КОНЦЕВОЙ УЧАСТОК РАСТРУБНОГО ТИПА НАПОРНОГО ВОДОПРОПУСКНОГО СООРУЖЕНИЯ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЫПУСКОМ ВОДЫ И УСИЛЕННОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ НАПРАВЛЯЮЩИХ СТЕНОК

Заявленное техническое решение относится к области гидротехники, а именно к конструктивным элементам напорных водопропускных сооружений, и может быть использовано в гидроузлах любого напора в качестве элемента водосброса, водовыпуска или водоспуска.
Из предшествующего уровня техники известна конструкция концевого участка напорного водопропускного сооружения, включающего вертикальный водовод, примыкающий к транзитной части сооружения, горизонтальный диск, расположенный над выходным отверстием вертикального водовода и опирающийся на радиально расположенные за пределами выходного отверстия бычки обтекаемой формы (Патент №2211279 от 14 октября 1992 г.) (Аналог).
Недостатком этого варианта является ограниченность его применения в стесненных условиях, например в узких долинах горных рек. При этом площадь растекания ограничивается в поперечном направлении за счет близкого расположения крутых склонов долины реки. Это, в свою очередь, вызывает изменение характера гашения энергии и появление сбойных течений в нижнем бьефе.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является решение концевого участка, включающего вертикальный напорный водовод цилиндрической формы, примыкающий к транзитной части сооружения, сектор, выполненный с соблюдением размеров R/r=2.0÷5-5.0, R/t=1.5÷4.0, где R - радиус сектора, r - радиус выходного отверстия вертикального напорного водовода, t - расстояние между сектором и выходным отверстием вертикального напорного водовода, расположенный под угломк горизонту над выходным отверстием вертикального напорного водовода и опирающийся на ограничивающую стенку, повторяющую в плане часть упомянутого выходного отверстия, и примыкающие к ней вертикальные направляющие стенки, угол между направляющими стенками и осью концевого участка α>0°, угол установки отражающего сектора для обеспечения надежной работы при малых глубинах в нижнем бьефе может устанавливаться в пределах 0°<φ<30°, при этом ось концевого участка расположена под произвольным углом к оси напорного водовода(патент №RU 103814 U1 опубликовано: 27.04.2011 Бюл. №12) (прототип).
Недостатком этого варианта является повышенная величина удельных расходов вдоль вертикальных направляющих стенок, вызванная тем, что струя, выходящая из выходного отверстия вертикального водовода, растекается не только по нижней поверхности отражающего сектора, но и по гладким поверхностям вертикальных направляющихстенок. При этом расход части потока, сходящего с отражающего сектора вблизи вертикальных направляющих стенок, суммируется с расходом его части, растекающейся по этим вертикальным направляющим стенкам, что вызывает концентрацию расхода, увеличение скорости и глубины вдоль вертикальных направляющих стенок, приводящее, в случае сопряжения концевого участка с отводящим каналом, к повышению интенсивности размыва дна непосредственно у вертикальных направляющих стенок и откосов отводящего канала, а так же необходимости увеличения высоты откосов отводящего канала.
Задача, на решение которой направлено это техническое решение заключается в обеспечении условий безопасного сопряжения потока с отводящим каналом в стесненных условиях путем выравнивания удельных расходов на выходе потока за пределы вертикальных направляющих стенок, достигающегося повышением гидравлического сопротивления внутренней поверхностивертикальных направляющих стенок.
Данная задача достигается за счет того, что концевой участок раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском воды, включающий напорный и вертикальный водовод цилиндрической формы, примыкающий к транзитной части сооружения, отражающий сектор, расположенный горизонтально или под углом к горизонту над выходным отверстиемвертикального водовода и опирающийся на ограничивающую стенку, повторяющую в плане часть выходного отверстиявертикального водовода, примыкающие к нейвертикальные направляющие стенки с усиленной шероховатостью внутренней поверхности, выполненной, например, в виде вертикальных выступов шириной b, шагом l и высотой h, сопрягающие стенки, являющиеся продолжениями вертикальных направляющих стенок, характеризующийся тем, что усиленная шероховатость увеличивает гидравлическое сопротивление, что уменьшает удельный расход, скорость и глубину потока вдоль вертикальных направляющих и сопрягающих стенок, и уменьшает глубину размыва дна у вертикальных направляющих и сопрягающихстенок и откосов отводящего канала, причем вертикальные направляющие стенки устанавливаются обеспечивая угол раструбности более 30°, а отражающий сектор выполнен и закреплен с соблюдением углов и соотношений размеров:
0≤φ<30°
R/r=2,5÷5,0
R/t=1,5÷4,0,
где φ - угол наклона отражающего сектора к горизонту (угол установки отражающего сектора);
R - радиус сектора;
r - радиус выходного отверстия вертикального водовода;
t - расстояние между отражающим сектором и выходным отверстием вертикального водовода.
при этом ось концевого участка может располагаться под произвольным углом к оси напорного водовода.
Конструкция концевого участка раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском водыи усиленной шероховатостью внутренней поверхности направляющих стенок поясняется чертежом (фиг.1.).
Устройство концевого участка раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском воды и усиленной шероховатостью внутренней поверхности направляющих стеноквыполнено следующим образом: вертикальный водовод цилиндрической формы 1 примыкает к напорному водоводу транзитной части сооружения, отражающий сектор 2, расположенный горизонтально или под углом к горизонту над выходным отверстиемвертикального водовода 4 опирается на ограничивающую стенку 5, повторяющую в плане часть выходногоотверстия вертикального водовода, примыкающие к ней вертикальные направляющие стенки 3, с усиленной шероховатостью внутренней поверхности 6,обеспечивающие угол раструбности более 30° и сопрягающие стенки 7, являющиеся продолжением вертикальных направляющих стенок.
Устройство работает следующим образом. Поток с расходом Q, выходя из выходного отверстия вертикального водоводарадиусом r и встречаясь с закрепленным горизонтально, или под углом φ к горизонту, на расстоянии t над выходным отверстиемвертикального водовода,отражающим сектором с радиусом R и вертикальными направляющими стенками с усиленной шероховатостью внутренней поверхности, выполненной, например, в виде вертикальных выступов с шириной b, шагом l и высотой h растекается ивыходит в нижний бьеф с заданным углом раструбности α, при этом усиленная шероховатость увеличивает гидравлическое сопротивление, что обеспечивает уменьшение удельного расхода, скорости, глубины потока вдоль вертикальных направляющих и сопрягающих стенок и уменьшение глубины размыва дна у вертикальных направляющих и сопрягающих стенок и откосов отводящего канала.
Эффект, получаемый от изобретения, состоит в том, что при выпуске воды из концевого участка раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском водыи усиленной шероховатостью внутренней поверхности направляющих стенокснижаются удельные расходы и скорости вдоль вертикальных направляющих и сопрягающих стенок. Это позволяет избежать размывов дна у вертикальных направляющих и сопрягающих стенок и уменьшить высоту сопрягающих стенок и откосов отводящего канала, что позволяет удешевить сооружение и обеспечить его безопасную работу.
Эффективность работы предлагаемого технического решения подтверждена результатами экспериментов авторов на модели при диаметре вертикального напорного водовода цилиндрической формы диаметром 4.5 м и напоре около 150 м, выполненной в масштабе 1:50 натурной величины.
В результате проведенных опытов при указанных выше соотношениях и углах было получено равномерное распределение удельных расходов на выходе потока за пределы вертикальных направляющих стенок, в том числе вдоль вертикальных направляющих стенок, аполученные придонные скорости не представляют опасности для скальных пород нижнего бьефа гидротехнических сооружений даже при условии отсутствия крепления откосов и дна отводящего канала.