Гаситель энергии водного потока
Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано для гашения водного потока после напорных водоводов в водобойном колодце. Гаситель энергии водного потока включает горизонтальный участок водовода 1, вертикальный патрубок 2 и колодец 12. Колодец 12 имеет впускную вертикальную телескопическую трубу, выполненную из многоярусных каскадных вращающихся патрубков 3, 4, 5, снабженных на поверхности дополнительными конусообразными растекателями 6, 7, 8, имеющих по образующей поверхности продольные канавки. Жестко закрепленный обтекатель 9 с вершиной 10 выполнен в виде усеченного конуса, вершина 10 которого соосно направлена в сторону выходного отверстия нижнего вращающегося патрубка 5 с растекателем 8. Вращающиеся патрубки имеют разный диаметр, уменьшающийся сверху вниз в сторону неподвижно закрепленного растекателя 9 с вершиной 10. Кольцевая горизонтальная полка 11 с кольцевым зазором закреплена в водобойном колодце 12 ниже растекателя 9 в виде усеченного конуса с вершиной 10 и размещена выше выпускного отверстия отводящего трубопровода 13. Повышается эффективность работы на пути нестационарного потока жидкости за счет местных соударений вращающего и пульсирующего потока воды в сторону водобойного колодца, упрощается конструкция и снижаются придонные скорости в потоке. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
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 QН=μSнW, где SН - площадь каждого сопла патрубка; μ - коэффициент расхода патрубка; W - начальная скорость струи, м/с, определяется как 
где Н - напор; ро - атмосферное давление; ϕ - коэффициент скорости течения; рв -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.
1. 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, отличающийся тем, что верхняя часть колодца снабжена в центре вертикальной телескопической пустотелой трубой с изменяющимся диаметром сверху вниз в виде многоярусных каскадных вращающихся патрубков с впускным и выпускным отверстиями, каждый из них имеет дополнительно снаружи конусообразные растекатели с продольными канавками, при этом нижний растекатель выполнен жестким 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 распаде потока воды на отдельные струи в зависимости от напора воды, при этом нижний растекатель выполнен неподвижным усеченным конусом над закрепленной внутренней кольцевой горизонтальной полкой.
2. Гаситель по п. 1, отличающийся тем, что наружная поверхность вращающихся растекателей, имеющих продольные канавки, влияет на скорость и траекторию полета струи воды, приводящие к увеличению частоты вращения каскадных вращающихся патрубков вокруг своей вертикальной оси выше вершины закрепленного жестко усеченного конуса.
3. Гаситель по п. 1, отличающийся тем, что каскад патрубков с растекателями с продольными канавками выполнен более двух по высоте и связаны они между собой при помощи вертикальных жестких стержней.
4. Гаситель по п. 1, отличающийся тем, что ширина каждого растекателя потока, закрепленного на вращающемся патрубке, увеличивается последовательно в сторону закрепленного жестко усеченного конуса.
