автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Обоснование гидравлических параметров элементов водопроводящего тракта рукавных микроГЭС

' > 1 ' - \ 1 и ^ ''

- з № 1997

На правах рукописи

- Егоров

ОБОСНОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЗОДОПРОВОДЯЦЕГО ТРЙКТЙ РЗКАВНИХ МИКРОГЗС

Специальность 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1937

Работ*» выполнена в Московском государственной университете природообустройства на кафедре "Насосы и насосные станции"

Научные руководители: доктор технических наук, профессор.

Заслугенный деятель науки и техники РФ 1Вишневский К.П.1

кандидат технических наук, профессор Беглярова о.С. ■

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Виссарионов В,И.

кандидат технических наук, профессор Яковлева

Ведущая организация - йняенерный центр "Совзв'одпроект"

Заакта состоится V 1997 г.

в часов на заседании диссертационного совета К 120.18.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127350. Носква, ул. Прянишникова, 19, МГУП. аудитория 1/201.

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан

га

г.

Зченый секретарь диссертационного- совета, ,

кандидат технических наук ^./¿¿^¿¿¿¿¿¿¿¿^ Евдокимова И.И.

Сбцая характеристика работы

Актуальность работы.

Б создавшихся условиях роста цен на органическое топливо, по-дорояания транспортных услуг, уяесточениа экологических требований к замите окруяавщей среда становится острым вопрос использования альтернативных, менее дефицитных энергоресурсов (энергии воды, ветра, солнца). Использование их в отдаленных труднодоступных районах децентрализованного злектроснабяения сыграет ваянуп роль. Крупные электростанции в горных районах не могут решить проблемы электрификации из-за разбросанности и удаленности потребителей. Освоение малых и средних водотоков мояет частично решить проблему зиергоснабяения таких потребителей С в России их насчитывается около 5.5 млн.) Здесь следует отметить, что сака разветвленная речная сеть выполняет роль ЛЗП.

Проведенная оценка гидропотенциала нескольких районов России показала, что диапазон напоров и расходов очень широк: напоров от 2., .100 м, расходов от 0.01 до 5 м^/с. Имевшийся зарубеяный и отечественный опыт показывает, что злектроснабяение потребителей таких районов, как Кавказ, Сибирь, Дальний Восток в отсутствии распределительных электросетей целесообразно осуществить на основе как стационарных, так и передвижных станций деривационных мик-роГЭС.

Однако тейп« освоения станций небольшой моцности отстаит от спроса потребителей. Одной из причин ограниченного развития малой гидроэнергетики является недостаток средств для проектирования и строительства. Анализ осуществленных проектов деривационных микроГЗС показал, что их стоимость распределяется следующим образом: проектирование - 10%, трубопровод - 30%, гидросиловое оборудование - 402, сооруяения - 202.

Одним из путей сокращения затрат на строительство деривационных микроГЗС мовет быть упрощение турбинного оборудования, в частности, применение центробеаных консольных насосов в качестве турбин, а такяе, если позволяот условия (например, при рабочем давлении МПа), использование эластичных труб условным диаметром - аг«130 мм.

Очевидно, что вывеназванный путь удешевления иикроГЭС вызывает ряд вопросов и дополнительных требований к компоновке, монтаху и эксплуатации такой станции. В частности, необходимо иметь характеристики насоса в турбинном резиме, гидравлические параметры эластичного трубопровода, дополнительные условия компоновки напорного

- г -

водоприемника, а также гидравлические характеристики трубопроводной арматуры, выполнявшей в отсутствии направлявшего аппарата рол регуляторов мощности электростанции.

В связи с выжесказаншш проблема обоснованна гидравлических параметров элементов водолроводяцего тракта рукавных микроГЗС в настоящее время является актуальной.

Цель и задачи исследований. Цельи настоящей работы является обоснование гидравлических параметров элементов водопроводацего тракта рукавных микроГЗС на основе лабораторных экспериментов эластичного трубопровода, расчетно-теоретических исследований че-тырехквадрантных (полных) характеристик центробежных консольных насосов, а такие анализа характеристик трубопроводной арматуры с учетом современных требований к гидроэнергетике.

Исходя из поставленной цели планировалось ревить следующие за дачи:

- проанализировать современное состояние и перспективу развития малой гидроэнергетики в России;

- установить гидравлические параметры эластичных труб при изменении давления;

- получить дополнительные рекомендации по компоновке напорных водоприемников рукавных микроГЗС;

- обосновать возможность применения центробежных консольных насосов в качестве основного гидрооборудования микроГЗС путем получения приближенных характеристик при их отсутствии;

- проанализировать гидравлические характеристики трубопроводной арматуры на основании чего предложить варианты ее использования в случае проведения гидравлического регулирования на микроГЗС

Научная новизна работы заклячается в следящем:

- получены, эмпирические зависимости, графики и таблицы, позволявшие определить гидравлические параметры эластичного трубопровода при изменении относительного давления;

- даны дополнительные рекомендации по компановке напорных во; приемников рукавных микроГЗС;

- обоснована возможность применения центробежных консольных насосов в качестве турбин микроГЗС путем разработки новой методия построения их приближенных., четырехквадрантных характеристик;

- определено влияние .гидравлических характеристик трубопровод ной арматуры на переходные процессы в эластичных турбинных водовс дах рукавных микроГЗС.

Практическая ценность работы заключается в том, что результат

зкслерииентальных и расчетно-теоретических исследований при реие-нии гидроэнергетических задач позволяет обосновать возмояность использования малых и средних водотоков для энергоснабаения децентрализованных потребителей, а такле могут быть использованы при составлении отдельных разделов справочников и каталогов.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях Московского государственного университета природообустройства (МГЗП) в 1394. 1935. 1396 гг., ыеядународной конференции МЭИ 1935 г. "Гидромеханика, гидромаиины, гидропривод и гидропневыоавтоматика", на совместном заседании кафедр Насосов и насосных станций, Комплексного использования водных ресурсов, Гидравлики, Гидротехнических со-оруяений, Сельскохозяйственного водоснабжения, Эксплуатации гидромелиоративных систем.

Пчбликации. По теме диссертации имеется о публикаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, обцих выводов, списка литературы, насчитывавшего 131 наименований, и прилояений. Работа содеряит 123 страниц машинописного текста, 38 таблиц, 47 рисунков и б прилояений.

Реализация работы. Материалы проведенных исследований использовались при составлении учебного пособия "Проектирование малых ГЗС", в лабораторных работах кафедры КйВР НГНП, находятся на стадии внедрения проекта дублируощего энергоснабаения инаенерных обьектов в/ч 54793.

Содврзание работы

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассматриваются состояние реиаемого вопроса, развитие гидроэнергетики в России и за рубеяом. Отмечаится особенности рукавных микроГЗС (рис.1), приводятся сведения о турбинном оборудовании МГЗС. о распределении затрат на строительство и эксплуатации станций, рассматривается опыт применения серийных насосов в качестве турбин для малых ГЗС, анализируются способы регулирования микроГЗС. Сформулированы цель и задачи исследований.

Вопросу развития малой гидроэнергетики, а также повышения надеаности их работы, долговечности, правильной эксплуатации в последнее время уделяется большое внимание. Во многих научно-исследовательских, проектных институтах, кафедрах высяих учебных заведений: Гидропроекта, МГСЗ, МЭИ, С-П5ПП, РУДН проводится большая работа по их исследованиям.

Однако изучение всего водоправодящего тракта рукавных микро-

Рис.1. Схема рукавной передвиашой микроГЗС (РПГЗС): 1 - водоприемник; 2 - запорная арматура; 3 - напорный трубопровод; 4 - регулирующее устройство; 5 - энергоблок.

ГЗС, оборудованных в качестве турбин центробежными консольными насосами не проводилось. В настоящее время имеется результаты исследований отдельных элементов водопроводяцего тракта, полученные в различных отраслях промыиленности (гидроэнергетика, пожарное дело, мелиорация, водоснабжение и т.п.).

Изучением эластичных труб (рукавов), применяемых в пояарном деле, занимались во ВНйИПО; труб, используемых в мелиорации -во ЗНЙИГиМе; используемых в водоснабзении - во ВНИИ 50ДГЕ0.

Однако эти результаты не могут удовлетворить требований проектировщика рукавной микроГЗС из-за разных условий проведения эксперимента. Например, покарные рукава исследовались при относительно больших напорах: Н-80...120 м; эластичные трубы, используемые в мелиорации, при относительно малых напорах: Н^3.5 м. Кроме того многие данные устарели ввиду прекращения выпуска рукавов из материалов, для которых проводились опыты.

В связи с тем, что гидравлические параметры эластичного трубопровода изменяются при изменении давления, появляются дополнительные условия к компоновке напорного водоприемника рукавных микроГЗС, определении которых была посвящена одна из задач исследований.

В последнее время выпуск турбин для малых ГЭС мощностью до 100 кВт (микроГЗС) только осваивается и их стоимость очень высока. Причем на отдельные диапазоны напоров, например, Н=12...35 м и моц-ностей - N=0.5...30 кВт турбин, выпускаемых российской промышленностью не имеется.

Известно, что в качестве турбин могут применяться все виды динамических насосов. До сегодняшнего момента исследования турбинных режимов гидромашин проводились только для средних и крупных осевых, диагональных и центробежных насосов. Работами в этом направлении занимались: ВНИИГидромав, МЭИ, МГСЗ, С-ПбГТУ.

Для микроГЗС с вышеназванным диапазоном напоров и моцностей могут быть использованы центробежные консольные насосы, четырех-квадрантные характеристики которых получены ВНййГидромааем лишь для нескольких типов насосов, выпускаемых промышленности России и СНГ.

Недостатками такого использования насосов являптся:

- более низкий, чем у турбин КПД при их работе в турбинном режиме (на 5...10Х);

- отсутствие гидравлических регуляторов необходимых для защиты агрегата от выхода в разгон, а также регулирования мощности.

Б главе отмечается, что регулирование косности иоает быть осуществлений стандартными регуляторами давления, а тайме задвиаками или затворами.

Из вышесказанного следует, что в задачи данной работы входили с одной стороны использование для исследований элементов водопро-водящего тракта рукавных ыикроГЗС данных полученных в различных отраслях промышленности, а с другой - разработка основных пологе-ний и рекомендаций по обосновании их гидравлических параметров, влиявщнх на мощность гидравлической энергоустановки.

30 ВТОРОЙ ГЛЙВЕ излагается методика проведения лабораторных и расчетно-теоретических исследований, дается описание измерительной аппаратура и оборудования, приводятся оценка точности и омибки измерений, рассматриваются методики построения приблиягнных характеристик лопастных насосов и расчета переходных процессов в турбинных водоводах рукавных ыикроГЗС.

Для ревения поставленных в работе задач были приняты следующие направления исследований: экспериментальные, проводимые в лаборатории на рукавной ыикроГЗС; расчетно-теоретические, имевшие своей целью, подтверядение выменазванной методики получения приближенных характеристик.

Для ревения задачи по определению гидравлических параметров эластичного трубопровода при изменяющемся давлении Р было проведено несколько серий опытов при изменении в достаточно широких пределах значений Р и расхода й.

При обработке результатов экспериментов давление в трубопроводе выражалось в относительных единицах. За единицу относительного давления Р в мерном створе было принято его значение, соответствующее круглому поперечному сечении эластичного трубопровода при его минимальном диаметре. _

При проведении экспериментов относительное_давление Р изменялось от Ррца до Рщах- За минимальное значение Р было принято давление, при котором трубопровод принимал "каплевидную" форму поперечного сечения, а за максимальное - давление, соответствующее его круглой форме,

Эксперименты проводились для 8 значений давлений, причем для значений относительного давления предусматривалось принимать более мелкий наг изменения давления.

Каждая серия экспериментов, соответствующая определенному постоянному значению относительного давления Р, проводилась при различных значениях пропускаемых по трубопроводу расходов. Всего планировалось проводить замерн для значений расхода от „^б я/с до

Зт4х=28 л/с с постоянным нагом АО равннм ОЛСИщ^ - Згих^.

Однако при малых значениях относительного давления ? в трубопроводе пропуск относительно больаих расходов в практически невоз-иакен. Поэтому число значений 0 в этих случаях было меньяе.

В каждом эксперименте измерялись: потери напора по длине трубопровода , расход воды И и размеры^ характеризующие поперечное сечение трубопровода. Причем в случае в качестве таких размеров измерялись В и Н' (рис.2), а в случае - только диаметр трубопровода о.

Поскольку все измеряемые величины определялись с некоторой погреиностыо, для получения более достоверных результатов камдый эксперимент проводился 3 раза и значения Идя . О, В и Н' (Р^П, (1 С?>Л) определялись как среднее арифметическое.

Исследование вопроса распределения местных осредненых скоростей и в эластичном трубопроводе проводилось в двух вариантах. В первом варианте устанавливались постоянными значения давления Р^=сопз1, при которых пропускались по трубопроводу расхода 13^. Во втором варианте устанавливались расходы, соответствующие постоянному числу Рейнольдса йегсопзЬ и изменялись давления в трубопроводе Р^.

Местные скорости в эластичном трдбопроводе измерялись в 16 точках. Эти точки были расположены равномерно на его вертикальной оси, показанной на рис.3.

Планирование эксперимента было представлено в диссертации комбинационными квадратами сочетания факторов.

Согласно планируемому эксперименту в лаборатории гидросиловых установок МГНП был смонтирован гидравлический стенд, который позволял проводить эксперименты, соответствующие эксплуатационным условиям работы эластичного трубопровода.

Гидравлическая дстановка представляла собой замкнутую систему, Зода из бассейна подавалась в нее насосом марки Д2000-21 (12НДк) с диаметром рабочего колеса 425 мм частотой вращения по=730 мин"1. При этом подача О0 = 1350 м /ч С375 л/с) и напор - Н0-10 м (индекс"0" соответствует номинальным значениям насоса).

Система была оборудована 3 запорными устройствами, которые использовались в качестве регулиррщих, и дополнительным сопротивлением - турбиной Банки. Первое - задвимка с ручным приводом, которая располагалась сразу после насоса. С ее помощью устанавливалось максимальное требуемое для эксперимента давление. Второе - задвиака такяе с ручным приводом. Она располагалась перед эластичным трубо-

Рис.2. Расчетная схема цилиндрической эластичной оболочки.

Рис.3. Схема раополаавния точек замеров местных осредненных скоростей и Я..Ло - точки замеров,1: а - некруглого сечения: б - круглого.

проводом. Третье - дисковый затвор с ручным приводом. Он располагался сразу после эластичного трубопровода. Запорная арматура была нужна для регулирования расходов и давлений в планируемых диапазонах. Остановленная в конце трубопровода гидромааина С выполняющая роль дополнительного сопротивления) позволяла приблизить условия эксперимента к эксплуатационным.

Элас:ичный трубопровод из прорезиненной ткани условный диаметрам dj, =130 мм имел длину 1-5.7 и (З/dy). Он укладывался на гладкую поверхность.

Для выравнивания потока, что особенно необходимо для водоводов небольшой длины, перед эластичным трубопроводом устанавливалось сотовое струевыпрямляюцее устройство. Оно представляло собой набор сваренных между собой по окружности металлических трубой длиной 180 мм и диаметром 15 мм.

Эластичная труба закреплялась хомутами к металлическим вставкам.

Вода по эластичному трубопроводу подавалась к гидромашине. Далее по железобетднным лоткам, находящимся ниже уровня пола лаборатории, поступала через успокоительные реаетки к мерному прямоугольному водосливу шириной 1 м в приемный бассейн.

Коэффициент гидравлического трения вычислялся из формулы

где к - гидравлическим радиус.

Следует отметить, что а опытах характерны^ размером служил гидравлический радиус как в случае некруглого С Р<15 так и в случае круглого (Р5.1) поперечных сечений эластичного трубопровода.

Для измерений применялась следующие приборы: образцовые манометры, водовоздушные диференциальные манометра, трубка Пито, мерный водослив, ртутный термометр, рулетка, микрометр, штангенциркуль, ступенчатый калибр (металлический конус).

В главе приведены результаты оценки точности выполненных измерений. Максимальная погрешность в опытах составила 52 (при определении коэффициента гидравлического тренияХ).

В этой же главе расматривалась предложенная автором методика получения приближенных -четырехквадрантных характеристик центробежных консольных насосов.

Б виду отсутствия четырехквадрантных характеристик для большинства консольных насосов, возникает задача построения их с использованием имеющихся для отдельных насосов и каталожных харак-

( 1 )

теристик рассматриваемого насоса.

Четырехквадрантные характеристики консольных насосов были, в основном, представлены в координатах Н/пй -Q/n и M/nÄ -Q/n для п>0 и для п<0, в координатах H/if-n/Q; H/Q -n/8 для £k0 и Q>0, где а, Н, М, п - расход воды через насос, его напор, момент сопротивления и частота вращения ротора насосного агрегата. Таким образом четырехквадрантные характеристики задавтся 3 кривыми, причем характеристики в координатах H/Q2-n/8, M/Q^-n/Q (для 8>0 и Q<0) следует считать вспомогательными, поскольку они необходимы лишь при небольаих значениях частот вращения п (в частном случае при п-0).

Несмотря на значительный обьем информации, четырехквадрантные характеристики, построенные в таких координатах, имеют и положительные стороны. 0 частности, характеристики в первом квадранте (первый насосный режим) имеют ту яе форму, что и каталояные, а если в них заменить фактическуа частоту на относительную^=п/п0, как зто предложил Л.Ф. Моинин, то характеристики для первого квадранта будут полностьв совпадать с каталоаными.

Зозмояно представление четырехквадрантных характеристик консольных^ насосов и в координатах приведенных значений расхода Qj (Qj'=Q/DaVi?), момента MJ СМг' =Н/й|Н), частоты вращения n,' (n^nD^/Vfl) - форме, использумой обычно для турбин. Однако в этом случае характеристики, во-первых, представлявтса не полностьв (очевидно, что просто невозмояно представить полностьв для всех режимов характеристики в координатах, когда параметры насоса входят в знаменатель аргумента или функции), а во-вторых, не удобны для возможности получения по ним приблияенных характеристик для других насосов (турбин). Описанная ранее форма четырехквадрантных характеристик также недостаточна удобна для использования их с целыа получения приблияенных характеристик для других насосов.

Наиболее удобна для обобщения результатов форма четырехквадрантных характеристик, предлоаенная Сьвтером (диаграммы Сьотера). Б этом случае в качестве аргумента используется значение:

9=arctg(Cn/n0)-CQ0/Q)), ( 2 )

функциями авлавтсд: Нн=П8), Км=П6), в которых Нн, Ям - безразмерные параметры.

Следует отметить, что Сьвтер принимал для аргумента размерность радианы. В данной работе, для аргумента принималась размерность градусы, что формально делает его размерным, но фактически более

- и -

привычным для использования.

Таким образом в диаграммах Сьютера для описания зависимостей между а, Н, Н, п используятся всего 2 кривые: Ин=Пб) и Нм=П8).

Согласно законам подобия гидромаяин, прибли!енная полная характеристика рассматриваемого насоса монет быть получена экстраполяцией или интерполяцией между кривыми Нн-{48) и Ям-ГС8).

Безразмерные переменные Ин, Им могут быть преобразованы в значения Н и М.

Также в главе рассматривается методика расчета на ЭВМ переходных процессов в турбинных водоводах рукавной микроГЗС. Работы в этом направлении велись вС-П6ГТ",МГУП. КГСЗ, ВНИИ ВСДГЕО, КЗИ. Упругий гидравлический удар был описан следующими уравнениями:

¿н7/аис4са/еги/см}т>. <■ з )

<за/й1=(8ГА)(ньг-нт)-8Гьвла, _ с 4 )

где <Ш/6Ь - изменение напора^гурбины (гидроудар); dQ/dt - изменение расхода через турбину; (Ы0т+{1и)/2 - средние значения расхода по длине водовода; Ст - турбинный расход; расход водозабора; Нт - напор на турбине; напор на водозаборе; 7 - площадь поперечного сечения водовода; I, - длина турбинного водовода; с - скорость распространения волны изменения давления.

Начальными условиями были приняты известные средние значения расхода и напора турбины Н^ в начальный момент времени Ц. Граничными условиями были приняты значения напора в начале турбинного водовода Нп, и турбинного расхода От, зависящего от открытия направляющего аппарата а0, напора турбины Нт и скорости вращения агрегата п (8т=Г(а0,Нт,пЗ).

Изменение частоты вращения ротора агрегата в конечных разностях было представлено в виде:

Ап=375( Мт-Мэ БИ^ ), С 5 )

В формуле (5) 5Б^-маховсй момент; М^-момент, развиваемый турбиной, Нэ-комент, развиваемый генератором.

С помощью приближенных четырехквадрантных характеристик в координатах Нн^Пв), йм-ГС&) насоса 8К-140 (старая маркировка используется в виду отсутствия новой) были получены приведенные значения пх• • 14 » используемые в расчете гидравлического удара в турбинном водоводе рукавной микроГЗС, оборудованной в качестве турбины центробежным консольным насосом.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассматривания результаты лабораторных исследований эластичной труби рукавной микроГЗС.

3 эксперименте при давление в мерном створе эластичного

трубопровода устанавливалось для трех значений с шагом 0.25Р. Первое - минимальное, соответствовавшее "каплевидной" форме эластичного трубопровода, равнялось Р-0,5 или Р^б кПа, второе - среднее, равнялось Р-0.75 или Р=3 кПа, третье - соответствовало круглому поперечному сечению эластичного трубопровода и равнялось Р=1 или Р=12 кПа.

Зафиксированное давление в трубопроводе выдерживалось постоянным в течение двух часов - времени, при котором происходила стабилизация формы эластичного трубопровода. По истечении этого времени деформация трубопровода не наблюдалась.

Замеры геометрических размеров Н* и В (рис.2) поперечного сечения эластичного трубопровода производились через каждые 15 минут.

Близкое совпадение результатов эксперимента с расчетно-теорети-ческими исследованиями (расхоядение составляет не более 2.2Х) позволяли принять методику, предлояеннув §.И. Друзем, определения площади "некруглой" формы поперечного сечения эластичной трубы.

Экспериментально подтверадено, что при значениях напора:

Нп>6...7ёу ( б )

мокко считать сечение трубопровода круглым.

Следующие серии экспериментов проводились при относительном давлении Р>1. _

В эксперименте при Р>1 давление в эластичном трубопроводе устанавливалось для пя^и значений с вагом_0.5Р: Р=1.5 или Р=18_кПа, Р-2,0 или Р=24 кПа, Р=2.5 или Р=3 кПа, Р=3.0 или Р=3б кПа, Р=3.5 или Р-42 кПа,

Наглядное представление изменения площади поперечного сечения эластичного трубопровода от давления в нем дает график функции й=ПР) (рис.4), где ¡7 - относительная площадь, определяемая по формуле й=»/и9, в которой и - площадь поперечного сечения трубопровода, и0- площадь его круглого сечения минимального диаметра.

График ы=Г(Р) условно мохно разбить на две части. Первая -й=Г(Р) (Р^1) получена теоретически, подтверждена_зксперекенгально и не зависит от свойств материала; вторая - й=Г(Р) (Т>1) получена экспериментально и зависит от свойств материала эластичного трубопровода.

В опытах одновременно с исследованиями изменения шивого сечения потока были измерены потери напора по длине Ьдп, и расход в, вычислены средние скорости потоков ч и значения коэффициентах. По результатам эксперимента были получены координаты точек, которые

износились на плоскость (IsiООХ; 1gRe» где KeR - число Рейнольдса, вычисленное по гидравлическому радиусу.

Из анализа графика функции IglOOX=f(lgReÄ) (рис.5) можно сказать, что режим движения воды в трубе соответствовал переходной области сопротивления. При числах Рейнольдса BeR>25000 iRe>100000> наблюдался переход в "квазиквадратичнув" область. Дифференциация координат эксперементальных точек зависела от относительного давления Р.

Особенностью рассматриваемого графика можно считать, что в некотором диапазоне чисел 20000<ReR<25000 С30000<Re<100000) для ?=3.0...3.5 коэффициент гидравлического тракия "X. становится близким к сопротивлению гидравлически гладких труб. Отличие\ эластичной труба при Р=3.5 достигает 3.6% по сравнению с % гидравлически гладкой.

Аппроксимация эмпирическими зависимостями диаграмм сопротивления эластичной трубы позволяла рекомендовать в качестве расчетной формулу:

X =0.03636 - 0.C04251gReR, ( ? )

Формула £7) справедлива для эластичного трубопровода dy=!80 мм из прорезиненной ткани при числах Рейнольдса^ ReR=14400..,40000 (Re=57S00.,,150000) и относительном давлении Р=3,0...3.5.

При числах Рейнольдса ReR>25000 СRe>1000001 экспериментальные точки изменяли характер своего расположения на графиках IglQOXifCRe^), принимая более пологую форму. Можно предположить начало перехода к квадратичному закону сопротивления (автомодельности по Re). Коэффициент X при этом можно было принять равным 0,01800.

Для практического применения были обобщены полученные данные и представлены в диссертации зависимостиЛ=П9_Л>зЕтабличной форме, а также \=fCP) - в форме графика. ФункцияД^ГсР), для различных Re показывает, что в эксплуатационных режимах для микроГЗС (Р>2.5 и Re^>18750 или Re>750001 коэффициент трения%изменяется не более, ., чем на 2'/.,

Для определения распределения осредненных скоростей и фиксировалось в первом варианте относительное давление и изменялись расходы воды, следовательно и числа Рейнольдса, во втором - расход воды регулировался таким образом, чтобы выбранное число Re оставалось постоянным, а изменялось бы относительное, давление.

Зсловием постоянства числа Рейнольдса при изменении давления было равенство

VV^-i^'1' ( 3 5

Q2 QQ

OO

f.o

2,0

3,0

*.o

Рис.4. График функции wsftP).

■tyf/OO X)

q4o qss

03Ô 025 ОНО

О - C.5Î Д • 3.7S * - 1.3? » - ? □ - г-э ? a - ? 0 * * ¡-^jJ.r.Sbli0'21 : ~::.з6;г - i.s

1

- 3 k

Sj ь s 0 «

4 à i >

1> ' A

4

S h

\

V 4.2 ЪЗ f* jS 4,6

te tô Í9 s,о 5/ k3- ^Re

Рис.5. График функции la( !OOX)-u Ig?.eR)

где - гидравлический периметр при относительном давленииД.^, - гидравлический периметр при относительном давлении^.

Зпюра осредненних скоростей, при относительном давлении Р=0.5 (рис.ба) имела ярко внраяенннй ассиметричннй характер, развитый книзу, Зто наблвдалось для всех трех случаях проведенных исследований при числах йе^-3114, Кел-16149, Де^г 19387. Аналогичный факт был в свое время зафиксирован Е.В. йнисимовым.

Увеличение относительного давления и установление стабилизации формы поперечного сечения эластичного трубопровода (при Р=3.0... 3.5) приводило к тому, что максимальное значение скорости сдвигалась вверх, и эпюра приобретала симметричный характер относительно оси эластичного трубопровода (рис.66).

При относительном давлении Р=3.5 и различных числах Рейнольдса наблвдалось симметричное распределение скоростей вдоль потока, а такяе увеличение угла Л наклона верхней и нияней ветви с увеличением числа Рейнольдса, Такой характер графика говорит о вполне закономерном увеличении степени турбулентности потока при больших числа Рейнольдса.

Полученные результаты распределения местных скоростей ц свидетельствует о том, что при относительных давлениях Р^2.5 и числах 5ел>1875!) (Ке>75000) эпары скоростей в эластичных трубах близки к яестким. Зто позволяло расчитать эквивалентную аероховатость /\з трубы из формулы Прандла-Никурадзе для гидравлически шероховатых

Эквивалентная шероховатость А^=0Л2 мм.

На основании проведенного анализа и полученных результатов мояно отметить такае, что при турбулентном реяиме движения коэффициент X будет больие, чем больие относительная шероховатость, при одинаковых числах йе.

Полученные экспериментальные результаты позволили обосоновать компоновку водоприемника рукавной микроГЗС относительно минимального уровня в водоисточнике. Зсловиеы заглубления водоприемника рукавной микроГЗС при сохранении всех остальных требований к напорным водоприемникам, является работа следующего за ни« эластичного трубопровода с минимальными гидравлическими потерями. По результатам эксперимента мояно было судить, что минимальные значения наблюдались при круглой форме поперечного сечения эластичного трубопровода, определяемой по вырааениш (б).

3 ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ давтся описание расчетно-теоретических исследований четырехквадрантных характеристик центробежных консоль-

( 9 )

Рис.6. Распределение осредненных скоростей и: а - Р=0.5 (1-Ке,д970г; 2-Не^1б147; 3-Йек=19404; 4-и/£тлх=( 2у/Н' ГЧ для гидравлически гладких труб)) 6 - Р=3.5 <1-Яе(1-Э24Э: 3-Ке^=24Б05; З-Ие,, =40008; 4-и/итк,=(2у/Н')1/?сдля гидравлически гладких труб)).

ных насосов, пример подбора консольного насоса в качестве турбины.

3 характеристиках, представленных в форме Сыотера, используются безразмерные переменные 8/Qq , Н/Но , М/М0 , п/Пд. Аргумент определяется по С23, а функции этого аргумента для напора в виде:

\ / \/ Н/Нр ( 10 ,

WH_sigriHV Crw/ao)i+/а/ал*>

а для момента соответственно: /-—;—5-^—i

\ / ь л\ / М/Мо ( 11 j

Щ-sigr.MV rnX^/Qo)*.

С помощью уравнений СЮ), (11) были обработаны четырехквад-рантные характеристики 4 насосов следующих марок: 1200В—5,3—100 (52В-11), 8К-14, 1200В—б,3/63 С52В-17), 12К-24. Полученный числовой массив, который был введен в ЭВМ, представлял собой последовательность чисел в одном случае Ф-Нн , в другом {М!м, Следует отметить, что автор работал уже с готовой программой для пользователя компьютером совместимым с IBM PC на основе микропроцессора Intel—

аоззб.

После ввода исходных данных на мониторе были получены графики фукций HH=f('9) Им=П4) (рис,7а,б), представляющие собой перестроенные в безразмерные параметры полные характеристики центробежных консольных насосов быстроходностями п^ = i10, 140, 170, 240.

Для подтверждения предложенной методики в качестве исследуемого, был выбран центробежный кднсольный насос марки ЗК-14 быстроходностью ns=140, четырехквадрантные характеристики которого были получены ВНЙИГидромав. Сопоставление результатов интерполяции и пересчета дает относительную погрешность не более 52.

При использовании насоса в качестве турбины необходимо выделить второй турбинный режим, поэтому на рис.8а,б показан фрагмент диаграммы Сьатера, соответствующий второму турбинному режиму работы гидромавинн. Графики функций MH=fС-в5 и WM=f(8) отдельно вынесены для значений аргумента 8 равного 180...245°.

Также в главе были получены значения коэффициентов кавитации б* центробежных консольных насосов, которые составили: б^О.031.. .0.076.

В процессе эксплуатации гидравлическое регулирование микрогид-розлектростанции может быть осуществлено за счет изменения коэффициента | запорной или регулирующей арматуры. Анализ гидравлических и технико-экономических показателей, выпускаемой в странах СНГ трубопроводной арматуры показал, что затворы по сравнении с задвижками и регуляторами давлений обладают рядои преимуществ: имеют

Рис./, Четырехквадрантные характеристики насосов быстроходности tij = 110, 140, 170, 240 в координатах: ^ ^ а - Ин=Г($) С1-перестроенная из координат H/n'-fl/n. H/Q -n/Q, 2-приблияенная характеристика); а б - iiM-fi-fl5 С 1-перестроенная из координат M/n -Q/'n, M/3 -n/Q, 2-приближенная характеристика).

Рис.3. Турбинные характеристики 140, 170, 240 в координатах: а - Нн-П9) (1-перестроенная из 2-приблияенная характеристика); б - Ям-fCtä) С I-перестроенная из 2-приблиаенная характеристика).

насосов быстроходности 110,

jj £

координат Н/n -Э/п, H/Q -n/Q, координат М/пЯ-3/п, M/Q2-n/B,

меньшие габаритные размеры, масса и стоимость, более высокую надежность, легкость управления, вызывают меньиее изменение давления при одном и том же времени регулирования.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приводятся рекомендации по применении элементов водопроводяцего тракта рукавной микроГЗС, оборудованной в качестве турбины консольным насосом. Приводится пример гидравлического расчета микроГЗС, в который были вкличены: определение диаметра рукава; подбор консольного насоса (турбины); компоновка водоприемника; расчеты потерь по длине в рукаве, а также отрицательного гидроудара.

В качестве примера был рассмотрен наиболее неблагоприятный режим работы эластичного турбинного водовода - пуск гидроагрегата, вызывающий понижение давления, а следовательно и увеличение гидравлических потерь. Для расчетного напора 30 м и времени открытия дискового затвора 20 с максимальное понижение напора в трубопроводе составило 1.31 м или 3.87. от расчетного напора (рис.9).

¿Н,м

А 00

Рис.3. Пуск гидроагрегата: ДК-П1).

Заключение.

По результатам работы можно сделать следующие ВНВОДИ.

1. Из анализа современного состояния малой гидроэнергетики в России и за рубежом, оценки гидропотенциала малых и средних рек следует, что освоение последних позволит обеспечить отдаленных автономных потребителей относительно дешевой электроэнергией.

2. Освоение малых и средних водотоков может вестись строительством русловых или деривационных микроГЗС. Для деривационных станций наряду с использованием стальных трубопроводов перспективно использование эластичных рукавов [например, при Рра^1.6 МПа и (^$130 мм).

3. Согласно теоретическим исследованиям, подтвержденным экспериментально, эластичный трубопровод приобретает круглую форму поперечного сечения при отношении напора в нем к его условному диаметру йп/(3у=6.. .7. При этом материал, из которого выполнен эластичный трубопровод не влияет на изменение некруглой формы поперечного сечения эластичного трубопровода.

4. Экспериментальные исследования эластичного трубопровода показали, что существенное изменение значений коэффициента гидравлического тренияХ эластичного трубопровода (до 7Х) при одинаковом числе Рейнольдса наблюдается до приобретения ин круглой формы поперечного сечения (Р=0.5...П. Этот факт нужно учитывать при определении заглубления водоприемника рукавной микроГЗС.

5. Водоприемники рукавных микроГЗС следует заглублять таким образом, чтобы напор в начале эластичного трубопровода составлял не менее о...7 его диаметров.

6. Коэффициент гидравлического трения \ эластичного трубопровода можно определять по формуле (7). Формула справедлива для эластичного трубопровода диаметром dy =130 мм из прорезиненной ткани и в диапазоне чисел Рейнольдса йе^НООО., .25000. При числах Кей>25000 режим движения в эластичном трубопроводе носит "квазиквадратичный" характер. Коэффициент\ при этом можно принять равным Я=0.01800.

7. При незначительных относительных давлениях Р=0.5...1.0 эпяра скоростей имеет ассиметричный характер развитый книзу. При относительных давлениях Р-;2.5 и Кеа>13750 эпяры скоростей в жестких и эластичных трубах близки. При этих же числах Яе наб-лвдается явление "квазиквадратичной" области сопротивления. Это

позволяло определить коэффициент эквивалентной щероховатости эластичной трубы, выполненной из прорезиненной ткани по формуле для жестких труб (3): Дэ-0.12 мм.

Близкое совпадение згсвр скоростей в эластичных и жестких трубах позволяет сделать вывод, что коэффициент X тем больае, чем больше относительная шероховатость, при одних и тех ае значениях Нея>13730.

3, При расчетных значениях напора 12...35 м и мощности

0.5...30 кВт микроГЗС может быть оборудована центробежным консольным насосом, работавшим в качестве турбины. Характеристики насоса в турбинном резине могут быть построены по предложенной методике путей экстраполяции или интерполяции между кривыми Ян^Пв) и Км=Г(Э) в соответствии с быстроходноетьв насосоз.

Сопоставление приближенной характеристики и перестроенной четырехквадрантной характеристики в диаграмму Сьнзтера показало разницу з результатах не более Ъ'/..

3. При определении высотного положения консольного насоса следует учитывать коэффициент кавитации б". Для консольных насосов его значение можно принять равными ^=0,031.. .0.07В (меньшие величины соответствувт меньией быстроходности).

10. При эксплуатации рукавной микроГЗС могут возникнуть нестационарные процессы в турбинных водоводах. Наиболее неблагоприятным для эластичного трубопровода является понижение давление (режим пуска), ведуцее к изменении формы трубопровода. По своим гидравлическим и технико-экономическим показателям поворотные дисковые затворы превосходят регуляторы давления и шиберные задвижки.

Приведенные выводы свидетельствуют о том, что в рамках рассматриваемого процесса на новом уровне решен комплекс Еоприсов связанных с гидравлическими условия»« работы микроГЗС и подбором отдельнчх-злеиемтов водопроводяцего тракта.

Разработаны рекомендации по диапазонам условий их применения. Обоснованы решения по: компоновке водоприемника; использования насосов в качестве турбин; их гидравлическому регулировании. Эти решения обеспечиваит надежную эксплуатацию микроГЗС.

Дальнейшие исследования должны быть направлена на разработку математических моделей движения воды в эластичных трубах.

По содержании диссертации опубликованы следующие РА50ТН:

1. Проектирование малых ГЗС. Методические указания для курсового проектирования.-М.: МШ1, 1931, с. 2...30 (в соавторстве).

- ¿л -

2. Получение полных характеристик центробежных консольных насосов различной быстроходности с целью их использования в качестве турбин.-Н.: Деп. в ЗИНИТ'Л Н032-396. 1335 (в соавторстве ).

3. Гидравлические исследования эластичних труб рукаьннх микроГЗС. -1.: Деп. в Б'ЛКИТ'Л N652-005. ¡336.

4. Обоснование гидравлических параметров элементов водопроводяие-го тракта рукавных микроГЗС/ Тез. докладов научно-технической конференции НПт/-М.:МИП. 1336. с.73...76.

5. Методика построения приближенных четарехквадрантных характеристик консольных насосов./Тез. докладов международной научно-технической конференции "Гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика"/-й,:НЗИ/Технический университет,1336, с. 47 (в соавторстве).

5. Гидравлическое регулирование микроГЗС, оборудованных центробежными консольными насосами.-Я.:Деп. в ВИНИТИ, НЗЗЗЗ-ВЗб, 139Б (в соавторстве).