ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА Российский патент 2015 года по МПК E02B8/06 

Изобретение относится к гидротехнике, гидравлике, гидромеханике, а более конкретно, к гидротехническим сооружениям, предназначенных для гашения энергии после напорных водоводов в приемной камере.

Известны гасители энергии потока SU 1030474, Е02В 8/06, 23.07.1983, SU 1043246, Е02В 8/06, 23.09.1983, SU 1569375, Е02В 8/06, 07.06.1990. В результате расщепления потока на струи и их соударения происходит падение скорости потока, следствием чего является интенсивное гашение его энергии.

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, 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 канале. Разность высотных отметок не позволяет затопить гидравлический прыжок, образующий при падении жидкости. Таким образом, эффективность гашения потока в отводящем канале недостаточна. Кроме того, усложнение конструкции плит из сложных железобетонных работ, требует устойчивость 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, 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, направлены 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 соединенная с отводящей трубой, в которой возможно образование воздушных скоплений под потолком труб, что является следствием деарации потока, при отсутствии заглубления конца отводящей трубы под уровень нижнего бьефа. Скопление воздуха перемещаются потоком, и выход 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 07.10.1991).

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 недостатком также основным является то, что низкая надежность гашения кинетической энергии, обусловленная прямоточностью движущихся навстречу друг другу потоков в месте схождения жестко закрепленных водоотбойных 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 водоотбойными 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 (подтверждению этого служит изобретение по а.с.SU №1550033, кл. 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.

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 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 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 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 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 заключается в повышении надежности работы путем уменьшения динамических нагрузок, сопровождающих выход в нижний бьеф воздушных скоплений и уменьшение материалоемкости.

Технический результат достигается тем, что в гасителе энергии водного потока, включающем водовод, напорные трубопроводы, снабженные закручивающими устройствами и подключенные к замкнутому корпусу в виде камеры навстречу друг другу, под корпусом расположена смесительная камера, стенка которой имеет выпускное отверстие, водобойная стенка смесительной камеры имеет вогнутую грань со стороны выпускного отверстия, в которой выполнено наклонное отверстие, смесительная камера выполнена квадратного поперечного сечения, при этом в месте выхода потока из смесительной камеры, отводящий канал перекрыт плитой, связанной с перегородкой, а наклонное отверстие водобойной стенки направлено в сторону перегородки отводящего канала.

Кроме того, корпус в виде камеры снабжен воздушной трубкой, один конец которой пропущен через крышку корпуса, а другой сообщен с атмосферой с регулирующей задвижкой.

Выполнение гасителя энергии из взаимосвязанных элементов способствует гашению водного потока за счет наличия смесительной камеры квадратного поперечного сечения, сопровождающем интенсивным перемешиванием воды с воздухом и движение воды, при выходе из выпускного отверстия перед перегородкой на втором участке, при интенсивном соударении струй происходит эффективное остаточное гашение избыточной кинетической энергии водного потока; сокращает габариты участка крепления отводящего канала во всем диапазоне поступлении расходов.

На фиг. 1 изображен гаситель энергии водного потока, план; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Гаситель энергии водного потока включает подводящий водовод 1, напорные трубопроводы 2 снабженные закручивающими устройствами 3, которые разделяют поток на струи. Трубопроводы 2 подключены выходными участками 4 встроенных в герметичный корпус 5 в виде камеры навстречу друг другу. Под корпусом 5 расположена смесительная камера 6 квадратного поперечного сечения. Стенка 7 камеры 8 имеет вогнутую напорную грань 8, выполненную с обращенной вверх и в сторону выходных участков 4. Боковая стенка 7 камеры 6 имеет наклонное отверстие 9, соединяющее камеру 6 с отводящим каналом 10 и направленное в сторону перегородки 11.

В крышке 12 корпуса 5 выполнено отверстие для воздушной трубы 13, имеющее задвижку 14. Нижний конец воздушной трубы 13 установлен на входе в корпусе 5, а второй конец соединен с атмосферой или с компрессором, который подает воздух через задвижку 14, который воздействует на водный поток. Смесительная камера 6 квадратного поперечного сечения расположена ниже напорных трубопроводов 2 и соединена через выпускное отверстие 15 с отводящим каналом 10. В месте выхода потока из смесительной камеры 6 отводящий канал 10 перекрыт плитой 16, связанной с перегородкой 11. Перегородка 11 предназначена для изменения направления вытекающего потока из выпускного отверстия 15 смесительной камеры 6 в отводящий канал 10, где поток струи из наклонного отверстия 9 соединяется в один общий поток, что снижает придонные скорости за перегородкой 11.

Гаситель энергии водного потока работает следующим образом. Поток воды, пройдя через закручивающие устройства 3, закручивается в разные стороны в корпусе 5. В результате расщепления потока на струи и их соударения, а также падения потока на вогнутую грань 8 образуется вращательное движение внутри смесительной камеры 6 квадратного поперечного сечения, часть которого проходит через выпускное отверстие 15, а другая часть потока через наклонное отверстие 9 - в отводящий канал 10 в сторону перегородки 11 с плитой перекрытия 16. Здесь потоки снова взаимодействуют, объединяются, и результирующий поток поступает в спокойном состоянии в отводящий канал 10. При таком положении перегородка 11 с плитой перекрытия 16 устройства гашения энергии водного потока происходит еще более эффективно, так как происходит дополнительное падение скорости потока, следствием чего является интенсивное гашение его энергии. В зависимости от объема поступающей воды, напора в смесительной камере 6, истечение в отводящий канал 10 до перегородки 11 может осуществляться как из наклонного отверстия 9, устроенного в стенке 7 с вогнутой гранью 8 при низких значениях расхода, так и совместно через выпускное отверстие 15, образованное стенкой корпуса 5 и стенкой 7 смесительной камеры 6 - при более высоких значениях расхода. Таким образом, перед перегородкой 11 с плитой перекрытия 16 происходит затопление гидравлического прыжка, вода выходит в открытый отводящий канал 10. При открытой задвижке 14 воздух поступает через трубу 13 в герметичный корпус 5, интенсивно перемешивается с водой, увлекается во вращательное движение в смесительной камере 6, что улучшает гашение энергии потока воды, и проходит в зону с перегородкой 11 с плитой перекрытия 16 и далее в отводящий канал 10. Следует уточнить, что для эффективного воздействия воздушного потока при смешении с водой необходимо, чтобы скорость выходящего из отверстия в крышке 12 корпуса 5 была не менее скорости потока в трубопроводах 2, которая также будет зависеть и от заполнения водой корпуса 5 и самой камеры 6 квадратного поперечного сечения с вращательным движением воды ближе к центу камеры, где поток приобретает сжатое поперечное сечение. Эффективность тем выше, чем меньше приобретает массовая энергетическая плотность пульсаций скоростей потока со стороны перегородки 11 с плитой перекрытия 16. Снижение нагрузок и смещение их в область окончательного гашения кинетической энергии обеспечивает возможность существенно предохранять отводящий открытый канал от размыва в непосредственной близости от камеры гашения. Благодаря подавлению пульсаций динамические нагрузки на конструкцию не столь высоки, как в случаях, когда гашение осуществляется только закручивающими устройствами, а также позволит погасить избыточную кинетическую энергию потока на меньшей длине отводящего канала. Применение воздуха способствует насыщению воды кислородом, что благоприятно сказывается и на развитие различной фауны в водотоках. При закрытой задвижке 14 воздух, растворенный в воде, также выносится из смесительной камеры 6 в отводящий открытый канал 10, что увеличивает расход воды, проходящий в гасителе энергии водного потока.

Таким образом, на трех участках: интенсивного соударения, винтового движения и прыжкового сопряжения струй происходит эффективное гашение избыточной кинетической энергии потока для отводящего открытого канала.

Предлагаемое устройство может быть использовано для гашения энергии водного потока в различных гидротехнических сооружениях. Особенно эффективно применение устройства высококинетических потоков в сооружениях. Это сохраняет габариты участка крепления отводящего канала и снижает строительную глубину смесительной камеры во всем диапазоне сбрасываемых расходов. Особенность предлагаемого изобретения заключается в том, что повышение эффективности и надежности гашения кинетической энергии разделяемого потока и вновь соединяемого происходит в камере, форма которой выполнена с квадратным поперечным сечением с последующим направлением частей соединяющего потока в сторону перегородки с плитой перекрытия, т.е. под перегородку, и тем самым достигается высокая степень защиты отводящего водовода от динамических воздействий, обусловленных выходом воздушных скоплений в нижний бьеф, а следовательно, повышается надежность гасителя энергии водного потока; сокращается длина закрытого участка отводящего канала и исключается необходимость устройства колодца в нижнем бьефе канала.

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, предназначенным для гашения энергии после водоводов в приемной камере. Гаситель энергии водного потока включает водовод 1, напорные трубопроводы 2, снабженные закручивающими устройствами 3. Трубопроводы 2 подключены выходными участками к замкнутому корпусу 5 в виде камеры навстречу друг другу. Под корпусом 5 расположена смесительная камера 6 квадратного поперечного сечения. Водобойная стенка 7 камеры 6 имеет вогнутую напорную грань 8, выполненную обращенной вверх и в сторону выходных участков трубопроводов. В месте выхода из смесительной камеры отводящий канал перекрыт плитой 16, связанной с перегородкой 11. Водобойная стенка 7 камеры 6 имеет наклонное отверстие 9, соединяющее камеру 6 с отводящим каналом 10 и направленное в сторону перегородки 11. Перегородка 11 предназначена для изменения направления вытекающего потока из выпускного отверстия 15 смесительной камеры 6 в отводящий канал 10, где поток струи из наклонного отверстия 9 соединяется в один общий поток, что снижает придонные скорости за перегородкой 11. Закрытый корпус 5 дополнительно снабжен трубой 13 с задвижкой 14 для подачи под давлением воздуха или атмосферы. Таким образом, на трех участках: интенсивного соударения, винтового движения и прыжкового сопряжения струй - достигается повышение эффективности и надежности гашения кинетической энергии разделяемого и вновь соединяемого потока, а также достигается высокая степень защиты отводящего канала от динамических воздействий, обусловленных выходом воздушных скоплений в нижний бьеф, что повышает надежность гасителя энергии водного потока, сокращает длину закрытого участка отводящего канала и исключает необходимость устройства колодца в нижнем бьефе канала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гаситель энергии водного потока, включающий водовод, напорные трубопроводы, снабженные закручивающими устройствами и подключенные к замкнутому корпусу в виде камеры навстречу друг другу, под корпусом расположена смесительная камера, стенка которой имеет выпускное отверстие, водобойная стенка смесительной камеры имеет вогнутую грань со стороны выпускного отверстия, в которой выполнено наклонное отверстие, отличающийся тем, что смесительная камера выполнена квадратного поперечного сечения, при этом в месте выхода потока из смесительной камеры отводящий канал перекрыт плитой, связанной с перегородкой, а наклонное отверстие водобойной стенки направлено в сторону перегородки отводящего канала.

2. Гаситель по п. 1, отличающийся тем, что корпус в виде камеры снабжен воздушной трубкой, один конец которой пропущен через крышку корпуса, а другой сообщен с атмосферой и имеет регулирующую задвижку.