Результат интеллектуальной деятельности: ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОДНОГО ПОТОКА

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, 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, установленной соосно виброэкрану, 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. Кроме того, упругая пружина имеет свойство усталости металла при длительной эксплуатации, в результате может произойти ее поломка и необходимость ее замены, так как виброэкран может опуститься вниз на дополнительный экран и перекрыть его. Другим недостатком является отсутствие снижения эффективности работы рассеивающего выпуска в сторону колодца.

Известен гаситель энергии водосбросного устройства, включающий подводную трубу, конически расширяющийся водовод, в котором установлен завихритель потока и отражатель с отверстиями, при этом содержит вертикальную камеру в виде усеченного конуса, поверхность которого установлена в колодце вниз расширяющейся частью соосно патрубку с возможностью заключения в нее завихрителя потока и зафиксированного перемещения относительно патрубка, причем боковая стенка камеры выполнена с криволинейной поверхностью по направлению движения потока к водовыпускным окнам в месте примыкания к ним внешней стенки патрубка (Патент RU №24842201, Е02В 8/06 от 24.01.2012).

Недостатки известного устройства: сложность и, как следствие, большая металлоемкость, а это ведет к усложнению эксплуатационной надежности, т.е. недостаточной эффективности его эксплуатации; устройство на выходе из колодца имеет дополнительно подпорные сооружения для полного гашения потока; расположение телескопического патрубка (по варианту) с коленом приводит к исключению поступления атмосферного воздуха или подачи растворов реагентов с целью предупреждения гидробиологического обрастания внешних поверхностей оголовка. Кроме того, у этого устройства - недостаточная совершенность гидравлических местных сопротивлений при закручивании потока.

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 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 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 помнить, 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 колодце, т.е. отсутствует эффект закручивания в верхней части колодца, а это не делает камеру колодца экономичнее.

Техническим результатом является повышение эффективности работы в условиях переменного уровня воды в расширяющейся камере в сторону неподвижного растекателя над закрепленной внутренней горизонтальной полки при применении многоярусных каскадных вращающихся патрубков, имеющих на своей образующей поверхности конусообразные растекатели с продольными канавками, разбивающих поток на несколько факелов.

Технический результат достигается тем, что гаситель энергии водного потока, включающий горизонтальный участок водовода, кольцевую камеру гашения, экран, вертикальный впускной патрубок, установленный в конце водовода, водобойный колодец, конусный растекатель, колодец имеет внутреннюю кольцевую горизонтальную полку, закрепленную ниже конусного растекателя с кольцевым зазором и размещенную выше выпускного отверстия отводящего трубопровода, согласно изобретения, верхняя часть колодца снабжена в центре вертикальной телескопической пустотелой трубой с изменяющимися диаметром сверху вниз, в виде многоярусных каскадных вращающихся патрубков с впускным и выпускным отверстиями, каждый из них, имеющих дополнительно с наружи конусообразные растекатели с продольными канавками, при этом нижний растекатель выполнен жестко усеченным конусом и имеет вершину, которая соосно направлена в направлении выпускного отверстия последнего вращающегося из каскадных патрубков, причем каскад патрубков с растекателями с продольными канавками имеет вращение при пропуске расхода воды через них при спаде потока воды на отдельные струи в зависимости от напора воды, при этом нижний растекатель выполнен неподвижным усеченным конусом над закрепленной внутренней кольцевой горизонтальной полки.

Кроме того, наружная поверхность вращающихся растекателей, имеющих продольные канавки, влияет на скорость и траекторию полета струи воды, приводящее к увеличению частоты вращения каскадных вращающихся патрубков вокруг своей вертикальной оси выше вершины закрепленного жестко усеченного конуса.

Кроме того, каскад патрубков с растекателями с продольными канавками, выполнен более двух по высоте и связаны они между собой при помощи вертикальных жестких стержней.

Кроме того, ширина каждого растекателя потока, закрепленного на вращающемся патрубке, увеличивается последовательно в сторону закрепленного жестко усеченного конуса.

Такое выполнение гасителя энергии водного потока от взаимосвязанных элементов способствует гашению энергии водного потока за счет многократного изменения направления в камере смешения от закрепленных многоярусных каскадных вращающихся патрубков разных диаметров с закрепленными сверху растекателями, имеющих по образующей продольные канавки, увеличивает частоту вращения каскадных патрубков вокруг своей вертикальной оси, где поток разбивается и закручивается, и далее поступает на неподвижный растекатель, в виде усеченного конуса, размещенный выше кольцевой горизонтальной полки и выше выпускного отверстия отводящего трубопровода. Кроме того, поток в верхней части камеры имеет спиральную форму, что создает вращающей струи, и каскад патрубков с конусными растекателями с канавками вращаются вокруг вертикальной своей оси. При выходе, соответственно, струй поток смешивается в колодце, а значит, и закрутка потока на поверхности воды в самом колодце отсутствует, реализуется массообмен потока по высоте водобойного колодца.

На чертеже схематично показан гаситель энергии водного потока, разрез.

Гаситель энергии водного потока включает водовод 1 с выпускным патрубком 2 и вертикальную телескопическую пустотелую трубу. Выполненную из многоярусных каскадных вращающихся патрубков 3, 4, 5 (количество их может быть разным по высоте размещения в камере) с впускным и выпускным отверстиями. С боков патрубков 3, 4, 5 прикреплены дополнительно конусообразные растекатели 6, 7, 8, имеющих по образующей поверхности продольные канавки (не показаны), растекатель 9, выполнен жестким прикрепленным усеченным конусом, вершина 10, которого соосно направлена в направлении выходного отверстия последнего каскадного вращающегося патрубка 5 с растекателем 8 с канавками на поверхности. Вращающиеся патрубки 6, 7, 8 имеют разный диаметр по высоте (длине), уменьшающиеся сверху вниз в сторону неподвижного закрепленного растекателя 9 в виде усеченного конуса с вершиной 10, причем вращающиеся патрубки 3, 4, 5 связаны между собой вертикальными жесткими стержнями (не показано). Соответственно, расположение вращающихся патрубков 3, 4, 5 и их размеры определяют с дополнительными закрепленными на них конусообразных растекателе 6, 7, 8 с формой окружности к вращающимся патрубкам с окружной скоростью. Распад основной струи происходит на сходе потока с конусообразных растекателей по канавкам сверху, а другая часть потока воды проходит через внутренние полости вращающихся каскадных патрубков 3, 4, 5 вниз с разбором, уменьшающимся постепенно расходом воды. Кольцевая горизонтальная полка 11 закреплена в водобойном колодце 12 ниже неподвижного усеченного конуса 9 с вершиной 10, при этом кольцевая горизонтальная полка 11 с кольцевым зазором расположена выше выпускного отверстия трубопровода 13. Колодец 12 разделен кольцевой горизонтальной полкой 11 на верхнюю камеру 14 и нижнюю камеру 15, причем верхняя часть камеры 14 имеет комплект вращающихся устройств.

Угол при вершине в сторону наклона грани вращающегося растекателей 6, 7, 8 выбирают в пределах 110...140°, а расход, выходящий из вращающихся патрубков 3, 4, 5 выражается как Q_Н=μS_нW, где S_Н - площадь каждого сопла патрубка; μ - коэффициент расхода патрубка; W - начальная скорость струи, м/с, определяется как где Н - напор; р_о - атмосферное давление; ϕ - коэффициент скорости течения; р_в -плотность воды. Рабочим элементом вращающегося устройства является передача энергии последовательно сверху вниз, которая происходи за счет дробления падающей на него воды, является каскад вращающихся устройств в целом. Характеристика такого дробления струй потока определяются кинетическими параметрами устройства, в частности диаметром, формой и окружной скоростью, когда распад струи происходит в камере 14 при сходе с растекателей 6, 7, 8 с канавками в сторону неподвижно закрепленного усеченного растекателя 9 с вершиной 10.

Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.

Вода поступает из водовода 1, проходит через выпускной патрубок 2 и далее разделяется на множество струй потока, одна из которых поступает в вертикальную телескопическую пустотелую трубу в виде многоярусных каскадных вращающихся патрубков 3, 4, 5 (количество их может быть по высоте разным) с впускными и выпускными отверстиями, а другая часть потока поступает непосредственно на дополнительные конусообразные растекатели 6, 7, 8, имеющих на поверхности продольные канавки (не показаны), влияющих на скорость и траекторию полета струи воды, приводящее к увеличению частоты вращения каскадных вращающихся патрубков 3, 4, 5 вокруг своей вертикальной оси. На выходе из камеры 14 гашения закреплен жестко растекатель 9 с вершиной 10 в виде усеченного конуса, вершина 10, которая направлена соосно в сторону выпускного отверстия последнего вращающегося патрубка 5 с растекателем 8 с продольными канавками на его поверхности. Поток в верхней камере 14 гашения распадается на множество струй, оказывающие на формирование скорости траектории спада струй воды, где он закручивается вращающимися каскадом патрубков 3, 4, 5 с растекателями 6, 7, 8 и поступает из верхней камеры гашения на растекатель 9 с вершиной 10, продолжает закручиваться, и потоки соударяются между собой. В процессе соударения между собой части потока направляются в сторону размещения кольцевой горизонтальной полки 11 ниже растекателя 9 в камеру 15. Взаимодействие всего потока за счет наличия всех элементов водобойного колодца приводит к дополнительному соударению в толщу наполняемой водой в нижнюю камеру 15 колодца 12, в котором происходит окончательное гашение энергии. В процессе гашения разделяемый поток при вращении многоярусных каскадных патрубков 3, 4, 5 с закрепленными к ним растекателями 6, 7, 8 с канавками сверху, последние, участвуют во всем объеме потока, а затем весь поток доходит до нижней части водобойного колодца 12.

Следует отметить, что радиальная скорость потока в верхней камере 14 колодца 12 при увеличении скорости подачи воды из выпускного патрубка 2, т.е. напора, увеличивается скорость вращения патрубков 3, 4, 5 с растекателями 6, 7, 8 и зависит от формы размещения на последних канавок (не показаны), и соответственно, радиус их вращения с учетом диаметров вращающихся патрубков, выходные отверстия, которые уменьшаются в сторону неподвижного закрепленного жестко растекателя 9 с вершиной 10, а также, соответственно, увеличивающимся сверху вниз закрепленных к патрубкам 3, 4, 5 конусообразных растекателей 6, 7, 8 в сторону растекателя 9 с вершиной 10.

Таким образом, полученный эффект достигается за счет эффективной закрути потока по пути его поступления в колодец 12, что обеспечивает установившийся поток воды перед отводящим трубопроводом 13. Процесс гашения потока реализуется в широком диапазоне изменения расхода и скорости 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 многоярусных каскадных вращающихся патрубков с разными диаметрами и длиной по высоте верхней камеры колодца с разными по ширине закрепленных на них растекателями с продольными канавками на поверхности и под определенным углом сверху в сторону неподвижного растекателя, а также в зоне перед закрепленной кольцевой горизонтальной полки, оказывается весьма эффективным и может быть применено для объектов гашения водного потока после напорных водоводов в водобойном колодце, в котором размещены предложенные элементы устройства.