ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДОСБРОСНОГО УСТРОЙСТВА
DAMPER OF SPILLWAY DEVICE ENERGY

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для гашения энергии водного потока, например, напорных водоводов водосбросных сооружений водохранилищ.
Известен гаситель энергии потока, включающий водовод с горизонтальным и расширяющимся участками и направляющие элементы с постепенно увеличивающейся по направлению потока высотой, закрепленные на внутренних стенках водовода (Авторское свидетельство СССР №1030474, кл. Е02В 8/06, 1982).
Недостатком известного устройства является односторонняя работа, т.е. при входе потока из горизонтального и расширяющихся участков движение воды направлено обратно направлению поступательного движения и потоки соударяются в одном определенном направлении. Кроме того, после выходного отверстия вода имеет остаточное волнообразования по длине канала, а следовательно, местные скорости сохраняют высокие значения на большом расстоянии от гасителя, что приводит к размыву русла. Следует отметить, что давление на стенки по периметру водовода происходит при возникновении интенсивных пульсационных скоростей и влияет в целом на пропускную способность сооружения и не обеспечивает достаточной эффективности и надежности работы, так как кольцевые камеры мало изменяют направление потока на конечном участке горизонтального расширения.
Наиболее близким к предложенному по назначению, технической сущности и достижению результату является гаситель энергии потока, включающий подводную трубу, конический расширяющийся водовод, в котором установлен завихритель потока и отражатель с отверстиями (Авторское свидетельство СССР №1530120, кл. А01С 23/04, Е02В 13/00, 1988).
К недостаткам известного устройства относятся:
при вертикальном выходе потока из конического расширяющегося водовода сила тяжести воды направлена обратно направлению поступательного движению, это уменьшает пропускную способность;
наличие вращения завихрителя потока способствует возникновению волн по периферии камеры и выходу из камеры в отводящий канал;
устройство турбины подвешенной с помощью тросов и жестко закрепленного отражателя с радиальными лучами и смесителями утяжеляет своим весом конструкцию, приводит к вибрации, усложняет устройство и, как следствие неустойчивость завихрителя потока;
эффективное гашение энергии не предусмотрено при изменении расходов и колебаниях уровней в камере;
установка завихрителя потока не на всю глубину конического расширения водовода уменьшает его пропускную способность и сокращает циркуляцию и радиальное растекание, что ограничивает радиальное движение в камере, со стороны стенок водовода;
гидродинамическая нагрузка, а следовательно, эффект закручивания резко уменьшается.
Цель изобретения - повышение эффективности и надежности работы и уменьшения гидростатического воздействия на завихритель потока.
Указанная цель достигается тем, что гаситель энергии содержит вертикальную камеру в виде усеченного конуса, установленного в колодце вниз расширяющейся частью соосно патрубку с возможностью заключения в него завихрителя потока и фиксированного перемещения относительно патрубка с завихрителем потока, причем стенка камеры выполнена с криволинейной поверхностью по направлению движения потока к водовыпускным окнам в месте примыкания к ним внешней стенки патрубка. Кроме того, начальный участок водовода снабжен дополнительно Г-образным кольцевым козырьком с горизонтальной полкой, размещенной над водовыпускными окнами. При этом он снабжен установленной снаружи гасительного колодца со стороны отвода регулирующей камеры с подпорными сооружениями, переднее из которых выполнено в виде уголкового элемента с шарниром, обеспечивающим возможность углового перемещения щита. Кроме того, по варианту выполнения, он содержит вертикально размещенный телескопический патрубок-воздуховод с возможностью фиксированного перемещения относительно входного патрубка канала сообщения с верхней полостью камеры, сообщенной с завихрителем потока, причем телескопический патрубок имеет выходное колено с торцевым срезом, обращенным к дну регулирующей камеры и ниже предельного уровня нижнего бьефа регулирующей камеры.
Такое выполнение гасителя энергии из взаимосвязанных элементов позволит увеличить интенсивность гашения энергии и погасить кинетическую энергию потока на меньшей длине водовода в камерах, а также уменьшить динамическое воздействие на конструкцию в целом, т.е. эффективное гашение энергии потока воды. Кроме того, по сравнению с прототипом предложенное устройство более практично в изготовлении и проще в конструктивном исполнении. Благодаря этому снижаются эксплуатационные затраты на проведение профилактических работ. Установка завихрителя потока на всю длину и высота регулирования подвижной камеры соосно патрубку улучшает циркуляцию и радиальное растекание, так как нет ограничения радиального движения в камере со стороны стенок патрубка. При этом эффективно используя такую особенность гидравлической структуры потока, как интенсивный эффект закручивания, придонная часть потока направляется под успокоительный Г-образный кольцевой козырек - гасится и поступает через водовыпускные окна в колодец, где поток на выходе из него окончательно гасится в регулирующей камере с подпорными сооружениями.
На фиг.1 изображен гаситель энергии водосбросного устройства, разрез; на фиг.2 - то же вариант выполнения телескопического патрубка-воздуховода.
Гаситель энергии потока включает водосброс, состоящий из вертикальной шахты 1 и примыкающих к нему горизонтальных труб 2 и 3, укладываемых в грунт ниже дневной поверхности. В месте выхода потока воды из трубы 3 устраивают выходной патрубок 4 (оголовок) и колодец 5. Шахта 1 при расчетных максимальных напорах на гребне водослива работает в напорном режиме. К патрубку 4 примыкает конический расширяющийся участок 6. Расширяющийся участок 6 имеет криволинейную форму с выпуклостью к направлению движения потока. На внутренней поверхности водовода закреплены закручивающие лопасти с прямолинейными и ориентированными вдоль потока начальными частями 7, расположенными на вертикальном патрубке 4, и криволинейными закручивающими частями 8, расположенными в расширяющемся участке 6. Кроме того, основание начального участка 6 на вертикальном концевом участке патрубка 4 установлен гасительный (успокоительный) Г-образный кольцевой козырек 9 с горизонтальной полкой 10. Вертикальная камера 11 в виде усеченного конуса, обращенного вниз расширенной частью, установлена в колодце 5, прикреплена к винтовому подъемнику 12 на служебном мостике. Камера 11, выполненная в виде усеченного конуса, имеет боковую стенку с криволинейной поверхностью 13 с водовыпускными окнами 14, кромками которых соединена с направляющими 15, примыкающими к внешней стенке патрубка 4. Камера 11 установлена соосно патрубку 4 с возможностью вертикального перемещения вдоль него и фиксации этого перемещения с помощью механизма 12 подъема. Завихритель потока и Г-образный кольцевой козырек с полкой заключены в полость камеры 11 (кожух).
Поскольку уровень воды в колодце 5 может повышаться и под потолком камеры 11 накапливаться воздух, вследствие чего давление возрастает и расход уменьшится, т.е. тогда, когда через водовыпускные окна 14 не прорывается воздух и отсутствует его отсос, с помощью механизма 12 подъема перемещают вверх камеру 11 соосно патрубку 4. Камера 11 позволяет также не задерживать движущиеся у потолка воздушные скопления, поэтому камера 11 имеет высоту поперечного сечения и ширину в плане, увеличивающиеся по направлению течения к водовыпускным окнам 14.
Колодец 5 соединен с регулирующей камерой 16, внутри которой размещены подпорные сооружения, переднее из которых выполнено в виде уголкового элемента 17 с шарниром 18 с возможностью углового перемещения щита 19 и перегородки 20 с отверстиями 21, служащими для опорожнения успокоительной камеры в осенний период, когда отсутствует водозабор при низких горизонтах воды верхнего и нижнего бьефов.
Вариант выполнения на фиг.2 предусматривает установку трубы-воздуховода 26, размещенного на крышке камеры 11 с отверстием 27 по высоте ее и телескопического патрубка 28, фиксатора 29. Телескопический патрубок 28 установлен с возможностью перемещения относительно входной трубы 26 канала сообщения с верхней полостью камеры 11, сообщенной с завихрителем потока, и имеет выходное колено 30 с торцевым срезом 31, обращенным к дну регулирующей камеры 16 и ниже предельного уровня нижнего бьефа регулирующей камеры 16 и выполнен под углом 8-10° к нему.
Телескопический патрубок 28 может перемещаться в трубе 26 при вертикальном перемещении камеры 11, а направляющие 15 ее устраняют возможность перекоса камеры 11. Все элементы выполнены съемными и взаимозаменяемыми при настройке.
Гаситель энергии водосбросного устройства работает следующим образом.
Напорный поток по подводящей трубе 3 поднимается вертикально вверх через патрубок 4 начальной части 7 закручивающих лопастей, расчленяется на отдельные струи. Проходя через расширяющейся участок 6 водовода, струи закручиваются закручивающимися частями 8 лопастей. Расчлененный на струи поток под действием центробежной силы равномерно растекается и в пределах кольцевой камеры 11, приводит к образованию вихревой циркуляции в зоне 22. Одновременно поток направляется в зазоры между боковыми стенками камеры 11 и торцом успокоительного Г-образного кольцевого козырька 9 с горизонтальной полкой 10 на криволинейную поверхность 13 и направляется к водовыпускным окнам 14. Взаимодействие верхнего яруса потока зоны 22, образованного закручивателем потока, частично изолировано горизонтальной плоскостью вертикальной стенки 9 Г-образного кольцевого козырька с нижним ярусом потока в зоне 23, направленного в водовыпускные окна 14.
По периметру окружности нижнего яруса зоны 23 камеры 11 поток гасится кольцевым Г-образным козырьком 9 с полкой 10, т.е. он является успокоителем потока на дне камеры 11 в расширяющейся части, в результате чего гасится его кинетическая энергия, за счет этого увеличивается пропускная способность через водовыпускные окна 14. В процессе гашения энергии участвует весь объем цилиндрической камеры 11, и через водовыпускные окна 14 поток, движущийся по нижнему ярусу, поступает в колодец 5. Происходит дополнительное соударение струй с водной подушкой в колодце 5, а также изменяют путем создания необходимого перепада z уровней между колодцем 5 и регулирующей камеры 16 за счет опускания или поднятия щита 19 при помощи механизма поворота (на чертеже не показано) относительно оси шарнира 18 и изменения тем самым зазора водовыпускного отверстия 24, и далее вода поступает в отводящий канал 25.
По варианту на фиг.2 вследствие возможного поднятия уровня воды в колодце 5, достигающего максимального уровня до нижних кромок водовыпускных окон 14 камеры 11, воздух, поступающий с водой через завихритель потока, накапливается в ее верхней части и проникает через отверстие 27 в трубу 26 воздуховода. Расположение телескопического патрубка 28 с коленом 30 и с торцевым срезом 31 в потоке регулирующей камеры 16 приводит к исключению доступа атмосферного воздуха снизу, так как оно погружено ниже уровня в регулирующей камере 16, имеющей положительный уклон дна в сторону движения воды, в которой давление ниже, чем в камере 11, на величину
<mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mi>p</mi></msub><mi>ρ</mi><mfrac><mrow><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
р
где С - коэффициент понижения давления, зависящий от формы и размеров выходного колена 30 со срезом 31;
ρ - плотность жидкости;
V - средняя скорость движения жидкости перед выходным коленом 30 телескопического патрубка 28, воздух из камеры 11 через трубу 26 воздуховода поступает в придонные слои потока с объемным расходом
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><mi>μ</mi><mi>ω</mi><msqrt><mrow><msub><mi>C</mi><mi>p</mi></msub><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup><mfrac><mi>P</mi><mrow><msub><mi>P</mi><mi>a</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
,
где µ - коэффициент расхода телескопического патрубка;
ω - площадь поперечного сечения телескопического патрубка;
а
Р - плотность воздуха,
и выносится потоком из регулирующей камеры 16 в виде мелких пузырьков, что исключает напорный режим в камере 11 и гидравлический удар. Таким образом, автоматически поддерживается соответствие между давлением притока воды через завихритель потока из патрубка 4 и расходом водосброса из камеры 11 через водовыпускные окна 14. Причем даже в случае, если в верхней части камеры 11 наступит эффект разрежения (вакуум), то дополнительно происходит отток (отсасывание) воды и работает воздуховод как сифон с захватом воздуха, поступающего вместе с водой, следствием чего пропускная способность резко увеличивается.
Таким образом, в предложенном варианте гасителя энергии выбором габаритов камеры 11, отверстия 27, воздуховода 26, а также типа и размеров выходного колена 30 со срезом 31 достигается высокая степень защиты гасителя энергии от динамических воздействий, обусловленных воздушных скоплений при подтоплении камеры снизу, следовательно, повышается надежность гасителя энергии водного потока.
Для ручной настройки подвижной камеры 11 по отношению к неподвижному патрубку 4 в направляющих 15 заданную высоту подъема над уровнем воды в колодце 5 устанавливают путем изменения подвижной камеры 11 и фиксации ее при помощи механизма 12 подъема. При втором варианте на фиг.2 производят перемещение патрубка 28 по направляющей трубе 26 с фиксатором 29. Таким образом, после настройки выходное колено 30 со срезом 31 расположено ниже уровня воды в регулирующей камере 16. При этом камера 11 может также иметь дистанционное управление для автоматического действия. Кроме того, без наличия успокоительного Г-образного кольцевого козырька с полкой невозможна надежная работа камеры 11 в предложенном гасителе, как и регулирующей камеры 16 с размещенными подпорными сооружениями, имеет простую систему узлов.
Таким образом, это позволяет исходя из взаимосвязи и взаимозависимости основных узлов гасительного сооружения усилить эффект гашения избыточной кинетической энергии воды, эффективность гасителя возрастает, что позволяет уменьшить длину крепления.
Эффективность предлагаемого устройства заключается в том, что оно обеспечивает реализацию технологических схем по гашению энергии потока и снижает величину управляющих усилий при работе конструкции.