Результат интеллектуальной деятельности: ДВУХСТОРОННИЙ ВОДОДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ КАНАЛОВ С БУРНЫМ ТЕЧЕНИЕМ

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

Опыт эксплуатации водораспределительных сооружений подтверждает, что наиболее оправданными на каналах-быстротоках являются вододелители траншейного типа, позволяющие осуществлять водоотбор без явного вмешательства в транзитный поток.

Следовательно, создаваться должны новые сооружения с учетом особенностей канала-быстротока, выступающего в каждом случае в качестве источника водообеспечения водопотребителей (например, оросительных каналов или каналов микроГЭС).

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, 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 решеткой (авторское свидетельство SU №1654447, Е02В 13/00, от 07.06.1991).

Недостатком его является трудность 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 воды 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. Кроме того, 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 водопотребителю 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 ввиду 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 невысокая пропускная способность известного сооружения, при этом стоимость строительства возрастает. Кроме того, не обеспечивается симметричность расщепления потока по направлению течения ширины каждой камеры, т.е. отсутствие размещения разделительной перегородки несимметрично относительно оси потока в камере, а также сложны расчеты в изготовлении конструкции, где должны прослеживаться стабилизирующие свойства предложенной конструкции при открытых затворах а/a_max<0,4 и расходах Q/Q_max>0,4. При этом необходимо учитывать и пропорцию вододеления между отводами путем устройства заданной ширины просветов между прутьями поверхностной решетки, ее формой над каждой перегородкой. Размеры водоприемного колодца и боковых затворов должны определяться при неподтопленном истечении через решетку и из-под боковых затворов.

Известен также 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, при этом 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 отверстия 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 (патент RU №2542514, Е02В 13/00, от 06.11.2015).

Недостатком данного вододелителя является наличие многочисленных элементов в виде водосливных щелевых отверстий в перегородке, ограниченных двумя горизонтальными полками, выполнение дна колодца конусообразным, направленным выпуклостью вверх и разделительных перегородок с изломами в верхней части приводит к усложнению его конструкции и, как следствие, снижает его надежность, так как возрастают эксплуатационные затраты на его обслуживание. Таким образом, для предложенной новой двухсторонней конструкции вододелителя с несимметричной вертикальной перегородкой - это упрощение самой конструкции в целом, где должна учитываться также и решетчатая плита (сороудерживающая решетка со своими просветами между стержнями для каждого отводящего водовода в отдельности). При этом крупные наносы и мусор не должны заполнять придонную часть водораспределительного сооружения, когда оно не работает, т.е. наличие обратного течения потока под решетчатой плитой снижает придонные скорости и создает поверхностный характер движения воды в сторону транзитного канала, улучшая гидравлические условия сооружения.

Техническим результатом является создание двухстороннего вододелителя траншейного типа упрощенной конструкции и повышенной надежности с сохранением возможности обеспечения повышенной точности стабилизации расхода при относительных открытиях затворов не более 0,4 высоты отверстия отводящего водовода и расходах воды в подводящем канале по отношению в отводящем водоводе порядка не более 0,4. Кроме того, отсутствие сбойности потока в отводящих водоводах и размыва их грунтового русла по длине.

Технический результат достигается тем, что в двухстороннем вододелителе для каналов с бурным течением, включающем 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 перекрыты сверху шарнирной решеткой, колодец снабжен вертикальной перегородкой в виде несимметричной относительно оси потока в канале угла излома кривой до боковых стенок колодца, очерченной в плане по окружности выпуклостью в сторону транзитного канала, причем кривая состоит из двух дуг и верхняя грань дуг расположена в одной плоскости с горизонтальным козырьком, прикрепленным к кромке вертикальной перегородки в зоне излома кривой до боковых стенок колодца, а низовая часть колодца выполнена с уклоном со стороны оси излома кривой в сторону каждого отводящего водовода.

Кроме того, решетка выполнена в виде решетчатой плиты над разделительной несимметричной перегородкой, просветы которой могут меняться друг от друга для каждой стороны отводящего водовода.

Новизна заявляемого технического решения заключается в том, что в двухстороннем вододелителе для каналов с бурным течением путем использования размещенного между подводящим и транзитным каналами-быстротоками колодца имеется несимметричное расположение угла излома перегородки относительно оси потока в канале, боковые стенки которой выполнены кривой до боковых стенок колодца, очерченной в плане по окружности выпуклостью в сторону транзитного канала, причем кривая состоит из двух дуг, при этом можно обеспечить наперед заданную точность стабилизации расхода воды при малых открытиях затвора, а при полностью открытом затворе пропускную способность увеличить до 10% по сравнению с прототипом. Кроме того, возвратное течение происходит внутри колодца вдоль боковых стенок колодца, и при встрече друг с другом взаимно гасятся поперечные составляющие скорости и остатки избыточной энергии под решетчатой плитой (просто решетки) при закрытых затворах водовода, что предотвращает попадание мелких наносов и их оседание в низовую часть колодца. При этом уровень воды над колодцем становится выше уровня воды в сторону движения в транзитный канал, и под этой разницей (за счет большой скорости) уровней происходит выход воды из колодца по всей его ширине в транзитный канал при закрытых затворах отводящих водоводов. При этом просветы между стержнями решетки могут меняться друг от друга для каждого отводящего водовода, как и сама конструкция элемента стержневой решетчатой плиты.

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

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

Двухсторонний вододелитель для каналов с бурным течением 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 расположенной в колодце 1 разделительной перегородкой, состоящей из двух дуг 8, 9 в плане с углом излома 10 кривой в виде несимметричной относительно оси потока в канале 2, и разделительная перегородка при этом делит колодец 1 на камеры, дуги которых доходят до боковых стенок колодца 1 и обращены выпуклостью в сторону транзитного канала 3. Углом излома 10 в плане разделительной перегородки имеет излом против течения. Несимметричная перегородка, состоящая из дуг 8, 9, имеет отсекающие козырьки 11, 12 по форме дуг и Г-образные козырьки 13, 14, полка которых обращена вниз, на противоположной стене и средней части и горизонтальный козырек 15. Углы излома 10 из двух дуг 8, 9 с углами β₁ и β₂ функционально зависят от расстояния b₁ и b₂, от оси несимметричного излома двух дуг 8, 9 поперечной перегородки до боковых стенок колодца 1, и обращены выпуклостью в сторону транзитного канала 3, а также от коэффициента водоотбора в отводящие водоводы 16, 17, как α₁=Q₁/Q и α₂=Cu/Q,

где Q₁ и Q₂ - расходы воды, соответственно, в левом и правом отводящем водоводе 16, 17; Q - максимальный расход воды в подводящем канале 2.

Двухсторонний вододелитель снабжен шарнирно прикрепленной к верхней передней кромке колодца 1 решетчатой плитой 18 с продольными стержнями заданной формы (круглой, ромбовидной, плоской). Низовая часть 19 (дна) колодца выполнена с уклоном со стороны оси излома 10 в сторону каждого отводящего водовода 16, 17.

Расположение оси излома разделительной перегородки и высот порогов входных оголовков отводящих водоводов 16, 17 в зависимости от величин отводимых расходов дает возможность уменьшить строительные размеры вододелителя и одновременно повышает пропускную способность транзитного канала-быстротока.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Высокоскоростной сверхбурный поток из подводящего канала 2, имеющего уклон дна больше критического, набегая на угол излома 10 с отсекаемыми козырьками 11, 12, разделяется на два потока, где криволинейные дуги 8, 9 формируют два потока с поворотом каждого из них в сторону отводящих водоводов 16, 17. При движении этих потоков в колодце 1, образованных с боковыми стенками колодца 1, и с Г-образным козырьком 13, оказывая гидравлическое сопротивление, потоки увеличивают свое поперечное сечение за счет заполнения колодца 1 под решетчатой плитой 18, теряя при этом скорость, а с ней и избыточную кинетическую энергию потока, что в целом повышает степень сопротивления в полости каждой камеры колодца 1, оказываемую предложенными конструктивными элементами. Таким образом, величина подаваемого в отвод расхода регулируется открытием затворов 4, 5, 6, 7, стабилизирующие свойства которого имеют место при относительном расходе перед вододелителем большей величины Q/Q_max=4. Открытия затворов, а/а_щ<0,4 при Q/Q_max>0,4, это приводит к изменению ошибки расхода не более 8%, т.е. правого или левого отвода воды (при дискретной величине открытия боковых затворов).

Пропускная способность вододелителя является основным показателем его работы на каналах с бурным течением и зависит от коэффициента расхода μ вододелителя от ряда параметров конструкции. При этом для коэффициента расхода достаточно использовать известную формулу гидравлики пропускной способности щитовых отверстий на отводе с учетом определения коэффициента расхода μ вододелителя:

, где р - доля площади отверстий в решетчатой плите, р=F_общ; F_общ - площадь решетчатой плиты; - длина решетчатой плиты; b - ширина колодца; Н_ср - средний напор над вододелителем, Н_ср=(Н_н+Н_к)/2; Н_н, Н_к - соответственно, нормальный и максимальный напор воды над вододелителем.

Изменения плановой формы несимметричной разделительной перегородки относительно оси потока в канале, угла излома кривой до боковых стенок колодца, где кривая состоит из двух дуг; наличие и форма, соответственно, отсекающих козырьков, горизонтальной полки и низовой части колодца, последняя часть дна которой выполнена с уклоном в сторону каждого отводящего водовода, распределяют расход воды по сечению камеры в правый или в левый отвод воды дискретной величиной открытия боковых затворов, даже при смещении угла излома в сторону от центральной оси на заданную величину, приводит к наличию стабилизирующих свойств новой предложенной конструкции вододелителя. Таким образом, суммарные расходы левого и правого отводов устройства по сравнению с прототипом при одинаковых боковых затворов повышают пропускную способность до 10%.

Низовая часть колодца 1 не только не позволяет концентрироваться в колодце при вращательном движении воды илистым и мелким частицам наносов, но и повышает пропускную способность в целом, а также зависит и от просветов и формы стержней решетчатой плиты 18. Таким образом, расчет предложенной конструкции вододелителя с несимметричной перегородкой и ее плановой формой со всеми элементами, в том числе с решеткой, должен учитывать пропорцию вододеления между отводами всеми имеющимися конструктивными элементами в целом, как правого, так и левого отводов, где расход в отводящем водовода определяется при непосредственном истечении из-под боковых затворов. Достаточная равномерность распределения скоростей на выходе из-под боковых затворов обеспечивает отсутствие сбойности потока в отводящих водоводах и размыва их грунтового русла, а значит, значительно расширяет диапазон применения таких сооружений с сохранением надежности его работы.