К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ
НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ВЕРХНЕГО БЬЕФА ТРУБЧАТЫХ ВОДОЗАБОРНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ
Волосухин В.А., д-р техн. наук, профессор, Заслуженный
деятель науки РФ, директор Института безопасности гидротехнических сооружений,
г. Новочеркасск,
Белоконев Е.Н., канд.
техн. наук, профессор, Заслуженный мелиоратор РФ, старший научный сотрудник
Института безопасности гидротехнических сооружений, г. Новочеркасск,
Волынов М.А., канд. техн. наук, доцент,
заместитель директора по науке ГНУ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова
К особенностям работы
верхнего бьефа трубчатых сооружений (дорожных труб, трубчатых переездов,
водозаборных и водосбросных сооружений мелиоративных систем, водозаборов
гидроаккумулирующих электрических станций (ГАЭС) и др.) относится явление воронкообразования.
Образование воронки может уменьшать пропускную способность, провоцировать
разрушение крепления откосов на входе, засасывание шуги, льда, мусора и т.п.
Значительный вклад в
обобщение научных исследований в области воронкообразования внесли В.И.
Поликовский и Р.Г. Перельман [1].
Образование
вихреобразной воронки в жидкости при ее истечении из сосуда через донное
отверстие наблюдалось еще Леонардо да Винчи в конце XV века [1].
Позднее это явление
изучали Кастелли, Торричелли и затем Вентури [2], но причины образования
воронок ими не были установлены. В наше время этим вопросом занимались многие ученые.
Проф. В.Л. Евреинов [3] отметил, что при истечении жидкости из резервуара через
донное отверстие одной из причин, способствующих образованию воздушной воронки,
может служить кавитация.
Акад. Д.П. Граве [4]
считал, что причиной образования вращательного движения частиц жидкости при ее
истечении через отверстие в дне резервуара являются Кориолисовы силы,
возникающие вследствие воздействия вращения земли. Следовательно, в северном
полушарии вращение водоворотов не всегда должно происходить против движения
часовой стрелки. Однако опыты А. Будау [5] показывают, что вращение
водоворотов и в северном полушарии возникают также и в направлении, совпадающем
с движением часовой стрелки. Кроме того, при сохранении симметрического, точно
радиального притекания жидкости к отверстию вращения жидкости в сосуде и над
отверстием не наблюдается даже при очень малых напорах.
А.Х. Халпахчян [6]
показал, что сила Кориолиса, связанная с вращением земли, не может вызвать
водоворотов в жидкости вследствие своей малости по сравнению с инерционными
силами в жидкости, даже при малых скоростях ее движения. Возмущения, вызываемые
Кориолисовой силой, затухают в вязкой жидкости. А.Х. Халпахчян утверждал, что
воронки имеют вихревое происхождение и их интенсивность зависит от
интенсивности вихревых шнуров, подходящих к донному отверстию от источников
вихреобразований.
Вихревые нити,
поступающие к отверстию, движутся так, что верхний поток упирается в свободную
поверхность, а нижний - в дно камеры. У отверстия верхний конец задерживается,
а нижний переходит на внутреннюю стенку отводящей трубы (рисунок 1, а) и
перемещается вниз.
Диффундируя, вихревая
нить в то же время удлиняется. Однако еще до того, как напряженность первого
вихря значительно уменьшится, подходит второй вихрь, затем третий и т.д. Их
концы остаются на поверхности, а нижние перемещаются вниз (рисунок 1, б). В
результате по оси образуется вихревой шнур, напряженность которого достаточна
для создания глубокой воздушной полости в форме воронки, иногда проникающей
сквозь всю глубину потока (рисунки 1, в; 2; 3). В таком случае верхние концы
вихрей не задерживаются у оси, а перемещаются вниз по поверхности воронки. Так
как циркуляционные скорости к оси воронки увеличиваются, концы нитей вращаются
с различными скоростями, что вызывает навивание вихрей на воздушную
трубку воронки. Перемещаясь вниз, вихревая нить изменяет
свободную поверхность воронки, сообщая ей форму, похожую на штопор.
При развитой воронке
диффузия вихрей происходит не только вследствие изменения вихревых нитей, но и
в результате подсасывания их в отверстие. С некоторого момента осевой вихрь
приобретает установившийся характер, при котором вновь подходящие нити
компенсируют его диффузию за период между вихрями цепочки [1, 6].
а) б) в)
Рисунок 1 – Механизм
последовательного образования воронки по А.Х. Халпахчану
Рисунок 2 – Фотография Рисунок
3 – Фотография воронки воронки сбоку сверху
Возникновение воронки -
вихря при истечении жидкости через данное отверстие может быть следствием
постепенного накопления в массе жидкости значительного момента количества
движения в результате воздействия на поток в течение короткого времени небольших
возмущающих сил, например, заборного отверстия относительно граничных стенок,
наличия в области протекания жидкости перегородок, ребра при изменении
заложения откосов и др.
Условия
воронкообразования при истечении воды через боковые отверстия несколько
отличны от случая истечения через данное отверстие.
В гидротехнических
сооружениях могут иметь место следующие виды истечения воды:
- истечение через боковое отверстие,
расположенное на некотором расстоянии от дна (рисунок 4, а) при значительных
расходах отсасываемой воды, когда воронка образовывается при большой глубине;
- истечение через придонное
отверстие при больших глубинах (рисунок 4, б);
- истечение через придонное
отверстие при малых глубинах (рисунок 4, в).
а) б)
в)
Рисунок 4 – Виды
истечения воды при боковых отверстиях
• При варианте
истечения воды в отверстие, расположенное на таком расстоянии от дна, что
ухудшением условий притекания к отверстию со стороны дна можно пренебречь и
уровень воды высок (см. Рисунок 4, а). Определение опасности прорыва
воронки (без вращения) может быть с достаточной для практики
точностью выполнено по графику, приведенному в [1, 7].
• Часто в
водозаборных трубчатых сооружениях встречается случай истечения воды через
придонное отверстие (сбоку), приведенный на рисунке 4,б. Он связан с
необходимостью учета поджатия потока со стороны дна.
Для установления
критического напора Нкр.
при наличии отверстия в вертикальной стенке в [8] приведен график который
показана на рисунке 5. На нем приведена кривая 1, которая может служить для
оценки опасности образования воронки с прорывом воздуха над боковым придонным
отверстием с диаметром D
в области больших значений 
, т.е при значительных глубинах и расходах.
Рисунок 5 – Зависимость 
при боковом отверстии
и интенсивном отсасывании жидкости: 1 – при значительных глубинах и расходах; 2
– при небольших напорах над входом в трубу и малых расходах
При малых напорах и
расходах, что имеет место при расчетах пропускной
способности дорожных труб, а также в некоторых других областях гидротехники (например, в трубчатых
переездах, регулирующих водозаборных
и водосбросных сооружениях мелиоративных систем
и др.), проблема оценки
опасности образования развитых воронок над придонным отверстием стоит остро (см. рисунок 4, в). Это тем более важно, что решается
вопрос пропускной способности трубчатых сооружений в зависимости от гидравлических режимов и
пульсаций, которые могут иметь место при изменении уровней воды в подводящей
части [7, 9].
По результатам Л.А.
Барац [10], который определил параметры, отвечающие началу устойчивых режимов,
были нанесены опытные точки и получена зависимость 
в области малых
расходов, создаваемых при относительно небольшом напоре над входом в трубу
(рисунок 5, кривая 2).
В случае истечения воды в
отверстие с воронкой, имеющей вращение, негативное влияние воронкообразования
на работу гидротехнических сооружений резко возрастает.
К особому виду
сооружений, работающих постоянно с изменяющимся уровнем воды в верхнем бьефе и
наличием вальцов (воронок) на входе в водопроводящий тракт (при срабатывании
воды в верхнем бассейне) относятся гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). В
верхнем бьефе ГАЭС трудно спрогнозировать воронкобразование, определить
параметры воронок, скорость их вращения.
Поэтому ниже
рассматривается вопрос воронкообразования, меры по снижению негативных явлений
от него, а также пути предотвращения образования водоворотных зон на примере
научных исследований в гидротехнической лаборатории Новочеркасской
государственной мелиоративной академии водоприемника верхнего бассейна
Загорской ГАЭС-2.
В странах со
значительным удельным весом АЭС в структуре мощностей технологические
ограничения, определяющие режим работы АЭС, преодолеваются преимущественно
строительством гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), доля которых во
Франции составляет 10 % от мощности АЭС, в Японии – до 30 %. Аналогичный подход
был принят и в СССР, когда в дополнение к планам развития атомной энергетики намечалась
масштабная программа строительства ГАЭС.
Опыт эксплуатации
водозабора исследуемой ГАЭС (верхнего бьефа) показал, что одним из недостатков
с гидравлической точки зрения является появление водоворотов – воронок
всасывания. Эти водовороты ухудшают обеспечение надежности сооружения, могут
приводить к кавитационным явлениям (разрушению) не только бетонной облицовки на
входе в верхний оголовок, но и уменьшать пропускную способность за счет
воздушного жгута, который может достигать гидротурбин.
К основным элементам
ГАЭС относятся: верхний бассейн (водохранилище), водоприемник, входной
оголовок, трубопроводы, здание ГАЭС, нижний бассейн.
Рисунок 6 – План
верхнего бьефа ГАЭС: 1 – верхний бьеф; 2 – водоприемник; 3 – входной оголовок;
4 - трубопровод
Верхний бассейн 1
представляет собой емкость ассиметрично запроектированную по отношению к
продольной оси основных сооружений (трубопроводов) 4, что провоцирует
неравномерный подход воды к водоприемнику 2. Глубина воды в нем при НПУ равна
11,0 м.
Водоприемник 2 имеет
сужающуюся форму. Его дно имеет три уклона с заложением от 1:10 до 1:7. Перед
входным оголовком 3 дно имеет нулевой уклон. Заложение откосов 1:3,5.
В пределах водоприемника
в проектном варианте дамба имеет берму. Как и верхний бассейн, водоприемник
имеет несимметричную конфигурацию в плане. Глубина воды на пороге входного
оголовка равна разности отметок НПУ и дна и составляет 38,9 м.
Из водоприемника вода
поступает во входной оголовок 3. Вход воды в оголовок происходит через четыре
отверстия переменного поперечного, разделенных тремя бычками переменного
сечения по высоте. Отверстия на входе имеют форму раструба каждое. Перед
шандорными затворами размеры отверстий равны 7,5х7,5 м. Ширина бычков в начале
– 2,0 м, а в конце – 4,5 м. общая ширина входного оголовка равна 48,0 м, длина
– 63,15 м. На длине 15,50 м. квадратное сечение переходит в круглое диаметром
7,5 м.
Целью исследований
являлось проведение экспериментов по обеспечению безопасной работы верхнего
бьефа ГАЭС.
В задачи исследований
входило:
1. Гидравлические
исследования пропускной способности головной части водоприемника при
маневрировании рабочими затворами.
2. Гидравлические
исследования условий подхода водного потока к головной части водоприемника.
Условия образования воронки всасывания (водоворотов) с замерами уровней и
скоростей при НПУ.
3. Гидравлические
исследования срабатывания воды в водоприемнике верхнего бассейна с отметки
нормального подпертого уровня (НПУ).
4. Разработка и
исследование конструктивных мероприятий по сведению до минимума условий
формирования воронки. Условия подхода воды к головной части при применении
противоводоворотных конструкций.
При проектировании
гидравлических систем широко применяют действующие модели. Многие натурные
гидравлические явления настолько сложны, что их нельзя описать точными
математическими методами, и тогда обращаются к физическим моделям [11].
Поскольку течение жидкости
со свободной поверхностью определяется силами тяжести, модели гидротехнических
сооружений должны иметь масштабы, удовлетворяющие условию подобия по числу
Фруда (Fr). Чтобы избежать
масштабных эффектов, модель должна быть достаточно большой: обычно геометрический
масштаб заключен в пределах от 1/15 до 1/60. В [11] Дж. Шарпом отмечается, что
для достижения геометрического подобия, как правило, необязательно выдерживать
масштаб шероховатости. Шероховатость в натуре обычно достаточно мала, так что
поверхность модели должна быть как можно более гладкой.
Важным явлением водного
потока в трубчатых сооружениях является воронкообразование. Очевидно, что в
этом случае следует учитывать и влияние вязкости и поверхностного натяжения.
Они играют важную роль в окрестности ядра водоворота, где жидкость вращается и
свободная поверхность искривлена [11].
В результате
гидравлического моделирования, выполненного в [7], принят масштаб модели 1:50
натуральной величины. На рисунке 7 представлено фото модели проектного и построенного
варианта ГАЭС, а на рисунке 8 – чертеж модели входного оголовка этого,
первоначального, варианта.
Общая длина модели равна
14,6 м, ширина – 9,5 м, высота – 1,8 м. Соотношение ширины модельного русла и
входного оголовка: по дну – 8,5; по урезу воды – 10,2.
Рисунок 7 – Фотография
модели ГАЭС в исходном варианте. Вид с верхнего бьефа
Рисунок 8 – Модель
входного оголовка. Существующий вариант
На рисунке 9
представлено фото образования водоворотов при расходе 944 м3/с (пересчет
в натуру) и открытых затворах. При этом диаметр водоворотов достигал 15 м.
Рисунок 9 – Фотография
работы водоприемника у входного оголовка существующей конструкции
Подробно гидравлические
исследования описаны в [7]. В процессе проведения опытов изучались явления
воронкообразования и измерялись продольные и поперечные осредненные скорости по
ширине и высоте потока.
Анализ скоростной
структуры потока позволяет сделать следующие выводы.
1. Чем меньше
глубина воды в водоприемнике перед сооружением, тем больше неравномерность
распределения скоростей по глубине.
2. В большинстве
случаев поперечные осредненные скорости 
превышают продольные 
. Это объясняется неравномерностью распределения водного потока
по поперечному сечению водоприемника, плановыми поверхностными горизонтальными
вращениями потока и сходом воды с боковых откосов к продольной оси
водоприемника. Именно это явление провоцирует в конкретной конструкции
концевого участка водоприемника появление водоворотов.
3. Если мысленно
очертить окружность по величинам 
и 
, то получается валец (круг). Чем меньше глубина воды, тем
интенсивнее вращение вальца (водоворота).
4. Необходимо было
исследовать новые конструктивные решения входной части, которые позволили бы свести
процесс воронкообразования к минимуму.
Наличие плановых
вращений поступающего с верхнего бьефа водного потока приводит к мысли
исследовать влияние высоты бычков и боковых стенок (у откосов) на уменьшение
вращений потока.
В результате
теоретических исследований (математического моделирования) ФГБОУ ВПО
«Новочеркасская государственная мелиоративная академия» и ГНУ ВНИИГиМ
Россельхозакадемия пришли к необходимости внесения конструктивных изменений в
водоприемник:
- продлить по
вертикали бычки, забральную балку и береговые устои до верха сооружения в
соответствии с новой конструкцией водоприемника (рисунки 10, 11);
- выполнить
примыкание грунта к береговым устоям.
Фотографии модели новой конструкции
водоприемника показаны на рисунках 12 и 13.
В приведенных чертежах и
фотографиях видно, что верхний бассейн переходит в водоприемник с уклоном дна
1:7. Перед входным оголовком дно водоприемника имеет нулевой уклон. В плане
водоприемник имеет раструбное очертание с вертикальными стенками, достигающими
верха водного оголовка (см. рисунок 11). В отличие от проектного варианта бычки
короче по длине, но имеют высоту до верха сооружения. Криволинейный козырек
короче проектного, но переходит в забральную стенку, которых четыре штуки. Все
это, как показали исследования, позволило свести к минимуму воронкообразование
и интенсивность вращения воронок (вальцов).
Рисунок 10 – Модель
усовершенствованного входного оголовка
В частности,
установлено, что в отличие от проектной конструкции (см. рисунки 8. 9), где
воронкообразование практически не зависело от количества открытых отверстий
водоводов, возникало периодически и вальцы перемещались поперек потока, при
новой конструкции водоприемника и входного оголовка отмечалось стабильное
воронкообразование гораздо меньшей интенсивности в пределах каждого отверстия
между бычками (рисунок 14).
В пределах водоприемника
(от верхнего бассейна до входного сечения перед сооружением) отсутствует
воронкообразование.
В случае установки
сороудерживающей решетки перед забральными стенками интенсивность
воронкообразования изменяется в сторону резкого уменьшения.
Рисунок 12 – Фотография
модели водоприемника ГАЭС после реконструкции. Вид с верхнего бьефа
Рисунок 13 – Фотография
модели водоприемника ГАЭС в работе после реконструкции
Рисунок 14 – Работа
входного оголовка при расходе в натуре 944 м3/с. Поверхность потока
спокойная
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проблема
гидравлической безопасности и надежной работы водозаборных и водосбросных
гидротехнических сооружений гидроузлов, в том числе и гидроаккумулирующих
электростанций (ГАЭС) в период эксплуатации является одной из главных при их
проектировании.
2. К числу явлений,
имеющих место в верхнем бьефе гидротехнических сооружений с закрытыми
водоводами, относится воронкообразование (вихревые воронки особенно).
3. Воронкообразование
может приводить к снижению пропускной способности; засасыванию плавающих тел
(предметов, льда, шуги и др.) при отсутствии соро- и льдоудерживающей решетки,
что может привести к повреждению турбин в гидроэлектростанциях; кавитационным и
другим негативным явлениям.
4. Особенно остро
стоит вопрос воронкообразования при постоянном изменении уровня воды (напора) в
верхнем бьефе, например, в верхнем бассейне ГАЭС.
5. Существующие
конструктивные решения по ликвидации воронкообразования или снижения этого
явления до минимума применительно к верхнему бассейну ГАЭС трудно выполнимы.
6. Одной из причин
воронкообразования является несимметричный подход воды к водоприемнику и
наличие переломов при сопряжении откосов, что имеет место в верхнем бассейне
Загорской ГАЭС-2.
7. При
существующем варианте входного оголовка ГАЭС отмечаются значительные воронки
всасывания, передающиеся совместно с поверхностными токами.
8. Модернизированный
вариант входного оголовка, заключающийся в устройстве укороченных козырьков,
переходящих в забральные стенки, увеличении высоты бычков до верха сооружения,
проектировании льдо- и мусороудерживающих решеток, позволяет существенно
снизить условия воронкообразования, и, следовательно, значительно повысить
надежность работы и безопасность ГАЭС:
- отсутствует
плановое движение потока на поверхности водоприемника;
- водный поток
плавно подходит к входному оголовку без больших поперечных составляющих
скоростей;
- воронки
всасывания имеют место, в основном, в двух средних отверстиях и их
интенсивность по сравнению с существующим вариантом оголовка незначительна;
- эти воронки
всасывания практически не влияют на пропускную способность водоводов; энергия
вращения их не может повлиять на разрушение крепления;
- льдо- и
сороудерживающие решетки при их установке, еще больше снижают вероятность
воронкообразования.
9. На основании
изложенного можно рекомендовать модернизированный вариант входного оголовка.
10. По мнению
авторов статьи льдо- и сороудерживающие решетки следует перенести от забральных
стенок к началу бычков. Это позволит значительно облегчить очистку сооружения
ото льда, плавающих тел, а также свести к минимуму воронкообразование.
ЛИТЕРАТУРА
1. Поликовский,
В.Н. Воронкообразование в жидкости с открытой поверхностью [Текст] / В.И.
Поликовский, Р.Т. Перельман. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 191 с.
2. Venturi,
C.B. Essai sur
les ouvrages physico-mathematiques de Leonard
de Vinci. - Paris,
1797, p. 21.
3. Евреинов,
В.Н. Гидравлика. – 4-е изд. / В.Н. Евреинов. – М.: Речиздат, 1947.
4. Граве, Д.П. В
какую сторону должны вращаться гидравлические трубы [Текст] / Д.П. Граве //
Изд. АН СССР, 1932. - № 1.
5. Buddau Arpad. A
romailimes nimetraszayban Tapulmanuti beszamolo. - Kolorsvar, 1910.
6. Халпахчан, А.Х.
К вопросу об истечении жидкости через донные отверстия [Текст] / А.Х. Халпахчан
// Изд. АН Арм. ССР, 1948. – Т. 1.
7. Волосухин, В.А.
Научное обоснование обеспечения надежности работы водозаборных сооружений:
монография / В.А. Волосухин, Е.Н. Белоконев, М.А. Волынов. – Новочеркасск:
«Лик», 2008. – 162 с.
8. Киселев, П.Г.
Справочник по гидравлическим расчетам / П.Г. Киселев, А.Д. Альшуль, Н.В.
Дальниченко и др.; под ред. П.Г. Киселева. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.:
Энергия, 1972. – 312 с.
9. Белоконев Е.Н.
Гидравлические исследования рисовых оросительных систем: автореф. дисс. … канд.
техн. наук / Е.Н. Белоконев. – Новочеркасск, 1975. – 30 с.
10. Барац Л.А.
Исследование работы полунапорных дорожных труб / Л.А. Барац // Труды ХАДИ. –
Харьков, 1949. – Вып. 9.
11. Шарп, Дж.
Гидравлическое моделирование / Дж. Шарп; перевод с англ. Л.А. Яскина; под ред.
С.С. Григоряна. – М.: Мир, 1984. – 280 с.
12. Волосухин В.А.
Совершенствование технологии формирования температурного режима
водохранилища-охладителя тепловых и атомных электростанций / В.А. Волосухин,
М.И. Пономаренко, М.А. Волынов: Монография – М.: ВНИИГиМ им А.Н. Костякова,
2008. – 242 с.
РЕФЕРАТ
В статье приведены
анализ природы явления воронкообразования в верхнем бьефе трубчатых
водозаборных гидротехнических сооружений, научные исследования
воронкообразования на примере экспериментальных исследований
гидроаккумулирующей станции (ГАЭС), пути снижения воронкообразования с точки
зрения обеспечения гидравлической безопасности и повышения надежной работы сооружений
в период эксплуатации.