ФОНТАН-КОЛОННА
FOUNTAIN-COLUMN

Изобретение относится к городскому коммунальному хозяйству, в частности к строительству фонтанов.
Известен фонтан-колонна, содержащий вертикальную трубу, соединенную с источником подачи воды под давлением, на верхнем конце которой размещена насадка с отверстиями (см. Авторское свидетельство СССР №1442266, В05В 17/08,1988).
В известном фонтане художественный эффект достигается выполнением насадки в виде прозрачного полого шара с размещенным в ней пучком световодов и выполнением отверстий в нижней части насадки, выливаясь из которых вода, по мнению авторов, создает впечатление опирающегося на водяной столб шара.
Недостатком известного фонтана-колонны является то, что водяной столб создается отдельными струями, падающими с большой высоты. При этом струи, истекающие из отверстий в насадке, быстро разрушаются на отдельные капли, что снижает эстетическое восприятие водяного столба как единого целого.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в создании падающего водяного столба, напоминающего собой водопад, представляющий собой воздушно-водяную завесу, обладающую высокой эстетической привлекательностью.
Это достигается тем, что в известном фонтане-колонне, содержащем вертикальную трубу, соединенную с источником подачи воды под давлением, на верхнем конце которой размещена насадка с отверстиями, согласно изобретению насадка выполнена в виде стакана, открытым торцом, обращенным вниз трубы, на днище которого закреплен герметичный кожух, в котором установлен подшипник качения, закрепленный на трубе, заглушенной на конце, при этом в днище стакана по периферии выполнены два ряда отверстий, при этом на внутренней поверхности днища стакана вокруг трубы закреплены лопасти с возможностью изменения угла поворота относительно оси трубы, ниже которых внутри стакана на трубе закреплен дополнительный стакан, обращенный открытым торцом вниз, с кольцевым зазором относительно боковой стенки стакана, причем на отверстиях наружного ряда днища стакана внутри кольцевого зазора закреплены трубки, длина которых меньше высоты стаканов и составляет 5…10 калибров трубок, а высота стенки стакана составляет 20…30 калибров трубок, причем отношение площадей отверстий трубок и свободной площади кольцевого зазора между боковыми стенками стаканов и трубок находится в пределах 0,9…1,3, а радиальные зазоры между боковыми стенками стаканов и трубками не меньше 1…1,5 мм, при этом в трубе напротив осевого зазора между днищами стаканов выполнены отверстия, а на крышке кожуха установлена штанга с подшипником качения на конце, на котором уставлено тело вращения с днищем, снизу к которому прикреплены лопасти, причем на днище стакана на втором ряду отверстий установлены трубки с соплами на концах, обращенными на поверхности лопастей тела вращения, при этом периферийные отверстия снаружи стакана закрыты кольцевым отбойником, образуя кольцевую щель с боковой поверхностью стакана для эжекции воздуха в трубки, установленные внутри стакана, из атмосферы, а на кольцевом отбойнике снаружи трубок с соплами закреплена цилиндрическая обечайка, высота которой не меньше расстояния от днища стакана до днища тела вращения, при этом в обечайке выполнены переливные отверстия ниже нижнего края лопастей тела вращения.
Кроме того, в разных вариантах высота стенки стакана может быть больше, равна или меньше высоты стенки дополнительного стакана.
На фиг.1 представлен общий вид фонтана-колонны, а на фиг.2 - его верхняя часть в увеличенном масштабе.
Фонтан-колонна содержит вертикальную трубу 1, соединенную с источником подачи воды, например насосом (условно не показан), на верхнем конце которой размещена насадка, выполненная в виде стакана 2, открытым торцом, обращенным вниз трубы 1. На днище 3 стакана 2 закреплен герметичный кожух 4, в котором установлен подшипник качения 5, внутренняя обойма которого закреплена на трубе 1, а на внешней обойме закреплен кожух 4. Крышка кожуха 4 выполнена съемной, а верх трубы 1 заглушен. В днище 3 стакана 2 по периферии выполнены два ряда сквозных отверстий 6 и 7, при этом на внутренней поверхности днища 3 стакана 2 вокруг трубы 1 закреплены лопасти 8 с возможностью изменения угла поворота относительно оси трубы 1. На трубе 1 ниже лопастей 8 закреплен дополнительный стакан 9, обращенный открытым торцом вниз, с кольцевым зазором относительно боковой стенки стакана 2. На отверстиях 7 наружного ряда стакана 2 внутри кольцевого зазора закреплены трубки 10, длина которых меньше высоты стаканов 2 и 9 и составляет 5…10 ее калибров, а высота стенки стакана 2 составляет 20…30 калибров трубок 10, причем отношение площадей отверстий трубок 10 и свободной площади кольцевого зазора между боковыми стенками стаканов 2 и 9 и трубок 10 находится в пределах 0,9…1,3, а радиальные зазоры между боковыми стенками стаканов 2 и 9 и трубками 10 не меньше 1…1,5 мм. Основным критерием оценки влияния выбора значений отдельных элементов фонтана и их отношений для данного фонтана является создаваемая им воздушно-водяная завеса, т.е. эстетическая картина, оцениваемая визуально.
Для того чтобы создать нужную картину фонтана, а картина должна быть такой, чтобы воздушно-водяной поток, выходящий из щелевого зазора, не имел разрывов сплошности, как по воздушной, так и по водяной составляющей, необходимо обеспечить равноскоростное истечение воды по наружной поверхности трубок, чтобы на срезе трубок 10 скорость воды по ее периметру была одинакова. В щелевом зазоре между стаканами 2 и 9 при давлениях в подводящем трубопроводе воды до 10 ати (давление воды в сетях коммунального городского хозяйства) это обеспечивается, когда длина трубок 10 выбирается от 5 до 10 калибров (внутреннего диаметра). Если эта длина будет меньше 5 калибров, то скорость водяного потока на срезе трубок будет различной по периметру, поскольку водный поток не успеет сформироваться и создаваемая воздушно-водяная картина будет сопровождаться частыми разрывами сплошности потока. В случае если длина будет больше 10 калибров, то начинает расти сопротивление водяного потока о наружную поверхность трубок 10 и стенки стаканов 2 и 9, и энергии воды не хватит для создания прочного воздушно-водяного потока.
Выбор высоты стенки стакана 2 в интервале 20...30 калибров внутреннего диаметра трубок 10 объясняется тем, что необходимо обеспечить равномерное внедрение засасываемого через трубки 10 воздуха в структуру водяного щелевого потока. В случае когда эта высота менее 20 калибров - воздушно-водяной поток в щелевом зазоре не успеет сформироваться прочным и поэтому выходит из щелевого зазора в виде чередующихся воздушно-водяных выбросов в стороны. В случае увеличения высоты стенки более 30 калибров происходит увеличение гидравлического сопротивления потока о боковые стенки стаканов 2 и 9, и, как следствие, более раннее разрушение пузырьков воздуха в воздушно-водяном потоке, приводящее к тому, что на некоторой высоте от основания фонтана начинает формироваться только водяной столб, что также вызывает нарушение создаваемой фонтаном эстетической картины.
Выбор отношения площади отверстий трубок и свободной площади кольцевого зазора между боковыми стенками стакана и трубками в интервале 0,9…1,3 обусловлен тем, что в случае уменьшения этого отношения менее 0,9, количество засасываемого через трубки воздуха падает и воздушно-водяная картина фонтана становится несоответствующей своему названию - колонна, т.к. поток становится практически прозрачным. В случае увеличения этого отношения больше 1,3 уменьшается расход (объем) воды через щелевой зазор, который обеспечивает энергию, за счет которой происходит засасывание воздуха в водяной поток, что приводит к раннему разрушению воздушных пузырьков в потоке, и, как следствие, к нарушению эстетической картины.
Кроме того, экспериментально, наиболее эффектная картина, соответствующая названию фонтана - колонна, была получена, когда расстояние от наружной стенки трубок 10 до стенок стаканов 2 и 9, соприкасающихся с воздушно-водяным потоком, находится в интервале 1…1,5 мм. Выбор длины трубок 10 и высоты боковой стенки стакана 2 обеспечивает высокую эффективность процесса эжектирования воздуха в трубки 10 за счет разгона потока воды в радиальном зазоре 1…1,5 мм между стаканами 2 и 9 и трубками 10 и перемешивание воды с воздухом с образованием падающей воздушно-водяной пены, имитирующей водопад. Увеличение вышеупомянутого радиального зазора приводит лишь к затратам энергии воды для создания воздушно-водяной пены и увеличению ее толщины, что не рационально, поскольку при высокой плотности пены и ее непрозрачности улучшения эстетического восприятия падающей пены не произойдет. Это также не повлияет на изменение ее «белизны», которая может изменяться соотношением длин трубок 10 и высотой стенок стаканов 2 и 9. Уменьшение зазора приводит к увеличению влияния гидравлического сопротивления стенок стаканов и снижению расхода, и, следовательно, и энергии воды, обеспечивающей эффективность засасывания воздуха, а увеличение зазора приводит с одной стороны к увеличению расхода воды, но с другой - к уменьшению ее энергии. И то, и другое влияет на эстетические качества фонтана, т.е. приводит к раннему разрушению воздушных пузырьков в водном потоке. Все эти соотношения определены для систем городского коммунального хозяйства при давлении в трубопроводе подачи воды до 10 ати.
При этом в трубе 1 напротив осевого зазора между днищами стаканов 2 и 9 выполнены отверстия 11, верхняя часть их площади соединяет полость трубы 1 с полостями между лопастями 8. Подшипник 5 и лопасти 8 обеспечивают вращение стакана 2 вокруг трубы 1. На крышке кожуха 4 вертикально установлена штанга 12 с подшипником качения 13 на конце, на котором установлено тело вращения 14 с днищем 15, снизу к которому прикреплены лопасти 16. Снаружи днища 3 стакана 2 на втором ряду отверстий 6 установлены трубки 17 с соплами 18 на концах, обращенными на поверхности лопастей 16 тела вращения 14. Периферийные отверстия 7 снаружи стакана 2 закрыты кольцевым отбойником 19, цилиндрическая боковая стенка которого образует с боковой стенкой стакана 2 кольцевую щель для эжекции воздуха в трубки, установленные внутри стакана, из атмосферы, а снаружи на крышке отбойника 19 закреплена цилиндрическая обечайка 20, высота которой не меньше расстояния от днища стакана до днища тела вращения, при этом в обечайке выполнены переливные отверстия 21 ниже нижнего края лопастей тела вращения. Для изменения угла поворота плоскостей лопастей 8, установленных на внутренней поверхности днища 3 стакана 2, они могут быть снабжены вертикальной осью с резьбовым концом, расположенным снаружи днища, на котором навинчены гайки. При необходимости изменения угла поворота плоскостей лопастей 8 гайки отворачиваются, лопасти поворачиваются на заданный угол и затем в этом положении фиксируются гайками. В варианте, когда высота стенки стакана 2 больше высоты стенки дополнительного стакана 10, образуется конический воздушно-водяной столб пены, суживающийся к основанию трубы 1. В варианте, когда высота стенки стакана 2 равна высоте стенки дополнительного стакана 10, образуется цилиндрический воздушно-водяной столб пены. В варианте, когда высота стенки стакана 2 меньше высоты стенки дополнительного стакана 10, образуется конический воздушно-водяной столб пены, расширяющийся к основанию трубы 1.
Фонтан-колонна работает следующим образом.
Вода под давлением подается в трубу 1, поднимается вверх, через отверстия 11 поступает в полость между днищами стаканов 2 и 9 и воздействует динамическим напором на плоскости лопаток 8, приводя во вращение стакан 2. Выходящие потоки воды из межлопаточных полостей и из осевого зазора между днищами стаканов 2 и 9 попадают в кольцевой зазор между боковыми стенками стаканов 2 и 9, разгоняются в нем и вследствие эжектирующего действия потока воды засасывают через отверстия 7 в днище 3 стакана 2 в трубки 10 воздух из атмосферы. Воздух интенсивно перемешивается с потоком воды, образуя на выходе из стакана 2 воздушно-водяной поток, напоминающий поток водопада. Кроме того, часть потока воды из осевого зазора между днищами стаканов 2 и 9 под давлением поступает через отверстия 6 в днище 3 стакана 2 в трубки 17, ускоряется в соплах 18 и направляется на поверхности лопастей 16, приводя во вращение тело 14. Накапливающаяся в обечайке 20 вода через переливные отверстия 21 выливается наружи, смешиваясь с основным потоком воздушно-водяной пены. Выполнение переливных отверстий 21 ниже нижнего края лопастей 16 исключает накопление воды в обечайке до уровня, при котором она будет тормозить вращение лопастей 16. Выбор направлений установки лопастей 8 и 16, а также направлений сопел 18, дает возможность изменять направления и скорость вращения тела 14 и стакана 2 относительно друг друга и вокруг своей оси и тем самым изменять направления и скорость вращения потока. Варьируя длиной трубок 10 и изменяя тем самым положение их торцов относительно открытых торцов стаканов 2 и 9 можно изменять форму истекающего из стакана воздушно-водяного потока. Подбором количества отверстий 7 в днище 3 стакана 2 и соответственно - трубок 10 можно регулировать степень насыщения водного потока воздухом, т.е. изменять степень «белизны» потока.
Использование изобретения обеспечивает создание падающего воздушно-водяного потока, напоминающего поток водопада, что значительно повышает эстетические качества фонтана.