Описание к заявке на изобретение

Предполагаемая группа изобретений относится к способам гашения энергии потоков жидкостей и газов и может быть использована:

= в гидротехнических сооружениях, в частности для гашения энергии водного потока на водосбросах открытого и шахтного типа;

- в машиностроении, отоплении, двигателях внутреннего сгорания, в частности для гашения энергии и шума потоков жидкостей и выхлопных газов.

Единый общий изобретательский замысел предполагаемых изобретений заключается в максимальном использовании собственной кинетической энергии газовых, жидкостных потоков для самогашения энергии газов и жидкостей путём их разворота во встречном направлении с углами встречи более 180°, что позволяет в максимальной степени нейтрализовать кинетическую и/или внутреннюю энергию потока жидкости и/или газа за счёт совершения механической работы.

Разворотгазов и/или жидкостей во встречном направлении с углами встречи более 180° позволяет создавать наиболее простые устройства для гашения энергии потоков.

Уровень техники

Известны различные способы гашения энергии потока, которые можно разделить:

- на пассивные способы с устройством различных препятствий в виде стенок, рассекателей, преград, продольных сопротивлений и т. п.;

- активные способы с использованием собственной энергии потоков с завихрением потоков, соударением струй, разворотом потоков во встречном направлении на углы до 180° включительно (1-8).

Общим недостатком известных из уровня техники способов и устройств гашения энергии потоков является недоиспользование энергии движущегося потока для нейтрализации его кинетической энергии за счёт совершения механической паботы

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Активные способы с использованием собственной энергии потоков совмещают также и с устройством различных препятствий движению потока. В частности, на аварийном водосбросе Саяно-Шушенской ГЭС выполнены ступенчатые переливы. Но такие переливы не позволяют в достаточной степени затормозить движение потока на протяжении всего водосбросного участка, и поэтому в месте входа потока в реку он имеет высокую скорость, вызывающую размыв дна и берегов рек.

Из уровня техники также известно, что после водобойных колодцев не выполняются успокоители турбулентности, которые достаточно надёжно могли бы предотвратить размыв донных и береговых линий рек.

1) Наиболее близким к способу гашения кинетической энергии потока аналогом является патент RU 2 310 707 С2 «Способ уменьшения разрушительного действия цунами».

Согласно известному способу в районах выхода цунами на берег в направлении, противоположном движению волн цунами, посредством разворота вектора скорости волн цунами на 180° в тоннелях

- образной формы организуют встречные потоки воды.

Известный способ может быть эффективен в случае волн цунами, поскольку задачей заграждения против этих волн является прежде всего возврат приливной воды обратно в море. Но в случае применения способа для гашения потоков воды в гидротехнических устройствах, газодинамических устройствах способ не применим ввиду необходимости попутного движения потоков и не достаточно эффективен ввиду угла атаки первичного потока вторичным потоком под углом 180°, что не обеспечивает полноценное соударение потоков и соответственно не обеспечивает наиболее полное гашение энергии потока.

Технический результат изобретения -применимость способа гашения в гидротехнике и газодинамике, обеспечение эффективного использования собственной энергии потока для его самогашения, упрощение конструкций устройств-гасителей энергии потока, повышение их долговечности и надёжности.

Технический результат достигается следующим.

Для более эффективного гашения первичного потока в заявляемый способ предполагает, что вектор скорости движущегося вторичного потока направляется по отношению к вектору скорости первичного потока с углом встречи более 180°.

На фиг. 1 проиллюстрирован принцип осуществления способа.

Отличие предлагаемого способа от известных в следующем.

2

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Движущийся по потоководу 1 первичный поток имеет скорость V _] и сталкиваясь с развёрнутым посредством разворотного участка 2 на угол встречи более 180° вторичным потоком, теряет скорость до V ₂ , превращаясь во вторичный поток. Вторичный поток при столкновении с первичным потоком превращается в третичный поток со скоростью V ₃ . При этом криволинейная форма разворотного участка позволяет достигнуть снижения статодинамических нагрузок на конструкции устройств-гасителей энергии потока. Снижение скорости вторичного потока позволяет снизить общую статическую нагрузку на конструкции устройств-гасителей энергии потока.

Энергия потока гасится по преимуществу при встречном соударении потоков.

Соударение потоков под углом более 180° исключает эффект расслоения встречных потоков при угле встречи 180°.

Разворот вторичного потока на угол встречи более 180°обеспечивает эффективное использование собственной энергии потока для его самогашения, упрощение конструкции устройств-гасителей энергии потока, повышение их долговечности и надёжности.

2) Известные способы гашения энергии потока реализуются в различных устройствах, называемых гасителями (Патенты RU 2 310 707 С2, RU 2 524 814 CI, RU 2 341 615 CI, RU 2 375 520 CI, RU 2 483 158 CI, RU 2 489 545 CI, RU 2 489 546 С1, А. с. СССР 1564458).

По причине недоиспользования энергии движущегося потока для нейтрализации его кинетической энергии за счёт совершения механической работы известные устройства имеют высокую нагрузку на конструкции, являются сложными по конструкции и не достаточно эффективными.

Наиболее близким аналогом к заявляемому гасителю энергии потока цилиндрообразному является патент RU 2 450 103 С2 «Гаситель энергии потока».

Согласно аналогу гаситель энергии потока включает водобойный колодец, дно и стенки которого имеют искусственную шероховатость в форме полу цилиндрических габионов. Полуцилиндрические габионы уложены на противосуффозионное устройство и имеют поперечную ориентацию относительно движения потока воды. Уступ водобойного колодца имеет вогнутую поверхность, образующая которой выполнена с постепенным увеличением угла поворота пописывается уравнением

О" = (tg ² * х ² ) 1 4Я

где Н - глубина водобойного колодца;

а -конечный угол поворота касательной к кривойобразующей, а<90°;

з

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) x - абсцисса кривойобразующей в декартовой системе координат.

Недостатками известного устройства являются :недоисполъзование энергии движущегося потока для нейтрализации его кинетической энергии за счёт совершения механической работы, высокая нагрузка на конструкции, сложностьпо конструкции, ограничения по вариациям образующей вогнутой поверхности при отладке гасителя.

Технический результат изобретения - обеспечение эффективного использования энергии движущегося потока для нейтрализации его кинетической энергии за счёт совершения механической работы, снижение нагрузок на конструкции, упрощение конструкции, возможность расчётных и опытно-конструкторских вариаций формы образующей вогнутой поверхности при отладке гасителя.

Технический результат достигается следующим.

Заявленное устройство (Фиг. 2) «гаситель энергии потока цилиндрообразный» выполнен таким образом, что канал гасителя потока 1 на входе плавно переходит в выполненный по образующей кривой в виде участка спирали Архимеда с углом разворота более 180° и имеющий соотношение D = аН полуцилиндрический колодец 2,

где :

Н - сечение потока в направлении поперечного сечения полуцилиндра; а - зависящее от скорости и максимально возможного сечения высоты потока численное значение коэффициента от 2 до 10;

D - усреднённый диаметр полуцилиндрической поверхности в плоскости, перпендикулярной входящему потоку.

Зависящее от скорости и максимально возможного сечения высоты потока численное значение коэффициента от 2 до 10 подбирается посредством расчётов и опытно-конструкторских работ.

На фиг. 2 проиллюстрирован принцип работы устройства.

Движущийся по потоководу 1 первичный поток имеет скорость Vi и сталкиваясь с развёрнутым посредством полуцилиндрического колодца 2 на угол встречи более 180° вторичным потоком, теряет скорость до V ₂ , превращаясь во вторичный поток. Вторичный поток при столкновении с первичным потоком превращается в третичный поток со скоростью V ₃ .

Криволинейная форма полуцилиндрического колодца позволяет достигнуть снижения статодинамических нагрузок на конструкции гасителя энергии потока. Снижение скорости вторичного потока позволяет снизить общую статическую нагрузку на конструкции гасителя энергии потока, повысить его долговечность и надёжность.

4

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Разворот вторичного потока на угол встречи более 180° обеспечивает эффективное использование собственной энергии потока для его самогашения, упрощение конструкции гасителя энергии потока, повышение его долговечности и надёжности,

Возможность расчётных и опытно-конструкторских вариаций формы образующей вогнутой поверхности при отладке гасителя обеспечивает оптимизацию конструкторских решений применительно к разным типам потоков по материалу, температуре, вязкости, скорости движения и объёму потока по массе.

3) Наиболее близким аналогом к заявляемому гасителю энергии потока тороидальному является патент RU 2 523 530 С 1 «Гаситель энергии водного потока».

Согласно аналогу гаситель энергии водного потока включает водовод суступом в кольцевой камере, сопряженной с дополнительной прямоугольной камерой. Камера гашения снабжена продольными стенками, закрепленными на дне дополнительной прямоугольной камеры гашения в виде двух вертикальных водосливных перегородок параллельно ее стенкам, а на выходном участке кольцевой камеры - конфузорно под углом одна к другой. Верхний конец стенок конфузора имеет загнутую по радиусу стенку, установленную с зазором к противоположно свободному промежутку между боковыми стенками камеры. Нижний конец вертикальных перегородок, в сторону отводящего русла, расположен перед промывной галереей с переходными криволинейными стенками, расположенными над боковыми стенками галереи исопряженными с выходным порогом галереи. Выходной порог расположен выше дна камеры, выполнен с горизонтальной полкой и сопряжен с дном отводящего русла. Дно галереи сопряжено через отверстие с трубопроводом с плоским затвором. Вследствие соударения струй в камерах на участках: перепад, криволинейные стенки, загнутые по радиусу, перелив через стенки, а также в галерее перед выходным порогом происходит генерация потока воды, обеспечивается гашение энергии потока, достигается снижение донных скоростей на выходе и плавный вход в отводящее русло.

Недостатками известного устройства являются: недоиспользование энергии движущегося потока для нейтрализации его кинетической энергии за счёт совершения механической работы, высокая нагрузка на конструкции, сложность по конструкции.

Технический результат изобретения - обеспечение эффективного использования энергии движущегося потока для нейтрализации его

5

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) кинетической энергии за счёт совершения механической работы, снижение нагрузок на конструкции, упрощение конструкции.

Технический результат достигается следующим.

Канал водовода 1 гасителя потока на входе кольцевую камеру 3 заканчивается конфузором 2 и через зазор упирается в вершину конуса 4 фигуры вращения с образующей кривой 5 в виде участка спирали Архимеда с нарастающим углом разворота более 180° и имеющий соотношение D = ad где

где d - осреднённое значение диаметра потока в поперечном его движению направлении;

а - зависящее от скорости и максимально возможного сечения потока численное значение коэффициента от 4 до 10;

D - наибольший диаметр фигуры вращения в плоскости, перпендикулярной входящему потоку.

Зависящее от скорости и диаметра потока численное значение коэффициента от 2 до 10 подбирается посредством расчётов и опытно- конструкторских работ.

Для прямоугольных водоводов водовод, конфузор, кольцевая камера, фигура вращения могут быть исполнены прямоугольного очертания в плоскостях, перпендикулярных движению потока.

На фиг. 3 проиллюстрирован принцип работы устройства.

По каналу водовода 1 гасителя потока движется поток и концентрируется в конфузоре 2, увеличивая скорость до Vj. Первичный поток со скоростью Vi сталкивается под углом встречи более 180° с вторичным потоком, теряет скорость до V ₂ , превращаясь во вторичный поток. Вторичный поток при столкновении с первичным потоком превращается в третичный поток со скоростью V ₃ .

Фигура вращения, выполненная по образующие кривой в виде участка спирали Архимеда с нарастающим углом разворота более 180°, обеспечивает расщепление первичного потока на вершине конуса фигуры вращения 4 и разворот потока во встречном направлении на угол встречи более 180°. При этом происходит круговое обжатие первичного потока вторичным потоком.

Криволинейная форма фигуры вращения позволяет достигнуть снижения статодинамических нагрузок на конструкции гасителя энергии потока. Снижение скорости вторичного потока позволяет снизить общую статическую нагрузку на конструкции гасителя энергии потока, повысить его долговечность и надёжность.

Разворот вторичного потока на угол встречи более 180° обеспечивает эффективное использование собственной энергии потока для его

6

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) самогашения, упрощение конструкции гасителя энергии потока, повышение его долговечности и надёжности.

Возможность расчётных и опытно-конструкторских вариаций формы образующей вогнутой поверхности при отладке гасителя обеспечивает оптимизацию конструкторских решений применительно к разным типам потоков по материалу, температуре, вязкости, скорости движения и объёму потока по массе.

4) Известные способы гашения энергии потока на водосбросах по линии их протяжённости реализуются в различных устройствах в виде каскадных водосбросов с последовательно расположенными гасителями различного типа (6, Патент RU 2 375 520 С1).

По причине недоиспользования энергии движущегося потока для нейтрализации его кинетической энергии за счёт совершения механической работы известные устройства каскадов имеют высокую нагрузку на конструкции, являются сложными по конструкции и не достаточно эффективными.

Наиболее близким аналогом к заявляемому каскадному тормозу потока является патент SU 1709010 (автор Илюшин В. Ф.).

Согласно аналогу водосброс включает последовательно соединенные между собой поверхностный оголовок, наклонную шахту, отводящий туннель и концевое сооружение. По длине наклонной шахты и в месте ее сопряжения с отводящим туннелем выполнены закручивающие устройства в виде колена, у которого верховой отвод выполнен в виде конфузора с плоской вставкой на дне, а низовой - в виде цилиндра, плавно сопряженного с дном конфузора. Колено каждого закручивающего устройства расположено в горизонтальной плоскости, а цилиндр каждого низового отвода состыкован с нижним участком наклонной шахты, образуя поворот в вертикальной плоскости. В результате трасса водосброса проходит по наикратчайшему пути в обход плотины, а на каждом закручивающем устройстве происходит гашение избыточной кинетической энергии сбрасываемого потока воды.

Недостатками известного устройства являются: недоиспользование энергии движущегося потока для нейтрализации его кинетической энергии за счёт совершения механической работы, высокая нагрузка на конструкции, сложность по конструкции, ограниченная возможность расчётных и опытно- конструкторских вариаций, в т. ч. вариаций шага устройств-гасителей при отладке каскадного тормоза потока.

Технический результат изобретения - обеспечение эффективного использования энергии движущегося потока для нейтрализации его

7

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) кинетической энергии за счёт совершения механической работы, снижение нагрузок на конструкции, упрощение конструкции, расширенная возможность расчётных и опытно-конструкторских вариаций, в т. ч. вариаций шага устройств-гасителей при отладке каскадного тормоза потока.

Технический результат достигается следующим.

Каскадный тормоз потока включает последовательно установленные и соединенные между собой на протяжении участка потока гасители скорости потока в виде устройств по п. 2 и 3 в количестве более одного (Фиг 4, Фиг.

5)·

Описание схем работы устройств по п. 2 и 3 как отдельных устройств- гасителей энергии потока приведено выше.

Устройства по п. 2 .применимы в качестве элементов для комплектования открытых каскадных тормозов в открытых водосбросах.

Устройства по п. 3 применимы в качестве элементов комплектования каскадных тормозов закрытых каналов, предназначенных для движения по ним газов и жидкостей, в частности для участков водосбросов, трактов выхлопа газов двигателей внутреннего сгорания, пр.

Устройства работают следующим образом.

При использовании в качестве элементов для комплектования открытых каскадных тормозов в открытых водосбросах выполняют последовательную установку устройств-гасителей по п. 2, создавая каскад.

При движении водного потока от высотной отметки верхнего бьефа к высотной отметке нижнего бьефа поток воды последовательно тормозится. Это не позволяет водному потоку набирать критические значения энергии.

Поскольку энергия движущегося потока определяется известным соотношением

Е =(p8V ³ )/2

где :

р - плотность движущегося потока, кг/м ³ ;

2 - площадь сечения движущегося потока, м ² ;

V - скорость движущегося потока, м/с,

ТО эффективное торможение потока на протяжении участка водосброса является наиболее актуальным способом предотвращения размыва гидротехнических сооружений и прилегающих днищ акваторий.

Криволинейная часть нижнего устройства заглублена ниже уровня дна реки, что позволяет снизить степень турбулентность потока перед переходом потока в русло реки.

Устройства по п. 3 соединяются в каскадный тормоз последовательно. Работа каскадного тормоза потока аналогична вышеописанному.

8

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 5) Из уровня техники известно о водосбросные устройства завихряющего, дробящего, аэрирующего поток типа (1 -5, Авторское свидетельство СССР М> 271382, кл. Е02В 8/06, 1970).

Недостатком известных устройств является наличие в месте водосброса избыточных общих и местных скоростей водного потока в виде вихрей, струй, которые в свою очередь способствуют размыву дна рек и берегов.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является Гаситель энергии потока для водопропускного сооружения (Авторское свидетельство СССР Ν° 1684411кл, Е 02 В 8/06, 1958).

Согласно описанию аналог включает водосброс с параллельными боковыми стенками и выполненный с расширяющимися в плане боковыми стенками водобой, на котором установлен прямолинейный порог- растекатель, расположенный по направлению течения потока за угловым сопряжением боковых стенок водосброса и водобоя. Порог-растекатель установлен на основании расчётных гидродинамических зависимостей.

Недостатком аналога является турбулентный характер выводимого в реку потока воды, обусловленный расположением порога-растекателя выше уровня дна реки и наличием препятствий в виде водобойных приспособлений на пороге-растекателе.

Технический результат изобретения - исключение размыва дна и берегов на водосбросах гидротехнических сооружений.

Технический результат достигается следующим.

Взбег-успокоителъ выполнен в виде полуцилиндрического колодца по п. 2 и заглублен грунт дна реки с отметкой верхней кромки 1 ниже отметки дна реки, а от нижней кромки 2 полуцилиндрического колодца выполнена наклонная плита 3 с подъёмом в сторону дна реки и величиной расширения в месте входа в реку, определяемой по формуле :

В = (Qmax /(Hmin * Vnom)

где :

В - ширина взбег-успокоителя на входе в реку, м;

Qmax - максимальный планируемый объём водосброса, м ;

Hmin - минимальная глубина водного потока от отметки дна реки до уровня поверхности воды в реке, м;

Vnom - номинальная скорость водного потока на входе в реку, принимаемая равной 1,5 м/с.

Устройство работает следующим образом.

Вышедший из гасителя водный поток имеет высокую турбулентность и аэрированность. По мере движения потока воды по наклонной плите Зможет

9

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) происходить незначительное снижение его скорости, т. к. высота сечения водного потока на входе в взбег-успокоитель больше, чем на выходе. Соотношение площадей сечения на входе и на выходе во взбег-успокоитель не имеет принципиального значения, но площадь сечения входящего потока не должна превышать площадь сечения выходящего потока.

Наклон плиты позволяет создать подпор и равнонаправить векторы скоростей растекания, благодаря чему происходит раскручивание вихрей и разложение струй потока..

Источники информации, принятые во внимание

1. Справочник проектировщика гидротехнических сооружений. - М.: Стройиздат, 1983 г.

2. Ахметов В.К., Шкадов В.Я. Численное моделирование вязких вихревых течений для технических приложений. М., Изд-во АСВ, 2009,

3. Волшаник В.В., Зуйков А. Л., Куприянов В.П., Новикова И. С, Родионов В.Б., Ханов Н.В., Цедров Г.Н., Асташова И.В. Особенности движения воздухонасыщенного потока воды в высоконапорных вихревых водосбросах // Безопасность энергетических сооружений. 2010, Вып.17, с.236-251.

4. Волшаник В.В., Зуйков А. Л., Мордасов А.П. Закрученные потоки в гидротехнических сооружениях. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.45-48, рис.2.4-2.7.

5. Животовский Б. А. Водосбросные и сопрягающие сооружения с закруткой потока. М., Изд-во РУДЫ. 1995, с 75-77, рис.36.

6. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. Справочное пособие. - М. : Энергоатомиздат, 1988, с.237, рис.16.6.

8. Розанов Н. П. и др., М., Колос, 1984, М. Б. Кошумбаев «Устройства нижнего бьефа водостоков» Международная Академия Информатизации «Гашение энергии потока воды соударением струй в узле сопряжения шахты с отводящим туннелем»УДК 626.627

Ил. 6.

Независимых п. ф. 5, зависимых п. ф. 2.

ю

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)