Гашение избыточной энергии потока в гидротехнических сооружениях с использованием закрученного потока

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ТарГУ им. М.Х. Дулати, Тараз

Гашение избыточной энергии потока в гидротехнических сооружениях с использованием закрученного потока

Джурумбаева Р.А., Сейткасымова С.А.

Закрученные потоки жидкости нашли широкое применение в современной технике и достаточно подробно изучены во многих своих проявлениях. Одной из областей техники, где возможно самое широкое применение закрученных потоков воды, является гидротехника.

Водопропускные гидротехнические сооружения, как правило, использующие положительные эффекты, возникающие при закрутке воды, издавна привлекали внимание специалистов, особенно при проектировании высоконапорных гидроузлов. К настоящему времени накоплен определенный опыт в проектировании водосбросов с закруткой потока.

При проектировании и строительстве высоконапорных гидроузлов возникает задача разработки конструкций водосбросных сооружений, способных надежно работать при напорах до 200ч300 м и скоростях потока до 50ч60 м/с. При отмеченных значениях определяющих параметров последних необходимо надежно защитить проточную часть водосбросов от кавитационной эрозии, снизить динамические нагрузки на элементы сооружения, предотвратить возможность возникновения значительных повреждений крепления нижнего бьефа и недопустимых размывов дна.

Одним из перспективных направлений в создании высоконапорных водосбросных сооружений является использование закрученного потока, обеспечивающего эффективное гашение избыточной кинетической энергии потока внутри водосбросного сорружения.

При прохождении потоком конструктивных элементов сооружения, в воде возникают вихри, как свободные, так и ограниченные твердыми стенками. Эти турбулентные образования могут заметно снизить пропускную способность водоприемника или водосброса. Долгое время считалось, что возникновение вихревого движения является отрицательным и было разработано немало конструкций, предотвращающих возникновение водоворота. В 40-е годы итальянские ученые М. Випарелли [4] и К. Дриоли [5] установили, что вихревое движение имеет ряд положительных особенностей, улучшающих эксплуатационные характеристики сооружения. Ими была предложена новая конструкция сбросного сооружения - вихревой шахтный водосброс, в котором закрученное движение потока возбуждается специальной спиральной камерой (рис.1).

Это сооружение стали чаще использовать при строительстве средне- и высоконапорных гидроузлов энергетического и водохозяйственного назначения. Впервые вихревой шахтный водосброс был построен в Италии в 1947 г., на первой ступени гидроэнергетической системы на р. Пескара. В настоящее время в разных странах мира построено более 50 таких сооружений с различными схемами вихревого движения потока.

Как известно, вихревые шахтные водосбросы имеют следующие достоинства: высоконапорный гидроузел энергия водосбросный

1. устойчивость работы во всем диапазоне сбрасываемых расходов от нуля до максимального;

2. возможность гасить до 50% кинетической энергии потока, в ходе вращательного движения потока в шахте;

3. образование положительного давления на стенки шахты, что снижает опасность возникновения кавитации;

4. возможность использования воздушного ядра в центре шахты для вентиляции отводящего туннеля и отказа от специальной аэрационной шахты, что позволяет снизить стоимость сооружения.

В то же время, существующие схемы имеют серьезный недостаток - низкую пропускную способность. При одинаковом диаметре шахты они пропускают в 2,5-3,0 раза меньше воды, чем шахтный водосброс с кольцевым водосливом на входе. Однако приведенные преимущества вихревых шахтных водосбросов заставляют искать пути повышения пропускной способности, а следовательно расширения сферы их применения. Исследования в этом направлении показали, что имеются реальные возможности повышения пропускной способности вихревых шахтных водосбросов.

Рис. 1 Схема вихревого шахтного водосброса 1-подводящий канал,2- вихревая камера,3- вертикальная шахта,4- колено, 5- отводящий туннель.

В лаборатории гидравлики гидротехнических сооружений КазНИИ Энергетики в течении ряда лет выполнялись исследования по разработке новых конструкций вихревых шахтных водосбросов. В Казахстане, по предложению лаборатории, на селезащитной плотине Медео были построены тангенциальные вихревые водосбросы. Эти новые схемы, как и ранее существующие, применимы только для объектов с малыми сбросными расходами. Однако исследования показали, что вихревые шахтные водосбросы можно применять и для пропуска больших расходов. В лаборатории КазНИИ Энергетики были разработаны новые конструкции, позволяющие увеличить пропускную способность этих сооружений [1]. Параметры этих новых конструкций получаются приемлемы при расходах значительно превышающих расходы существующих вихревых шахтных водосбросов. Проведенные исследования доказали принципиальную возможность осуществления конструкций вихревого шахтного водосброса для пропуска больших расходов, которые вполне могут конкурировать с шахтными водосбросами с кольцевым водосливом на входе по пропускной способности.

В разработанных конструкциях различных схем вихревого шахтного водосброса главным кинематическим элементом является закрученный поток. Как было отмечено, одним из основных положительных эффектов его является образование поля давления на стенки шахты по всей ее высоте, что приводит к увеличению потерь энергии потока в шахте и снижению возникновения кавитации. Поэтому естественны попытки использовать эти положительные эффекты в других схемах гидротехнических сооружений.

Исследования показали, что вихревое движение водного потока в вертикальной шахте туннельного водосброса сопровождается образованием давления на стенки. В верхней части шахты имеется небольшой участок с отрицательным давлением, которое затем переходит в положительное. Оно будет положительным до точки отрыва потока от стенок шахты и если в этой зоне дать расширение шахты, то произойдет «веерное» расширение потока. Экспериментальными исследованиями была выявлена одна особенность закрученного движения, а именно в шахте после совершения одного полного поворота (первого витка) поток можно отводить в любую сторону относительно направления первоначального движения. Используя эти две характерные особенности закрученного потока была разработана новая конструкция сооружения на выходе из отводящего туннеля шахтного водосброса [2]. Разработанное низконапорное сооружение названное -вихревой перепад- применяется для гашения энергии потока на выходе из туннельного водосброса, поворота его в нужном направлении и снижения удельных расходов. Новая конструкция вихревого перепада была построена на водосбросном туннеле селезащитной плотины на оз. Иссык и его успешная работа позволило принять решение о строительстве аналогичной конструкции на водосбросном туннеле Бес-Тюбинского гидроузла [3].

Развитие гидротехнического строительства для целей гидроэнергетики требует разработки более эффективных и надежных конструкций водопропускных и водосбросных сооружений.

Разработанные новые конструкции далеко не исчерпывают возможности использования вихревого движения в гидротехнике. Предложенные новые конструкции и методы их гидравлического расчета помогут более широкому применению водосбросов с закрученными потоками, так как они обладают рядом эксплуатационных преимуществ перед обычными сооружениями.

Литература

1. Ахмедов Т.К., Шаг И.П., Джурумбаева Р.А. Вихревой шахтный водосброс. Авторское свидетельство, №1723243, МКи Е02В8/06 Б.И. , 1991, №37.

2. Ахмедов Т.Х., Джартаева Д.К., Бельгибаев Б.К., Джурумбаева Р.А. « Вихревой перепад», Патент РК №8316, кл. Е03В3/00, 1999.

3. Джурумбаева Р.А., Сейткасымова С.А. Гашение энергии сбросного потока на выходе из закрытых водосбросов. Роснаука (интернет -конференция), 2011г.

4. Viparelli M.Su un particolare tipo unbacco e suce'ettlusso con vortice - L'Energici Elettrica 1950, №10, S. 610-624.

5. Drioli C. Experienze su istallazioni con posso di searico a vortice - L'Energici Elettrica 1969, №6, S. 399-409.

Размещено на Allbest.ru