Гаситель энергии водного потока

Гаситель энергии водного потока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к гидротехническим сооружениям, предназначенным для гашения энергии нестационарных потоков.

Известны гасители энергии, в которых энергия потока понижается за счет увеличения потерь по длине напора. Это достигается либо установкой местных сопротивлений (например, дополнительное сопротивление в уравнительных резервуарах), либо за счет увеличения потерь по длине (например, в волноломах за счет разделения горизонтальными пластинами свободно набегающей волны на отдельные слои, которые движутся между пластинами).

Известен гаситель энергии потока, включающий цилиндрический водобойный колодец, делитель потока и два водовода, тангенциально соединенные с колодцем, плиты перекрытия выполнены криволинейными в вертикальной плоскости симметрии колодца, выпуклостью, направленной вверх (авторское свидетельство SU №1043246, E02B 8/06 от 23.09.1983).

Недостатком данной конструкции является то, что возвышающие криволинейные плиты находятся под воздействием пульсационных нагрузок потока. В результате снижается эксплуатационная надежность бетонных плит. Кроме того, после выходного отверстия вода имеет остаточное волнообразование по длине отводящего канала, следовательно, и местные скорости сохраняют высокие значения на большом расстоянии от гасителя, что приводит к размыву русла. Следует отметить, что отводящая часть канала вынуждена иметь более увеличенную (распластанную) ширину для растекания выходящего потока из отверстия при колебаниях уровней воды в канале. Таким образом, затягивается время переходного процесса на пути нестационарного турбулентного потока.

Известен также гаситель энергии потока, включающий цилиндрический водобойный колодец, делитель потока в два отвода, тангенциально соединенные с колодцем, плиты гасителя установлены на стойках с возможностью вертикального их перемещения и выполнены со стенками, расположенными по их периметру (авторское свидетельство SU №1059054, E02B 8/06 от 07.12.1983).

Недостатком известного гасителя является то, что оно усложнено конструкцией плит, связанных с пригрузочными емкостями, заполняемыми водой. При этом не исключается ударное воздействие на элементы крепления отводящего канала, и не способствует достаточному сглаживанию поверхности воды. Таким образом, эффективность гашения энергии потока в отводящем канале недостаточна. Кроме того, усложнение конструкции плит из-за железобетонных работ требует устойчивости их всплытия в вертикальном положении, ограниченных стойками плит, при этом их может заклинить при перемещениях в случаях перекосов, так как усилие равнодействующей гидростатического давления в колодце в разных точках происходит неравномерно по всей напорной плоскости плит.

Известен также гаситель энергии потока, включающий водовод, закручивающее устройство, которое разделяет поток на струи и отводящий канал (авторское свидетельство SU №1712530, E02B 8/06 от 15.02.1992).

Недостатком известного гасителя является то, что при закручивании потока устройствами на горизонтальных участках в гасительной камере возникает интенсивная пульсация скоростей и давлений, а также неполное гашение кинетической энергии потока в отводящем канале. Струи воды, вытекающие из колодца, направлены практически в одну сторону, следовательно, соударение их малоэффективно гасит энергию потока. При этом сопряжение бьефов производится по типу отогнанного прыжка, на котором рассчитывается участок крепления дна отводящего канала, что приводит к недопустимым размывам. Кроме того, наличие такого течения потока перед выходом из отверстия не снижает придонные скорости в отводящем канале и создает волновые поверхностные явления, что снижает гидравлические условия работы отводящего канала.

Известен гаситель энергии потока, преимущественно селевого, включающий расположенные на одной оси подводящее и отводящее русла и размещенную между ними обтекаемую преграду, установленную на дне и разделяющую подводящее русло на два одинаковых по ширине канала, ограниченных с внешней стороны боковыми бортами подводящего русла и направленных за преградой навстречу друг к другу, преграда выполнена в плане в виде трапеции с лобовой гранью, установленной с обратным уклоном навстречу потоку и сопрягающейся с дном водотока, причем отводящее русло выполнено с шириной, меньшей ширины подводящего русла (авторское свидетельство SU №1550033, E02B 8/06 от 15.03.1990).

Высокая случайно-вероятная однонаправленность соударяющихся потоков в отводящем канале, приводящая к суммированию кинетической энергии по центру между жесткими закрепленными к дну водобойными стенками, образует подъем воды вверх, что вызывает большие всплески и волнения за ними при расширении потока, размывание откосов канала, что снижает эффективность и надежность гашения водяного потока. Таким образом, эффективность гашения избыточной кинетической энергии потока в известном устройстве значительно снижена, при этом определяет жесткие требования к конструкции гасителя.

Известен вихревой гаситель энергии потока, включающий горизонтальный участок водовода, установленные в конце его и расположенные по периметру носки-трамплины, и расширение водовода, расширение водовода выполнено в виде кольцевой камеры гашения, а носки-трамплины расположены симметрично относительно вертикальной оси выходного сечения водовода так, что нижний носок-трамплин расположен диаметрально противоположено свободному промежутку между боковыми носками-трамплинами (авторское свидетельство SU №1030474, E02B 8/06 от 23.07.1983).

Недостатки известного устройства:

взаимодействие струй и потоков в пределах кольцевой камеры способствует концентрации расхода на узком фронте, в результате местные скорости сохраняют высокие значения, что приводит к размыву дна от гасителя;

сложность его конструкции и эксплуатации из-за наличия изменения струй трамплинами, при этом отсутствуют условия гашения энергии при изменении расходов и колебаниях уровней в камере, т.е. не изменяется живое сечение камеры гашения;

гидродинамическая нагрузка увеличивается, а следовательно, эффект закручивания недостаточен;

работа гасителя эффективна при пропуске оптимального расхода, если расход выше или ниже оптимального, эффективность и надежность понижается, так как носки-трамплины неподвижно закреплены;

успокоители носки-трамплины, хотя и создают циркуляцию потока, однако они ограничивают радиальное движение в камере со стенками, а это не делает камеру экономичнее, так как необходимо делать камеру достаточно глубокой;

высокая случайно-вероятностная однонаправленность закручиваемости потоков, приводящая к суммированию кинетической энергии образовавшихся вихрей, что снижает эффективность и надежность гашения водяного потока;

выходной участок водовода, расположенный при расщеплении потока на выходе в кольцевую камеру, обладает низкой эффективностью гашения энергии волнового потока.

Следует отметить, что под нестационарным понимается поток жидкости, в котором расход (скорость) изменяется во времени. К нестационарным течениям относятся широко встречаемые в технике переходные процессы, при котором расход меняется от одного до другого установившегося движения. В частном случае расход меняется 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 отсутствии сглаживания волны потока в отводящем водоводе (канале).

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, - повышение эффективности и надежности процесса гашения кинетической энергии разделенного потока за счет последующего соединения закручиваемых во взаимно противоположных направлениях его частей в условиях переменного уровня воды в камере.

Технический результат достигается тем, что гаситель энергии водного потока, включающий горизонтальный подводящий участок водовода, кольцевую камеру гашения, снабжен дополнительными установленными на входе консольно расширяющимся насадком, а на выходе консольно сужающимся насадком, установленными большими основаниями навстречу друг к другу в кольцевой камере, которая выполнена в форме тора, образованного входной и выходной камерой, при этом насадки соединены соответственно с помощью поводящего и отводящего трубопроводов для подвода и отвода воды, последний снабжен местным сопротивлением в виде завихрителя потока, производящего дополнительное гашение нестационарного потока.

Кроме того, подводящий участок трубопровода выполнен в виде конфузора, а завихритель потока расположен в горизонтальном отводящем участке трубопровода выполненного в виде диффузора.

Автору не известны устройства, содержащие аналогичную взаимосвязь при решении задачи повышение эффективности и надежности процесса гашения кинетической энергии потока, выходящего из камеры в отводящий водовод (канал).

На чертеже представлена схема разреза гасителя энергии водного потока.

Гаситель энергии водного потока включает подводящий водовод 1, напорный участок трубопровода 2, выполненный в виде конфузора. Трубопровод 2 подключен к выходному консольно расширяющемуся насадку 3, встроенному в герметичный корпус в виде камеры 4 разделения и смешения потоков с плитой - перекрытия 5. Выходная часть камеры 4 соединена с дополнительным встроенным сопротивлением с входной расширяющей частью консольно сужающегося к выходу насадка 6, и сужающаяся часть его подключена к напорному трубопроводу 7 в виде диффузора с завихрителем потока 8, который соединен с отводящим водоводом 9.

Гаситель энергии водного потока работает следующим образом.

Поток воды, поступающий из подводящего водовода 1, далее поступает в напорный трубопровод 2, сжатый поток направляется в консольно расширяющий насадок 3. В камере 4 происходит разделение потока за счет дополнительного встроенного сопротивления консольно сужающего насадка 6 и полуторовой полости корпуса камеры 4. Часть потока воды, поступившая в камеру под насадками 3 и 6, приобретает кольцевое движение, при котором частично гасится кинетическая энергия, а часть потока воды, встречая на своем пути также преграду в виде выступающей части сужающего насадка 6, получает сопротивление насадка, образует гидравлический удар, имеющий возможность увеличить встречное давление на выход воды в сторону напорного трубопровода 7 в виде диффузора с завихрителем потока 8. Происходит торможение и смешение потоков воды, выходящей из полуторовой полости корпуса камеры 4. Благодаря центральному удару при встрече струй возникающий гидравлический удар распространяется в сторону сужающей части насадка 5 и имеет некоторый остаточный волновой характер с максимальной амплитудой давления для указанного потока, образовавшегося вследствие снижения статического напора из насадка 6. Для исключения возникшей при этом дополнительной кинетической энергии в выходной части диффузора 7 установлен завихритель потока 8, смещающий волновое движение в центральную зону на выходе из диффузора в сторону отводящего водовода 9. Следует уточнить, что для эффективного воздействия поступающего потока из консольно расширяющего насадка 3 в камеру 4 разделение и смешение увлекается во вращательное движение в герметичной полуторовой полости корпуса камеры 4, частично закрытой в средней части ее консольными насадками 3 и 6, т.е. часть потока воды, поступившая в камеру гашения, приобретает кольцевое движение навстречу друг к другу в полуторовой полости корпуса камеры 4. Смешение, соударение всех частей кольцевой струи по всему периметру, ее турбулизация, распространение потока по площади сечения перед расширяющейся входной частью насадка 6, последующее сжатие происходит в концевой сужающей части насадка 6, соединенного с диффузором 7 с завихрителем потока 8.

Разрежение и сжатие жидкости в указанных зонах обуславливается свойством конструкции тора, связанного с размещением в нем консольных насадков 3 и 6. В диффузоре скорость потоков выравнивается и поступает в отводящий водовод. Таким образом, гашение кинетической энергии потока и уменьшение дальнейшей его скорости определяется выбранной формой полуторовой полости корпуса камеры относительно ее оси, т.е. расположением между расширяющейся входом части насадка и соосно установленному относительно расширяющейся части с переходом в сужающуюся часть выходного насадка в зоне расположения камеры гашения, при этом выходной сужающий насадок соединен с началом диффузора в узкой его части входа.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что повышение эффективности гашения кинетической энергии и образование в нем вихрей нестационарности достигается движения по насадкам, размещенных консольно на расстоянии друг от друга и соосно в камере полутора с последующим контактом с завихрителем потока в диффузоре соединяющего потока, скорость которого выравнивается в данном трубопроводе при сопряжении с отводящим водоводом. Устройство компактно (простота конструкции, отсутствие подвижных частей) и уменьшает возможность образования локальных размывов дна отводящего водовода.

1. Гаситель энергии водного потока, включающий горизонтальный подводящий участок водовода, кольцевую камеру гашения, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным на входе консольно расширяющимся насадком, а на выходе консольно сужающимся насадком, установленными большими основаниями навстречу друг другу в кольцевой камере, которая выполнена в форме тора, образованного входной и выходной камерой, при этом насадки соединены соответственно с помощью подводящего и отводящего трубопроводов для подвода и отвода воды, последний снабжен местным сопротивлением в виде завихрителя потока, производящего дополнительное гашение нестационарного потока.

2. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что подводящий участок трубопровода выполнен в виде конфузора, а завихритель потока расположен в горизонтальном отводящем участке трубопровода, выполненного в виде диффузора.