Гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков Советский патент 1993 года по МПК E02B8/06 

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к водовыпускам и может быть использовано для гашения энергии потока в нижнем бьефе любых трубчатых водовыпу- сков.

Цель изобретения - повышение эффективности работы за счет стабилизации расхода водовыпуска, сведенных к минимуму сил давления потока на криволинейные лопасти и исключения передачи крутящего момента на трубопровод.

Поставленная цель достигается тем, что для предотвращения появления сбойности потока, из-за образования и срывов вакуума в закручивателе потока, где происходит сильное его расщепление, в стенках водовыпуска и на разделителе выполнена перфорация. Таким образом при подтопленном истечении в эти отверстия засасывается вода, а при свободном истечении в эти отверстия засасывается воздух, что полностью предотвращает влиять вакууму от сильного внезапного расщепления потока на пропускную способность сооружения, что приводит к большим динамическим нагрузкам на трубопровод и крепежную арматуру этого трубопровода.

Для сведения к минимуму силу давления потока на криволинейные лопасти, криволинейные лопасти направленные на внутренних и наружных поверхностях разделителя в противоположные стороны, установлены симметрично и угол поворота установки лопастей, противоположно направленных на внутренних и наружных поверхностях разделителя, к концу конически расширяющегося водовыпуска увеличивается постепенно до величины « . где ак 00 Ю

го о о

конечный угол поворота лопастей. Минимум силы давления струи на лопасти можно объяснить следующим. Площадь струи равна площади межлопастных отсеков. Струя имея скорость v, будет оказывать давление Р на лопасти, которые являются преградой к движению струи. Давление Р на преграду в направлении оси струи будет равно

V2 Р у о)-sin а,

У

где у- удельный вес воды;

о) - площадь поперечного сечения струи;

V - средняя скорость в сечении струи;

OK -угол наклона преграды в направлении оси струи.

Сила давления Р в направлении оси струи на лопасти, которая передается на трубопровод будет минимальной, когда угол поворота лопастей к концу водовыпуска будет увеличиваться до величины ак, где Ofc - конечный угол поворота лопастей на развертке разделителя потока. Следовательно, тангенс угла наклона касательной к кривой установки лопастей на развертке конически расширяющегося разделителя увеличивается по линейному закону

tg a-где а-угол наклона касательной к кривой установки лопастей;

К - коэффициент пропорциональности;

х, у - соответственно абсциссы и ординаты кривой установки лопастей в декартовой системе координат.

Разделив и проинтегрировав это уравнение, получим:

dy Kx dx;

х2

4-+с.

X

2

Найдем из последнего уравнения значение коэффициента С и К.

Зная, что в начале координат и , найдем С.

СИ).

Зная, что в конце кривой, тогда , где I - длина образующей конически расширяющегося водовыпуска, угол поворота лопастей равен а, а следовательно

dy/dx KI tg OK, K -

Таким образом, уравнение кривой в декартовой системе координат имеет вид

v- go

У 21

Поток, проходя через межлопастные от- секи криволинейными лопастями закручивается во взаимно противоположные направления. При прохождении потока в закручивателе появляются противоположно направленные крутящие моменты от пар по- перечных сил давления струи на лопасти. Для этого, чтобы результирующий крутящий момент от закручивателя был равен нулю, и не передавался на конически расширяющийся водовыпуск, действие противопо- ложно направленных моментов в закручивателе должно компенсироваться.

. 2M Mi-M2 0.

где Mi - момент от пары поперечных сил давления струи на наружные лопасти;

М2 - момент от пары поперечных сил давления струи на внутренние лопасти.

Наружный кольцевой поток на входе в закру.чиватель разделяется лопастями на струи секторно-кольцевого поперечного сечения. Внутренний цилиндрический поток на входе в закручиватель лопастями-разделяется на струи, имеющие поперечное сечение в форме круговых секторов. Сила поперечного давления струи на лопасти закручивателя пропорциональна силе давления Р в направлении оси струи .

35

,

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от угла поворота лопастей;

Р - сила давления струи на лопасти в направлении оси струи;

F - поперечная сила давления струи на лопасти в направлении перпендикулярном оси струи.

V2 2

Р у (а- sin а, 9

где у- удельный вес воды;

ft) - площадь поперечного сечения

струи, равная площади межлопастного отсека;

v - средняя скорость в сечении струи;

я- угол наклона лопасти к направле- нию оси струи.

Секторно-кольцевые поперечные сечения с достаточной точностью можно аппроксимировать трапециями, а круговые секторы треугольниками, тогда площади струи соответственно равны:

ал

0)2

2tt(Rt+R2)jrCRT-R2:). -- 6Т2 (Rl 2 6

R2 яР§

где RI и R2 - соответственно начальные радиусы конически расширяющегося водовы- пуска и конически расширяющегося разделителя.

Центр тяжести к которому приложена сила давления, находим в центре масс и плечи сил наружной и внутренней противоположно направленной пары сил соответственно равны:

:

(R2 +

R1-R2

)R2+Ri;

10

15

Подстановкой Оу- d/З уравнение приводится к полному виду:

y3+py+q 0.

р -а2/3+6 -1 ,33,

(a/3)3-ab/3+c 2(1 /3)3+1 /3-7/3 0,07+0,33-2,33«1,93.

Q(P/3)3+(q/3){-1,33/3)3-H-1,93/2)0.84

т.к. , то кубическое уравнение имеет один действительный корень

, VQ .1.93/2 ,84 1,23.

- q/2 -4

Использование: при проектировании и строительстве гасителей энергии сбрасываемого потока на конце трубчатого водовыпуска. Сущность изобретения; внутри конического перфорированного расширяющегося участка на конце водовыпуска установлен конический перфорированный расширяющийся разделитель потока, снаружи и внутри которого для закручивания потока во взаимно противоположные направления и исключения передачи крутящего момента на конец водовыпуска симметрично установлены и жестко закреплены криволинейные лопасти, направленные в противоположные стороны таким образом, что угол поворота каждой из лопастей постепенно увеличиваясь по длине разделителя потока, постоянен в любом поперечном створе водовыпуска, а углы конусности и радиусы поперечного сечения концевого расширяющегося участка водовыпуска и разделителя в любом поперечном створе находятся в соотношении 1,26. 5 ил. ел С

.

При этом центр тяжести в аппроксимированной трапеции можно принять посередине. В треугольнике центратяжести находится на расстоянии 2/3R2 от центра. В результате уравнение результирующего момента имеет вид:

2M Mi-M2 Fi Dei - F2 .

К1 ytt(Rb-RS) . J/13|П2 g

-bY &.Ј, I

.

Имея ввиду, что углы противоположно направленных наружных и внутренних лопастей увеличиваются постепенно до величины ok. Поэтому и sin ai sin«2. После сокращения получим:

(Ri2-R22XR2+Ri)- |

После несложных преобразований, получим:

/ Ri чз / Ri 2 Ri

U2) v R2; RZ з °Обозначим

Ra

Ri R2

C, получим кубическое уравнение:

C3+C2-C-7/3 0.

Решение этого уравнения является решение Кардана.

20

t-a/2-

В v - q/2 - VQ v 1,93/2 - vn.,84 036,

,59, C y-1/3 1,59-0.,26 25Ri

R2

1,26.

Таким образом, отношение начального радиуса конически расширяющегося водовыпуска к начальному радиусу конически расширяющегося разделителя, при котором действие моментов пар поперечных сил на наружные и внутренние лопасти будет компенсироваться, равен 1,26.

На фиг.1 изображен предлагаемый гаситель энергии потока для трубчатых водо- выпусков, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - расширяющийся закручиватель в аксонометрии; на

фиг.4 - разрез В-В на фиг.1; на фиг.5 - развертка конически расширяющегося разделителя.

Гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков содержит конически расширяющийся водовыпуск, в котором сделана перфорация 2. В конически расширяющемся разделителе 1 установлен расширяющийся закручиватель. Расширяющийся закручиватель 3 состоит из конически расширяющегося разделителя 4 снаружи и внутри которого для закручивания во взаимно противоположные направления, жестко закреплены лопасти 5 и 6. Расширяющийся водовыпуск 1 примыкает к цилиндрическоМУ насадку 7. Погашенный поток из цилиндрического насадка 7 поступает в отводящий водовод 8.

Гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков работает следующим образом.

Напорный поток по подводящей трубе поступает в расширяющийся водовыпуск 1. Проходя через расширяющийся закручива- тель 3 поток конически расширяющимся разделителем 4 разделяется на кольцевой и цилиндрический, -которые лопастями 5 и 6 разделяются на струи. В результате сильного внезапного расширения и расщепления потока, в закручивателе образуется вакуум, вызванный резким уменьшением кинетической энергии потока. В результате образования вакуума, через перфорацию 2, устроенную в коническом расширении водовыпуска 1 и разделителя 4, поступает воздух либо вода, что предотвращает влияние вакуума на стабильную работуводовыпуска. При прохождении потока через закручива- тель 3 поток разделителем 4 и лопастями 5 и 6 разделяется на струи, которые оказывают давление на криволинейные лопасти 5 и 6 как на преграду к движению струй.-Минимизация силы продольного давления струи на лопасти 5 и 6 достигается тем, что угол поворота криволинейных лопастей 5 и 6 к концу конически расширяющихся водо- выпусков 1 увеличивается постепенно до величины «к, причем (см.фиг.6). Следовательно, тангенс угла наклона касательной к кривой установки лопастей 5 и б на развертке конически расширяющегося разделителя 4 к концу увеличивается по линейному закону. .,,..

BQ

tg а

d dx

Кх,

где а.- угол наклона касательной к кривой установки лопастей;

К - коэффициент пропорциональности; :

х и у - соответственно абсцисса и ордината кривой установки лопастей в декартовой системе координат. .

После интегрирования данного условия окончательно уравнение в декартовой системе координат имеет вид

tgQk 2 У ур-

где I - длина образующей конически расширяющегося водовыпуска.

Постепенное увеличение угла поворота лопасти 5 и 6 создает условия для равномерной передачи давления струи по всей длине шва.

Поток, проходя через межлопастные отсеки криволинейными лопастями 5 и 6 закручивается во взаимно противоположные направления. При прохождении потока в закручивателе 3 появляются противоположно направленные моменты от пар поперечных сил давления струи на лопасти 5 и 6. Для того, чтобы результирующий крутящий момент от закручивателя 3 был равен нулю и не передавался на конически расширяю- -щийся водовыпуск 1, действие противоположно направленных моментов в закручивателе 3 должно компенсироваться

ZM Mi-M2 0,

где MI - момент от пары поперечных сил давления струи на наружные лопасти 5;

Ма - момент от пары поперечных сил давления струи на внутренние лопасти 6.

Результатами экспериментальных исследований и приближенными теоретическими расчетами найдено, что при отношении

начального радиуса конически расширяющегося водовыпуска 1 к начальному радиусу конически расширяющегося разделителя 4, при котором действие моментов пар поперечных сил на наружные и внутренние лопасти 5 и 6 будет компенсироваться, равно 1,26.

-Ј--1,26:

R2

где RI - начальный радиус конически расширяющегося водовыпуска;

R2 - начальный радиус конически расширяющегося разделителя,,. Таким образом предлагаемый гаситель энергии потока для трубчатых водовыпу- сков полностью исключает влияние закручи- вателя на пропускную способность сооружения, из-за наличия в стенках конического расширения и разделителя потока перфорации. Устройство перфорации также в значительной мере способствует расширению поструйно расщепленного потока.

Предлагаемая конструкция сводит к минимуму силу продольного давления струй на криволинейные лопасти.

Гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков исключает передачу крутящего момента на трубу при соблюдении соотношения:RT

R2

1,26.

где RI - начальный радиус конически расширяющегося водовыпуска;

R2 - начальный радиус конически расширяющегося разделителя.

Данное соотношение получено в результате экспериментального исследования

насадков различных диаметров на гидравлической модели,

Формула изобретения Гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков, содержащий установленные в перекрытом сверху водобойном колодце концевой расширяющийся участок водовы- пуска с перфорацией и коаксиально расположенный внутри него разделитель потока с закручивающими поток криволинейными лопастями, направленными в противоположные стороны и соответственно укрепленными на внутренней и наружной конических поверхностях разделителя с пог стоянным шагом между лопастями, отличающийся тем-, что, с целью повышения эффективности и надежности в работе, перги.

Фиг. 1

форация выполнена на боковых поверхностях концевого расширяющегося участка водовыпуска и разделителя потока между криволинейными лопастями, линии присоединения лопастей к разделителю на развертке его боковых поверхностей в декартовой системе координат описываются одной и той же параболой так, что угол поворота каждой из лопастей, постепенно увеличиваясь по длине разделителя, постоянен в любом поперечном створе водовыпуска, кроме того, углы конусности, а также радиусы поперечного сечения концевого расширяющегося участка водовыпуска и разделителя в

любом поперечном створе находятся в отношении 1,26, а перекрытый водобойный колодец выполнен цилиндрической формы.

6

Редактор М. Кузнецова

фаг. 5-,

Составитель 3. Ламердонов- т

Техред М. Моргентал Корректор т. Вашкович