ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА Российский патент 2024 года по МПК E02B8/06 

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для гашения водного потока после напорных водоводов в водобойном колодце.

Известен гаситель энергии водного потока, включающий горизонтальный участок водовода, кольцевую камеру гашения, она снабжена виброэкраном сферической формы выпуклостью вверх, размещенным соосно отверстию вертикального впускного патрубка, установленного в конце водовода, камера имеет ограничители, взаимодействующие с кольцевым упором в виде диска, а виброэкран выполнен с возможностью вертикального перемещения и имеет стойки в виде направляющих регулировочных болтов, снабженных пружинами (Патент RU №2524987, Е02В 8/06 от 10.08.2014).

Недостатком известного гасителя энергии водного потока является то, что отсутствует возможность контролировать как верхний, так и нижний уровень в камере, разделяющей ее на две части виброэкраном, а значит, снижается эффективность и частично надежность в работе, т.е. в процессе эксплуатации отсутствует гибкое регулирование гашение потока при изменяющихся расходах в подводящем водоводе от максимального до минимального. Кроме того, отсутствует работа в виде рассеивающего выпуска в месте поступления потока, в приемную камеру, таким образом, основным недостатком является недостаточная эффективность и надежность, а также неустойчивость виброэкрана по вертикали.

Известен также гаситель энергии водного потока, включающий горизонтальный участок водовода, кольцевую камеру гашения, виброэкран сферической формы выпуклостью вверх, вертикальный впускной патрубок, установленный в конце водовода, камера имеет прикрепленные к ее внутренней поверхности выступы-ограничители, виброэкран выполнен с возможностью вертикального перемещения и имеет стойку в виде направляющего регулировочного винта, снабженного пружиной, камера снабжена дополнительно экраном в виде тарелки, при этом, дно тарелки жестко закреплено к выступам-ограничителям со стороны выпускного патрубка, диаметр экрана которой меньше, чем диаметр виброэкрана, причем корпус виброэкрана выполнен с водоприемными окнами, и края его имеют загнутую вверх по радиусу боковую стенку (Патент RU №2574472, Е02В 8/06 от 10.02.2016).

Недостатком известного гасителя энергии водного потока является сложность устройства и, как следствие, большая материалоемкость, а это ведет к усложнению эксплуатационной надежности, т.е. недостаточная эффективность его эксплуатации. Другим недостатком является отсутствие эффективной работы рассеивающего выпуска в сторону колодца.

Наиболее близким к предложенному по назначению, технической сущности и достигаемому результату является гаситель энергии водного потока, включающий горизонтальный участок водовода, кольцевую камеру гашения, экран выпуклостью вверх, вертикальный впускной патрубок, установленный в конце водовода, камера имеет прикрепленные к ее внутренней поверхности выступы-ограничители, экран установлен соосно-впускному патрубку, водобойный колодец, впускной патрубок снабжен насадком, который снабжен цилиндром, установленным на наружной стенке насадка со стороны большего диаметра с возможностью осевого перемещения, конусным растекателем, установленным во внутренней полости насадка соосно с ней и с кольцевым зазором, при этом в полости между внутренней стенкой насадка и наружной стенкой конусного растекателя установлены направляющие пластины под углом к оси конусного растекателя, на одинаковом расстоянии одна от другой, причем угол наклона направляющих пластин к оси конусного растекателя больше угла наклона образующей конусного растекателя, кроме того, колодец имеет внутреннюю кольцевую горизонтальную полку, закрепленную ниже конусного растекателя с кольцевым зазором и размещенную выше выпускного отверстия отводящего трубопровода (Патент RU №2660931, Е02В 8/06 от 11.07.2018).

Недостатком известного гасителя энергии водного потока является сложность устройства насадка с возможностью осевого перемещения на его наружной поверхности цилиндра с конусным растекателем, а значит, недостаточная эффективность его эксплуатации, а также недостаточный рассеивающий выпуск потока при соударении в сторону кольцевой горизонтальной полки в колодце. Кроме того, усложняется конструкция крепления конусного растекателя из-за необходимости перемещения его с помощью насадка, ограниченного направляющих пластин, существует возможность его заклинивания при перемещениях, в случае перекосов, так как усилие со стороны боковых стенок может меняться не равномерно.

Следует понимать, что под нестационарным понимается поток жидкости, в котором расход (скорость) изменяются во времени. К нестационарным течениям относятся переходные процессы, при которых расход меняется от одного до другого установившегося движения. В частном случае, расход изменяется от нуля до установившегося максимального значения, отводимого в отводящий водовод.

Таким образом, если имеет место накопление энергии в колодце в виде турбулентного перемешивания жидкости, то происходит нестационарный период переходного процесса. Этот процесс образования движения нестационарности может отрицательно сказываться на отсутствие сглаживания воды потока в колодце. Кроме того, эффект гашения в известном гасителе несколько понижается в сторону падения на поверхность воды в колодце, т.е. отсутствует эффект закручивания в верхней части колодца, а это не делает камеру колодца экономичнее.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы в условиях переменного уровня воды в расширенной камере в сторону нижней части колодца при обеспечении простоты конструкции.

Техническая задача решается за счет того, что в гасителе энергии водного потока, характеризующегося тем, что он имеет горизонтальный участок водовода, вертикальный впускной патрубок, установленный в конце водовода, водобойный колодец, при этом колодец имеет внутреннюю кольцевую горизонтальную полку, размещенную выше выпускного отверстия отводящего трубопровода, согласно изобретения, верхняя часть водобойного колодца снабжена вертикальным вращающимся валом, имеющим на нижнем конце гасительную чашу с отогнутыми концами вверх в месте сужения дополнительной расширяющейся камеры, которая соединена с колодцем, при этом средняя часть вращающегося вала которого жестко снабжена через ступицу обтекателями, выполненными в виде двух одинаковых лопастей, на расстоянии 1/3 их длины от вала, шарнирно установлены рычаги одинаковой длины, противоположные концы которых шарнирно закреплены на втулке с возможностью ее перемещения по валу, при этом между ступицей и втулкой размещена пружина сжатия, причем отражательные лопасти совершают свое движение с помощью вращения приводного вала.

Кроме того, привод вала с закрепленными на нем элементами вращения осуществляется через соединительную муфту от электродвигателя, снабженного частотным преобразователем для плавного регулирования числа оборотов приводного вала.

Такое выполнение гасителя энергии водного потока из взаимосвязанных элементов позволит обеспечить среднее и нисходящее вращательное движение воды в сторону конусной части верхней камеры колодца над нижней камерой колодца, когда электродвигатель приводит приводной вал плавно в заданное число оборотов вал в условиях смешения потока к закручиванию, и далее поступает в сторону кольцевого зазора кольцевой горизонтальной полки. При этом на это движение смешиваемого потока воды непрерывно воздействует за счет обтекателей в виде лопастей закрепленных через ступицу, закрепленную к приводному валу на расстоянии 1/3 их длины от вала с шарнирами рычагов, создается вращение вокруг приводного вала, при этом закручивается, и далее падает на нижнюю часть, жестко закрепленную на конце вала чашу с отогнутыми концами вверх над кольцевой полкой в нижней части колодца, реализуется массообмен потока в целом. Обтекатели, выполненные в виде лопастей закручивания потока одинаковой длины и, которые с противоположными концами шарнирно закреплены рычагами также одинаковой длины на втулке приводного вала с возможностью ее перемещения в нижней части вала с установленной пружиной сжатия. Геометрическое выделение конструкции по высоте с предложенными элементами обеспечивают стабильное положение и устойчивый режим вращения потока, которое формируется в средней и нижней части верхней камеры колодца в сторону кольцевой полки нижней части камеры колодца, далее с поступлением потока в отводящий трубопровод. В свою очередь, это уменьшает динамическое воздействие на дно водобойного колодца, отсутствует размыв его дна и его стенки, т.е. эффективность гашения энергии потока к дну колодца увеличивается, отсутствует размыв его дна. Кроме того, исключает возможность пульсационных больших колебаний в самом колодце и в отводящем трубопроводе, а значит, и закрутка резко снижается, реализуется массообмен потока по высоте водобойного колодца. Скорость вращения вала в колодце предопределяется наполнением воды в верхней части камеры колодца, длиной и углом расположения отражателями не менее двух, выполненных в виде лопастей с учетом осевой нагрузки на приводной вал, на конце которого дополнительно закреплена жестко чаша с отогнутыми вверх концами. Величина кинетической энергии закручиваемого потока воды и центробежной силы зависит от угловой скорости вращения приводного вала, линейной скоростью движения крайней кромки отражательной лопасти с определенным радиусом, например R. Таким образом, расчетные данные линейных высотных лопастей при определенных размерах верхней части камеры колодца, характеризуют энергетическое воздействие падающего переменного потока воды сверху, соответственно, определенной длины отражательных подпружиненных лопастей (сжатие, разжатие) в конструкции колодца. Концы отражательных лопастей движутся по траектории и, не касаясь боковых стенок колодца, формируется более плотный вращающийся поток воды. Для более равномерного поступления потока воды в нижнюю часть камеры водобойного колодца, дополнительно закреплена чаша с отогнутыми вверх концами, которая оказывает свое равномерное действие на перемешивание всего потока над кольцевым отражательным экраном, и которая жестко закреплена на конце приводного вала у основания в радиально-упорном подшипнике, расположенном в цапфе, к которой симметрично крепятся поперечные стержни-кронштейны к боковым стенкам усеченного конуса основания верхней камеры. Кроме того, привод вала с закрепленными на нем отражательными элементами осуществляется через соединительную муфту от электродвигателя, снабженного частотным преобразователем для плавного регулирования числа оборотов приводного вала.

На чертеже схематически показан гаситель энергии водного потока, разрез.

Гаситель энергии водного потока включает водовод 1 с выпускным вертикальным патрубком 2, приводной вал 3, закрепленный у основания внутренней поверхности усеченного конуса 4 в радиально-упорном подшипнике 5, а в верхней части в радиальном подшипнике 6, размещенном в крышке 7, которая содержит выпускной патрубок 2 водовода 1. В средней части вала 3 жестко закреплена через ступицу 8 обтекатель 9. Обтекатель 9 выполнен в виде двух одинаковых лопастей 10. На расстоянии 1/3 их длины от вала 3 шарнирно закреплены рычаги 11 одинаковой длины, противоположные концы которых шарнирно закреплены на втулке 12, с возможностью ее вращения по валу 3. Между ступицей 8 и втулкой 12 установлена пружина сжатия 13.

В нижней части привода 3 расположена соосно валу цапфа 14 с подшипником.5, к которой симметрично крепится гасительная чаша 15 с отогнутыми концами вверх с зазором в сторону боковых стенок поверхности усеченного конуса 4 и основанием верхней части камеры 16, соединяющейся дополнительной расширяющейся со второй частью камеры 17 гашения водобойного колодца 18 и, камера 17 гашения в верхней своей части снабжена кольцевой горизонтальной полкой 19. При этом кольцевая полка 19 с кольцевым зазором расположена выше выпускного отверстия трубопровода 20.

Цапфа 14 с подшипником 5 жестко связана поперечными стержнями-кронштейнами 21 с боковыми стенками усеченного конуса 4 основания верхней части камеры 16 колодца 18.

Привод вала 3 с закрепленными на нем обтекателем 9 в виде двух лопастей 10 и гасительной чаши 15 осуществляется через соединительную муфту 22. от электродвигателя 25, снабженного частотным преобразователем 24 для плавного регулирования числа оборотов приводного вала 3, т.е. частотный преобразователь 2Н (блок управления не раскрывается конструктивно) управляет частотой вращения электродвигателя 24.

Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.

Вода поступает из водовода 1, проходит через выпускной патрубок 2 и далее поступает на рабочий элемент обтекателя 9 сверху с выполненными двумя лопастями 10, вода приобретает кинетическую энергию движения Е_кин=mV²/2 и под действием центробежной силы F_ц./б.=mV²/r (где r - угловая скорость вращения вала) отбрасывается отражательными лопастями 10 по касательной к стенке камеры 16 колодца 18, т.е. создается турбулентный поток смешения. Величины кинетической энергии и центробежной силы зависят от угловой скорости вращения приводного вала, линейной скорости движения крайней кромки отражательной лопасти. Это характеризует энергетическое воздействие на поток воды только отражательной лопасти, и могут быть использованы при выборе скорости вращения приводного вала и определения длины отражательных лопастей. Для достаточно эффективного смешения воды можно достичь при минимальной угловой скорости вращения приводного вала в пределах 150-300 об/мин и радиус вращения кромки отражательной лопасти (0,6-O,7)R, где R - радиус лопасти, а максимальная скорость вращения предопределяется прочностью крепления и жесткостью отражательных лопастей в конструкции колодца. Частоту вращения электродвигателя 23 регулирует частотный преобразователь 24 (блок управления не раскрывается) и электродвигатель 23 приводит вал 3 во вращение. Эффективность вращение характеризует энергетическое состояние воздействие на поступающий поток воды сверху в камеру 16 колодца 18. Величина кинетической энергии центробежной силы зависит от угловой скорости вращения приводного вала 3, линейной скорости движения лопастей 10, связанных через шарнирно закрепленные рычаги 11 с пружиной сжатия 13. При этом на это движение смешение потока воды непрерывно воздействует поток смешивание воды, создаваемый лопастями 10 верхней камеры 16 колодца 18, и который затем разрушает в нижней части гасительной чаши 15 с отогнутыми концами вверх, где поток также закручивается и дополнительно соударяется между собой, обеспечивает гашение потока воды, в сторону кольцевой горизонтальной полки 19 с кольцевым зазором, расположенной выше выпускного отверстия трубопровода 20.

Таким образом, при вращении отражательных лопастей и чаши с отогнутыми концами вверх в камере формируется два взаимонаправленных потока перемешивающихся между собой, каждый из которых обладает значительным запасом кинетической энергии, которая затрачивается непосредственно на перемешивание всей воды. Все это способствует заполнению далее расширительной нижней камеры 17 колодца 12.

Кроме того, в области приводного вала 3, в предлагаемой конструкции гасителя предусмотрена дополнительная установка в конце вала цапфы 14 жестко закрепленной поперечными стержнями-кронштейнами 21 с боковыми стенками усеченного конуса 4 основания камеры 16 колодца 18, причем цапфа 14 имеет внутри закрепленный подшипник 5. Выполнение многоярусных гасительных устройств в верхней камере 16 колодца 1 на приводном валу 3, который сверху соединен через соединительную муфту 22 непосредственно с электродвигателем 23, снабженного частотным преобразователем 24, обеспечивается плавное регулирование числа оборотов приводного вала 3.

Взаимодействие всего потока за счет наличия всех элементов колодца приводит к дополнительному рассредоточению струй потока, соударению и растеканию потока, а также их соударение происходит с водной подушкой в нижней части камеры 17 колодца 18, в котором происходит окончательное гашение энергии. В процессе гашения разделяемый поток участвует во всем объеме потока, доходя до нижней части водобойного колодца 18.

Таким образом, полученный эффект достигается за счет эффективной закрутки потока по пути его поступления в колодец 18, что обеспечивает установившееся поток воды перед отводящим трубопроводом 20. Процесс гашения потока реализуется в широком диапазоне изменения расхода воды при поступлении его из водовода 1 с выпускным патрубком 2. Все это в целом позволяет упростить конструкцию самого гасителя энергии и устройства для его заполнения и гашения кинетической энергии потока, повышается эффективность его работы за счет максимального гашения кинетической энергии падающего потока в водобойный колодец.

Для оценки эффективности предложенного сооружения гасителя энергии водного потока, наличие вращающихся и регулируемых двух лопастей путем сжатия и разжатия их пружиной, закрепленной к подвижной втулке к валу, а снизу к валу закрепленной жестко чаши с отогнутыми концами вверх в зоне выхода в сторону кольцевой горизонтальной полки, в целом оказывается весьма эффективным и может быть применено для объектов гашения водного потока из горизонтального водовода в колодец, в котором размещены предложенные элементы устройства.

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для гашения водного потока после напорных водоводов в водобойном колодце. Техническим результатом изобретения является повышения эффективности работы на пути нестационарного потока жидкости, за счет местных соударений пульсирующего потока воды в сторону водобойного колодца, упрощается конструкция и снижаются придонные скорости в потоке. Технический результат достигается благодаря тому, что верхняя часть водобойного колодца гасителя энергии водного потока снабжена вертикальным вращающимся валом, имеющим на нижнем конце гасительную чашу с отогнутыми концами вверх в месте сужения дополнительной расширяющейся камеры, которая соединена с колодцем, при этом средняя часть вращающегося вала жестко снабжена через ступицу обтекателями, выполненными в виде двух одинаковых лопастей, на расстоянии 1/3 их длины от вала шарнирно установлены рычаги одинаковой длины, противоположные концы которых шарнирно закреплены на втулке с возможностью ее перемещения по валу, при этом между ступицей и втулкой размещена пружина сжатия, причем отражательные лопасти совершают свое движение с помощью вращения приводного вала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гаситель энергии водного потока, характеризующийся тем, что он имеет горизонтальный участок водовода, вертикальный впускной патрубок, установленный в конце водовода, водобойный колодец, при этом колодец имеет внутреннюю кольцевую горизонтальную полку, размещенную выше выпускного отверстия отводящего трубопровода, отличающийся тем, что верхняя часть водобойного колодца снабжена вертикальным вращающимся валом, имеющим на нижнем конце гасительную чашу с отогнутыми концами вверх в месте сужения дополнительной расширяющейся камеры, которая соединена с колодцем, при этом средняя часть вращающегося вала жестко снабжена через ступицу обтекателями, выполненными в виде двух одинаковых лопастей, на расстоянии 1/3 их длины от вала шарнирно установлены рычаги одинаковой длины, противоположные концы которых шарнирно закреплены на втулке с возможностью ее перемещения по валу, при этом между ступицей и втулкой размещена пружина сжатия, причем отражательные лопасти совершают свое движение с помощью вращения приводного вала.

2. Гаситель по п. 1, отличающийся тем, что привод вала с закрепленными на нем элементами вращения осуществляется через соединительную муфту от электродвигателя, снабженного частотным преобразователем для плавного регулирования числа оборотов приводного вала.