Способ сопряжения бьефов и устройство для его осуществления

(51) 5 ТЕНИЯ венная политехПоворотныйво СССР, 1985,ОСО СТВ ИЯ БЬЕФОВ И ОСУЩЕСТВЛ Е- ротехнике при ых сооружений. наклонного касс ком-трамплиГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Белорусская государстническая академия(56) Авторское свидетельстМ 1373753, кл, Е 02 В 8/06 54) СП Б СОПРЯЖЕН УСТРОИ О ДЛЯ ЕГО НИЯ57) Использование: в ги строительстве водосброс Изобретение относится к гидротехнике,а именно к сопрягающим сооружениям.Цель изобретения - снижение гидродинамического воздействия на нижний бьеф,На фиг.1 изображен продольный разрезпо оси водосброса, вариант с противовесомпри совмещении его с носком-трамплиномв одном монолите; на фиг.2 - продольныйразрез по оси водосброса (фрагмент), вари.ант с противовесом при выполнении носкатрамплина эластичным и заделке его в .противовес; на фиг.З - продольный разрезпо оси водосброса (фрагмент), вариант безпротивовеса при заделке эластичного носка-трамплина в дно наклонного канала;фиг.4 иллюстрирует возможность заполнения полости противовеса водой; на фиг,5 -пояснительная схема к расчету положенияноска-трамплина,Сооружение состоит изнала 1, заканчивающегося н Сущность изобретения: спасо бьефов включает отброс струи плина с одновременной регу наклона носка-трамплина к го висимости от веса воды и ги ского давления на носок-тр этом водосброс состоит из нак ла, поворотного носка-трамп вовеса. Носок-трамплин выполнен из эластичного ма делкой в дно наклонного кан вовес - полым с системой заполнения полости водой. 2 5 ил,б сопряжения с носка-трамлировкой угла ризонту в задродинамиче амплин. При лонного кана- лина и протиможет быть териала с заала, а протиклапанов для с. и 2 з,п.ф-лы,ном 2, совмещенным с противовесом 3. Последние два элемента имеют возможность поворачиваться вокруг горизонтальной оси при помощи шарнирно-неподвижной опоры00 4. Носок-трамплин 2 ориентирован в старо-, д ну нижнего бьефа 5. Дно наклонного канала . Я 1 образует с горизонтом угол Р . Носок-, Я трамплин 2 может быть выполнен из эла-О стичного материала и тогда он работает у совместно с противовесом 3, будучи заделан в него (фиг,2), либо самостоятельно с 1 (фиг.З). Тогда носок-трамплин 2 заделывает- фф ся в дно наклонного канала 1, Предельное . ф положение носка-трамплина 2, соответствующего максимальному расчетному расходу, достигается при ограничении перемещения противовеса 3 с помощью упора 6,Противовес 3 целесообразно выполнять с полостью 7, гидравлически сообщенной с наклонным каналом 1 и нижним бьефом 5 посредством гидравлических клапанов 8 и9, Тогда полость 7 связана с атмосферой воздушным клапаном 10. Для предотвращения колебаний жидкости в полости 7 она снабжена перегородками 11,Водосброс работает следующим образом,Сбрасываемый расход движения по наклонному каналу 1, в конце которого поток разворачивается, а затем, проходя носок- трамплин 2, отрывается и падает в нижний бьеф 5 в виде отброшенной струи. Под действием жидкости, ее кинетического давления, а также собственного веса носок-трамплин 2 способен поворачиваться в вертикальной плоскости на угол, соответствующий мгновенному значению расхода Перечисленные нагрузки компенсируются противовесом 3, размеры и вес которого рассчитывается таким образом, чтобы при минимальном расходе продольная ось носка-трамплина 2 образовывала с горизонтом угол й, отвечающий условию максимального отброса струи, По мере увеличения сбрасываемого расхода растет глубина на носке-трамплине 2 и скорость Ч, связанная с кинетическим давлением на его дно Рзависимостью вида Р Ч, Вследствие этого момент сил, поворачивающих носок- трамплин 2 вокруг оси по часовой стрелке согласно изображению на фиг,1, растет. Они уравновешиваются моментом, создаваемым собственным весом противовеса 3,Рво-первых, за счет более резкого, чем для носка-трамплина 2, увеличения плеча сил. Во-вторых, дополнительная регулировка величин удерживающего момента достигается заполнением. полости 7 противовеса 3 водой. При достижении максимальной величины сбрасываемого расхода противовес 3 занимает предельное горизонтальное положение. Последующее его перемещение ограничено упором 6, Одновременно носок-трамплин 2 ориентируется так, что его дно продолжает дно наклонного канала 1. Этот случай представлен на фиг,1 штриховой линией,Заполнение и опорожнение полости 7 противовеса 3 осуществляется следующим образом. Посредством включения впускного гидравлического клапана 8 при перекрытом клапане 9 вода поступает в полость 7, а ее опорожнение происходит при обратных положениях упомянутых элементов, Операции с гидравлическими клапанами 8 и 9 выполняются при открытом воздушном клапане 10, расположенном в верхней части полости 7 фиг.4).Предложение, заключающееся в угловом смещении поворота продольной оси противовеса в сторону нижнего бьефа имеет под собой следующие основания, Допустим, продольные оси противовеса и носка-трамплина совпадают. Тогда независимо от расхода и нагрузки на трамплин плечи сил уменьшаются или растут в одном направлении и в одном темпе, т,е, тогда возможен только один случай равновесия - при постоянной нагрузке на носок-трамп- "0 лин, при О=сопзс. Следовательно, поворотнеобходим, После этого встает вопрос о направлении поворота. Угловое смещение в направлении нижнего бьефа приведет к упиранию в дно лотка при больших расхо дах, Этотакже ничего недает идажеэффектобратный в отношении уравновешивания трамплина и противовеса. Следовательно, поворот продольной оси противовеса должен осуществляться в сторону нижнего бье фа, как показано на фиг.1 Необходимостьповорота продольной оси противовеса именно на величину угла наклона дна канала к горизонту легко показать на основе графических построений.Носок-трамплин в данном случае представляет поворотную плиту. Тем самым при каждом фиксированном значении расхода .О трамплин принимает строго заданное положение, характеризуемое соответствую щими значениями скорости Оь угла отрываа и начальной высоты падения Ноь Снабжение трамплина противовесом позволяет компенсировать моменты сил, опрокидывающих весь поворотный элемент по часовой 35 стрелке согласно изображению на фиг.1.Выполнение носка трамплина эластичным дает возможность вовсе отказаться.от противовеса (фиг;3), либо позволяет демпфировать динамические пульсационные 40 нагрузки не только поворотом, но и за счетупругих свойств материала. Применение материала, способного восстанавливать деформации при снятии нагрузки попутно дает возможность повысить изйосостойкость 45 и кавитационную стойкость носка-трамплина, поскольку известно усиление абразивного износа поверхностей большего радиуса кривизны при повороте потока,Рассмотрим условия входа отброшенной струи, реализуемые в предлагаемом техническом решении. Как легко понять, они зависят от расхода. Если при небольших расходах жидкость движется по восходящей и нисходящей ветвям параболы, то 55 при отрицательных углах отрыва струи онаописывает траекторию значительно меньшей кривизны, В первом случае поток входит под уровень почти по нормали, а во втором - соударение осуществляется под острым углом. Не будет здесь учитывать+ яка)+а 0 Ьа нарушения сплошности, которые, безусловно, благоприятствуют гашению избыточной энергии, Отметим только, что степень затухания средней скорости определяется при прочих. равных условиях безразмерным рас стоянием. Это значит, что на одном и том же удалении от источника в данном случае - места входа струи под уровень, скорость уменьшается тем быстрее, чем меньше характерный размер струи, Для двумерной за дачи им является толщина, здесь в качестве таковой выступает глубина воды на носке- трамплине перед точкой отрыва, В отличие от известных в предлагаемом устройстве с увеличением расхода путь струи до дна рас тет, следовательно, скорость в момент достижения дна отводящего водовода затухает интенсивнее. Поэтому созданы предпосылки не только для фиксации воронки размыва в определенном месте, но и 20 для снижения придонной скорости, а тем самым снижению гидродинамического воздействия на нижний бьеф.П р и м е р. Рассмотрим условие равновесия носка-трамплина, снабженного про тивовесом (фиг.1). В качестве, первого приближения, считая задачу двумерной, можно использовать схему, представленную на фиг.5. Здесь система, способная реагировать на изменения расхода, упро щена до ломаного стержня,.способного поворачиваться вокруг шарнирно-неподвижной опоры О. Тогда отрезок АО моделирует противовес, а ОВ - носок-трамплин. На стержень действуют силы: 35Собственный вес - распределенная нагрузка на носок-трамплин и на противовес дп, причем дпр, иначе устройство нерабо- . тоспособно при соизмеримых длинах носка-трамплина 1 т и противовесап, 40Полное давление, воспринимаемое носком-трамплином, включает гидростатическое и кинематическое. При больших расходах, когда разворот потока на носке-трамплине сравнительно невелик, эпюрэ полного давле ния строится по формуле А,А.Сабанеева: Гидростатическоедэвление - распределенная нагрузка д. - может быть определена при известных расходе и геометрии по уравнениям свободной поверхности. При малых расходах (угол отрыва положителен) глубина потока увеличивается, а при больших (угол отрыва отрицателен) - падает, Если перепад уровней в бьефах значительно превосходит начальную высоту падения, а длина носка-трамплина невелика, то интенсивность нагрузки от веса воды изменяется по длине мало.Кинематическое давление - также распределенная нагрузка (1 к, Его целесообразно находить с использованием зависимости где ц/ч - отношение среднерасходной скорости к придонной в рассматриваемом сечении. Оно зависит от радиуса носка-трамплина, угла разворота и определяется по графикам (там же).Поверхностным трением неэ носке- трамплине и в шарнире пренебрегаем, поскольку плечи этих сил невелики,На носок-трамплин (отрезок ОВ) действует гидростатическое и кинематическое давление, а также собственный вес. Они должны уравновешиваться моментом от собственного веса противовеса. Считая нагрузки функциями собственного веса, условие равновесия в общем случае, при повороте носка-трамплина на произвольный угол О выглядит следующим образом:(щсофу + 8 - О) ) цп(п)пс 1=соз О (цг(т)+ В предельных случаях постоянные перед знаком интеграла имеют вид: правая часть левая часть=и соз О+ -- , Рд д к где и - глубина потока;0 - угол наклона касательной к поверхности носка-трамплина в точке, для которойопределяется текущее значение давления;ц - среднерасходная скорость;55й - радиус носка-трамплина,В данном случае радиус носка-трампли. на определяется его длиной и углом поворота, но никак не бесконечен.О=Оми соз (а+,6)/2 соза/2 0,5 соз,В/2 О=Омакс Отсюда, зная нагрузку на носок-трамплин, легко определить габариты противовеса, подобрать его материал, либо, в случае необходимости, степень заполнения полости противовеса водой,Таким образом, исходя из приведенных положений конструкций водосброса для реализации предложенного способа сопряжения бьефов очевидно, что применение такого вида сооружения позволит сократить затраты на строительство и эксплуатацию самого водосбросного сооружения. Достигается это за счет того, что решается поставлен ная цел ь изобретения - стабилизируется дальность полета отброшенной струи при широком диапазоне изменения сбрасываемого расхода, при , этом происходит локализации воздействия этой струи на отводящий водовод (т.е. НБ). За счет сужения площади воздействия струи в НБ можно существенно уменьшить объем дорогостоящих укрепительных работ и тем самым повысить эффективность использования таких сооружений в комплексных системах водопользования,Формула изобретен ия 1, Способ сопряжения бьефов, включающий отброс струи в нижний бьеф с носка трамплина, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью снижения гидродинамического воздействия на нижний бьеф, дальность отброса струи регулируют путем изменени угла наклона носка-трамплина к горизонту пропорционально весу жидкости и ее гидродинамическому давлению на носок-трамплин.2, Устройство для сопряжения бьефов,содержащее расположенный между верх ним и нижним бьефами наклонный канал,заканчивающийся носком-трамплином, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения гидродинамического воздействия на нижний бьеф, носок-трамплин выполнен в виде 10 поворотной плиты, ось вращения которойортогональна направлению течения, и снабжен оппозитно расположенным противовесом, продольная ось которого повернута в сторону нижнего бьефа на величинуф, где 15 Р - угол наклона дна канала в горизонту.3. Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что носок-трамплин выполнен из эластичного материала с заделкой в дно наклонного канала или в противовес.20 4. Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что противовес выполнен полым, гидравлически сообщен с наклонным каналом и нижним бьефома также снабжен впускным и выпускным гидравлическими и 25 воздушными клапанами.1812265 Составитель И, Поворотный Кузнецова Техред М. Моргентал Корректор С, Юсккт изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аказ 1567. Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5