Результат интеллектуальной деятельности: ВОДОДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ КАНАЛОВ С БУРНЫМ РЕЖИМОМ ТЕЧЕНИЯ

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для одностороннего и двухстороннего стабилизированного отбора воды как в ирригационные, так и в деривационные каналы микроГЭС из каналов с бурным режимом и сверхбурным (волновым) режимом течения.

Известен вододелитель для каналов с бурным режимом течения, включающий размещенный между подводящим и транзитным каналами колодец и отводящие водоводы, размещенные в колодце поперечные перегородки, делящие его на камеры, горизонтальные козырьки, закрепленные в верхней части каждой камеры и обращенные навстречу потоку, и Г-образные козырьки с направленной вниз полкой, разделенные также в каждой камере и закрепленные к средней части противоположной горизонтальному козырьку стены камеры (Авторское свидетельство СССР №1016424, кл. E02B 13/00, 1983).

Недостатком его является низкая пропускная способность каждой его камеры, т.е. обладает малым коэффициентом расхода щитового отверстия при истечении в отводящие водоводы. Поток, поступая в камеры колодца со щитами, гасится частично, отсутствуют элементы гидравлических сопротивлений, что вызывает изменение отводимого расхода в колодце при изменении высокоскоростного потока (напора) в подводящем канале, т.е. имеет место отсутствие сжатия потока в камере колодца, что ведет к изменению расхода воды в отводах. В результате таких изменений расхода воды в отводах требуется ручная регулировка процессов подачи воды. При этом за счет действия Г-образных козырьков происходит перевод винтового движения потока в поступательное по направлению к отводящим каналам и расход воды должен постоянно регулироваться боковыми затворами, и на выходе возникает сбойность потока в отводящем канале. Таким образом, ограничен диапазон работы при изменении расходов в подводящем канале. Конструкция вододелителя не позволяет проводить в одном технологическом цикле задачи для стабилизированного забора расхода воды каждой камерой колодца, и увеличить значительно пропускную способность колодца в целом.

Известен также вододелитель для каналов с бурным режимом течения, включающий размещенный между подводящим и транзитным каналами колодец и отводящие водоводы, размещенные в колодце поперечные перегородки, делящие его на камеры, горизонтальные козырьки, закрепленные в верхней части каждой камеры и обращенные навстречу потоку, и Г-образные козырьки с направленной вниз полкой, размещенные также в каждой камере и закрепленные к средней части противоположной горизонтальному козырьку стены камеры, причем камеры выполнены с возрастающей по направлению течения шириной и сверху перекрыты шарнирной решеткой (Авторское свидетельство СССР №1654447, кл. E02B 13/00, 1991).

Недостаток этого вододелителя также заключается в трудности обеспечить стабильный расход воды из каждой камеры в отводы. Пропускная способность каждой камеры зависит от самой конструкции решетки с продольными прорезями по длине колодца. Поэтому стабильность расхода недостаточна по мере отбора воды каждой камеры колодца, особенно по мере увеличения расхода сверх расчетного и, наоборот, при уменьшении расхода меньше расчетного из-за отсутствия дополнительных гидравлических сопротивлений в каждой камере колодца. При этом в то же время при расходах воды в подводящем канале ниже расчетного резко падает давление в камерах колодца.

Каналы-быстротоки с уклонами больше критического (i>0,02) могут быть волновыми, безволновыми (с противоволновыми поперечными профилями) и работающими в двух режимах (в волновом - при пропуске одних расходов, и безволновом - при пропуске других расходов). Следовательно, создаваться должны новые сооружения с учетом особенностей канала-быстротока, выступающего в каждом случае в качестве источника водообеспечения потребителей (например, оросительных каналов или каналов микроГЭС).

Известное устройство в данном случае при донном водозаборе с камерами в колодце с боковыми отводами и решеткой при наличии катящихся волн и сброса их по транзиту на стабилизацию водоподачи потребителю не позволяет увеличить на более высокую пропускную способность при переводе бурного потока в спокойное состояние в отводящем канале. Известно, что расход по длине колодца различен в виду его части отбора каждой камерой, в результате происходит неравномерное распределение скоростей и расхода над просветом камер. Поэтому внутри каждой камеры происходит изменение отводимого расхода воды. Кроме того, отсутствует в отводящем канале образование устойчивого гидравлического режима потока (его нужно будет затапливать). Помимо отсутствия стабилизирующей способности каждой камеры изменение относительного расхода Q_отв/Q_max, т.е. зависит от относительного расхода в канале-быстротоке, пропускная способность каждой камеры не взаимосвязана с самим распределением воды, что нарушает параллельно-струйное поступательное движение потока на выходе в отводящий канал и способствует сбойности в открытом отводящем канале. Отсюда также не высокая пропускная способность известного сооружения, при этом стоимость строительства возрастает. Кроме того, не обеспечивается симметричность расщепления потока по направлению течения ширины каждой камеры, т.е. не обеспечивает увеличение площадей входных отверстий камер по течению за счет отбора воды, а также из-за отсутствия наклонных частей в верхней части разделительных перегородок и расположение этих частей под углами α₁, α₂, α₃, функционально зависящими от величины водоотбора.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения стабилизации отводимого потока и повышение пропускной способности в режиме свободного истечения при волновой структуре потока.

Поставленная цель достигается тем, что вододелитель для каналов с бурным режимом течения, включающий размещенный между подводящим и транзитным каналами колодец и отводящие водоводы, разделительные перегородки, делящие его на камеры, горизонтальные козырьки, закрепленные в верхней части каждой камеры и обращенные навстречу потоку, и Г-образные козырьки с направленной вниз полкой, размещенные также в каждой камере и закрепленные к средней части противоположной горизонтальному козырьку стены камеры, причем камеры выполнены с возрастающей по направлению течения шириной и сверху перекрыты шарнирной решеткой, разделительные перегородки имеют водопропускные щелевые отверстия, посредством которых камеры сообщаются друг с другом по течению потока, причем водопропускные щелевые отверстия ограничены двумя горизонтальными полками, одна из которых расположена выше его перед углом излома верхней части разделительной перегородки в вертикальной плоскости, а вторая расположена ниже водопропускного щелевого отверстия относительно первой, и дно каждой камеры выполнено конусообразным, направленным выпуклостью вверх, при этом части излома разделительных перегородок расположены по отношению к частям разделительных перегородок под углом α₁, α₂, α₃ и зависят от величины водозабора за счет площади изменения входного отверстия камеры.

Кроме того, камеры колодца с внешней стороны нижней кромкой соединены с началом водобойного колодца, выходной оголовок которого соединен с отводящим каналом.

Исходя из взаимосвязи и взаимозависимости основных элементов сооружения бурный поток, поступающий из подводящего канала, разделяется каждой камерой на разные по расходу через водопропускные щелевые отверстия вертикальных разделительных перегородок с двумя горизонтальными полками, а также с изломами частей в верхней части перегородок с различными углами наклона α₁, α₂, α₃ в вертикальной плоскости по отношению к нижним вертикальным частям, функционально зависящими от величины водоотбора, при этом обеспечивается стабилизация расхода воды отвода за счет сужения на первом этапе с косонаправленным дном выпуклостью вверх, и с учетом перетока части расхода воды во вторую камеру (количество их определяется расчетом). Вследствие этого возрастает напор истечения H_o. С увеличением напора истечения увеличивается сжатие потока, истекающего из-под затвора в отвод по зависимости , что ведет к уменьшению коэффициента расхода каждой камеры колодца по ширине, т.е. µ обратно пропорционально . За счет этого обеспечивается стабилизация расхода, поступающего в отводящие водоводы. Учитывая, что b=cont (ширина) каждой отдельно взятой камеры, то получим Q_отв=f(a), т.е. функцию открытия затвора. Помимо стабилизирующей способности каждой камеры вододелителя пропускная способность, соответственно, стала более высокой по сравнению с известным сооружением, что позволяет снизить стоимость строительства водораспределительного сооружения. Такой подход к конструкции может увеличить расход воды не менее чем на 15…20%. Вододелитель можно использовать для одностороннего и двухстороннего отбора воды (на чертеже не показан двухсторонний отбор воды). Комбинация напорного и винтового режимов движения и послужила поводом для создания нового технического решения. В конечном итоге наличие новых элементов в колодце вододелителя для смешивания потоков увеличивает напор истечения и сжатие потока, а поток в отводящих каналах поступает в водобойный колодец, но не настолько, чтобы струя полностью затапливалась потоком в нижнем бьефе, поэтому выход сделан наклонным дном, и, равномерно рассредоточиваясь, поступает в отводящий канал, придав ему поверхностную структуру.

Оригинальность и простота решения указанной конструкции обеспечивает равномерное распределение скоростей воды и удельных расходов на выходе из камер в водобойный колодец и далее в отводящий канал.

Общее число камер в колодце принимают в зависимости от их изменения относительного расхода в отвод Q_отв/Q_max и в зависимости от относительного расхода в канале-быстротоке Q/Q_max. Длина пути колодца разбита на камеры посредством размещения вертикальных разделительных перегородок с водовыпускными щелевыми отверстиями, ограниченными двумя горизонтальными полками и верхними концами изломов перегородок (их частей) под углами α₁, α₂, α₃, что обеспечивает увеличение площадей сечения в этих камерах, так как действующий напор потока при поступлении в камеры отвода воды уменьшается по сечению. Этим самым достигается более равномерное распределение скоростей воды и удельных расходов.

Винтовое вращение ядра жидкости в камере распадается на несколько движений и выглядит наиболее плотным (сжатым) в поперечном сечении по сравнению с известным устройством. Поток в каждой камере сам формирует свое движение при открытии отводящего отверстия затвором перед водобойным колодцем, а это приводит к полной ликвидации сбойного течения при свободном истечении в открытый отводящий канал, при этом обеспечивается равномерное поступление потока за выступом водобойного колодца.

Исходя из вышесказанного автор считает возможным утверждать, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию «Существенные отличия».

На фиг.1 изображен вододелитель для каналов с бурным режимом течения, в плане; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.

Вододелитель для каналов с бурным режимом течения содержит донный колодец 1, выполненный между подводящим 2 и транзитным 3 каналами с волновой структурой потока, отводящие отверстия, разделенные плоскими затворами 4, 5, 6, 7 равной ширины, и расположенные в колодце 1 разделительные перегородки 8, 9, 10 с горизонтальными козырьками 11, 12, 13, 14 в верхней части, а также с Г-образными козырьками 15, 16, 17, 18, полка которых обращена вниз, на противоположной стене в средней части.

Разделительные перегородки 8-10 делят колодец 1 на камеры с возрастающей по течению площадью. Вододелитель снабжен шарнирно прикрепленной к верхней передней кромке колодца 1 решеткой 19 с продольными стержнями.

Разделительные перегородки 8-10 выполнены с водопропускными щелевыми отверстиями 20, 21, 22, перекрытые сверху горизонтальными полками 23, 24, 25 и снизу, соответственно, горизонтально полками 26, 27, 28. Водопропускные щелевые отверстия 20-22 последовательно размещены напротив Г-образных козырьков 15-17. В верхней части разделительные перегородки 8-10 выполнены с изломами 29, 30, 31 в вертикальной плоскости, причем их верхние наклонные части 29-31 расположены выше верхних горизонтальных полок 23-25 и расположены по отношению к частям вертикальных разделительных перегородкок 8-10 под углами α₁, α₂, α₃, функционально зависящими от величины водоотбора каждой камерой донного колодца 1, при этом площади входных отверстий камер увеличиваются по движению потока над колодцем 1. Каждая камера донного колодца 1 выполнена дном 32, 33, 34, 35 конусообразного вида, направленным выпуклостью вверх, т.е. в сторону Г-образного козырька 15-18, полка которого направлена вниз, и нижней горизонтальной полки 26-28. Входящие в каждую камеру Г-образные козырьки 15-18, горизонтальные полки 23-25 и 26-28, а также дно 32-35 конусообразного вида с учетом водовыпускных щелевых отверстий 20-22 создают гидравлические сопротивления. Одновременно просветы водопропускных щелевых отверстий 20-23 между двумя горизонтальными стенками (верхней и нижней), соответственно, ограничивающие вход воды в каждую камеру, ориентированы последовательно по ширине в сторону направленными к Г-образному козырьку, полка которого направлена вниз, т.е. имеет место сужение площади в камере. Отводящие отверстия с плоскими затворами 4-7 соединены своими выходами с водобойным колодцем 36, который соединен с отводящим каналом 37. Вододелитель можно использовать для одностороннего и двухстороннего отбора воды (двухсторонний вододелитель не показан).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Высокоскоростной сверхбурный поток из подводящего канала 2, имеющего уклон дна больше критического, отсекаемый горизонтальными козырьками 11-14, поступает в камеры донного колодца 1 и отводится потребителям через отводящие отверстия, перекрываемые плоскими затворами 4-7 с заданным открытием. Одновременно поток воды, поступающий в камеры колодца 1, обладает продольной и поперечной нестационарностью скоростей, отсекаемый козырьками 11-14. Пропускная способность каждой камеры возрастает при соотношении площадей водоприемного отверстия камер по потоку за счет наклонных частей 29-31 (изломов) под углами α₁, α₂, α₃, функционально зависящими от величины водоотбора.

Поток, попадая в камеру колодца 1, имеет винтовое движение с переводом в поступательное по направлению к отводящим отверстиям с затворами, который и регулируется последними. Следовательно, при закручивании часть кинетической энергии поступательного движения потока воды и ростом напора над колодцем 1, разделяется на части Г-образным козырьком и двумя горизонтальными полками, ограничивающие водопропускное щелевое отверстие в разделительной перегородке (стенке), обеспечивается сжатие потока при его движении к дну 32-35 конусообразного вида в каждой камере, при этом камера заполняется водой, увеличивая сжатие винтового потока истекающего между зазорами Г-образного козырька, горизонтальных двух стенок и водопропускного щелевого отверстия (последние также имеют гидравлическое сопротивление), что в целом повышает степень сопротивления в полости каждой камеры, оказываемыми предложенными конструктивными элементами. Таким образом, величина подаваемого в отвод расхода регулируется открытием затвора 4-7, стабилизирующие свойства которого можно проверить, определив изменение относительного расхода в отвод Q_отв/Q_max в зависимости от относительного расхода в канале-быстротоке Q/Q_max. Таким образом, данную конструкцию вододелителя можно использовать как стабилизатор расхода воды в отвод, например, при заданных отношениях открытия бокового отверстия плоским затвором (менее 0,75) и расходах в подводящем быстротоке Q/Q_max>0,4.

Согласно известной формуле гидравлики пропускная способность щитовых отверстий на отводе с учетом определения коэффициента расхода µ вододелителя определяется:

, где µ_отв. - коэффициент расхода щитового отверстия; H_o - напор с учетом скорости подхода потока V_o в донных камерах; a и b - параметры отверстия в свету (перекрываемые затвором); h_c - сжатая глубина за плоским затвором.

Изменения разделительных перегородок конструктивно, выполненных также с изломом в вертикальной плоскости; наличие водопропускного щелевого отверстия, ограниченного двумя горизонтальными полками и конусообразным дом камеры, направленным выпуклостью вверх, распределяют расход воды по сечению камеры, в результате чего увеличивается пропускная способность сооружения, исключается пульсация и выплески на поверхность воды.

Волновой поток из подводящего канала 2, проходящий над колодцем 1, не оказывает своего влияния и направления заданного расхода воды в камеры, компенсируя тем самым излишки расхода, возникающего в результате неравномерного распределения скоростей и расходов в лобовой и хвостовой части волны, что обеспечивает высокую стабилизацию расхода и повышенную пропускную способность вододелителя, подаваемого через отверстия в водобойный колодец 36, затем в отводящий канал 37.

Конусообразное днище каждой камеры колодца 1 не позволяет оседать также концентрирующимся в камере при вращательном движении воды илистым и мелким частицам наносов. Они скатываются вниз по направлению к стенкам камеры, где поток вращается с большой скоростью. Это приводит к переводу мелких фракций наносов во взвешенное состояние, их выносу через боковое отверстие, перекрываемое плоским затвором.

Расположение водобойного колодца 36 учитывает то, что ось струи, выходящей из каждого отверстия камеры, не достигает отводящего канала 37, в котором необходимо сохранить распластывания общей струи в начале отводящего канала и образования устойчивого гидравлического прыжка. Указанный элемент конструкции в этом случае называют успокоительным водобойным колодцем 36, который имеет концевое наклонное дно при сопряжении с отводящим каналом 37, что позволяет в свободном истечении воды из отверстий, перекрываемых затвором, и соединяется в общий поток в начале отводящего канала 37, соответственно, за счет последовательного действия предохраняется распространения по отводящему каналу 37 волнения, поток практически равномерно распределяется по сечению отводящего канала 37.

Применение изобретения позволяет разрешить проблему стабилизации расхода с повышенной пропускной способностью на открытых каналах не только со сверхбурным, но и с бурным течением в составе сооружений, работающих со свободным режимом истечения, и способствует равномерному движению расходов воды по ширине и длине отводящего канала.

Экономическая эффективность предлагаемого вододелителя заключается в объединении в одном технологическом цикле задач оптимального забора стабилизированного расхода и повышения пропускной способности его.