Розрахунок проскоку гідралічного удару повз протиударний пристрій в системах з короткими з’єднувальними трубопроводами

Размещено на http://www.allbest.ru//

Розрахунок проскоку гідралічного удару повз протиударний пристрій в системах з короткими з'єднувальними трубопроводами

Крисенков М.І., к.т.н., доцент

Наводиться аналіз існуючих та нових методів розрахунку гідравлічного удару при проходженні хвилі через різного роду розривності в складних водоводах із зрівнювальними резервуарами. Результати розрахунків зіставляються з дослідними даними.

The analysis of existing and new methods of calculation of hydraulic impact at passage of wave through different sorts of discontinuity in complex conduits with surge tanks is given. Results of calculations are compared to the experimental data.

Аналіз досліджень гідравлічного удару в напірних водопровідних системах показує, що основним способом боротьби з цим явищем залишається застосування різноманітних протиударних пристроїв [1-6]. Разом з цим, слід відмітити недостатню висвітленість і вивченість питання проскоку гідравлічного удару в установках з короткими трубопроводами, що з'єднують регулюючий витрату пристрій і протиударний пристрій. Наприклад на гідроелектростанціях (ГЕС) довжина з'єднувального (турбінного) трубопроводу при регулюванні витрати випрямним апаратом визначається лише турбінною камерою [2], а в разі регулювання витрати на ГЕС передтурбінними затворами маємо випадок практично повної відсутності з'єднувального трубопроводу [3]. Останній випадок є характерним і для насосних станцій із водоповітряними резервуарами, які з'єднуються із станційними водоводами короткими вставками, а також в схемах ГЕС із регульованими затворами, які розміщуються біля зрівнювального резервуара [3,5].

Для таких установок (рис.1) розрахункові схеми та рішення повинні враховувати, що джерело виникнення гідравлічного удару (затвор, направляючий апарат турбіни, регульований клапан) знаходиться біля вузла з'єднання резервуара і водоводу. Крім того, навіть гідравлічна машина при різкій зміні її режиму роботи сама може бути джерелом нестаціонарних процесів для системи водоводів. Проскок гідравлічного удару у даному випадку буде формуватися втратами напору у вузлі з'єднання резервуару та інерцією потоку в ньому, а також пружними характеристиками дериваційного трубопроводу.

Рис. 1. Приклади конструкцій протиударних пристроїв

Для розв'язку задачі по визначенню проскоку гідравлічного удару повз зрівнювальний резервуар ГЕС застосовують різні розрахункові моделі. Зокрема, зрівнювальний резервуар розглядається як відгалуження напірного водоводу з врахуванням його пружних характеристик [7,8]. Модель [4] забезпечує майже однакову точність розрахунку з моделями [7,8] при суттєвому спрощенні врахування пружних характеристик резервуара. Новий підхід до розрахунку проскоку гідравлічного удару був запропонований в роботі [2], де резервуар розглядається як елемент напірної системи із концентрованим струменем.

Методика застосування вищевказаних методів обмежуються класичними схемами енергетичних установок: водосховище - дериваційний водовід - протиударний пристрій - турбінний трубопровід - регулюючий витрату пристрій. Ці методи неможливо застосувати для систем з вузлами додаткового опору без явно сформованої струменевої течії, наприклад, вихровою [6] і з додатковими просторовими обмеженнями, що мають місце у вузлах з'єднання водоповітряних резервуарів закритих зрошувальних систем, а також для систем з малою довжиною з'єднувальних водоводів. Для розрахунку таких систем у розвиток методу [2] пропонується метод інтегрального миттєвого опору вузла з'єднання протиударного пристрою і водоводу, на якому він встановлюється [9,10].

В методі [9] вводиться поняття інтегрального загального опору вузла у формі втрат напору у вузлі в умовах неусталеного руху, який залежить від коефіцієнта миттєвих втрат напору і витрати в резервуарі

. (1)

Коефіцієнт залежить від змінного в часі напору Н і визначається по фазах.

Заміна виразу для перепаду тиску у вузлі установки протиударного пристрою за методами [2-4]

(2)

де - гідравлічні втрати напору в місцевих опорах вузла; - інерційний напір потоку в підводах та струмені, на вираз (1) дозволило спростити розв'язок графічним методом і отримати аналітичне рішення. Основні положення методу інтегрального миттєвого опору надано в [9,10].

У відносних величинах перепад тиску визначається за формулою

(3)

де - відносні початкові втрати напору в деривації і вузлі з'єднання резервуара з водоводом. Загальний тиск і відповідно перепад тиску визначається по фазах.

Порівняльні розрахунки за різними методами наведені в роботах [9,10] і підтверджують достатню високу точність пропонованого методу миттєвого інтегрального опору для розрахунку проскоку гідравлічного удару повз протиударні пристрої і доцільність його застосування в проектній практиці і дослідницькій роботі.

Для установок з короткими з'єднувальними трубопроводами або у разі майже повної їх відсутності (рис.2) можна реалізувати декілька підходів для пошуку рішення.

Перший підхід. Зберігаючи логіку рішення [9,10] як і для випадку з довгим турбінним трубопроводом, отримаємо наступні залежності для визначення витрат q та зміни напорів у створах „А” і „С”, а також для визначення витрати резервуару qp.

(4)

Складові залежності (4) визначаються за формулами:

, (5)

Рис. 2. Розрахункова схема установки із коротким турбінним водоводом

де ; .

Так як

, (6)

тоді без врахування відбиття ударних хвиль від створу „D” отримаємо

, (7)

Де

, (8)

і таким чином отримаємо залежність для визначення зміни тиску та витрати у створі „С”

, (9)

. (10)

Із врахуванням заміни коефіцієнта Kslj його виразом згідно [9] залежність для визначення проскоку гідравлічного удару для даних умов має вигляд

, (11)

де - відносні втрати напору у вузлі підключення резервуару.

Витрата потоку, який втікає в резервуар, визначається залежністю

. (12)

Подібним чином можна отримати розрахункові залежності і для випадку із врахуванням відбиття ударних хвиль

; (13)

. (14)

Витрата резервуару визначається аналогічно першому випадку по залежності (12).

При швидкому неповному закритті регулюючого запірного пристрою (Ts? 2=2LD /cD) проскок визначається залежністю

, (15)

де - ударний тиск в створі „А” в кінці закриття визначається за формулою

. (16)

При повному закритті затвору, при таких умовах (Ts tфази) виникає прямий гідравлічний удар

, (17)

а параметри , , визначаються по залежностям:

; (18)

; (19)

або . (20)

Для схеми установки без “з'єднувального водоводу” (характеристика умовна, так як конструктивно такий трубопровід завжди є) розрахунки можна виконувати за методикою, яка розроблена для класичної схеми енергетичної установки із з'єднувальними водоводами. Однак у цьому випадку розрахунок ускладнюється через велику кількість розрахункових фаз.

Другий підхід. Для умов швидкого регулювання у схемах ГЕС без турбінного трубопроводу дослідним даним добре відповідає квадратичний закон зміни тиску на вході в резервуар. Коефіцієнт пропорційності - характеристика вузла визначається точкою перетину її із лінією пропускної здатності вузла (рис.3), тобто визначається із умови

. (21)

Рис. 3. Схема до визначення коефіцієнта

Таким чином, згідно рис. 3 враховуючи (21) отримаємо

; (22)

; (23)

; (24) ; (25)

. (26)

У відносних величинах

. (27)

Для такої моделі справедлива рівність ,

звідки отримаємо

, (28)

. (29)

Для оцінки методу розрахунку і адекватності пропонованої розрахункової моделі для систем з з'єднувальними водоводами незначної довжини виконані експериментальні дослідження на лабораторній установці кафедри гідроенергетики і гідромашин НУВГП. Схема установки приведена рис. 4.

Рис. 4. Схема експериментальної установки

Лабораторна установка має водовід 1 діаметром 100 мм і довжиною 18,5 і 31,5 м та розрахована на витрату до 10 л/с (швидкість до 1,4 м/с), зрівнювальний резервуар 2 діаметром 200 мм із додатковим опором вузла = 2,5; 3,8; 13,4; 28,7; 55,9; 73,3; 74,7; 231,4. В якості регулюючого пристрою використовувались засувка 3 і зворотній клапан 4.

Зміна тиску у вузлі перед резервуаром та в деривації ДНД фіксувалась за допомогою електронно-вимірювального блоку на базі осцилографа марки Н 117/1 і тензопідсилювача 8 АНЧ - 7М. На рис.5 наведена осцилограма одного із дослідів (серія 5, дослід 5: Lдер=18,5 м, =55,9, Q=5,0 л/с).

Рис. 5. Осцилограма гідравлічного удару:

1 - тиск біля клапана; 2 - тиск в деривації

Всього було виконано 10 серій дослідів: 2 довжини деривації, 5 витрат води і 7 гідравлічних опорів вузла при кожній витраті.

Нижче приведені порівняльні параметри для характерних режимів роботи.

Порівняння виконувалось для умов натурного об'єкта із зміною швидкостей в напірному водоводі в межах 3-5 м/с (vср=4м/с), при якій забезпечуються втрати напору в системі не більше 10 … 15% від статичного напору. гідравлічний удар хвиля водовід

Для моделі це складає приблизно 0.3 … 0,3 м. враховуючи характеристику установки такі втрати напору відповідають витраті на моделі 3,5 … 4,0 л/с або швидкості 0,45 … 0,55 м/с, тобто vср=0,5 м/с.

Враховуючи течію на лабораторній установці (без штучного підйому) співвідношення швидкостей в натурі і на моделі буде визначатися умовами моделювання за Фрудом.

Таким чином, лінійний масштаб складає приблизно l=60, що відповідає натурній установці з витратою Qн=Qмl2,5120м3/с при водоводі діаметром приблизно 6 м довжиною біля 900 м і 1800 м.

Зміна тиску в деривації ДНДпр від гідравлічного удару в залежності від основних параметрів (Q, L, ) на моделі та розрахункові значення (другий варіант) наведені на рис. 5 і 6.

Рис. 6. Порівняльні графіки проскоку гідравлічного удару при lдер=18,5 м:

а) =13,4; б) =74,7; в) =55,9; г) =73,3;

1 - експериментальні значення; 2 - розрахункові

Порівняння показує, що запропонована методика розрахунку дозволяє вирішувати задачу проскоку гідравлічного удару в системах з короткими з'єднувальними трубопроводами з достатньою точністю.

Література

1. Берлин В.В., Муравьев О.А. Переходные процессы на ГЭС с уравнительными резервуарами. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 152с.

2. Кривченко Г.И. Гидравлический удар и рациональные системы регулирования турбин гидроэлектростанций.-М.-Л.: Госэнергоиздат, 1951.-199с.

3. Орлов В.А. Уравнительные резервуары гидроэлектростанций.-М.: Энергия, 1968.-180с.

4. Клабуков В.М. Гидравлический удар в водоводах, имеющих уравнительный резервуар с дополнительным сопротивлением. //Известия вузов, Строительство и архитектура, №2, 1958.-с.182-193.

5. Герасимов Г.Г., Герасімов Є.Г. Трубопровідні системи з водоповітряними резервуарами. - Рівне. НУВГП, 2005.-с.328.

6. Prenner, R.: Das Widerstandsverhalten von Kreisblenden in DruckstoЯsystemen; Dissertation am Institut fьr Konstruktiven Wasserbau, TU-Wien, 1997.

7. Аронович Г.В., Картвелишвили Н.А., Любимцев Я.К. Гидравлический удар и уравнительные резервуары. - М.: Наука, 1968. - с.248.

8. Мостков М.А. Гидравлический удар в гидроэлектростанциях. - М. - Л.: Гонти, 1938. - 45с.

Размещено на Allbest.ru