Концевой участок раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском воды
Владельцы патента RU 2341616:
ФГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства (МГУП) (RU)
Изобретение относится к конструктивным элементам напорных водопропускных сооружений и может быть использовано в гидроузлах любого напора в качестве элемента водосброса, водовыпуска или водоспуска. Концевой участок раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском воды включает напорный водовод и вертикальный водовод цилиндрической формы, примыкающий к транзитной части сооружения, сектор, расположенный горизонтально над выходным отверстием вертикального водовода и опирающийся на ограничивающую стенку, повторяющую в плане часть упомянутого выходного отверстия, и примыкающие к ней вертикальные направляющие стенки. Вертикальные направляющие стенки установлены с обеспечением угла раструбности более 30°. Сектор выполнен и закреплен с соблюдением соотношений размеров: R/r=2,5÷5,0, R/t=1,5÷4,0, где R - радиус сектора; r - радиус выходного отверстия вертикального водовода; t - расстояние между сектором и выходным отверстием вертикального водовода, при этом ось концевого участка расположена под произвольным углом к оси напорного водовода. Изобретение обеспечивает безопасное сопряжения потока, выходящего из напорного трубопровода, с нижним бьефом в стесненных условиях, а также надежную работу водопропускного сооружения. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области гидротехники, а именно к конструктивным элементам напорных водопропускных сооружений, и может быть использовано в гидроузлах любого напора в качестве элемента водосброса, водовыпуска или водоспуска.
Известны конструкции концевых участков напорных водопропускных сооружений, выполненных в виде водобойного колодца: в первом случае водобойный колодец имеет цилиндрическую форму, в его центре установлена вертикальная стойка, на которой закреплена горизонтальная крышка с зазором между ней и стенками колодца, сообщающими полость водобойного колодца с нижним бьефом (Авторское свидетельство №1786222 А1, кл. Е02В 8/06 от 19.05.93 г., аналог); во втором - водобойный колодец имеет вертикальные боковые стенки с углом раструбности до 14°, а при устройстве растекателей - до 30° (Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. Г.В. Железняков, Ю.А. Ибад-заде, П.Л. Иванов и др./Под общ. ред. В.П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. - стр.98, стр.3.52, аналог).
Недостатком первого решения является большое гидравлическое сопротивление концевого участка, вызывающее необходимость увеличения поперечных размеров водовода, и сложность конструкции, что ведет к удорожанию сооружения.
Недостатком второго решения является малый угол раструбности, не позволяющий в достаточной степени снизить скорости на выходе из сооружения, что обуславливает необходимость дополнительного крепления в нижнем бьефе.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является решение концевого участка, включающего вертикальный водовод, примыкающий к транзитной части сооружения, горизонтальный диск, расположенный над выходным отверстием вертикального водовода и опирающийся на радиально расположенные за пределами выходного отверстия бычки обтекаемой формы (Патент №2211279 от 14 октября 1992 г., прототип).
Недостатком этого варианта является ограниченность его применения в стесненных условиях, например в узких долинах горных рек. При этом площадь растекания ограничивается в поперечном направлении за счет близкого расположения крутых склонов долины реки. Это, в свою очередь, вызывает изменение характера гашения энергии и появление сбойных течений в нижнем бьефе.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение условий безопасного сопряжения потока, выходящего из напорного водовода, с нижним бьефом в стесненных условиях, с обеспечением угла раструбности более 30°, при произвольном расположении оси концевого участка по отношению к оси напорного водовода, а также обеспечение надежной работы водопропускного сооружения.
Суть изобретения заключается в том, что установленные вертикальные направляющие стенки обеспечивают выход потока в нижний бьеф с желаемым углом раструбности, а ось концевого участка может располагаться под произвольным углом к оси напорного водовода.
Конструкция концевого участка раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском воды поясняется чертежами: фиг.1 - разрез; фиг.2 - план.
Устройство концевого участка раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском воды выполнено следующим образом: напорный водовод и вертикальный водовод цилиндрической формы 1 примыкают к транзитной части сооружения, сектор 2, расположенный горизонтально над выходным отверстием вертикального водовода 4, опирается на ограничивающую стенку 5, повторяющую в плане часть упомянутого выходного отверстия, и примыкающие к ней вертикальные направляющие стенки 3, обеспечивающие угол раструбности более 30°. Сектор выполнен и закреплен с соблюдением соотношений размеров:
R/r=2,5÷5,0,
R/t=1,5÷4,0,
где R - радиус сектора;
r - радиус выходного отверстия вертикального водовода;
t - расстояние между сектором и выходным отверстием вертикального водовода.
Устройство работает следующим образом. Поток с расходом Q, выходя из выходного отверстия вертикального водовода и встречаясь с горизонтально закрепленным на расстоянии t над выходным отверстием, радиусом r, сектором, радиусом R, и вертикально расположенными направляющими стенками, растекается и выходит в нижний бьеф с заданным углом, при этом удельный расход составляет q=Q/(α·R) (α - угол в радианах) в сечении, соответствующем месту выхода потока за пределы направляющих стенок.
Эффект, получаемый от изобретения, состоит в том, что при выпуске воды из напорного водовода обеспечивается поверхностный режим сопряжения с нижним бьефом при соблюдении соотношения размеров R/r=2,5÷5,0, R/t=1,5÷4,0 при углах раструбности более 30°. Данный способ сопряжения бьефов обеспечивает наличие малых придонных скоростей непосредственно за сооружением, а струя, ударяющаяся о горизонтально закрепленный сектор, опускается ко дну нижнего бьефа на значительном удалении от выходного отверстия вертикального водовода с малым удельным расходом. Это позволяет избежать размывов дна у концевого участка сооружения. При этом ось концевого участка может располагаться под произвольным углом к оси напорного водовода, что обеспечивает более удобную компоновку сооружения.
Эффективность работы предлагаемого технического решения подтверждена результатами экспериментов авторов на модели при диаметре напорного водовода 4,5 м и напоре около 150 м, выполненной в масштабе 1:50 натуральной величины.
Результаты экспериментов при крайних значениях соотношений R/r=2,5, R/r=5,0 и R/t=1,5, R/t=4,0 при углах раструбности более 30° показали, что увеличение соотношения R/r при соответствующем уменьшении R/t ведет к увеличению длины придонного вальца. Растекание потока происходит с заданным углом раструбности без применения растекателей.
В результате проведенных опытов при указанных выше соотношениях и углах раструбности были получены придонные скорости, которые не представляют опасности для скальных пород нижнего бьефа гидротехнических сооружений даже при условии отсутствия крепления. А изменение угла между осями напорного водовода и концевого участка не влияет на характер движения воды за концевым участком.
Уменьшение удельных расходов в сечении, соответствующем месту выхода потока за пределы направляющих стенок, может обеспечиваться посредством увеличения угла раструбности и радиуса горизонтально закрепленного сектора.
Концевой участок раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском воды, включающий напорный водовод и вертикальный водовод цилиндрической формы, примыкающий к транзитной части сооружения, сектор, расположенный горизонтально над выходным отверстием вертикального водовода и опирающийся на ограничивающую стенку, повторяющую в плане часть упомянутого выходного отверстия, и примыкающие к ней вертикальные направляющие стенки, причем вертикальные направляющие стенки установлены с обеспечением угла раструбности более 30°, а сектор выполнен и закреплен с соблюдением соотношений размеров:
R/r=2,5÷5,0,
R/t=1,5÷4,0,
где R - радиус сектора;
r - радиус выходного отверстия вертикального водовода;
t - расстояние между сектором и выходным отверстием вертикального водовода,
при этом ось концевого участка расположена под произвольным углом к оси напорного водовода.
