автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлика затворных камер закрытых водосбросов и водовыпусков, работающих при переменных режимах

всесоюзный ордена трудового красного знамени

::лу:::о-исследовательскии институт гидротехники и мелиорации им. а. н. костякова

На правах рукописи

ЗАРБАЛИЕВ МАНСУР САБИР оглы

ГИДРАВЛИКА ЗАТВОРНЫХ КАЛ\ЕР ЗАКРЫТЫХ ВОДОСБРОСОВ И ВОДОВЫПУСКОВ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ

Специальность 05.23.16 — гидравлика и инженерная гидрология

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1992

Работа выполнена и Азербайджанском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации.

па заседании специализированного совета К. 099.05.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. Л. Н. Костякова.

Отзывы на автореферат просим присылать в 2-х экземплярах по адресу: 127550, Москва, ул- Большая Академическая, 44, ВНИИГнМ.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент ЛЫСЕНКО П. Е.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ВОРОБЬЕВ Г. Л., кандидат технических наук, доцент ПОПОВ Д1. А.

Ведущее предприятие — институт «Азгипроводхоз».

Г Л __* у!-'

Защита состоится « . • .» . №(-¿-.рТ^-Зг 1992 г. в ча

. час.

Автореферат разослан

1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

ЗЮБЕНКО С. Ш.

ДЛГСТГ;> '5 ЭТ.-Г-Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

г п я

В Азербайджанской республике осуществляется в широком масштабе строительство закрытых водосбросов и водовыпуоков, включаташх затворные камеры и затворы. За последние годы хорошо изучены кавитациовные явления в затворах и затворных камерах, однако некоторые вопросы остается нерешенными, к их числу следует отнести дальнейшее изучение работы затворов и затворных камер в переходных рейтах. Б закрытых водосбросах переходы от безнапорного к напорному реа»шу и, наоборот,- от напорного к безнапорному режиму могут происходить по-разному, поэтому изучение данного вопроса является актуальным.

В настоящее время достаточно хорошо разработаны затворные камеры водосбросов и водовыпусков для случаев, когда гидравлический решш течения ниже основных затворов однозначен: ибо только безнапорный, либо только напорный. Однако в практике чаото встречаются случаи перехода от безнапорного к напорному режиму течения при пропуске расчетных расходов. Часто этого перехода нельзя избежать, если только не увеличивать сечение отводящего водовода, что является неэкономичным. Такие ситуации особенно часто встречаются в средненапорных сооружениях мелиоративного назначения, при сравнительно небольших размерах затворов и значительных по длине отводящих трактах водоводов.

Вместе с тем, известные компоновки затворов и их камер приспособлены для работы только в одном реашме, что особенно относится' к плоским затворам.

Изучение современного состояния проблемы создания затворов и затворных камер, способных работать при переменных реакмах, показало, что п настоящее время данная проблема по существу не разработана.

Подь_5иссе2таиионноЯ_даботи - теоретическое и экспериментальное обоснование возможности и целесообразности применения затворных катар с ноиейш;?.!-,] конструкциями затворов в условиях переменного гидраь-лического режима точения в латворнсЗ камере и отводящем водоводе.

!Йтодика_иссл§зоЕаний. Реиешю поставленной задачи выполнялось

теерзтичеекккн проработками и экспериментальны:-::! исследованиями. Эксперимента проводились в иг.; отгхчичоской лаборатории АзПИНГиМ вч двух моделях. Достоверность экспериментальных данных проверяла и пи -терпретировзли сравнением с известными в гидравлике сооружений дк:тми.

чнал ирзлаиа работы состоит в следующем:

- выполнен в гидравлическом приближении оригинальный анализ перехода рекима течения в отводящем водоводе от безнапорного к напорному, показавший качественные и количественные отличия этого явления от обычного хорошо изученного гидравлического прыжка;

- показано, что существуют вполне реальные-условия, в которых при напорном течении в отводящем водоводе затопление затворной камеры остается малым и постоянным при любом увеличении напора и расхода воды на соорувении;

- установлено, что в камере затворов с полигональной низовой кромкой

и дефлекторами конфигурация транзитной струи не изменяется при переходе от безнапорного к напорному резшму, 'ввиду чего при занапорива т-нии такой камеры сохраняется достаточное расстояние кавитациошшх областей (внутри потока) от жестких границ конструкции, обеспечиЕа-адее безэрозионную работу камеры при наличии развитой кавитации.

Практическая ценность работы заключается В том, что предложена двд проектирования закрытых водосбросных и водовыпускных соорунений компоновка "универсальное" камеры с плоским затвором, работающая при ла-бых гидравлических репшах течения. Кроме того, определены каЕитаци-ошше характеристики и ограничены условия применения традиционно используемых на сооружениях Азербайджана затворных камер.

Результаты исследований легли в основу разработ-1Ш в гидротехнической лаборатории АзШШМ водовыпуска., запроектированного и построенного на БоладцчаЗском водохранилище. Науччо-тахал-чиский отчет по теме'1.8.4 с разработками соискателя передан в Государственный концерн "Водстрой" для практического использованы в производстве .

ДЦ£обтщя_£оботы. По теме диссертации опубликовано в различных издательствах 5 научных 'статей.

, Объем_^аботы.. Диссертационная работа структурно состоит из введешь;,

6 глав, выводов и предложений производству, списка проработанной литературы. Она излоаена на 157 страницах машинописного текста, содержи 6 таблиц, 5? рисунков и 2 фотографии.

Б работо использованы как собственные опыты соискателя, так и ыпого-т чюлешше опыты, Проведенные ранее в гидротехнической лаборатории АзШ'ИГиМ и в лаборатории ЕНЙИГиМ.

СОДЕВШПЕ РАБОТЫ

В2_ЕЕ££ШШ обоснована актуальность темп, сформулированы цели и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность работы.

приводится общий обзор компоновок затворных камер, условий их применения, дан теоретический и экспериментальный анализ условий перехода водоводов из безнапорного в напорный ре&ич.

В работе раздельно англизируются затворные камеры при безнапорном л напорном реаимах течения.

Б данной главе (в п.1.1) проведено описание закрытых водовыпусков и водосбросов, запроектированных и построенных на водохранилищах рок АрпачаЙ, Агричай, Акстафачай, Нахичеваньчай, Алдждгэкчай, Кудиалчай, БоладачаЯ.

Сооружения с затворными камерами на гидротехнических объектах Азербайджанской республики имеют следующие характерна особенности:

а) сравнительно малые размеры отверстий,средние напоры, ввиду чего:

- проблема управления затворами но является ограничительной;- все конструкции являются габаритными дм перевозок по телез-110Г1 дорого, могут Сыть собраны и опробованы па заводе, а затем доставлены на место монтажа крупными узлами;

б) длительная робота затворов со всевозмоишми частичными открытиями и отсутствие в проектах мер-прогивокавитацлондой защиты;

в) возможность занапоряванил отводящих водоводов и борьба с этим явлением путем неумеренного расширения водоводов за затворами.

В связи с изложенным, в этоЗ ке главе (в г., 1.2) рассмотрены условии, при потормх мо".но гаеть минимально возможное расширение водовода за затвором при сохранении работоспособности оооруя.ения.

Расчета и опыты по анализу условий существования стационарного перехода в закрытом водоводе из безнапорного течения в напорное шлол-нллксь рядом исследователей (К.Хайндл, А.М.!!1взнпте?н и др.). Однако, к сомнению, эти данные являются недостаточными в силу тоге, что они по дают прямых количественных ответов на вопрос о том, как перемечается место перехода из безнапорного в напорный рестм при тех или иных маневрах с затвором, да и вообас, чем отличается в смысле обычной гидравлика этот переход в трубе от гидравлического ярчшеа з открытом русло.

Задача рассматривалась на основе классического подхода гидравлики с использованием одномерных интегральных уравнений баланса количества движения и массы, расчетные схемы к качественнее результаты представлены на рис. I. Водовод, для упрочения, принят прямоугольным с посто-

янной шириной "В".

Основные уравнения имеют вид:

а) для перехода от безнапорного течения М> напорному в закрытом водоводе:

[р ^-р 1[гв ¿-шл-ШЬ* ПвГ о (I)

б) для классического гидравлического прыжка в открытом русле (при сравнительном анализе).

(И)

В ура^лении (I) учтено наличие вакуума Ь» и перемещение места перехода режимов г неподвижной системе координат со скоростью "С", ввиду чего, в общем случае, С^ 4 02, причем

0,-0г= -СВ-(ИТ-Ь,) (3)

Подтопление места перехода из безнапорного режима к напорному (рйс.1-о) представлено в виде:

Ь _ •

л.»— 4

где: -"условный суммарный коэффициент сопротивлешш" отводящего водовода, связанный с наличием гидравлических потерь, падением отметки дна и на длине напорной части ¡.¡.м, , возмогшим подтоплением выходного сечения на глубину i :

где: £ - сумма обычных коэффициентов гидравлических сопротивлений

отводяцей (напорной) части водовода по его длине.

В уравнениях (при определении скорости Цг ) учтено, что в напорной

отводящей части водовода мокет двигаться частично аэрированный поток

с коэффициентом аэрации & _ ^возд

г а2

Качественный анализ уравнений (I) и (2), представленных в виде разности "прыакошх функций" в расчетах сечениях П^- и Пз» различным образом определяющихся в открытом потоке (П0) и в закрытом водоводе. (П3), показал следующее (рис. 1-в):

I» Если пра гидравлическом прыаке в открытом потоке имеется хорошо известная двузначная (от глубин) дифференцируемая прыжковая функция П0 с минимумом пра так называемой "критической глубине" Ь*? , то при переходе от безнапорного течения к напорному в закрытом водоводе црЫкковля функция таквд двузначная, ко недифференцируемая, и млеет

1 n0(h) /

i

i, Í» Л-const- /

1 /

\ /

ч

1 !

В)

а-о

h>hz

tí bp h" h a отнрытом русла

п}('п)

[JzCanst ¿

i у

\ UM / /

У \ n Г"

« ашш1: ..... [J

k К fw+h^k В заярытом ^одободе

Сво^гационар.

О 0,2 0/1 0/ Û.3

р 0.2 OA 0.6 0,8

Чк

Рис. Í Сра&нигвльный анализ процесса, перехода

от безнапорного течения х напорному & закрытом Волойоде.

и.шпмуы при глубине,-равной высоте тоннеля Ьт , обычно явно меньше!!, чем .

2. При одних и тех 5.е условиях в начальном сечении разность глубин ъ начальном и концевш сечениях рассматриваемой части потока (Г) и (¿) в обычном гидравлическом при ¡¡же существенно" больше, чем при переходной режиме в закрытом водоводе.

3. Несмотря на внешнее сходство, физические явления на схемах "а" и "б" рис. I существенно различны: в обычном гидравлическом прыкке переход от /)г к Лд происходит'через минимум удельной энергии потохса, с чем связаны и некоторые аномалии в турбулентности, а при переходе из безнапорного в напорное течение в закрытом водоводе минимум П и

точка перехода не связаны с каким-то особым физическим состоянием потока. Этот переход происходит просто вследствие механического ограничения роста глубин безнапорного течения потолком тоннеля. Поэтому такой переход (за исключением практически нереальных случаев Иг< Ь„р ) не следует вообще называть гидравлическим прыжком (или следует брать эти слова в кавычки, что и делается в диссертации).

Количественный анализ и решение уравненияШ позволили определить скорость перемещения "прима".в закрытом водоводе и показать (рис.1-г):

а) при фиксированном сопротивлении ^ положение прикка устойчиво (С = 0), а при изменении - асимптотически устойчиво ( т.е. изменение у вызывает такую величину и характер изменения "С", которые приводят "прыжок" к новому стационарному положени^;

б) величина скорости перемещения "прыжка" слабо зависит от числа 4руда (для реальных чисел Р> 20);

в) возможные скорости перемещения "прымса" (при реальных изменениях ) составляют (0,3 + 0,4)'Ц , причем перемещение "прытаа" вверх по течении (в сторону затворной камеры) всегда идет с уменьшающейся скоростью (отрицательным ускорением). Это позволяет считать, что при правильно подобранных параметрах сооружения "прыьок" мояет войти в затворную камеру снизу с практически нулевой скоростью, т.е. без "удара" по затворам (чему дополнительно будет способствовать демпфирующее влияние вохдуха, "вынимаемого" через воздуховод из безнапорной части водовода).

Далее рассмотрен наиболее практически интересный предельный случай, когда "прыжок" сформирован непосредственно за затвором (в затворной камере, рис.^-а). Садзча рассмотрена при С = 0 (стационарная), основное уравнение - то >:.е уравнение (I), в котором импульс сил в сечении (I) определен через глубину /7,с на ширине "Б", а количество движения в том *.е сечении - через площадь сжатого сечения потока ¿¡Це < Н,СВ :

Vw-y7.v r;//' /f/st//??f/ JSS/ //s/ss/ss W/1

h,«-hT

8)

■Ы 6

4

2

O

-2

о

о 0 о н

У * *

i» W И

o ¿>o 4o 60 so ш isa -río 160 H/hr

n — опыты автора о — опыты А.О. Звегкнцева

Рис.2 А ив лиз работы слаиополтоплеииои камеры

<! учетом содержания h„ получено:

Очевидно, что при вполне определенные сочетаниях параметров мноаитель перед F в любой части (4) мокет Firn />авен нули, и, следовательно, независимо от расхода воды (нгпори на сооружение), "прыкок" мо".ет находиться в камере в стационарном положении при постоянном сочетании глубин площадей сечений и геометрических характеристик отводящего русла. Для тркого случая:

S2e _ с/, Г 1_ 1 i (5-а)

иГт L «С,jr„rB 1 1 + jZft

Ä < + -Ц^- (5-6)

Лг V Ar пт .

(при упрощениях приняты во внимание приближенные, но реальные, значения с/4с: Ыг 1.0, hr~o, fi — O , а квадратный корень разложен в ряд).

Простые соотношения (5-а) и (5-6) дают для реальных сооружений оценки £2^(0,7 •!• 0,9)-ьЛ- к (0,95 * I,I)-hT , часто встречающиеся на практике и достаточно легко реализуемые при проектировании.

При выполнении затворной камеры и отводящего водовода в соответствии с (5-а) и (5—Ö), их эксплуатация по мере роста напоров и расходов вода представляется тагам образом:

а) при малых расходах и напорах, когда производится регулирование затворами, отводящий водовод обычно работает в безнапорном ре&име;

б) с ростом расходов открытие затворов доводится до полного, однако pesciM в отводящем водоводе обычно сохраняется безнапорным или, может быть, переходным;

в) при дальнейшем росте напоров (и, соответственно, расходов) мож,ет произойти переход отводящего водовода в напорный режим с затоплением камеры, причем глубина затопления /7,с сравнительно невелика и остается далее постоянной при любых напорах и расходах воды, превышающих те, при которых камера занапорилась.

На рас. 2-6 последовательно показаны схемы пьезометрических линий дпя случаев "а" в. "б", и "в", перечисленных выше, причем схема "в"

сохраняется при неограниченном, в принципе, росте напора (на рис .'¿-б схемы ß,',ßa,и т.д.), если т&кой рост возыоаен. Очевидно, что во всех возыоаных случаях пропускная способность водовода определяется только открытием затвора и напором верхнего Оъефа над камерой затворов.

Подтопление камеры затворов 'снизу и соответствующая потеря npcnv ■ скной способности водосброса, чего боятся проектировщики сооружении, в рассмотренном случае полностью и "автоматически" исключаются.Очевидно, что строительство отводящего водовода с сечением uJT , отвечающем (5-а), является наиболее экономичным вариантом компоновки сооруяения с точки зрения объемов работ но отводящему водоводу, при сохранении максимума пропускной способности заданной камеры л затворов (при заданном Slc ).

1ф£ект постоянства глубины /?,с в камера затворов при увеличении напора (случай "В") объясняется просто: при выполнении соотношений (Гэ-а) и (5-<5) на участке расширения потока "освобождается" ровно такое количество кинетической энергии потока (переходит в потенциальную) , которое необходимо для преодоления сопротивлений напорного отводящего тракта.

Опытная проверка этих теоретических положений велась автором в ЛзНИИГиМе и во ВНШГиМе А.О. Звегшщевым на разных моделях. Результаты, приведенные на рис;. 2-в, показывают, что постоянство Н1а дернится с точностью 2 * 8 % от полного напора камеры II, т.е. с той точностью, которая находится на уровне точности измерения давления (уровня) в зоне расширения бурного потока.

Установление степени "оптимального" расширения водовода ниже камеры затворов (формула 5-а), истолкование физических явлений при этом л экспериментальная проверка установленного является одним из главных результатов диссертационной работы.

Если принять условие (5-а) за оптимальное и благоприятное дот проектирования, то для создания надежно работающего сооружения необходимо решить еще два важнейших вопроса:

Кокет ли затворная камера, а если может, то какая именно-, длительно работать в затопленном (напорном) реюгае течения при высоких напорах без кавитацисшных повревде.ний.

2) Каковы могут быть гидродинамические нагрузки нэ конструкции отводящего водовода при переходных ре&имах и сколь они допустимы.

Первый вопрос решается в реферируемой работе, второй ныне детально изучается во БНИПГиМв и в данной работе не затрагивается.

Известны принципы и технические решения по затворным камерам, не подвергающимся навигационной """ли. Главный из них: создание "безэрозионных камер" за счет отвода кавитирующего потока от стенок и дк\ '3!>ерм а от закладных частей затворов. Этот принцип проведен кчк л •чгсрнс!. таг; л в бесшпорисм рекаиах течения н усгкяяо пртазаяется.

""о, псп,- m алеется удачних и достаточно универсальных копленого::

таких камер, пригодных для работа в обоих режимах одновременно.

Для исследования выбрана в качестве прототипа компоновка камеры с плоскими затворами, имеющими полигональную низовую кромку и нор-иалыше дефлекторы (конфузор - диафрагму). Камера хорошо изучена для условий безнапорного течения (иэзатопленная камера) и успешно апробирована, например,, в эксплуатационных водосбросах Саяно-Шушен-ской ГЭС. В начале исследований не было известно, как поведет себя эта камера в напорном режиме, хотя на основе аналогов предполагалось, что она поведет себя вполне удовлетворительно в кавитационном отношения.

Степень расширения потока в выбранной компоновке камеры от сотого сечения до сечения тоннеля в значительной мере задается ее конструкцией, а тленно, дефлекторами и порогом, где высота порогов оценивается как В/5,5 (В - ширина водовода).

На геометрической схеме камеры-(рис.3) видно, что при сохранении постоянной отметки потолка водовода за затвором и перед шил поток имеет соотношение сечений:

иГвг ВИКЛ •)

Ыг В(Н«а+ В/5.5) 4+ в/5.5 Нм (6)

Соотношение сжатого сеченйя потока и сечения тоннеля (степень расширения потока в низовой части камеры) равно:

и/вх ' £т*от * пр _ £ггем * ¿<у>

иГ" "А- ~ ■)+В/Е5Н,а (7)

где: ¿,

гса

-у-* - степень геометрического сжатия камеры дефлекторами: ш*х &„,„„= 0,86 + 0,84;

степень пространственного онатия струи при истечении: А £„Р. = О,В + 0,76. Таким образом, при схеме камеры, отображенной на рис. 3, степень расширения потока оценивается в таблице I

Таблица I

Расширение потока в зависимости от размеров затворной камеры и степени его сжатия

| В/Н1Щ ■ | 1,0 ! 0,75 ! 0,50 ! 0,30 !

£ном - 0,66 . £.„ = 0.80

£г£« = 0,85 £», = 0,79

0,58 0,606 0,631 0,65

0,568 0,59 0,61 0,64

^Т" ' 0,54 0,56 0.59 0,61

Опр - С, (Ь

7777777777777

ю

се^/.и/А!

|ш/,

л* ф

лН

Рис. 3 Схемы зат&орной намеры с отводящим Ьодово<\ом: а) отводящий £олоВо<\ £ез изменений ■> В) отводящий ЗоалЗод г уменьшенной высотой за сч&Т Ьотолка ;

А-А Вид основною затвора а полигональной яизпВрп кромкой.

Рис -4 Схема к'звитационтй усга-новки ;

1-резер&уар; 2-¿адово,4 с(-Вао,мм; 3~&ал&ижн<з 6-&ОАО&ОА ¿=3^2 мм ■ 6 ~ ВОАОВОА е1-2б5мм ; У- модель ; в - лроосельЯ~лн>к ; -Ю - агойни.

Приведенные цифры отвечают достаточно длинным водоводам = = 30 * 60) и ощутимым сопротивлениям ( Л= 0.J3; Я = 0,013),гчто соответствует ( X = 1»0 * 2,0). Если ке водоводы более короткие и гладкие и в действительности значение меньше указанных величин, то для получения оптимальной степени расширения потребуется в данной компоновке камеры искусственно умемшать сечение отводящего водовода за счет изменения на ДН отметки дна или потолка и тогда, вместо (7), получим:

_ <SrtoM * £ пр о 1

Ufr + А/иН,,. w

Назначением необходимого л Н всегда в данной камере можно обеспечить оптимальную степень расширения, не изменяя конструкции камеры и затворов. В дальнейшем эта камера условно названа "универсальной". Одновременно с универсальной камерой (далее без кавычек) была поставлена задача изучить для сооружений Азербайджана гидравлику камеры традиционной для определения действительных условий ее безопасного применения.

B2L522E2iLüi!§2£ рассматривались методика моделирования и возможные технические приемы постановки исследований.

Для постановки работы был создан новый проточно-кавитационный стенд, по конструкции и параметрам не имеющий аналогов ни в одном из институтов Закавказья. На данном стенде были исследованы традиционная и "универсальная затворные камеры. Значения напора и скорости, являющиеся основными параметрами стенда, приближались к натуральным величинам и составляли: напор -35+37 м, скорость - более 20 м/с.

Проточно-кавитациснный стенд включал в себя (рис. 4): насос мощностью 75 кВТ; водовод диаметром 500 мм, к которому присоединен водовод диаметром 362 мм и длиной 3,5 м; задви&ка водовода диаметром 263 "мм и длиной 1,5 м, от которого скова отходит водовод диаметром 362 мм и длиной 2,0 м; модель камеры затворов с отводящей частью; сбросной водовод диаметром 362 мм, на конце которого тлеется дроссель для использования при разнаиорввании € нишей части модели; резервуар для собирания сбросной воды.

Мод.'ль выполнена из органического стекла толщиной 18 мм. Она имеет съемшь! потолок, что позволяет изменять еыооту потолка с низовой части камеры. Модель оборудована 42 пьезометрами диаметром 3 мм.

Исследования проводили в беэкпорним и напорном ре шла х течения. Оородненные давления-и скорости определяли с помощью пъезометров п ¿шсдотров вдоль камеры в целом, в пазах и ае пазами аварийного к ос-uoüHoro затворов. То ладна пограничного сдоя у дна и с:инок подел',-.

измеряется аодвакнииа каяигабаратньми гвдрометричее.'<лш трубкам;; Отэнтона.

Начало кавитации фиксируется визуально. Местоположений капитан;! онных факелов и кавитацнонных повревдений ¡[¡шсируетсл зарисоикой ч фотосъемкой. Кавитация характеризуется, как общепринято, кнвитсщп": ним параметром "К".

Б_2й§тьеЯ_г«аве излагаются экспериментальные исследования трзчи-ционной затворной камеры (рис. 5). Проанализированы характрр точрж;< в камере, распределение осреднениих давлений вдоль камеры р иолом, в пазах и за пазами аварийного и основного затворов. Расгаогоена

кинематическая структура потока в зоне прямоугольного поза. Сыроделе ни кавитацконние характеристики вдоль камеры в целом, в пазах 11 за пазами затворов в напорном резюме течения в зависимости от изменения расхода и степени открытия затворов.

Дана оценка компоновки традиционной затворной камеры по пропускной способности и по.распределению давления в мекзатворном пространстве. Установлено, что пропускная способность камеры при полном открытии затворов характеризуется коэффициентом цЬ = 0,80.

Оценка общего сжатия потока камерой при полном открытии затворов показала, что £= 0,85 0,80. Иными словами, за подъем потолка камеры за аварийным затвором с его дальнейшим наклбшшм расположением приходится "расплачиваться" снижением пропускной способности камеры при полном открытии затворов на 10 * 15 р, что весьма существенно и должно учитываться при проектировании сооружений, включающих изучаемую камеру.

Изучены кинематические характеристика течения в камере, распределение осредненных скоростей перед и за пазами аварийного и основного затворов, определена толщина пограничного слон, которая оказалась на всем пространстве примерно одинаковой (рис. 5). Соотношение результатов рьсчета с видимой толщиной пограничного слоя (ф&а ) колеблется в пределах 0,0 * 0,9. Расчетная и видимая толщина пограничного слоя за пределами зоны отрыва за низовыми гранями пазов оказалась, как следовало и ошщать, большей, чем перед пазами даке при отсчете от границы зоны отрыва.

Определены условия начала кавитации в затворной камере (на пазах, дне и на самом затворе при полном к переменном его открытии).

Перед наблюдением за услот?,,лм.ч возникновения кавитации проведем оценку оыщаемых значений. Кавитация обычно начинается за низошм ребром паза. Если кавитация увеличивается, то объем кавитационного "облака" за низовым ребром будет возрастать до некоторого предела.

V77777777777,

jte

0.& o.? 0.6 0.5

o.A

-

J и

"J г 1

0.? ü6 0.9 io Ц n

SL

Ss0¡s tv

77^.

0.015 HA

pite. 5 Результаты иаале&оЬаний традиционной затворной Шмеры:

3) Схема течения 6 камере и места возникновения Навигации•

ф изменение коэффициент пропускной cnoaoS/(o<rrM¡j¿&¡ <>) Распределение скороагей и толщины пограничного

Q.AQ3.

Условные соогначениа:

,7 - места ЬознихноЬенм навигации^ о - аварийный wsoPj о — основной затвор.

При дальнейшем увеличении кавитации кэвптационные "облака" внутри паза становятся все более плотными. Для низовой грани паза в наших ■ условиях среднее значение'критического параметра кавитации, определенного по известным расчетам, составляет К„= I,70.

дрн

При переменном открытии затворов и отрыве потока от пазов кавитация может возникать но всему периметру открытой части отверстия. Кавитация на пазах при безнапорном реяшме потока с затопленной стру ей или напорном реаяме при частично открытом затворе возникает рань ше, чем при полном открытии. В нашем случае, при частичных открытиях, для низовой грани пазов, по тем ¡?.е расчетам, ККр„= 1,2 1,6.

Результаты наблюдений показывают, что моменты начала кавитации дают меньшие кавитэционные параметры, чем это было предварительно оценено по литературным дашшм. Объяснение этому количественному несоответствию мы находим в различиях условий наблюдений в "классических" опытах на плоских кевитационных камерах, по данным которых определены значения ККрН» и в наших опытах на модели реальной кшщм затворов па проточном высокоскоростном стенде.

Визуальное определение начала кавитации на пространственной модели становится возможным только после того, как отрывная зона толщиной порядка I мм заполняется значительным количеством кавитационных пузырьков. Иными словами, та, что мы на нашей модели условно называем начало кавитации, является в действительности уже вполне ощутимой стадией ее развития.

В модели традиционной затворной камеры при напоре 13 м ц скорости 13 м/с и при полном открытии аварийного и основного затворов кавитация возникает в макзатворном пространстве на потолке перед основным затвором. После опускания основного затвора ( П. осн= 0,90) на потолке кавитация исчезает и появляется на грани основного затвора. При увеличении напора более 13 м, а скорости - более 15 - 16 м/с, в положении полностью открытых затворов, кавитация появляется нй верховой грани паза основного затвора. При дальнейшем увеличении напора до 15 м и более, а скорости - более 17 м/с, кавитация переходит на низовуо грань пазя основного затвора.

Полученные критические параметры кавитации в среднем составляют 0,6 + 0,7 от известных п литературе.

В це^ом традиционная камера имеет все недостатки, известные по л'лтературе дчя тлих камер >!, кроме того, уменьшенную пропускную способность йь счет :юк тнного потоосв и "дознай" источник ка яхтам»' нь Н'.-реломе-. отека.

В_четве£Той_главе рассматриваются результаты экспериментальных исследований по универсальной затворной камере. Описаны реким течения ь отводящей части камеры, распределение давлений и представлены результаты обработки данных эксперимента.

Наблюдения показали, что транзитная струя, проходящая через отверстие, перекрываемое основным затвором, имеет компактную форму и контактирует с дном отводящей части на расстоянии 2-3 высот отверстия, перекрываемого основным затвогом. При полном открытии основного затвора имеется участок свободного полета струи. Транзитная струя сталкивается с дном, стенкой и потолком под углом не более 10°.

Но наблюдениям и характеру распределения давлений установлено, что и в напорном, и в безнапорном ре&имах форма течения транзитной струи и полонение зон отрыва потока приблизительно одинаковы.

Специально определена пропускная способность камеры в напорном режиме. Величины относительных площадей смтых сечений £ (рис.б-а) оказались такими ке, что и известные ранее в безнапорных режимах для объектов с близкими параметрами. Иными словами, занапоривание универсальной камеры практически не меняет коэффициент скатия струи.

Пространственные границы транзитной струи при напорном течении определялись по измерениям скоростными трубками (рис.6-6).

Установлено, что затопленная транзитная-струя находится-достаточно далеко от стенок и дна, аналогично тому, как это известно для безнапорного ре ¡шла.

При напорном течении в низовой части универсальной камеры наблюдалось возникновение и развитие кавитации примерно в тех не условиях, • что и в традиционной камере ( К = 1,2 1,6). Однако удаление кавита-цлонных областей от стенок и дна оказалось,как это и о ¡издалось, но крайней мере, на порядок больше, чем в камере традиционной. Поэтому, основываясь на предыдущих известных исследованиях безэрозионных камер, мы считаем, что нет никаких оснований для опасения возникновения кави-тационцой эрозии в универсальной камере.

В_!Ш12И_Е2Й2Ё характеризуются условия применения исследованных камер. Описывается в. каких условиях моашо применять традиционную и универсальную камеры. Прогнозируется развитие навигационных повреждений в процессе эксплуатации традиционных камер. Определена зависимость мевду глубиной эрозии .1 расчетным временем эксплуатации. В данной главе предложены рекомендации для проектирования и эксплуатации традиционной и универсальной затворных камер.

¡)_Ш£стоН_глзье оценивается экономическая эффективность от внедрения ь производство результатов исследований. Экономически»: эффект, полу-

8

о,в 0.6 о А

0.3

*)

{ V: у

г

Л Л

основной затвор ирипный игапр у—

12. í '¿¿г/** ?г//¿/^ г//

ао\

Рис. б Результаты измерений & универсальной Измерз & напорном режиме ;

я) относительные сжатые сечений • й) границы транзитной сгруи.

Условные обозначения :

1 и 2 — известные ¿начеши лля ¿«алогичных

* - , 4/3 = 13$

о — результаты опыте л при Л?=

(?г}МОр

ченный только от уменьшения массы оборудования при применении рекомендованных конструктивных изменений затворов в затворных камерах башенного водовыпуска на р.Боладачай, составляет 18,8 тыс. руб.

Однако, :ю существу дела, основной экономический эффект (.•с^ет и долиен быть получен не от уменьшения массы или упрощения оборудования. Основной источник эффекта - это уменьшение объемов строп¿ельно-мон-дших работ и существенное повышение эксплуатационной надэьи.осги компоновки сооружений в целоч. К сожалению, в настоящее время не наалост) конкретного объекта для демонстрации этого эффекта, представ-вдощогсся несомненным.

Основные выводы:

1. Вопреки установившемуся мнению, имеются практические пути и средства, позволяющие создавать и успоено эксплуатировать затворные кы-.сры отвйдящ/,е водоводы водовипусков на средненапорных и высоко-нзпоркых плотинах не только в условиях безнапорного, но к в условиях переходного и напорного режимов течения.

2. Теоретический анализ при обычных гидравлических предположениях показзп, что переход бурного потока из безнапорного в напорный реглм течения в закрытом водозоде является качественно иным явлением, в сражении с классическим гидравлическая. при»ком. Этот аерехо,, кмеет каае ксгестгениие характеристики при прочих равных условиях в начальном епченнп "прыиком" г,.о>.ет бить назван лишь условно, по чисто взеыншу сходству с гидравлическим прыщом в открытом русле.

"Г;р-;лок" в г-,--срытом водоводе всегда устойчив, перемещается со скорость!'. не в;ще (0,3 + 0,4)-Ц и приливается к стационарному состоять с еттхзтельньш ускорением. Условия образования стационарного "н'кске." ь ¡закрыто* водоводе существенно зависят от сопротивления последнего и слабо зависят от числа Оруда при его реальных значениях б о го а ¿0.

3. Теорией показывается, а опытом подтверждается существование так.;* соэтиоговкЗ параметров потока и размеров водоводов, при которых слабое затопление затворной камеры остается постоянным, независимо

от числа ¿руда (^Начиная с некоторого его минимального значения, отвечающего занаг.оркзанпи отводящего водовода). Эти соотношения опредеяе-ны г^ормулзмл (5-а) и (5-6). Проектирование водоводов н за .верных камер в соответствии с этими соотношениями обеспечивает наиболее эффективное использование площади сечения отводящего водовода и дает гарант;:;: сохранения максимально возможной для имеющейся затворной камеры пропускной способности при любых напорах.

Указанное явление мокег бить практически использовано только в случае работы затворной камгры в напорном реыиле (затопленной), при

наличии гарантии от повревденил ее кавптационной эрозией.

4. Предложена и исследована затворная камера, отвечающая требованиям п. 3, т.е. работающая в напорном режиме при наличии кавитации пак таковой, но обеспечивающая безопасность проявлений кавитацлонпоЗ эрозии. Базовым Техническим решением для такой камеры явилась игьест-ная и апробированная в натуре при безнапорном ре »аил о камера, имеющая плоские ззтворн с полигональным низом и кснфузоры-дпафрагмы (дивекторы) .

Безэрозионность работы зтой камеры в напорном решме создается отводом кавитнрующеЯ граничу транзитной струн от дна я стенок низовой части камеры на расстояние, обеспечивающее неповревдаемость стенок и дна.

Опыт показал, что кинематика транзитной струи в такой камере практически не зависит от решила течение. Предложены варианты габаритных схем такой камеры, условно названной "универсальной".

5. Традиционная (в частности, для строительства в Азербайджане) затворная камера с плоскими колесными затворами и с расширенным л наклонным потолком в межзатворном пространстве, кроме известных из литературы недостатков (в первую очередь, высокая степень опасности возникновения кавитации и эрозия), еще раз подтвердившихся опытом, имеет на 10 + 15 % пониженную пропускную способность, в сравнении с такой не ¡«мерой, но с плоским потолком. Сформулированы ограничения на изменение таких камер, в том числе по развитию кавитационной эрозии.

6. Основной экономический эффект от применения предлагаемого подхода к проектировании водоводов с затворами создается за счет оптимизации площади сечения отводящего водовода и надежности эксплуатации (пропуска расчетного максимального расхода). Побочный эффект - упрощение конструкций и уменьшение массы оборудования, применяемого в универсальной камере, по сравнении с тр-диционным решением. Последний для условий Боладычайского водохранилища при однопролетной камере составил 18,9 тыс. руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Исследование водошпускного сооружения Боладычайского водохранилища (на азерб. языке). Вестник с/х наук, 1990, й 4, с.63-87 (в соавторстве).

2. Водовыпускное соорукение Боладычайского водохранилища Азербайджанской ССР. Изд. Аз.НИТИ, информационный .леток, Я 3, 1990 (в соавторстве). •

3. Теоретические основы гидравлического расчета условий перехода

от безнапорного к напорному течению в закрытом водоводе (на азе-рб. языке). Аграрная паука Азербайджана, И 10, 1991, с.76-79 (в соавторстве).

4. Обоснование оптимальных размеров трактов закрытых водосбросов. Труда ВНИИГиМ, 1991'(в соавторстве).

5. Способ защиты бетона гидротехнических сооружений от гидрообрь-зивного износа. Аграрная наука Азербайдмна, Л 12, 1991 (в соавторстве).

/Ш : '-¡¿V.