CC BY
12
УДК 502/504:627.832:62-503.51 Д. М. БЕНИН, В. Л. СНЕЖКО
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
УВЕЛИЧЕНИЕ ДИАПАЗОНА РАБОТЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ВОДОВЫПУСКОВ-СТАБИЛИЗАТОРОВ РАСХОДА
Представлены результаты экспериментальных исследований гидродинамических стабилизаторов расхода воды, использующих в качестве сигнала управления уровень верхнего бьефа. Предложенные конструкции имеют более высокий диапазон работы по напорам и более просты в конструктивном исполнении.
Гидротехнические сооружения, водовыпуски, автоматизация.
The results of experimental studies of hydrodynamic stabilizers of water flow which use the upstream level as a control signal, feeding a control signal from the upper pool. The proposed designs have a higher range of work on pressure and they are simpler in design.
Hydraulic structures, culverts, automation.
Основные водопроводящие сооружения малых гидроузлов - это водосброс, обеспечивающий проектный режим эксплуатации водохранилища в период пропуска паводка, и водовыпуск, основное назначение которого - подача расхода полезных попусков в речное русло. По данным обследования гидротехнических сооружений водохранилищ Московской области, на гидроузлах, имеющих в своем составе водовыпускные сооружения, служба эксплуатации была предусмотрена не более чем на 30 % объектов, при этом неудовлетворительный и опасный уровень безопасности водовыпусков был зафиксирован на 50 % объектов [1]. На большинстве водовыпусков не работали задвижки, необходимые для регулирования подачи расхода; колодцы, в которых они размещались, оказались затопленными; в нижнем бьефе наблюдались зоны размыва русла вблизи выходных участков сооружений.
Одна из научных проблем перспективного развития гидротехнического строительства - создание эффективных конструкций гидротехнических сооружений, позволяющих снизить затраты на капитальное строительство [2]. В настоящее время ведутся работы по ремонту и реконструкции малых водохра-нилищных гидроузлов, поэтому актуальной задачей является разработка новых конструкций автоматических водовыпусков, не подверженных сбоям из-за механических повреждений датчиков уровня и передаточных устройств и не требующих постоянного присутствия эксплуатационного персонала.
№ 2' 2011
Гидродинамические стабилизаторы являются автоматическими сооружениями, стабилизирующими расход водовыпусков низконапорных гидроузлов. Это устройства непрерывного регулирования, варьирующие свою пропускную способность в достаточно широких пределах как функцию изменения горизонта воды в водохранилище без вмешательства механически регулирующих узлов и датчиков уровня. Основы гидродинамического регулирования и первые экспериментальные исследования технических средств, его реализующих, выполнены в работах [3, 4]. По принципу действия разработанные водовыпуски отнесены к группе гидроавтоматов, производящих стабилизацию изменением коэффициента расхода в функции (Н - перепад между бьефами). Они образовали новую классификационную группу, соответствующую способу регулирования -использование дополнительных гидравлических потерь при слиянии напорного транзитного и управляющего потоков, причем мощность транзитного потока превысила мощность управляющего. Конструкции гидродинамических стабилизаторов расхода сформировали новую группу технических средств, реализующих указанный способ регулирования - конструкции с диффузорным низовым участком.
Основной регулирующий орган стабилизаторов - камера слияния, в которой происходит взаимодействие транзитного и управляющего потоков. Она характеризуется углом подвода расхода управления р, площадью управляющего юб и
(85
Гидравлика, гидрология, водные ресурсы
транзитного юс водоводов, совокупность которых дает динамику коэффициента сопротивления камеры. Не менее важную роль в процессе регулирования играет диффузор, расположенный на концевом участке, его степень и углы расширения п и у соответственно (рис. 1).
Проточная часть существующих стабилизаторов имела квадратное сечение, удобное для исполнения в бетоне. Наиболее простые в технологическом исполнении углы подвода управляющего потока Р = 90° рекомендовались только в сочетании с диффузорами, несимметрично
Рис. 1. Конструктивная схема гидродинамического стабилизатора расхода: 1 - плотина; 2 - входной оголовок водовыпуска; 3 - транзитный водовод; 4 - управляющая башня; 5 - боковая стенка водослива; 6 - диффузор; 7 - диафрагмы; 8 - обсыпка мятой глиной; 9 -крепление выходного участка; 10 - водосливная грань
расширяющимися в трех плоскостях, что приводило к высоким значениям гидравлических сопротивлений выходных участков, снижающим диапазон стабилизации по напорам. Оптимальными считались конструкции с относительной площадью управления юб/юс = 0,8™ 1,0, имеющие относительный предел стабилизации по напорам 0,24...1,1. Расширение диффузора в вертикальной плоскости затрудняло привязку стабилизаторов к бьефам, требующую заглубления выходной кромки под минимальный уровень для обеспечения устойчивого напорного режима работы. В существующих конструкциях плоские диффузоры рекомендовались только с относительной площадью управления 0,8 при угле подвода потока управления 135°, что значительно ослабляло верхнюю стенку транзитного водовода, было технически сложновыполнимым. Плоские диффузоры, более простые в исполнении и не требующие заглубления подземной части сооружения, не давали эффекта из-за малых степеней расширения. Между тем при оптимально подобранных параметрах они могли эффективно снижать
пьезометрическую линию водовыпуска, обеспечивая минимальное значение гидравлических сопротивлений и увеличивая диапазон стабилизации. Конструкции, имеющие подвод управляющего потока под прямым углом, транзитный и управляющий водоводы круглого сечения из стальных труб и плоский диффузор прямоугольного сечения, выполненный из бетона, являются технологически более простыми.
С учетом перечисленных требований авторами предложен ряд усовершенствований проточной части гидродинамических стабилизаторов расхода по верхнему бьефу. Предпочтение отдано стабилизаторам с плоскими диффузорами, прямым углом подвода потока управления и относительной управляющей площадью не более 0,6.
Положение горизонта воды в управляющей башне определяется так: АЯш Н
_ -[(^.с. + О - (1 + тУ - (1 + т)Аа + т%ш_с.
(Ст.е. + Сн )■ С1 + т) + С1 + т)тАа + Ст.с
86
№ 2' 2011
где АН - разность между горизонтом воды в шахте и УНБ; Н - напор на сооружение; ^бс -коэффициент местного сопротивления потока управления, приведенный к сечению перед диффузором; С, - коэффициент сопротивления диффузора при выходе в бьеф; т - относительный управляющий расход, т = q/Q (здесь д -расход управления, Q - расход транзитного водовода); Аа - разность коэффициента Кори-олиса для распределения скоростей транзитного и управляющего потоков в сечении перед диффузором; С, - коэффициент местного сопротивления башни, приведенный к сечению перед диффузором.
При стабилизации со стороны верхнего бьефа возможны три случая работы сооружения: АН ш > 0 при положении уровня воды в управляющей башне ниже нижнего бьефа; АНш = 0 при выравнивании горизонтов воды в управляющей башне и нижнем бьефе; АНш < 0 при положении горизонта воды в управляющей башне выше нижнего бьефа. Стабилизация прекращается при АНш /Н = - 1 • или при выравнивании горизонта воды в управляющей башне и верхнем бьефе. Предел стабилизации горизонта воды в башне связан с приращением верхнего бьефа через коэффициент расхода стабилизатора, который является убывающей функцией относительного управляющего расхода - ц = /(т).
Работа конструкций, для которых теоретические значения диапазона стабилизации оказались максимальными, была экспериментально исследована в лаборатории гидравлики Московского государственного университета природообустройства. На рис. 2 представлены теоретические и экспериментальные значения для двух вариантов стабилизаторов с усовершенствованной проточной частью, имеющих угол подвода потока управления 90°, относительную управляющую площадь 0,6 и водоводы круглого сечения. Плоский прямоугольный диффузор для обоих вариантов имеет степень расширения п1 = 4 при углах расширения в горизонтальной плоскости 8° (верхняя кривая) и 30° (нижняя кривая). Безотрывность течения и снижение коэффициента сопротивления в укороченном диффузоре достигнуто устройством двух разделительных стенок.
Точность стабилизации - это отклонение суммарного расхода водовыпуска от первоначального. Для всех исследованных конструкций подбор ширины водосливного фронта в стенке управляющей башни позволяет обеспечивать точность стабилизации, не превышающую 5 % .
Выводы
Экспериментальные исследования гидродинамических стабилизаторов с
dh/H
1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
-о-
---о* -Xх — X
хX! Хг?^
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Относительный управляющий расход
Рис. 2. Диапазоны стабилизации конструкций с плоскими диффузорами
усовершенствованной конструкцией проточной части подтвердили, что слияние расхода, поступающего через башню, и транзитного расхода в соотношении 0,6 обеспечит постоянство водоподачи при росте напора на 100... 120 %о. Это в 1,25...1,5 раза выше, чем допустимый диапазон колебаний напора у существующих конструкций. Немногие технические устройства, в которых используются другие способы стабилизации расхода, обладают такими возможностями. Гидродинамическая стабилизация для автоматизации водовыпускных сооружений является перспективным направлением исследований.
1. Каганов Г. М., Волков В. И., Се-кисова И. А. Анализ состояния низконапорных гидротехнических сооружений Российской Федерации на примере обследования гидроузлов Московской области // Гидротехническое строительство. -2008. - № 8. - С. 26-37.
2. Румянцев И. С. Проблемы гидротехнического строительства в России // Приро-дообустройство. - 2008. - № 1. - С. 12-17.
3. Снежко В. Л., Беглярова Э. С., Лысенко П. Е. Автоматические водовы-пуски низконапорных гидроузлов с гидродинамическим регулированием расхода // Мелиорация и водное хозяйство. -2004. - № 6. - С. 20-22.
4. Снежко В. Л. К вопросу автоматизации напорных водовыпускных сооружений малых гидроузлов // Перспективы науки. - 2010. - № 10 (12). - С. 54-58.
Материал поступил в редакцию 15.03.11. Снежко Вера Леонидовна, кандидат, технических наук, доцент, заведующая кафедрой «Вычислительная техника и прикладная математика»
Тел. 8 (499) 153-97-66, 8-909-943-55-33 E-mail: VL_Snejko@mail.ru Бенин Дмитрий Михайлович, аспирант E-mail: dmitrij552@mail.ru
№ 2' 2011
