CC BY
11
ских воздействий, выполнение поверочных расчетов сейсмостойкости с учетом современного состояния грунтов и конструкций сооружений Жигулевской ГЭС: метод. рекомендации; разработчики ОАО «Инженерный центр ЕЭС-Гидропроект», «Ленгидропроект», «Теплоэнергопроект», фирма «ОРГРЭС». - М.: Центр службы геодинамических наблюдений в энергетической отрасли (ЦСГНЭО), 2004.
3. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения / В. Н. Гордеев [и др.] - М.: Изд-во СКАД СОФТ, 2009. - 514 с.
4. Леонов О. В., Романов А. А., Евдокимов С. В. Анализ сейсмических условий района расположения Жигулевской ГЭС // Вестник СГАСУ. - 2011. - № 2. -С. 12-22.
5. Романов А. А. Жигулевская ГЭС. Эксплуатация гидротехнических сооружений. - Самара: изд-во «Агни», 2010. -360 с.
6. Вибрационное обследование гидроагрегата ст. 1 Жигулевской ГЭС после проведения капитального ремонта. -
Жигулевск: ООО «Ампер», 2009.
7. Заключение эксперта № 026-039-0200223 от 8 апреля 2010 года - Тольятти: ТПП «СОЭКС-Тольятти», 2010.
8. Заключение Государственной экспертизы по декларации безопасности гидротехнических сооружений Жигулевской ГЭС. - М.: Ростехнадзор, 2011.
Материал поступил в редакцию 08.06.12. Романов Алексей Александрович, кандидат технических наук, профессор, главный эксперт, заслуженный энергетик СССР
Тел. 8 (84862) 7-93-50
Иванов Борис Георгиевич, доктор технических наук, доцент кафедры «Технология и организация строительного производства» Тел. 8 (846) 242-14-93
Евдокимов Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Природоохранное и гидротехническое строительство» Тел. 8 (846) 242-21-71
УДК 502/504 : 628.288 : 532.527.001.5 И. С. РУМЯНЦЕВ, И. В. МАРКИНА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
ОЦЕНКА СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ОСНОВНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ ЖИГУЛЕВСКОЙ ГЭС
Обобщен опыт формирования и использования закрученных потоков в водопропускных сооружениях, подтверждена возможность применения таких потоков для повышения наносотранспортирующей способности потока.
Ливневая канализация, закрученный поток, завихритель, тангенциальный,
отстойник, наносы, транспортирующая способность потока, осевой поток.
There is generalized the experience of formation and usage of twisted flows in water culverts, the possibility of their usage is confirmed for increasing the flow nanotransporting capacity.
Storm sewage, twisted flow, swirler, tangential, mud box, drifts, flow transporting
capacity, axial flow.
Перенос естественным или искусствен- хозяйстве (отвод ливневых вод с территории ным потоком наносов - явление, широ- города). Однако существует серьезная ко распространенное как в природе, так и проблема осаждения наносов на дно трубопро-технике, например, в строительстве (гидро- водов, что приводит к их заилению, ухуд-транспорт), в гидроэнергетике (промывные шению условий работы и, в конечном счете, галереи отстойников ГЭС), в коммунальном к необходимости проведения дорогостоящих
№ 5' 2012
и
аварийно-восстановительных работ.
Повысить транспортирующую способность осевого потока можно только за счет повышения скорости, что в случае безнапорного движения возможно при увеличении уклонов трубопроводов. Однако это ведет к значительному удорожанию стоимости земельных работ, усложнению эксплуатации и ремонта.
Решением задачи увеличения транспортирующей способности потока может стать создание в трубопроводах закрученного потока. Под закрученным потоком понимают движение жидкости, при котором скорость V частиц имеет две основные составляющие: продольную, направленную вдоль оси движения потока, и окружную, направленную по нормали к оси потока. Последняя определяет направление перемещения твердых частиц относительно продольной оси потока [1].
Данный метод основан на предложении М. В. Потапова использовать искусственное регулирование режима потока путем возбуждения в нем поперечной циркуляции с помощью специальных струе-направляющих устройств (завихрителей) [2]. Применение завихрителей в технике обусловлено возможностью компактного формирования закрученного потока и со-
А-А А
ответствующего поля центробежных сил. Используемые на практике завихрители могут располагаться на входе в трубу и формировать местную закрутку потока, а могут располагаться по всей длине трубы - протяженные завихрители [3].
Изначально закрученные потоки в гидротехнических сооружениях применялись для предотвращения возникновения кавитации в шахтных водосбросах, а также в новых промывных устройствах отстойников гидроэлектростанций.
В целях обобщения опыта формирования и использования в водопропускных сооружениях закрученных потоков, а также подтверждения возможности применения закрученных потоков для повышения на-носотранспортирующей способности потока авторами статьи выполнены аналитические исследования. Результаты проведенного авторами эксперимента получены на специально выполненной установке. Для получения более объективного результата привлекались другие работы, в которых решались схожие задачи [4, 5]. Прототипом экспериментальной установки (установка 1) послужил участок ливневого уличного коллектора диаметром 500 мм и длиной 75 м, типичный для городского района, границами которого служат смотровые колодцы (рис. 1).
30; 20; 10
2000
150
.250,
Рис. 1. Схема экспериментальной установки 1: 1 - приемный бак; 2 - закручивающее устройство (тангенциальный завихритель) со вставками; 3 - подвижный участок трубы из промышленного «рукава»; 4 - участок трубопровода из оргстекла ^ = 100 мм); 5 - подставка, позволяющая менять уклон; 6 - отводящий лоток (показан условно); 7 - треугольный водослив
Расходы q, пропускаемые коллекторами в натурных условиях, составляют 144,6 л/с при скорости V = 0,92 м/с (рабочее наполнение h/d = 0,75) [6]. Геометрический
масштаб модели принят 1:5.
Для закрутки потока использован тангенциальный бескамерный завихри-тель, обладающий наиболее простой и
№ 5' 2012
надежной конструкцией. Закрутка в этом случае осуществляется путем подвода потока по касательной к образующей отводящего водовода [7]. В общем случае угол между осями подводящего и отводящего водоводов может быть как тупым, так и прямым. При горизонтальном отводящем водоводе подводящий водовод может быть вертикальным, наклонным или горизонтальным (рис. 2).
Основной характеристикой тангенциальных завихрителей является геометрический параметр А:
вгтгР,
Рис. 2. Схема тангенциального завихрите-
ля: 1 - подводящий водовод, 2 - отводящий водовод, в - угол между осями подводящего и отводящего водоводов, И0 - расстояние между осями подводящего и отводящего во-
доводов; а>
930
площадь входного сечения
4300
где Иц - расстояние от оси отводящего трубопровода до центра тяжести входного сечения площадью Fвх; И - радиус трубопровода; в - угол наклона подводящего водовода к завихрителю.
Для установки была разработана конструкция завихрителя с двумя съемными вставками, позволяющими менять угол закрутки потока. Таким образом, геометрический параметр завихрителя А с двумя вставками равен 2,86, с одной вставкой - 1,26, без вставок - 0,73. Ширина входного отверстия на модели составляла 10, 20 и 30 мм соответственно.
В качестве твердой составляющей потока использовался предварительно просеянный песок с диаметром фракций d = 0,5 мм (70 %) и d = 0,1 мм (30 %).
Задача исследований, выполненных в работе [4], сводилась к усовершенствованию конструкции промывных устройств отстойников непрерывного действия и к анализу их работы в лабораторных условиях.
Экспериментальная установка 2 предназначалась для изучения движения винтообразных и осевых потоков с переменной массой, их транспортирующей способности и влияния конструктивных особенностей промывных устройств на характеристики потока в отстойниках. Масштаб модели отстойника непрерывного действия был равен 1:10.
Схема установки представлена на рис. 3.
11
580
3500
6 ~ 7
10
4500
4850
А-А
300
Пьезометр нижнего бьефа
Рис. 3. Схема экспериментальной установки 2: 1 - насос; 2 - напорный трубопровод; 3 - бак; 4 - бункер для подачи песка; 5 - камера отстойника; 6 - сборно-промывная галерея; 7 - донная решетка; 8 - плоский щит для отвода воды из отстойника и галереи; 9 - лоток для осаждения наносов; 10 - водослив с тонкой стенкой; 11 -нижний лоток; 12 - пьезометрический щит
№ 5' 2012
(бб|
В качестве твердой составляющей взвесенесущего потока использовался песок, считавшийся условно однородным, с диаметром фракций d = 0,18 мм и с гидравлической крупностью W = 1,74 см/с.
В работе [5] дан анализ закономерности осаждения донных и взвешенных
наносов в камере песколовки-отстойника гидроэлектростанции непрерывного действия с промывной галереей. Гидравлические исследования модели отстойника с входным порогом выполнялись на экспериментальной установке, ставшей частью замкнутой гидравлической системы лаборатории (рис. 4).
193 5
777 /// /// 777 777 777 /// /// /// 777 777 777 777—777~777—777 777-777 777—777 777 777—777—777 777 777—77Г
Рис. 4. Схема экспериментальной установки 3: 1 - задвижка; 2 - бак; 3 - подводящий канал; 4 - камера отстойника; 5 - отводящий канал; 6 - входной порог; 7 - промывная труба; 8 - мерный бак; 9 - сетки для улавливания наносов; 10 - пускатель; 11 -нижний лоток; 12 - водослив с острым порогом
В качестве материала, имитирующего наносы, использовались частицы из полистирола цилиндрической формы с условным диаметром d = 1,0; 2,0; 3,0 и 4,0 мм, плотностью р = 1,10 г/см3 и гидравлической крупностью W = 2,12...4,2 см/с.
Результаты исследований пропускной способности и изменения угла закрутки.
Пропускная способность трубопроводов в первую очередь зависит от площади входного отверстия. Она снижается при уменьшении входного отверстия, т. е. увеличении степени закрутки потока. Пропускная способность установок 1, 2 и 3 составляет 1,8.5,6; 2,4.17,0; 1,55.3,61 л/с соответственно.
Наличие наносов в потоке не влияет на пропускную способность. При
заилении дна трубы в эксперименте на установке 2 она снижается всего на 2.3 %.
Закрутка гаснет по длине трубопровода: чем больше начальный угол закрутки а, тем больше расстояние, на котором сохраняется закрутка. Углы закрутки в экспериментах на установках 1, 2 и 3 имеют следующие значения: 1,43.0,95; 1,8.0,675 и 0,478.0,805 соответственно.
По сечению потока угол закрутки также является переменной величиной и увеличивается от нуля на оси потока до максимального значения у стенки галереи.
Изучение характера изменения скоростей закрученных потоков показало следующее:
с увеличением угла закрутки
Кб)
№ 5' 2012
средняя скорость потока увеличивается, при этом увеличивается значение окружной составляющей скорости, а значение осевой составляющей уменьшается;
окружные скорости иф по горизонтальному диаметру увеличиваются от нуля на оси потока до максимального значения у стенки; по вертикальному диаметру значения иф имеют большие значения ниже оси, а меньшие - выше оси;
на начальном участке галереи вблизи оси потока значение окружной скорости иф больше, чем на выходном участке.
При изучении распределения наносов по сечению и длине трубопроводов выявлены следующие закономерности:
по сечению потока наносы распределяются относительно равномерно. Их минимальная концентрация находится на оси потока, максимальная - у стенки трубы;
в продольном направлении движения имеют место пульсации мутности;
увеличение наносов в потоке приводит к началу осаждения, однако осевшие в виде гряд частицы постепенно передвигаются по дну и при дальнейшем прекращении подачи наносов полностью смываются. Средняя концентрация наносов в потоке в экспериментальных работах составляет 1 г/л. При всех режимах оседание начинается в месте, где поток переходит в осевой;
при проведении сравнительных опытов (на установке 2) транспортирующая способность осевого потока в среднем в 2,9 раза меньше, чем закрученного.
Выводы
Результаты, полученные при решении аналогичных задач на трех различных установках, но с сопоставимыми методиками измерений и параметрами проведения экспериментов, позволяют обобщить опыт формирования закрученных потоков в промывных трубах.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований дополняют ранее полученные данные и подтверждают эффективность транспортирующей способности закрученных потоков.
1. Инженерная гидравлика закрученных потоков жидкости / В. В. Волша-ник [и др.] // Гидротехническое строительство - 2000. - № 11. - С. 23-26.
2. Потапов Б. А. Циркуляционное течение в круглой трубе: научные записки МГМИ. - М.: МГМИ, 1948. -С. 17-23.
3. Зуйков А. Л. Гидродинамика циркуляционных течений научное издание.
- М.: изд-во АСВ, 2010. - 216 с.
4. Шатанов А. А. Исследование промывных устройств в отстойниках гидроэлектостанций: дис. ... канд. техн. наук. - М.: МИСИ, 1974. - 165 с.
5. Конате Секу. Закономерности осаждения донных и взвешенных наносов в отстойниках гидроэлектростанций: дис. ... канд. техн. наук. - М.: МИСИ, 1989. - 179 с.
6. Лукиных А. А., Лукиных Н. А. Таблицы для гидравлического расчета канализационных сетей и дюкеров по формуле академика Павловского - М.: Стройиздат, 1974. - 156 с.
7. Ханов Н. В. Гидравлика водосбросов с тангенциальными завихрителями.
- М.: МГУП, 2003. - 224 с.
Материал поступил в редакцию 09.11.12. Румянцев Игорь Семенович, доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой «Гидротехнические сооружения» Тел. 8 (499) 240-45-17 E-mail: [email protected] Маркина Ирина Вячеславовна, аспирантка Тел. 8-903-556-33-46 E-mail: [email protected]
№ 5' 2012
1571
