-диффузорном вертикальном колодце с перфорированным диффузорным участком. Все это способствует улучшению условий эксплуатации сооружения. Таким образом, поток вначале разделяется на три: первый и второй поток поступает в оребрение с конфузорным участком, третий - в полость диффузорного участка, где смешивается со сжатым воздухом, подаваемый компрессором. Поступление воды на дно водобойного колодца эжектируется, и воздух выносится воздушным гидропотоком в водовод наружу. При интенсивном соударении струй происходит эффективное остаточное гашение избыточной кинетической энергии водного потока; сокращаются габариты участка крепления отводящего канала во всем диапазоне поступления расходов.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить отсутствие технического решения в источниках, характеризующихся признаками, тождественными признакам предложенного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов, наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявленном гасителе энергии водного потока, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Результаты проведенного поиска известных решений показали, что заявленное изобретение не содержит признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного гасителя энергии.
Следовательно, заявленное изобретение не вытекает для специалистов явным образом из известного уровня техники, является результатом творческого труда автора изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Заявленное изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен гаситель энергии водного потока, план; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Гаситель энергии водного потока содержит подводящий 1 и отводящий 2 водоводы, разделяющий между ними водобойный колодец 3 с водобойной криволинейной части 4. Эжектирующее устройство размещено над водобойной частью 4 колодца 3 и выполнено из перфорированного диффузорного участка 5, а внутренняя полость колодца 3 дополнительно снабжена оребрением 6, имеющим наклонные щелевые каналы 7, и в целом устройство выполнено в виде конфузорно-диффузорного участка. При этом кольцевое оребрение 6 охватывает перфорированный диффузорный участок 5. Колодец 3 на входе перед подводящим водоводом 1 разделен на два вертикальных канала 8 и 9, ширина каждого вертикального канала 8 и 9 принимается равной друг другу. Для лучшего деления потока гребень оголовка 10 диффузорного участка 5 выполнен с закруглением. Водобойная криволинейная часть 4 колодца 3 связана лотком 11 с отводящим водоводом 2, выполненного в виде короткого трубопровода, сопряженного с открытым каналом 12.
В оголовке 10 диффузорного участка 5 выполнено отверстие для воздушной трубки 13, имеющее задвижку 14. Нижний конец воздушной трубки 13 установлен на входе в диффузорный участок 5, а второй конец соединен с атмосферой или с компрессором, который подает воздух через задвижку 14, и который воздействует на водный поток. Водобойная криволинейная часть 4 колодца 3 предназначена для изменения направления вытекающего потока из вертикальных каналов 8 и 9 и из диффузорного участка 5, где и соединяются друг с другом, и по наклонному лотку 11 поступают одним общим потоком в отводящий водовод 2 (короткий трубопровод), далее в канал 12, что снижает придонные скорости в канале 12.
Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.
Поток воды, движущийся по подводящему водоводу 1, делится гребнем оголовка 10 диффузорного участка 5 на два равных потока, которые направляются в вертикальные каналы 8 и 9, где эжектирующее устройство, имеющее наклонные щелевые каналы 7, выполненные в виде конфузорно-диффузорной части с перфорированным диффузорным участком 5 и размещенные непосредственно над водобойной криволинейной частью 4, происходит столкновение трех потоков, два боковых из которых обладают одинаковой энергией. В результате они, ударяясь о криволинейную поверхность водобойной части 4, смешиваются между собой. Такое движение способствует интенсивному гашению сбросного потока. При открытой задвижке 14 воздух поступает через трубку 13 в перфорированный диффузорный участок 5, интенсивно перемещается с водой, поступает в возникшую вакуумную полость ниже торца диффузорного участка 5 с образованием водо-воздушной смеси. Внешний поток по каналам 8 и 9 сильно турбулизуется между оребрением 6, попадает в водобойную часть 4, вследствие чего и улучшается гашение энергии падающего потока воды, которая далее по наклонному лотку 11 поступает в отводящий водовод 2, не вызывая в открытом канале 12 изменения гидравлического режима работы. Таким образом, многократное изменение потока воды и смешение с воздухом отводимого потока воды значительно повысит эффективность работы вертикального водобойного колодца 3, т.е. происходит уменьшение скорости и повышение давления потока воды за пределами водобойной криволинейной части 4 колодца 3 перед отводящим водоводом 2 с каналом 12.
В предложенном устройстве для гашения энергии потока использованы эффекты гашения дробления падающего потока воды встречными струями падения и смешения на водобойной части 4 на дне колодца 3.
Близость оребрения 6 со щелевыми каналами 7, разделенными вертикальным диффузорным участком 5, приводит к возрастанию влияния гашения струй, поступающего потока воды из подводящего водовода 1, далее встречаясь с водно-воздушным потоком в сторону водобойной части 4, и в самом колодце полностью происходит гашение потока, который затем отводится в отводящий водовод 2 и канал 12.
Использование предлагаемого технического решения позволяет значительно расширить область применения гасителей энергии водного потока, это достигается в результате движения в вертикальных каналах (камерах), внутренние полости которых снабжены оребрением, имеющие наклонные щели, а также наличия перфорированного диффузорного участка, а в целом конструкции устройства, выполненного в виде конфузорно-диффузорной части корпуса вертикального колодца, исходя из взаимосвязи и взаимозависимости всех элементов гасителя энергии, а также тем, что водобойная криволинейная часть несколько расположена в сторону от входной части отводящего водовода. Таким образом, все в совокупности и обуславливает достижение поставленной цели при значительном снижении затрат на эксплуатацию для подобных объектов гидротехнического строительства, в том числе и для высотных колодцев с камерами гашения.