Гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков

 

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

союз советских сОциАлистических

РЕСПУБЛИК (s»s Е 02 В 8/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) СПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ (21) 4897316/15 (22) 29.12.90 (46) 30.04.93. 6юл. ¹ 16 (71) Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А.К,Кортунова (72) 3.Г.Ламердонов, П.M.Ñòåïàíîâ и

О.Е.Ясениди (56) Авторское свидетельство СССР

N 1435690, кл. Е 02 В 8/06, 1987. (54) ГАСИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ДЛЯ

ТРУБЧАТЫХ ВОДОВЫПУСКОВ (57) Использование: при проектировании и строительстве гасителей энергии сбрасываемого потока на конце трубчатого водовыпуска. Сущность изобретения: внутри конического перфорированного расширяющегося участка на конце водовыпуска уста0

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

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 во„„. Ж „„1812266 А1 новлен 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 3 находятся в соотношении 1,26. 5 ил. да, 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 водовы пуска увеличивается постепенно до величины а„. где n;—

1812266 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

Рна лопасти,,которые являются преградой к движению струи, Давление P на преграду в направлении оси струи будет равно

Р= pN в!и Q, 2 д где g- удельный вес воды; а — площадь поперечного сечения струи;

V — средняя скорость в сечении струи; о» вЂ” угол наклона преграды в направлении оси струи.

Сила давления P в направлении оси струи на лопасти, которая передается на трубопровод будет минимальной, когда угол поворота лопастей к концу водовыпуска будет увеличиваться до величины а, где а<— 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 а= — -= Кх, d ч

d x где а- угол наклона касательной к кривой установки лопастей;

К вЂ” коэффициент пропорциональности; х, у — соответственно абсциссы и ординаты кривой установки лопастей в декартовой системе координат.

Разделив и проинтегрировав это уравнение, получим.

dy=-Кх dx; х2

y=K +С.

Найдем иэ последнего уравнения значение коэффициента С и К.

Зная, что в начале координат x=0 и у=0, найдем С.

0=0+ C C=0.

Зная, что в конце кривой, тогда x=l, где ! — длина образующей конически расширяющегося водовыпуска, угол поворота лопастей равен а, а следовательно

dy/dx=-KI g ак, К= ™

Таким образом, уравнение кривой в декартовой системе координат имеет вид — х

Поток, проходя через межлопастные отсеки криволинейными лопастями закручивается во взаимно противоположные направления, При прохождении потока в закручивателе появляются противоположно направленные крутящие моменты от пар по10 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"5 ложно направленных моментов в закручивателе должно компенсироваться, Х M-M1-M2=0, где М! — момент от пары поперечных сил давления струи иа наружные лопасти;

M2 — момент от пары поперечных сил давления струи на внутренние лопасти.

Наружный кольцевой поток на входе в закручиватель 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 .

F=KP, где К вЂ” коэффициент пропорциональности, зависящий от угла поворота лопастей;

Р— сила давления струи на лопасти в .40 направлении оси струи;

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

Р= ув з!и а, g где - удельный вес воды;

e — площадь поперечного сечения струи. равная площади межлопастного отсека;

v — средняя скорость в сечении струи;

Q - угол наклона лопасти к направлению оси с ру .

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

1812266 (R1 -Яг

q=2(a/3) -аЬ/3+с=2(1 /3) +1/3-7/3=0,07+0,33-2,33-1,93, 10

Q=(P /3) +(ц/3)-(-1,33/3) +1,93/2)-0,84 т.к. 0>0, то кубическое уравнение имеет один действительный корень

15 у=А+В,,84 1,23.

B2 «4

Осг = 2 — R2 = — г.

3 3

При этом центр тяжести в аппроксимированной трапеции можно принять посере- 25 дине. В треугольнике центр, тяжести находится на расстоянии 2/Зйг от центра. В результате уравнение результирующего момента имеет вид: — =1,26.

R1

Таким образом, отношение начального радиуса конически расширяющегося водо30 выпуска 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 водовыпусков; продольный разрез; на фиг.2— разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 — расширяющийся закручиватель в аксонометрии; на

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

Гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков содержит конически расши45 ряющийся водовыпуск, в котором сделана перфорация 2. В конически расширяющемся разделителе 1 установлен расширяющийся закручиватель, Расширяющийся закручиватель 3 состоит из конически рас5р ширяющегося разделителя 4 снаружи и внутри которого для закручивания во взаимно противоположные направления, жестко закреплены лопасти 5 и 6. Расширяющийся водовыпуск 1 примыкает к цилиндрическо55 му насадку 7. Погашенный поток из цилиндрического насадка 7 поступает в отводящий водовод 8, Гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков работает следующим образом.

К1 g

2xRz Rz лЙ иг =

6 2 6 где Я1 и Rz — соответственно начальные радиусы конически расширяющегося водовыпуска 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:

Oc1 = 2(Rz + ) юг+81

R1 — Rz

Х М=М1-Мг=Р1 Ос1 — Fz Dcz=0.

vv22

sin а1 (R1+Rz)—

6 g — Кг у — — sin аг — Яг-О.

gag. Ä z,4

6 g 3

Имея ввиду, что углы противоположно направленных наружных и внутренних лопастей увеличиваются постепенно до величины а . Поэтому К1=Кг и sin а1-з! паг. После сокращения получим: (R1 Вг )(Rz+R1} Rz 0 . г г 4 з. 3

После несложных преобразований, получим:

Обозначим — =С, получим кубичеR1

R2 ское уравнение;

С +С -С-7/3=0, Решение этого уравнения является решение Кардана, Подстановкой С-у- d/3 уравнение приводится к "полному" виду: у +ру+Ц=О р--а /3+6=.-1/3-1=-4/3=1,33, — 1,93/2 — У0,84 =6,36, у=А+В-1,59, Су-1/3-1,59-0.33=1,26

1812266 тц а= -=Кх, Дм

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

К вЂ” коэффициент пропорциональности; . 40 х и у — соответственно абсцисса и ордината кривой установки лопастей в декартовой системе координат.

После интегрирования данного условия окончательно уравнение в декартовой сис- 45 теме координат имеет вид хг

2t где1- длина образующей конически расши- 50 ряющегося водовыпуска.

Постепенное увеличение угла поворота лопасти 5 и 6 создает условия для равномерной передачи давления струи по всей длине шва. 55

Поток, проходя через межлопастные отсеки криволинейными лопастями 5 и 6 закручивается во взаимно противоположные направления. При прохождении потока в заНапорный поток по подводящей трубе поступает в расширяющийся водовыпуск 1.

Проходя через расширяющийся закручиватель 3 поток. конически расширяющимся разделителем 4 разделяется на кольцевой и 5 цилиндрический,.которые лопастями 5 и 6 разделяются на струи. В результате сильного внезапного расширения и расщепления потока, в закручивателе образуется вакуум, . вызванный резким уменьшением кинетиче- 10 ской 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 15 вакуума на стабильную работу водовыпуска, При прохождении потока через закручиватель 3 поток разделителем 4 и лопастями 5 и 6 разделяется на струи, которые оказывают давление на криволинейные лопасти 5 и 20

6 кэк 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- 25 выпусков 1 увеличивается щ>степенно до величины ак, причем а <90 (см.фиг,6), Сле.довательно, тангенс угла наклона касательной к кривой установки лопастей 5 и 6 на развертке конически расширяющегося раэ- 30 делителя 4 к концу увеличивается по линейному закону. кручивателе 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 противопо :ложно направленных моментов в закручивателе 3 должно компенсироваться

z М=М1-Мг=0, где M> — момент от пары. поперечных сил давления струи на наружные лопасти 5;

Мг — 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 пэр поперечных сил на наружные и внутренние лопасти 5 и 6 будет компенсироваться, равно

1,26. — =1,26.

Rl г где Rl — начальный радиус конически расширяющегося водовыпуска;

Вг — начальный радиус конически расширяющегося разделителя, Ф

Таким образом предлагаемый гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков полностью исключает влияние эакручивателя 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 нл криволинейные лопасти.

Гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков исключает передачу крутящего момента на трубу при соблюдении соот° ношения:

=1,26.

Вг где R) — начальный радиус конически расширяющегося водовыпускэ;

R2 — начальный радиус конически рэс ширяющегося разделителя, Данное соотношение получено в результате экспериментального исследования

1812266 насадков различных диаметров на гидравлической модели, Формула изобретения

Гаситель энергии потока для трубчатых водовыпусков, содержащий установленные в перекрытом сверху водобойном колодце концевой расширяющийся участок водовыпуска 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 по-, стоянным шагом между лопастями, о т л ич а ю шийся тем; что, с целью повышения эффективности и надежности в работе, пер" я форация выполнена на боковых поверхностях концевого расширяющегося участка водовыпуска и разделителя потока между криволинейными лопастями, линии присое5 динения 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 увеличива10 ясь по длине разде@целя, постоянен я любом поперечном створе водовыпуска, кроме того, углы конусности, а также радиусы поперечного сечения концевого расширяющегося участка водовыпуска и разделителя в

15 любом поперечном створе находятся в отношении 1,26, а перекрытый водобойный колодец выполнен цилиндрической формы. ехред М. Моргентал Корректор T. Вашкович узнецова

Заказ 1562 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101