Закрученные потоки воды в гидротехнических сооружениях

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 627.843.532.533.

ТарГУ имени М.Х. Дулати

ЗАКРУЧЕННЫЕ ПОТОКИ ВОДЫ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЯХ

Джурумбаева Р.А.

Мухтаров Ж.М.

Одним из наиболее перспективных направлений при строительстве гидроузлов является применение в гидротехнических сооружениях закрученных потоков воды. История строительства и исследований гидротехнических сооружений, в которых используются закрученные потоки начитывает многие десятилетия. Однако переход к строительству высоконапорных сооружений заставил более углубленно подойти к изучению явлений, связанных с течением высокоскоростных закрученных потоков, и разработке принципиально новых их типов и конструкций. Закрученные патоки жидкости существенно отличаются от хорошо изученных осевых потоков. Именно эти отличия обусловливают перспективы широкого применения закрученных потоков для решения инженерных задач, а где осевые патоки оказываются малоэффективными. Вместе с тем, в связи со сложностью течения закрученного потока жидкости прикладные исследования его развиты значительно меньше, чем традиционных осевых потоков. Поэтому большое значение имеют полученные результаты экспериментальных исследований разнообразных гидротехнических сооружений, использующих закрученные потоки. Среди этих работ важнейшее место занимают исследования вихревых устройств в казахском научно- исследовательском институте энергетики. (г.Алматы), в частности исследования вихревых шахтных водосбросов. Экспериментальное изучение вихревых шахтных водосбросов доказало, что в воздушном ядре шахты давление ниже атмосферного. Закрученный поток уносит собой часть воздуха и по длине воздушного ядра образуется воздушный поток. Эти опыты показали что создавая вакуум с помощью закрученного потока, можно увеличить пропускную способность напорных туннельных и трубчатых водосбросов. В конструкциях различных узлов вихревых шахтных водосбросов главным кинематическим элементом является закрученное движение. Одним из основных положительных эффектов его является образование поля давления, на стенке шахты по всей ее высоте, что приводит к увеличению потерь энергии потока в шахте и снижению опасности возникновения кавитации. Поэтому естественны попытки использовать эти положительные эффекты в других схемах гидротехнических сооружений. Это напорные водосбросные устройства, включающие в свой состав затворные камеры, а также водосбросы с закручивающими устройствами в виде лопаток и некоторые другие. Разработаны несколько конструкций шахтных водосбросов, в которых закрутка потока создается спиральными устройствами [1,2].

В КазНИИэнергетики были выполнены исследования различных устройств, повышающих пропускную способность шахтного водосброса с кольцевым водосливом на входе. Первоначально было изучено использование вакуумного профиля водослива [3,4]. Исследования вакуумных оголовков показали, что можно подобрать очертания профиля с коэффициентом расхода равным 0,585. Для шахтного водосброса Бес - Тюбинского гидроузла был предложен кольцевой водослив вакуумного профиля. гидротехнический сооружение шахтный водосброс

В КазНИИэнергетики на модели была рассмотрена также возможность получения устойчивого вихревого движения в шахте водосброса с кольцевым водосливом на входе. Первоначально на сливной грани, вакуумного профиля были установлены криволинейные лопатки, создающие закрученное движение (рис.1) Опыты показали, что вихревое движение возникает, закрутка была достаточно интенсивная и сохранялась по всей шахты.

Установка таких завихрителей заметно снижает пропускную способность водослива. Поэтому дальнейшее усовершенствование этой схемы представляет собой создание специального выступа на сливной грани, на которой установлены завихрители (рис 2). Исследуемая конструкция создает условия для закрутки потока. Возникающее при малых расходах вихревое движение не только сохраняется при возрастании напора на гребне но и увеличивает свою степень закрутки, что способствует уменьшению кавитационных явлений на стенках шахты и увеличению пропускной способности. Описанные конструкции далеко не исчерпывают возможности использования закрученного потока в гидротехнике, а именно в низконапорных гидроузлах.

На гидромелиоративных системах широко применяют трубчатые сопрягающие сооружения. Основные достоинства их сравнительная простота конструкции, высокая степень сборности, налаженное производство деталей (труб, плит) и удобство переезда через сооружения. Большое число гидроузлов с трубчатыми водосбросами построены для создания водохранилищ и прудов различного назначения. Статическое и натурное изучение работы трубчатых сооружений массового применения позволяет сделать следующие выводы:

1. Построенные по типовым проектам 15-20% сетевых сооружений в течение 3.5 лет эксплуатации разрушаются полностью. В подавляющем числе неудовлетворительная работа сооружений вызвана деформациями и разрушениями конструкций нижнего бьефа (65% обследованных сооружений). Они проявляются в виде размыва дна и откосов отводящего канала и подмыва концевого крепления рисберм, разрушения гасящих устройств, бетонного крепления и грунтового основания под ним.

2. Аварийное состояние нижнего бьефа объясняется непостоянством гидравлических режимов работы (сооружения часто работает без подтопления со стороны нижнего бьефа, что вызывает нежелательные формы сопряжения - отогнанный прыжок и прыжок - волну, с неравномерным распределением скоростей и значительной пульсацией давлений, особенно в пусковой период).

Рис. 1 Конструкция конического входного оголовка криволинейными стенками на гребне Рис. 2 Конструкция входного оголовка с направляющими бычками

Для повышения надежности работы сооружений необходимо свести к минимуму причины возникновения перечисленных недостатков - использовать при проектировании конструкции выходных оголовков, исключающих сбойность потока и обладающих длительными гасящими свойствами. Особого эффекта гашения энергии можно получить при соединении двух закрученных потоков. Для гашения энергии потока на выходе из трубчатого водосброса предлагается следующее устройство, которое называется- перепад водосброса [5]. Перепад имеет два подводящих трубопровода. Правый по ходу потока трубопровод 1 подсоединен к спиральной камере 2, которая переходит во внутреннюю шахту 3. Поток выйдя из шахты, ударяется о дно камеры гашения 6 и образует верную струю с гидравлическим прыжком. Коаксиально внутренней шахте 3 спиральной камеры закреплена внешняя шахта 4 большого диаметра, к которой тангенциально подсоединен левый трубопровод 5. Внешняя шахта выполнена короче внутренней и поток закрученный в этой шахте вступает во взаимодействие с кольцевым гидравлическим прыжком. В результате возникает интенсивное гашение энергии. Трубчатый водосброс предлагается выполнять нерегулируемым, свободно поточным. Расход воды в течение года и суток колеблется значительно, пропускная способность трубопроводов рассчитана таким образом, чтобы они работали в безнапорном режиме. Концевой перепад не должен менять этот режим, чтобы не создавать дополнительной нагрузки на сварные швы трубопроводов. Для этого площадь подводящих труб перепада (рис. 3) принята на 20% больше площади сечения трубопроводов. Спиральные камеры не создают подпора и сбросный поток беспрепятственно проходить систему: подводящий трубопровод - спиральная камера- шахта и попадает в камеру гашения. Во избежание образования подпора на выходе, внешняя шахта выполнена короче внутренней, т.е. взаимодействие противоположно закрученных потоков произойдет в пределах самой камеры гашения. Опыты показали, что все изложенные предложения оправдались, в разработанном перепаде водосброса с двойной спиральной камерой происходить интенсивное гашение энергии потока.

Литература

1. Чаншивили А.Б. , Челидзе В.В., Джикия Т.Н., Шахтный водосброс. Авторское свидетельство № 908998. Бюллетень № 8, 1982.

2. Гальперин Р.С., Розанова Н.П., Золотов Л.А., Цедров Г.Н. «Гашение энергии высокоскоростного потока в туннельных водосбросах ». Гидротехническое строительство, 1979, № 4.

3. Розанов Н.П., Вопросы проектирования водопропускных сооружений, работающих в условиях вакуума и при больших скоростях потока. М. Госэнергоиздат,1959.

4. Каранфилян А.А. Два способа повышения коэффициента расхода шахтного водосброса с плоским гребнем. Научные исследования по гидротехнике в 1973. М. Энергия,1974.

5. Джурумбаева Р. , Джартаева Д.К., Ахмедова А.Т. Перепад водосброса. Авторское свидетельство №20743, Е02В3/ 00 (2006.01).

Размещено на Allbest.ru