Результат интеллектуальной деятельности: ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА

Изобретение относится к гидротехнике, гидравлике, гидромеханике, а более конкретно к гидротехническим сооружениям, предназначенным для использования в составе гидроузлов, снабженных трубчатыми водовыпусками.

Известно устройство для гашения энергии потока, включающее водобойный колодец, расположенный под вертикальным выходным участком напорного водовыпуска круглого поперечного сечения, т гаситель энергии потока, установленный над его дном соосно с выходным участком напорного водовыпуска, при этом гаситель энергии потока выполнен в виде круглой решетки с радиально расположенными стержнями (Авторское свидетельство SU №1392189, Е02В 8/06 от 30.04.1988).

Недостатком известного гасителя является низкая эффективность гашения при расщеплении струи с последующей аэрацией потока, что не приводит к концентрации расхода в колодце при выходе его в отводящий канал, в результате местные скорости сохраняют высокие значения на большом расстоянии от гасителя, что приводит к размыву дна канала у гасителя. Кроме того, наличие всплесков смешивающихся потоков, а также неравномерность распределения по сечению колодца расхода, образующегося при его смешении, который должен бы гаситься круглой решеткой, недостаточно эффективно в работе гасителя энергии потока, т.е. сохраняются большие волнения водной поверхности, как в водобойном колодце, так и по длине отводящего канала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому 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 выполнен с возможностью вертикального перемещения, при этом 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 рассекателя, 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 при 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 отсутствии 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, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности и надежности работы за счет равномерности разделяемого потока в зависимости от скорости течения воды, вливающейся в корпус колодца и последующего соединения на дне водобойного колодца и упрощение конструкции.

Технический результат достигается тем, что гаситель энергии водного потока, характеризующийся тем, что он имеет горизонтальный участок водовода, экран выпуклостью вверх, водобойный колодец, при этом колодец имеет внутреннюю кольцевую горизонтальную полку, закрепленную ниже экрана с кольцевым зазором и, размещенную выше выпускного отверстия отводящего трубопровода, согласно изобретения, водовод в виде подводящей трубы соединен с водоприемным отверстием колодца и примыкающим к нему тангенциальным каналом для подачи воды, при этом внутри колодца жестко установлена перфорированная труба с отверстиями, верхняя часть которой снабжена свободным кольцевым охватывающим экраном сферической формы выпуклостью вверх и, загнутые концы которого вниз закреплены с боковыми стенками колодца и стенками перфорированной трубы, причем средняя часть перфорированной трубы жестко прикреплена к расположенным направляющим с вертикальными стержнями и ориентированными выше конусного днища колодца и выше кольцевой горизонтальной полки, причем, внутри перфорированной трубы расположен вал-шнек с винтом, соединенный с приводом двигателя, и винт направлен соосно в сторону кольцевого зазора ориентированным в конусное днище колодца и кольцевой горизонтальной полки.

Кроме того, верхняя часть стенок перфорированной трубы выше охватывающего экрана сферической формы имеет воздушные отверстия, соединенные с дополнительной образованной воздушной камеры, снабженной воздушной трубкой для выпуска воздуха в атмосферу.

Кроме того, нижняя часть перфорированной трубы имеет крышку с выпускными отверстиями в сторону винта.

Выполнение гасителя энергии водного потока в совокупности взаимосвязанных элементов и обуславливает достижение поставленной цели при значительной эксплуатационной надежности для подобных объектов гидротехнического строительства, в том, числе для гасителя энергии потока.

Наличие поступление воды по тангенциальному каналу (трубопроводу) через отверстие в стенке колодца, где за счет вращательного движения, созданного тангенциальным каналом, образуется разгон воды с закруткой и воронкой, и поступление воды в установленную перфорированную трубу внутри колодца. В результате вращения вала-шнека вода вытесняется в отверстия вниз крышки, где установлен винт, соединенный с приводом, винт направлен в сторону соосно ориентированным выше отверстия в конусном днище колодца и в сторону кольцевой горизонтальной полки, далее в сторону дна водобойного колодца. А для того, чтобы не создавалось накопление атмосферного воздуха в колодце, выделяющегося при вращении воды вокруг перфорированной трубы с отверстиями, верхняя часть последней имеет выпускные воздушные отверстия в дополнительно созданную воздушную камеру выше экрана сферической формы с загнутыми вниз концами, а под крышкой колодца воздушная камера снабжена воздушной трубкой, сообщающая ее с атмосферой. При обтекании перфорированной трубы с отверстиями с кольцевым охватывающим экраном сферической формы в верхней части колодца, работа его происходит совместно с действием вала-шнека, приводимого приводом двигателя, расположенного выше крышки колодца, когда выталкивающая вода связана с вихревой камерой вокруг перфорированной трубы. Все это в совокупности действия поступающего тангенциального потока воды перемешивается в средней части внутри колодца, а затем происходит поступление воды в отверстие кольцевого днища колодца, далее в сторону зазора кольцевой горизонтальной полки, над которыми выше закреплен винт. В целом это уменьшает динамическое воздействие на дно водобойного колодца 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 потока на поверхности воды резко снижается, реализуется массообмен потока по высоте водобойного колодца.

На фиг. 1 изображен гаситель энергии водного потока, продольный разрез; на фиг. 2 - вид сверху.

Гаситель энергии включает цилиндрический колодец 1 с водоприемным отверстием 2, примыкающим к нему тангенциальным каналом 3 (трубопроводом) и отводящий трубопровод 4. Перфорированная установленная труба 5 с приемными отверстиями 6 жестко закреплена соосно над кольцевым зазором выше конусного днища 7 колодца 1, при этом верхняя часть перфорированной трубы 5 снабжена отверстиями 8 для выпуска воздуха, выделяющегося из воды, а нижняя часть с крышкой 9 снабжена выпускными отверстиями для воды, расположенной в сторону кольцевого зазора конусного днища 7 колодца 1. Во внутренней полости в верхней части колодца 1 установлен кольцевой охватывающий экран 10 сферической формы выпуклостью вверх с загнутыми концами вниз вокруг верхней части перфорированной трубы 5, которая жестко закреплена направляющими 11 к вертикальным стержням 12, поддерживающим экран 10. Сверху под крышкой 13 колодца 1 дополнительно выполнена воздушная камера 14, которая связана с воздушной трубкой 15 для выпуска воздуха, выделяющегося из воды в атмосферу. Вертикальные размеры установленной перфорированной трубы 5 таковы, что внутри ее установлен вал-шнек 16 с винтом 17, соединенным с приводным двигателем 18, закрепленным над крышкой колодца 1.

Ниже крышки 9 перфорированной трубы 5, винт 17 также соосно расположен в сторону кольцевого зазора в конусном днище 7 для прохождения воды в сторону кольцевой горизонтальной полки 19, расположенной ниже конусного днища 7.

Внутри цилиндрического корпуса колодца 1 образуется вихревая камера 20, представляющая собой, для вращения воды вокруг перфорированной трубы 5 с приемными отверстиями 6. Вихревая камера 20 сверху ограничена охватывающим кольцевым экраном 10 сферической формы выпуклостью вверх с загнутыми концами вниз. При этом кольцевая горизонтальная полка 19 расположена ниже конусного днища 7 с выпускным отверстием и соосно установленного над ним винта 17, которая закреплена в водобойном колодце 1 выше выпускного отверстия отводящего трубопровода 4, что снижает в целом придонные скорости в отводящем трубопроводе 4.

Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.

Вода поступает по тангенциальному трубопроводу 3 через водоприемное отверстие 2 в полость колодца 1, где за счет вращательного движения, созданного тангенциальным трубопроводом 3 (каналом), образуется воронка, в которой уровень вокруг перфорированной трубы 5 несколько понижается в виде воздействия центробежных сил вращающейся жидкости. В результате вращения приводного двигателя 18 вращается винт 17 посредством вала-шнека 16, находящегося внутри перфорированной трубы 5, обеспечивая более эффективное закручивание воды в ней, т.е. закрутку в вихревой камере 20 в колодце 1, закрытого сверху кольцевым экраном 10 сферической формы выпуклостью вверх с загнутыми концами вниз.

Таким образом, вращением вала-шнека 16 осуществляется и движение винта 17, обеспечивая поступление воды в сторону кольцевого зазора конусного днища 7.При этом внутри колодца 1, воздух вытесняется из воды вверх и выходит через отверстия 8 в верхней части перфорированной трубы 5 в дополнительную воздушную камеру 14 с воздушной трубкой 15 для выпуска воздуха в атмосферу. Вода вокруг перфорированной трубы 5 движется с определенной скоростью вращения, частично гасится и имеет относительно выхода через кольцевое отверстие конусного днища 7 колодца 1 движение, которое связано с вращением и винта 17, т.е. в районе выхода воды возникает эжектирующий эффект с закруткой струи, далее они соударяются выше закрепленной к внутренней стенке водобойного колодца кольцевой горизонтальной полки 19. В процессе соударения между собой всего потока за счет наличия расположение потока по периметру водобойного колодца 1 и соударения в толщу наполняемого водой колодца, т.е. соударение всего потока с водной подушкой в колодце 1, в котором осуществляется окончательное гашение энергии. Скорость засасывания воды винтом 17, а также вращение привода 18 регулируется в зависимости от конкретных условий. В процессе гашения участвует весь объем потока в водобойном колодце 1. Таким образом, перед выпускным отверстием отводящего трубопровода 4 поток становится установившимся.

Наличие вращательного движения потока вокруг перфорированной трубы 5 с впускными отверстиями и вращательного движения внутри трубы скоростью засасыванием воды за счет вращения привода, вода поступает из вихревой камеры 20, далее через выпускные отверстия в нижней крышке 9 выходи в сторону вращающегося винта 17, направляет весь поток в кольцевой зазор конусного днища 7 колодца 1 с прикрепленной в нижней части кольцевой горизонтальной полки 19. В результате этого процесса происходит выход потока в водобойный колодец и окончательное соударение с кольцевой горизонтальной полкой 19 в колодце 1.

Оригинальность конструктивного решения подтверждается объединением действия приводного двигателя и скоростного напора течения воды на входе в колодец, в частности частично гашения сначала в верхней его части избыточной кинетической энергии воды, а значит, повышает эффективность вначале вращательным движением воды непосредственно в сторону конусного днища колодца с кольцевым зазором, выше которого соосно расположен вращающийся винт, затем препятствуя вертикальному выпуску закрученных струй воды сразу непосредственно в колодец и размыв его дна, происходит соударения с кольцевой горизонтальной полкой, размещенной в водобойном колодце. Благодаря поэтапному гашению потока при поступлении потока из примыкающего к отверстию колодца с тангенциальным входным каналом во внутреннюю полость колодца и размещения в нем вертикальной перфорированной трубы с отверстиями, внутри которой расположен вал-шнек с винтом, соединенный с приводом, в целом, динамические нагрузки на конструкцию колодца не столь велики по сравнению с прототипом.

Гаситель энергии отличается простотой конструкции и надежность в работе. Обеспечивается гашение водного потока, где скорость потока регулируется от конкретных условий.