Мобильный водный циркуляционный канал - RU2540737C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к мобильному, компактному водному циркуляционному каналу, который состоит из плавательного бассейна с открытой водной поверхностью и интегрированным мерным участком, промежуточным дном и каналом обратного потока, при этом плавательный бассейн отделен от канала обратного потока посредством промежуточного дна.

Водные циркуляционные каналы используются для проведения гидродинамических испытаний, в целях тренировки спортсменов, преимущественным образом пловцов, а также гребцов или для терапевтических целей в лечебных процедурах. Текущая в канале вода открывает возможности для тренировок и реабилитации, которые отсутствуют в стоячей воде. Кроме того, проточная вода обладает мягким массажным воздействием, которое оказывает равномерное и интенсивное воздействие на всю поверхность тела.

В часть большого спорта проточные каналы стали незаменимым тренажером и эргометром. При плавании в проточном канале пловец не смещается с места, это дает тренеру возможность точно проанализировать процесс движения пловца и дать спортсмену указания по оптимальному процессу движения.

Прежде всего, для тренировок в области большого спорта важно, чтобы водный циркуляционный канал имел в значительной мере равномерное распределение скорости под прямым углом к основному потоку воды. Чем более постоянна скорость потока воды по глубине воды, тем выше качество водного циркуляционного канала. Почти постоянная скорость потока воды по всей глубине, в которой перемещается пловец, является предпосылкой реалистичной модели плавания в стоячей воде.

В области реабилитации проточные каналы дают возможность проведения наиболее щадящих тренировок реабилитируемого. Проточная вода оказывает на находящееся в воде тело равномерно распределенное давление и напряжение. Равномерное распределение нагрузок оказывает очень щадящее воздействие на суставы, так что тренировки под нагрузкой могут быть начаты в очень ранний момент времени. За счет соответственной адаптации скорости потока нагрузку можно точно дозировать, в отличие от тренировок на суше, где на тело постоянно воздействует гравитационная сила в полном объеме.

Из уровня техники известны различные решения в области водных циркуляционных каналов.

Из патента СН 176 562 А известен плавательный бассейн, через который протекает циркулирующая и регулируемая по своей скорости вода, так что в проточной воде можно плавать. В первой форме осуществления бассейн разделен промежуточным дном на верхнее пространство для размещения пловца и нижнее пространство по меньшей мере для одного гребного винта. Во второй форме осуществления бассейн разделен двумя промежуточными стенками параллельно внешним стенкам на одно пространство для размещения пловца и два пространства между промежуточными стенками и внешними стеками для силовой установки для создания потока. Для изменения направления потока в начале и конце промежуточных стенок не требуется никаких особых технических средств.

В DE 2222594 A1 описан плавательный бассейн с циркулирующим потоком, в котором вода втекает через поверхность поступления воды и через водопроницаемое дно плавательного бассейна поступает в систему обратного отвода воды. За счет того, что вода поступает в систему обратного отвода воды через водопроницаемое дно плавательного бассейна, в плавательном бассейне в направлении потока создается снижение скорости потока. Однако по поперечному сечению плавательного бассейна, перпендикулярно по отношению к основному направлению потока воды должно присутствовать почти постоянное распределение скорости.

Из DD 246461 A3 известны аксиальные насосы небольшого диаметра параллельного включения с форсунками и диффузорами, которые преобразуют поток из примерно квадратного профиля в круглый профиль и наоборот. Форсунки имеют длину от 0,4 до 0,7, а диффузоры от 1,5 до 2,5 внутреннего диаметра насоса в свету. При помощи регулирующего устройства обеспечивают, что все насосы настроены на одинаковый объем протекающего потока.

Однако, благодаря быстроходности насосов небольшие различия в потерях приводят к большим различиям в режимах насосов. Если вышеуказанные размеры не соблюдаются, то имеется опасность нестабильных или неравномерных режимов работы насосов, которые приводят с существенным механическим нагрузкам на насосы и направляют к неравномерности нагнетаемого потока. Поэтому аксиальные насосы, которые расположены описанным способом, особо подходят для использования в больших циркуляционных бассейнах.

В DD 246462 A1 показано стабилизирующее устройство для быстроходных, предпочтительно, расположенных рядом друг с другом и работающих параллельно аксиальных насосов с не ротационно-симметричными промежуточными форсунками, у которых достигается стабильная и плавно спадающая кривая гидравлического напора за счет использования в качестве стабилизирующего устройства профильного кольца, соотношение толщины профиля которого к длине профиля составляет от 0,2 до 0,4 и которое примерно на половину своей длины входит в промежуточную форсунку. Стабилизирующее действие достигается за счет целенаправленной вращательно-симметричной рециркуляции.

В описании изобретения DE 3921015 С1 раскрывается циркуляционный бассейн для пловца, в котором на стороне стекающего потока насосной установки расположена напорная труба, выходное отверстие которой имеет более высокий уровень, чем плавательный бассейн, при этом напорная труба оканчивается в башне, гидродинамически соединенной через выпускное отверстие с плавательным бассейном. Для отклонения циркуляционного бассейна на 180° в расположенный под ним канал обратного потока какие-либо особые меры не принимаются.

В DE 4414382 В4 описывается водный циркуляционный канал, в котором устройство для подачи воды расположено горизонтально сбоку от мерного участка, при этом мерный участок соединен по меньшей мере с одним каналом обратного потока через различные отводы. Один отвод сужается в направлении потока вдоль изгиба в 90° и снабжен ускоряющей сеткой, другой отвод расширяется вдоль второго изгиба в 90° и снабжен замедляющей сеткой. Согласно изобретению замедляющая решетка выполнена в виде многослойной решетки, при этом замедление потока достигается за счет двух или большего количества действующих в соединении замедляющих решеток. Внутренняя стенка отводов и радиусы лопаток определяются согласно толщине промежуточного дна между мерным участком и каналом обратного потока. Вниз по направлению потока от каждого насоса расположен стандартный переходный диффузор, преобразующий круглый профиль потока в прямоугольный.

В US 4,979,243 раскрыт циркуляционный бассейн для тренировки пловцов, в котором проточный канал (с плавательным бассейном) расположен над каналом обратного потока. Разделение каналов осуществляется за счет горизонтального пола. Насосы расположены в канале обратного потока. Площадь сечения участка канала обратного потока, который расположен в направлении потока за насосами, увеличивается по мере удаления от насосов. Отклонение потока из проточного канала в канал обратного потока, а также из канала обратного потока в проточный канал осуществляется при помощи нескольких расположенных на расстоянии друг от друга поворотных лопаток, при этом проточные каналы определены соседними поворотными лопатками или, соответственно, поворотной лопаткой и закругленной торцевой кромкой дна или же стенкой циркуляционного бассейна.

Представленные водные циркуляционные каналы всегда имеют очень большие размеры и пригодны только для стационарной установки. Причина для этого заключается в том, что при больших габаритных размерах может достигаться равномерное распределение скорости проходящего через поперечное сечение потока, перпендикулярно к направлению потока на мерном участке; различия в скорости и вихревые движения снижаются. Однако большие установки одновременно обуславливают большую производительность насосов, так как для улучшения распределения скорости через детали конструкции должен проходить существенный объем воды. Кроме того, высокая производительность насосов сопровождается высокой потребностью в электроэнергии и, следовательно, связанными с этим эксплуатационными затратами.

Положительные эффекты проточной воды в рамках реабилитационных мер и возможность анализа процессов движения профессиональных пловцов повышают популярность проточных каналов. Также рост индивидуального и развлекательного спорта стимулируют желание к более простому использованию проточных каналов.

Тем не менее, более широкому применению проточных каналов сегодня мешают большие размеры и высокие затраты на приобретение и эксплуатацию таких установок. Установки для циркуляции воды, которые при заданной площади поверхности воды плавательного бассейна требуют существенно сниженных затрат на строительство и имеют меньшие размеры, являются тому предпосылкой.

Также представленный в DE 4414382 водный циркуляционный канал не решает проблему получения равномерного потока в водном циркуляционном канале меньшего размера, и более того, используемые для уравнивания потока выпрямители увеличивают сопротивление потока и, тем самым, увеличивают требуемую производительность насосов.

Резкие отклонения потока воды, так как они происходят на торцевых кромках промежуточного пола водного циркуляционного канала, и сильные увеличения поперечного сечения потока на коротком расстоянии приводят к срывам потока, вихревым участкам и неравномерному распределению скорости. Участки, на которых возникают такие возмущения потока, находятся, если смотреть в направлении потока, друг за другом и непосредственно на промежуточном дне, так что их эффекты взаимно усиливаются. При быстроходных насосах эти возмущения потока могут привести к нестабильным режимам работы.

В принципе, уравнивание потока может происходить при помощи выпрямителя (потока), сеток и форсунок, однако эти меры сопровождаются повышением потерь потока и увеличением размеров всей установки.

Поэтому задача изобретения заключается в том, чтобы разработать компактный водный циркуляционный канал с равномерным распределением скорости потока перпендикулярно направлению основного потока воды, имеющий габариты, которые делали бы его мобильным, и который одновременно обеспечивает относительно низкие эксплуатационные затраты за счет использования насосов меньшего размера с меньшей приводной мощностью.

Согласно изобретению эта задача решена за счет признаков пункта 1 формулы изобретения; предпочтительные формы осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Предлагаемый водный циркуляционный канал отличается тем, что он также оснащен по меньшей мере на стороне стекающего потока насоса, имеющего по меньшей мере одно рабочее колесо и выполненного либо с направляющим колесом, либо без него, отклоняющим каналом для отклонения потока вне отводов с лопастной решеткой. Отклоняющий канал образован закругленной торцевой кромкой промежуточного дна и желобом, вогнутая внутренняя сторона которого дистально охватывает торцевую кромку промежуточного дна. Желоб расположен таким образом, что поперечное сечение отклоняющего канала расширяется от нижней стороны промежуточного дна к верхней стороне промежуточного дна. Кроме того, отклоняющий канал воды включает в себя расположенный на стороне стекающего потока по меньшей мере одного насоса короткий диффузор с несколькими сегментными щитками, которые расположены в области потока короткого диффузора (9) и поверхности которых параллельны направлению потока.

Промежуточное дно, которое отделяет плавательный бассейн от канала обратного потока, по причинам веса (сложные облегченные/вафельные конструкции по причине затрат исключаются), предпочтительно, составляет только несколько сантиметров по толщине. В случае водных каналов, которые эксплуатируются стационарно, промежуточное дно, напротив, обычно имеет толщину от 0,5 до 1 м, что дает то преимущество, что торцевые кромки промежуточного дна с по существу закругленным профилем имеют большие радиусы, и поэтому поток может быть направлен вокруг обоих переходов от проточного канала в канал обратного потока и от канала обратного потока в проточный канал исключительно при помощи более выгодных с гидродинамической точки зрения лопастных решеток.

Однако, в случае предлагаемого мобильного водного циркуляционного канала отклонение потока только при помощи лопастных решеток с маленькими длинами профиля по причине колебаний невозможно, так как поток воды не может с их помощью быть отклонен вокруг маленьких радиусов, которые встречаются на закругленных торцевых кромках тонкого промежуточного дна. Если бы, однако, была предпринята подобная попытка, то это бы вызвало образование сильных срывов потока в области закругленных торцевых кромок промежуточного дна. По этой причине предлагаемый водный циркуляционный канал по меньшей мере со стороны стекающего потока насоса, наряду с лопастными решетками, также имеет отклоняющий канал. Желоб при этом действует как отклоняющий канал. Отклоняющий канал (отклоняющая лопатка/дефлектор) по геометрическим причинам может оставаться очень коротким, то есть трение по большой длине отсутствует.

Предпочтительно, обе торцевые кромки снабжены отклоняющим каналом, при этом соответствующий желоб располагается по всей длине торцевой кромки. Вогнутая внутренняя сторона желоба обращена к торцевой кромке промежуточного дна, располагаясь примерно параллельно к ней; желоб находится на вертикальном и горизонтальном расстоянии от торцевой кромки.

Горизонтальное расстояние от желоба до торцевой кромки промежуточного дна выбирается предпочтительно так, что оно соответствует радиусу желоба за исключением половины толщины промежуточного дна. За счет этого входное и выходное отверстия отклоняющих каналов находятся вертикально на одной линии с началом закругления на торцевой кромке промежуточного дна.

В вертикальном направлении желоб располагается таким образом, что расстояние от нижней торцевой кромки желоба до нижней поверхности промежуточного дна меньше, чем расстояние от верхней торцевой кромки желоба до верхней поверхности промежуточного дна. Тем самым, достигают расширения поперечного сечения отклоняющего канала от нижней поверхности промежуточного дна до его верхней поверхности.

Чтобы достигнуть наиболее благоприятного с точки зрения гидродинамики отклонения потока, должно соблюдаться соотношение:

где: a₁ = ширина в свету отклоняющего канала на входе,

a₂ = ширина в свету отклоняющего канала на выходе,

r_i = внешний радиус промежуточного дна (внутренний радиус отклоняющего канала),

r_a = внутренний радиус желоба (внешний радиус отклоняющего канала).

Стандартные значения a₂/a₁ (соответствует расширению поперечного сечения отклоняющего канала) находятся в диапазоне от 1,5 до 2,5. Соответственно, тогда расширение поперечного сечения составляет около 10°, то есть в продольном разрезе развертки (изогнутые области канала выпрямлены) отклоняющего канала стенки канала расположены под углом 10° по отношению друг к другу. При значениях а₂/a₁<1,5 опасность срыва потока существенно меньше, так что рассчитанные углы, в таком случае, составляют менее чем 10°.

Если вода поступает в отклоняющий канал, то она отклоняется по внутренней поверхности выгнутого желоба на торцевой кромке промежуточного дна без опасности срыва потока и вихреобразования вокруг торцевой кромки промежуточного дна (180°). В оставшейся (расположенной далее по отношению к торцевой кромке) области поперечного сечения потока вода отклоняется при помощи лопастных решеток.

За счет расширения поперечного сечения отклоняющего канала от нижней поверхности промежуточного дна до верхней поверхности промежуточного дна достигается замедление скорости потока воды. Таким образом, оказывается противодействие неблагоприятному эффекту, заключающемуся в том, что в области лопастной решетки скорость потока по направлению к промежуточному дну повышается.

Так как мобильные водные циркуляционные каналы имеют, принципиально обусловлено, меньшие габариты, нежели стационарные каналы, и скорости потоков воды на больших длинах уравниваются сами по себе, в маленьких, мобильных водных циркуляционных каналах лишь при помощи предлагаемого отклонения потока (из проточного канала в канал обратного потока и из канала обратного потока в проточный канал) достаточно равномерное распределение (как в стационарных каналах) скорости потока еще не достигается.

Поэтому в качестве еще одного средства для уравнивания скорости потока используется короткий диффузор с несколькими сегментными щитками (под сегментным щитком понимают соответственно щиток, проходящий от оси до корпуса короткого диффузора). В первую очередь, сегментные щитки в диффузоре оказывают влияние на то, что за счет перераспределения областей с более высокой скоростью потока достигается уравнивание потока в целом, и, во-вторых, присутствует возможность выполнения диффузора более коротким и, тем не менее, достигнуть стабильных режимов эксплуатации. При этом диффузор можно сделать настолько более коротким, насколько больше сегментных щитков используется. Таким образом, например, без сегментных щитков требуется диффузор, через который происходит переход с круглого на квадратное поперечное сечение, при этом квадратное поперечное сечение соответствует примерно двойному диаметру в свету насоса, длина которого по меньшей мере в два раза больше, чем диаметр круглого поперечного сечения, в то время как уже при использовании четырех сегментных щитков длина диффузора может быть короче диаметра круглого поперечного сечения.

При этом предусмотрено, чтобы втулка, на которой расположено по меньшей мере одно рабочее и, при необходимости, направляющее колесо насоса, не заканчивалась на высоте или недалеко за (при рассмотрении по направлению потока) насосом, как это обычно принято, а чтобы она была аксиально введена в короткий диффузор или насквозь проходила через него. Кроме того, при небольших относительных величинах втулки втулка выполнена в виде заостренного носка. Таким образом, прежде всего в случае вращающихся (в меньшей степени, однако, также в случае не вращающихся) втулок, в значительной мере предотвращается вихреобразование/срывы потока ниже по потоку за втулкой.

Предпочтительно, сегментные щитки помещены радиально между втулкой и корпусом короткого диффузора и простираются по всей длине короткого диффузора. Для того чтобы предотвратить резонансные колебания количество сегментных щитков не равно количеству лопаток рабочего колеса или же, если таковое имеется, направляющего колеса насоса.

В случае стандартных диффузоров (без втулки и без сегментных щитков) на стенках диффузора образуются плотные пограничные слои, у которых скорость потока значительно снижается. В области оси насоса, напротив, она высока. Это, прежде всего, в случае компактных, мобильных водных циркуляционных каналов очень негативно влияет на распределение скорости потока.

В случае короткого диффузора с втулкой и сегментными щитками пограничные слои образуются не только на внешних стенках диффузора, но и также на сегментных щитках и на втулке. Однако, плотность этих пограничных слоев по сравнению с пограничным слоем, образующимся в случае стандартных диффузоров только на внешней стенке, очень мала. Кроме того, пограничные слои распределены по всему поперечному сечению диффузора так, что в поперечном сечении канала обратного потока также возникает очень равномерное распределение скорости потока. Это очень положительно сказывается на распределении скоростей потока в проточном канале/плавательном бассейне.

Соответственно, в предлагаемом водном циркуляционном канале только за счет комбинации короткого диффузора с отклоняющими устройствами, состоящими из отклоняющего канала и лопастных решеток, достигается настолько же равномерное распределение скоростей потока, как до этого в стационарных водных циркуляционных каналах большего размера.

Кроме того, отклоняющие устройства и короткий диффузор требуют только сравнительно небольших строительно-технических затрат.

Так как отклоняющие устройства и короткий диффузор в сумме имеют только небольшое сопротивление потоку, и от дополнительных устройств для уравнивания потока (сетки, выпрямитель потока и форсунки) можно отказаться, достаточно насосов со сравнительно небольшим потреблением мощности для того, чтобы достигнуть скоростей потока в плавательном бассейне до 2,5 м/с.

В целях сокращения массы водный циркуляционный канал состоит, в основном, из пластмассы, которая охвачена стабилизирующим опорным каркасом из металла.

По причине небольшого веса и компактной геометрии имеется возможность погрузить водный циркуляционный канал на транспортер и так в сборном виде перевезти на место назначения, так что он там должен быть только заполнен водой и подсоединен к сети энергоснабжения.

Далее изобретение поясняется на примере фигур 1-4, на чертежах показаны:

Фиг.1 - водный циркуляционный канал в продольном разрезе;

Фиг.2 - отклоняющий канал в продольном разрезе;

Фиг.3 - насос с коротким диффузором в продольном разрезе;

Фиг.4 - короткий диффузор с втулкой и сегментированными щитками,

вид со стороны стекающего потока.

Показанный на фиг.1 водный циркуляционный канал состоит из плавательного бассейна 1, промежуточного дна 2 и канала 3 обратного потока в нижней области. В канале 3 обратного потока расположен насос 4 для нагнетания потока. Закругленные торцевые кромки 6 промежуточного дна 2 совместно с желобами 8 образуют оба отклоняющих канала 7.1 и 7.2. При помощи отклоняющих каналов направление потока воды меняется, соответственно, на 180°.

Между изогнутыми (с радиусом r_а) желобами 8, которые образуют внешние стенки отклоняющих каналов 7.1 и 7.2, и стенками водного циркуляционного канала находятся отводы, снабженные лопастными решетками 5.1-5.4. Через лопастную решетку отвода поток воды отклоняется, соответственно, на 90°.

На насос 4 насажен короткий диффузор 9 с втулкой 10 и сегментными щитками 11; короткий диффузор 9 находится на стороне 12 стекающего потока насоса 4.

Поэтому циркуляция воды организована следующим образом.

Вода засасывается на стороне 13 набегающего потока насоса 4 и нагнетается через короткий диффузор 9 с втулкой 10 и сегментными щитками 11 в область со стороны стекающего потока канала 3 обратного потока. В конце канала 3 обратного потока вода поступает в первый отклоняющий канал 7.1 и первый отвод, оснащенный лопастными решетками 5.1. От лопастных решеток 5.1 первого отвода вода отклоняется на 90° наверх, от лопастных решеток 5.2 второго отвода поток снова отклоняется на 90°. Теперь вода от поверхности воды 15 до промежуточного дна 2 имеет направление 14 потока, которой проходит противоположно направлению потока в канале обратного потока 3. Отклонение потока на 180° также относится к воде, которая течет по нижней поверхности промежуточного дна в первый отклоняющий канал 7.1. Вода теперь течет через плавательный бассейн 1 со сплошной средней скоростью потока. В конце плавательного бассейна воды поступает в третий отвод с лопастной решеткой 5.3 и во второй отклоняющий канал 7.2. После того как вода протекла через третий и четвертый отвод с лопастными решетками 5.3 и 5.4 и второй отклоняющий канал 7.2, она снова находится на стороне 13 набегающего потока насоса 4.

На фиг.2 показана специфика отклоняющего канала. Можно увидеть конечный участок промежуточного дна 2 с закругленной торцевой кромкой 6 (с радиусом r_i). Торцевая кромка 6 и желоб 8 образуют отклоняющий канал 7.1. Последний имеет на верхней поверхности промежуточного дна 2 большее поперечное сечение (большую ширину в свету a₁). Это расположение желоба 8 обеспечивает, что текущая горизонтально по промежуточному дну 2 вода направлялась без срыва потока вокруг торцевой кромки 6 промежуточного дна 2 и замедляла свою скорость.

На фиг.3 отчетливо видно, что короткий диффузор 9 имеет длину, которая существенно короче двойного диаметра свободного пространства насоса.

На фиг.4 показан короткий диффузор 9 с втулкой 10 и сегментными щитками 11 со стороны 12 стекающего потока. Здесь можно увидеть проходящие радиально от втулки 10 наружу к стенкам короткого диффузора 9 сегментные щитки 11.

Список использованных ссылочных обозначений

1 плавательный бассейн/ проточный канал

2 промежуточное дно

3 канал обратного потока

4 насос

5.1 первая лопастная решетка

5.2 вторая лопастная решетка

5.3 третья лопастная решетка

5.4 четвертая лопастная решетка

6 торцевая кромка промежуточного дна

7.1 первый отклоняющий канал

7.2 второй отклоняющий канал

8 желоб

9 короткий диффузор

10 втулка

11 сегментный щиток

12 сторона стекающего потока насоса

13 сторона набегающего потока насоса

14 направление потока

15 линия поверхности водяного потока

a₁ ширина в свету отклоняющего канала на входе

a₂ ширина в свету отклоняющего канала на выходе

r_i внешний радиус промежуточного пола

r_a внутренний радиус желоба

Реферат

Изобретение относится к мобильному компактному водному циркуляционному каналу, состоящему из плавательного бассейна (1), канала (3) обратного потока и промежуточного дна (2), которое отделяет плавательный бассейн (1) от канала (3). В канале (3) обратного потока находится по меньшей мере один перекачивающий воду насос (4) и отводы с лопастными решетками (5.1; 5.2; 5.3; 5.4), отклоняющие поток воды. На стороне (12) стекающего потока насоса (4) имеется отклоняющий канал (7.1), который образован закругленной торцевой кромкой (6) промежуточного дна (2) и желобом (8), вогнутая внутренняя сторона которого дистально охватывает торцевую кромку (6) промежуточного дна (2). Поперечное сечение отклоняющего канала (7.1) расширяется от нижней поверхности промежуточного дна (2) к верхней поверхности промежуточного дна (2). На стороне стекающего потока насоса (4) расположен короткий диффузор (9) с несколькими сегментными щитками (11), которые расположены в области потока короткого диффузора (9) и плоскости которых направлены параллельно направлению потока. Изобретение позволяет обеспечивать равномерное распределение скорости потока при одновременно весьма небольших габаритах водного циркуляционного канала. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула