автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Обоснование мобильных подпорных сооружений комплексного назначения для малых водотоков

На правах рукописи

<7

ГОДИН Павел Александрович

ОБОСНОВАНИЕ МОБИЛЬНЫХ ПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ КОМПЛЕКСНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ МАЛЫХ ВОДОТОКОВ

Специальность: 05.23.07 - «Гидротехническое строительство»

6 КЮН 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005060988

Новочеркасск - 2013

005060988

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный технический университет» и федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Кашарин Денис Владимирович

Официальные оппоненты: Иванов Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Полузунова», заведующий кафедрой теплотехники, гидравлики, водоснабжения и водоотведения

Лаврентьев Вадим Леонидович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)», профессор кафедры гидротехнических сооружений и гидравлики

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «18» июня 2013г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.171.03 в ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)» по адресу: 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин).

Автореферат разослан «26» апреля 2013г.

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент ^ Дзюбенко Л. Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Согласно проведённому анализу, в настоящее время вблизи малых водотоков Российской Федерации расположено около 90% сельскохозяйственных объектов и населённых пунктов. Многие из них являются территориально разрозненными и удаленными от централизованных инженерных сетей, сезонно-действующими объектами небольшой энергоёмкости (фермерские хозяйства, коттеджи, малые предприятия и т.д.), поэтому для их водо-и энергоснабжения экономически целесообразно использовать местные водные ресурсы - малые реки и каналы. В большинстве своём они являются равнинными, с глубиной до 1,5 метров в меженный период и средним многолетним расходом менее 5 м /с. Эти водотоки наиболее уязвимы при антропогенном воздействии, поэтому требуется достаточная пропускная способность их русла с целью сохранения экологического состояния, обеспечения транспорта наносов, нереста рыбы, предотвращения затопления прилегающих территорий в период половодий и паводков. В то же время для надёжного водо- и энергоснабжения необходимо аккумулировать речной сток. В связи с этим актуальна разработка мобильных подпорных сооружений комплексного назначения (МПСКН) для создания сезонного водохозяйственного узла с автономным энергообеспечением на базе низконапорной мембранно-вантовой плотины из композитных материалов, устанавливаемой на каналах или малых реках с глубинами до 1,5 м. Условия создания и использования данных конструкций предъявляют к ним такие требования как: свободный пропуск водного потока в период половодий и паводков, мобильность, сборно-разборность, низкая материалоёмкость и малая стоимость, простота монтажа и эксплуатации.

Исследования проводились в рамках НИОКР №7050р/9666-3 «Разработка экологически безопасных технологий, моделей и устройств комплексной переработки энергии», а также в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы, НИР по теме: «Исследования и анализ технологических схем и конструкций энергетических комплексов на базе ВИЭ для индивидуального децентрализованного энергоснабжения» (государственный контракт № 02.740.11.0476), а также в соответствии с тематическим планом НИР ФГБОУ ВПО НГМА по теме 03.01.01 «Разработать технологии проектирования, эксплуатации и управления мелиоративными системами, обеспечивающими воспроизводство природно-ресурсного потенциала агроландшафта».

Цель исследований заключается в разработке новых технических решений и обосновании методов расчёта сезонно-действующих мобильных подпорных сооружений комплексного назначения для автономного водо- и энергоснабжения децентрализованных потребителей, расположенных вблизи малых водотоков.

Основные задачи исследований:

- провести анализ существующих конструкций водоподпорных сооружений и гидроагрегатов для малых водотоков, их теоретических и экспериментальных исследований;

- разработать конструкции МПСКН для малых водотоков, обеспечивающие водо- и энергоснабжение объектов малой энергоёмкости;

- провести математическое моделирование напряжённо-деформированного состояния водоподпорной оболочки и гидравлических уело-

вий подхода потока в верхнем бьефе для оптимизации параметров сооружения, обеспечивающих минимальные потери напора и увеличение номинальной мощности гидроагрегата;

- выполнить лабораторные и натурные исследования варианта конструкции, выбранного в ходе математического моделирования конфузора, сравнить с данными, полученными в ходе численного моделирования, и на их основании получить зависимости для определения параметров МПСКН;

- разработать методику проектирования предложенных конструкций МПСКН для малых водотоков.

Научную новизну работы составляют:

- новые конструкции МПСКН на основе мембранно-вантовой плотины, гидроагрегата и конфузора, защищенные патентом на изобретение (пат. 1Ш 2378451), с более высокими показателями скорости возведения, эффективности выработки электроэнергии, меньшим влиянием на экологию водотока по сравнению с существующими конструкциями;

- на основе результатов численного моделирования условий подхода потока в верхнем бьефе обоснована необходимость установки гибкого конфузора, обеспечивающего минимальные потери энергии;

- впервые на основе проведённого численного моделирования и результатов экспериментальных исследований МПСКН обоснована конфигурация и конструкция гибкого конфузора и рисбермы в зависимости от гидравлических условий работы;

- впервые выполнен сравнительный анализ результатов экспериментальных и натурных исследований МПСКН и на их основе получены зависимости по определению геометрических параметров конструкции.

Практическую ценность работы составляют:

- разработаны сезонно-действующие МПСКН, обеспечивающие водо- и энергоснабжение децентрализованных потребителей вблизи малых водотоков;

- разработанное руководство по проектированию, строительству и эксплуатации МПСКН с применением композитных материалов, обеспечивающих высокую эффективность работы при различных условиях эксплуатации, утверждённое в «Южный специализированный научный Центр по проектированию объектов мелиорации и водного хозяйства», рекомендовано для применения в водохозяйственном строительстве.

Внедрение МПСКН осуществлялось на Ольгинском полигоне Ростовской области, экономический эффект внедрения составил 60 тыс. руб. на одно сооружение.

Достоверность полученных результатов обосновывается: численным моделированием с использованием существующих гидромеханических решений для потока реальной несжимаемой жидкости, результаты которого подтверждены значительным объёмом экспериментальных данных, полученных в ходе лабораторных исследований; использованием методов математической статистики и программных средств при обработке результатов экспериментов; применением аттестованной измерительной аппаратуры и приборов; удовлетворительной сходимостью натурных и экспериментальных исследований с результатами других авторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- новые конструкции МПСКН с гибким конфузором;

- эмпирические зависимости по определению конфигурации водопод-порной оболочки и конфузора из композитных материалов, параметров гидроагрегата для различных условий работы;

- методика расчёта и проектирования МПСКН и алгоритм подбора конструкции для различных условий установки, полученных на основе математического моделирования и экспериментальных исследований;

- эксплуатационные характеристики МПСКН, полученные в ходе исследований внедрённой конструкции.

Личный вклад автора заключается в разработке, научном обосновании и усовершенствовании технических решений МПСКН; проведении численного моделирования, лабораторных и натурных исследований; получении экспериментальных зависимостей по определению параметров МПСКН, разработке методики проектирования и внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» ФГБОУ ВПО НГМА (2006-2012 г.); кафедр «Тепловые электрические станции»; «Водного хозяйства предприятий и населенных мест» ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (2012 г.); на научно-технических конференциях, проводимых в НГМА (2007 -2012г.); всероссийской научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в АПК» (г. Пенза, 2007 г.); международной конференции «Проблемы повышения продуктивности мелиоративных земель» (г. Новочеркасск, 2008 г.); международной конференции «Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений» (ЮРГТУ, 2009 г.); всероссийской конференции «Социально-экономические аспекты современного развития АПК: опыт, проблемы, перспективы» (г. Саратов, 2009); IV всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ, научно-инновационных разработок и проектов студентов, аспирантов и молодых учёных высших учебных заведений Российской Федерации «ИННОВ - 2009» семинаре ФГБОУ ВПО НГСУ (Сибстрин) 2012 г. На итоговой сессии программы «У.М.Н.И.К» по представленной работе «Проектирование мобильных подпор-но-регулирующих ГЭС для водохозяйственного строительства» автор признан победителем (2008 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 работах, в том числе 3 статьи в журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК Ми-нобрнауки России, патент на изобретение (пат. RU 2378451).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 145 наименований, в том числе 11 зарубежных. Работа содержит 195 страниц текста, из них 179 основного текста, включая 111 рисунков, 19 таблиц и 10 приложений ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи, указаны методы исследования, определены научная новизна и практическая ценность результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации основных результатов.

В первой главе на основе анализа литературных источников приведена оценка современного состояния и перспектив развития конструкций низкона-

порных сооружений для малых водотоков, а также энергоустановок, основанных на использовании природных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и устраиваемых в труднодоступных, удалённых от централизованных электрических сетей районах, для электроснабжения объектов малой энергоёмкости. Определены факторы, характеризующие автономных водо- и энергопотребителей: территориальная разобщённость; малая мощность и индивидуальный характер нагрузки; уровень квалификации персонала, обслуживающего энергоустановки; необходимость создания низконапорного сезонного сооружения комплексного назначения. На основании оценки условий работы мобильных гидроэнергоустановок различного типа, а также требований потенциальных потребителей для последующей разработки выбраны мобильные, автономные микро ГЭС, применяемые в качестве сезонных водоподпорных сооружений на естественных и искусственных малых водотоках, в составе низконапорной плотины.

В ходе проведённого анализа конструкций низконапорных сооружений для малых водотоков обосновано применение мембранно-вантовой плотины в качестве водоподпорного элемента, которая обеспечивает подпор до 4 метров и имеет ряд преимуществ: возможность возведения в кратчайшие сроки, простоту и удобство эксплуатации, низкую материалоёмкость. Теоретические исследования и расчёт мягких незамкнутых оболочек, входящих в состав мембранно-вантовой плотины, рассмотрены в работах Бондаренко В. Л., Волосухина В. А., Затворницкого О. Г., Катарина В. И., Катариной Т. П., Кузнецова Е. С., Розанова Н. П., Сергеева Б. И., Степанова П. М., Хуберяна К. М., Цивиной И. М., Шумакова Б. Б., Щедрина В. Н. и др. Из зарубежных авторов следует отметить работы Анвара Н. О., Бинние А. М., Мика Л., Отто Ф., Павберы Р. Д., Тростеля Р., Харрисона X. Б., Хитха Н. М. и других учёных и специалистов.

Для определения параметров МПСКН на базе мембранно-вантовой плотины из композитных материалов требуется проведение исследований совместной работы водоподпорной оболочки, конфузора и турбины, так как изменяются условия похода потока в верхнем бьефе и сопряжения в нижнем по сравнению с существующими.

Анализ известных конструкций малых и микроГЭС Бирюкова Е. С., Блинова Б. С., Гудикова Н. А., Ленева Н. И., Логинова М. И., Новикова Ю. М., Катарина Д. В. и других показал перспективность применения конструкции на основе мембранно-вантовой плотины из композитных материалов й переносного гидроагрегата с поперечно-струйной турбиной Банки для малых водотоков. Исследованиям турбин этого типа посвящены работы Агуерре С., Агуерре Р., Котенкова И. В., Сарате Ф., Станисциа С. и др.

Преимущество МПСКН заключается в том, что она может быть установлена в короткие сроки (от 2 до 24 часов в зависимости от её параметров, технологии возведения, с учётом опыта внедрения мембранно-вантовых плотин). Кроме этого, такая конструкция мобильная, может использоваться многократно, проста в изготовлении, имеет низкую стоимость и материалоёмкость. Определено, что в данной конструкции эффективность использования гидроэнергетического потенциала водотока снижена из-за неоптимального, с точки зрения гидравлики, подхода потока к турбине.

Проведённый обзор научно-технической литературы и выводы, сделанные в первой главе, предопределили направление конструктивных решений,

конкретизировали цель и задачи исследований, обеспечение водоснабжения и энергоснабжения децентрализованных потребителей.

Во второй главе на основе анализа известных технических решений микро и малых ГЭС, определена область их применения, достоинства и недостатки. Проведён анализ характеристик и условий работы гидроагрегатов для микро и малых ГЭС, в результате которого автором предложено в качестве гидроагрегата для МПСКН использовать поперечно-струйные турбины, работающие при частоте оборотов 250...400 об/мин, расходах от 0,02 до 3 м3/с и напорах от 1 м.

В главе приведено описание конструкций МПСКН на основе мембранно-вантовой плотины из композитных материалов с переносным гидроагрегатом, из-за значительных потерь напора при подходе к которому снижается эффективность использования энергии водного потока. В связи с этим автором предложена новая конструкция МПСКН с конфузором из композитных материалов (пат. 1Ш 2378451), обеспечивающая минимальные потери напора, мобильность, оптимальные условия подхода потока (рис. 1).

из композитных материалов (пат. 1Ш 2378451):

1 - понур; 2 - вантовая система; 3 - водоподпорная оболочка;

4 - гидроагрегат; 5 - рисберма; 6 - гибкий конфузор

Конструкция МПСКН с гибким конфузором обеспечивает подпор уровней воды в водотоке от 1 до 4 м и производимую мощность до 160 кВт при пролёте в диапазоне от 1 до 50 м, с учётом опыта внедрения мембранно-вантовых плотин и возможного гидроэнергетического потенциала водотока.

Сооружение снабжено гибким конфузором с рёбрами жесткости, который закреплён с помощью вант, береговых анкерных опор и русловых анкеров. Конфузор прикреплён к гидроагрегату совместно с водоподпорной мембраной, закреплённой к дополнительным русловым анкерным опорам с помощью гибких связей. Положение водоподпорной мембраны, зависящее от уровня воды в верхнем бьефе, регулируется за счёт изменения длины гибких связей (рис. 1).

Предложены новые технические решения, предусматривающие защиту конструкции от наносов; водосброс и рыбопропуск; установку гидроагрегата на

ы

грунтоармированном основании или наполняемой оболочке и др., которые подробно описаны в диссертации. На основании существующих и разработанных технических решений составлена классификация МПСКН, которая приведена во второй главе.

Для изготовления водоподпорной оболочки используется тканевый композитный материал, который представляет собой матрицу из эластомера с определённым распределением в ней армирующих волокон. Выполнен анализ существующих материалов, на основе которого выбран композитный материал (ШШОЬ 630, обладающий высокими прочностными и эксплуатационными свойствами, характеристики которого приведены в диссертации. Применение этого материала позволит увеличить надёжность конструкции, уменьшить затраты на её изготовление, сократить сроки установки и демонтажа.

В третьей главе выполнен анализ известных методик расчёта элементов мембранно-вантовых конструкций из композитных материалов и поперечно-струйного гидроагрегата. Для определения очертания водоподпорной оболочки при различных углах касательной к узлу крепления и гребню Ф^Фгр выбрана система трёх нелинейных уравнений, предложенная Волосухиным В. А. и Ка-шариным В. И., которая наиболее соответствует экспериментальным данным, расчётная схема приведена на рисунке 2. а) б)

Рис. 2. Расчётные схемы исследуемых конструкций:

а - схема МПСКН без конфузора; б - схема МПСКН с конфузором: 1 - понур; 2 - ванты -оттяжки; 3 - ванта-подбор; 4 - береговые анкерные опоры; 5 - водоподпорная оболочка; 6 -гидроагрегат; 7 - рисберма; 8 - русловые анкера; 9 - узел крепления понура; 10 - основание гидроагрегата; 11 - гибкий конфузор; 12 - жёсткий насадок; 13 - крепление конфузора Расчёт параметров вантовой фермы выполняется по известным зависимостям;

- л _ v■tgp

тангенс угла между вантои-оттяжкои и вантои-подбора

0)

усилие в ванте подбора

общая длина вант-оттяжек

N = (К.18р)2+

^ЕГ^р)

(2)

(3)

где Р„ - угол между вантой-оттяжкой и вантой-подбора; V -усилие в ванте-подбора; Ръ - усилие в ванте-оттяжке, 0 - угол наклона ванты подбора Оболочка крепится к вантовои системе, гидроагрегату и основанию Предельная нагрузка Рпр на анкер, при которой происходит его вырывание определяется из условия равновесия сил для момента срыва с учётом деформированного состояния берегового анкера по формуле Коровникова Т Н •

Рпрсов(Рпр/Кп I - р;-а1\$\п{Р^Ка I - р^ф+Я (4)

где Ф - угол наклона хорды; р - угол наклона силы Рпр к горизонту- F-начальное усилие в узле крепления ванты-оттяжки; Р„р=1{,/ ф; Кп - коэффициент пропорциональности, #„=7,55 кН/м определён опытным путём

Устойчивость МПСКН на гибком флютбеге для любого поперечного

очертания сечения русла обеспечивается следующим условием-

Р ' (5)

где Я - сила сопротивления сдвигу, Я; равнодействующая горизонтальной проекции силы гидростатического давления, Я; /- коэффициент трения флютбета о грунт основания; Дк - коэффициент, учитывающий реакции анкеров; £п - дайна понура, м; г - геометрический перепад мри р „ -соответственно плотность воды и материала гибкого понура 'кг/м3- I -толщина понура, м. ' '

Так как мембранно-вантовая плотина относится к IV классу, для обеспечения надежной работы сооружения должно выполняться условие

В результате теоретических исследований автором получено уравнение для определения мощности турбины в ваттах, в зависимости от частоты вращения-

"^'ТЩм'6'11' (б)

где п - частота вращения турбины, с"1; Ят - напор на турбине, м; О - диаметр турбины, м;ч>- коэффициент скорости; () - расход воды, м3/с; п- коэффициент полезного действия.

По результатам теоретических исследований определены задачи численного моделирования. Математическое моделирование конструкции на основании существующих зависимостей позволило определить оптимальнее параметры оболочки и вантовой системы. Углы к касательным оболочки нижнего края составляют Фф =85° и верхнего % =1Я)Р, и высота оболочки Р=0,9 м при которых она работает нерационально (вследствие увеличения нагрузки на оболочку), но это позволяет снизить потери напора при подходе к гидроагрегату Далее производилось численное моделирование водоподпорной оболочки в результате которого определён характер изменения формы оболочки, распределения напряжении под действием гидростатического давления, необходимое для определения проектного положения и дальнейшего сравнения с экспериментальными данными.

Параметры выходного сечения гибкого конфузора соответствуют разме-пт ™ДГГ аппарата турбины: ширина 0,69 м, высота 0,07 м при расходе 0,01...0,07 м /с и напоре на турбине 0,1...0,65 м, с диаметром турбины 0 2м Для предварительного определения продольного сечения конфузора в титане Ьыло произведено численное моделирование по программе СОМБОЬ

Mulíiphysics, позволяющей методом конечных элементов на основе осредненно-го по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (RANS) для реальной несжимаемой жидкости определить параметры и структуру потока при подходе к гидроагрегату более точно, чем существующие аналитические зависимости (рис. 3). При моделировании движения потока принято следующее уравнение:

Ч»=о(7)

где V - оператор Гамильтона; Vtu - функция скорости по времени; L^tr -ширина подводящего русла; р - давление в точке; Т-время; ц, I — коэффциен-ты, учитывающие неравномерность распределения скоростей и давления; давление на входе.

Граничные условия на выходе приняты по уравнению:

j1[Vu + (4u)T]n = Q,p = p0. (8)

Движение жидкости в канале описывается уравнением:

рихVm = Vж /?/ + ?7ÍVm + (Vh) 1 +F, Vxu = 0} (9)

где F- векторное поле массовьк сил.

Результаты численного моделирования продольного сечения конфузора сопоставимы с данными, полученными С. М. Слисским. При расчёте продольного сечения конфузора можно исходить из очертания свободной поверхности струи, вытекающей из-под тонкой стенки. Оптимальным очертанием продольного сечения конфузора принята эллиптическая форма. На основе результатов моделирования потока при подходе к гидроагрегату (рис. 3) и существующих положений по определению его поперечного сечения в программе Solid Works построены трёхмерные модели вариантов конфузора различной длины.

' 1,5

0.4 0,2

Рис. 3. Численное моделирование потока при подходе к гидроагрегату:

а) линии тока в верхнем бьефе сооружения: 1,2,3 - варианты конфузора в плане различной длины; б) распределение скоростей при подходе к гидроагрегату

На следующем этапе решалась пространственная задача с целью выявления оптимального варианта конфузора. С использованием программного обеспечения COSMOS Flo Xpress (приложение Solid Works), в котором применяется уравнение Сен-Венана для описания установившегося движения реальной несжимаемой жидкости с применением метода конечных объёмов. Численное моделирование позволило определить скоростную структуру и распределение гидродинамического давления потока, действующего на конфузор.

Оптимальная форма конфузора была определена из условия наименьших потерь напора при его минимальных параметрах (рис. 4).

В процессе анализа распределения гидродинамического давления установлено, что наибольшие деформации конфузора могут наблюдаться при макси-

мальном расходе 0,07 м3/с и напоре 0,65 м, вследствие образования области пониженного давления.

Рис.4. Численная модель рациональной формы конфузора с указанием скоростной структуры потока при расходе 0,07м7с

Для определения деформации конфузора выполнялось численное моделирование при расходе 0,07м3/с с помощью программы АРМ Win Machine методом конечных элементов при допущениях: оболочка является безмоментной; используемый композитный материал является однородным (рис. 5).

з 5 10 15 21 26 31 37 42 47 5 3 5 8 6 3 6 9 7 4 7 9 85 Рис. 5 Численное моделирование деформации конфузора: а) вид снизу; б) вид спереди В результате моделирования установлено, что максимальные деформации в конфузоре возникают на нижнем участке, равном 1/3 его длины. Для предотвращения деформации эту часть целесообразно изготавливать из более жесткого материала.

Четвёртая глава содержит результаты экспериментальных исследований работы МПСКН на физической модели в лаборатории кафедры гидротехнических сооружений ФГБОУ ВПО НГМА. Внешний вид лабораторной установки представлен на рисунке 6.

Модель МПСКН размещалась в гидравлическом бетонном лотке шириной - 1,5 м, высотой - 1,2 м, длиной - 10 м. Минимальный допустимый масштаб моделирования: «„,„ = (30...50) • • = 11... 15, (10) где ¥п — скорость в натуре; Яп - гидравлический радиус в натуре

а) ^ штегь ж.

Рис. 6 Лабораторная установка-

а) общий ввд установки: 1 - оболочка; 2- Байтовая система; 3 - гидроагрегат- 4 - ре-

б^ЬНааЯ7Пеп ДЭТа; " ТРаТОР*6 ~ ДаТЧИК ЧаСТОТЫ ВрЗЩеНЙЯ б> - сГсторшы верхнего бьефа. 7 - оттяжки конфузора; 8 - оболочка конфузора; 9 ^ебро жёсткости конфузора

Масштаб модели принят 1:4 в соответствии с параметрами лотка и натурного сооружения, высота модели равна 0,95 м (рис. 7). В выбранном диапазоне расходов наблюдается автомодельность по числу Рейнольдса:

Яе,. =УЯ1у>\\000у ^^

где V — средняя скорость потока, м/с; Я - гидравлический радиус м у - коэффициент кинематической вязкости м2/с. '

На основании этого, в качестве основного был выбран критерий Фруда масштабные коэффициенты моделирования приведены в диссертации '

главе приведены расчёты по обоснованию условий моделирования методика эксперимента и результаты расчётов по определению относительных погрешностей измерений глубин и скоростей потока, которые не превышали

При прохождении потока через турбину его энергия уменьшается изме-

СОПрЯЖеНИЯ бьеФ°в> в связи с этим проводились эксперимен-н™^следования с целью определения условий сопряжения потока в нижнем бьефе и параметров рисбермы (рис.7).

«V,! 1 ^ ^ 1-е с\|

^ 2 3 4 5 "с

Рис. 7. Схема экспериментальной установки с результатами замеров скоростей

и ™ определения гидравлических условий работы сооружения в верхнем и нижнем бьефах производились: измерения направления и значения скоростей потока микровертушкой Х-6 одноточечным, двухточечным и трёхточечным

способами (вторичным прибором являлся частотомер); определения уровней воды в створах - шпиценмасштабом; измерения потерь напора при подходе к турбине - пьезометром; визуализация линий тока фиксировалась при помощи нитей; измерения расхода - по мерному водосливу. В ходе проведения эксперимента определялись очертания формы конфузора при помощи координат-ника, а водоподпорной оболочки - при помощи фотометрической съёмки на основании этих данных графоаналитическим способом определялась статическая нагрузка на оболочку.

Частота вращения вала турбины определялась при помощи датчика, состоящего из диска с 60-ю отверстиями и фотоэлемента, и выводом сигнала на частотомер.

Выполнены три серии опытов с изменением расхода в диапазоне от 10 до 70 л/с. В первой серии проводилось исследование сооружения без конфузора. На основании сопоставления полученных результатов по форме оболочки и структуре потока в верхнем бьефе с известными данными по мембранно-вантовым плотинам установлено, что нагрузка на водоподпорную оболочку и понурную часть соответствует условиям работы мембранно-вантовой плотины с водовыпускным устройством, таким образом при расчёте параметров понура можно использовать существующие зависимости.

Во второй серии исследовалась конструкция с конфузором, обоснованным в результате численного моделирования и выполненным из композитного материала ЦЫШОЬ 650. Сравнение экспериментальных данных формы конфузора с результатами численного моделирования подтвердило целесообразность установки жёсткой вставки.

В результате аппроксимации координат, описывающих форму конфузора, получена следующая эмпирическая зависимость, описывающая верхнее и нижнее очертания конфузора без жёсткой вставки и состоящей из двух частей:

ук=кххк + к2х*+ к3хК2+ кцХК+ к5, (12)

где хК, ук - координаты точек оболочки; к\, к2, Аз, к4, к5 - эмпирические коэффициенты в уравнении.

Коэффициенты в уравнении (12), а также максимальные деформации конфузора Лтах ОТ при различных режимах работы МПСКН приведены в таблице 1. Таблица 1- Эмпирические коэффициенты для расчёта формы конфузора

Тип конструкии б, м3/с очертание Эмпирические коэффициенты Я2 д шах эксп. ММ. Л шах расч. ММ.

ки 1/м3 ю-9 кг, 1/м' КГ6 А% 1/м *4 к5, м

конфузор без жёсткой вставки 0,07 верхнее 3 -6 0,0047 -2,084 716,9 0,998 31 29

нижнее 0,2 -0,5 0,0001 0,272 2,984 0,999 35 34

0,06 верхнее 2 -5 0,004 -1,898 719,6 0,999 30 28

нижнее 2 -2 0,0008 0,149 3,058 0,989 34 34

0,05 верхнее 2 -4 0,0036 -1,804 724,9 0,999 23 22

нижнее 0,2 -0,5 0,0002 0,194 0,521 0,999 27 25

конфузор с жёсткой вставкой 0,07 верхнее 2 -6 0,005 -2,210 719,3 0,998 19 18

нижнее -0,1 0,5 -0,0007 0,47 1,889 0,997 23 20

0,06 верхнее 2 -4 0,004 -1,953 721Д 0,999 17 16

нижнее 0,2 -0,2 -0,0002 0,339 -0,304 0,999 20 19

0,05 верхнее 2 -4 0,0035 -1,797 724,9 0,999 15 14

нижнее 0,2 -0,4 0,0002 0Д01 0,397 0,999 18 17

Я - достоверность аппроксимации.

Сравнение экспериментальных данных максимального отклонения кон-фузора от его исходного положения Лтах и данных, полученных в ходе численного моделирования с помощью программы АРМ Ж1пМасИте, показало незначительные расхождения: погрешность результатов не превышает 7%.

Отмечено, что при работе сооружения с конфузором без жёсткой вставки наблюдаются его деформации, приводящие к существенным потерям напора.

На основании полученных результатов экспериментальных исследований определены условия сопряжения бьефов, построены зависимости отношения глубины в верхнем бьефе к периметру оболочки от отношения глубины в нижнем бьефе к периметру оболочки при различных отношения критической глубины Ик к периметру водоподпорной оболочки Ь (рис. В).

Н2

Определено, что при НВБ > -22,6 —— + 9,5 • ННБ -0,2-1. образуется ото-

I,

гнанный гидравлический прыжок, при Нв

гг2

-22.6

Ь

+ 9,5-#ж-0,2-

образуется затопленный гидравлический прыжок, который является наиболее безопасным, для оценки условий сопряжения бьефов получены графики ЯВЕ / Ь = /(#ш / Ь) (рис. 8). При режиме работы с образованием затопленного гидравлического прыжка, гасители энергии не предусматриваются. Длина рисбермы ¿р, с учётом проведённых экспериментальных исследований, а также опыта проектирования мембранных плотин рекомендуется равной: ¿р>4-Р.

♦ 1жр/1_=0,088 ■ ИкрД=0Д08 ▲ ИкрД=ОД22

1~1крД=0,134 I ИкрД=0Д43

• 1лкр/1=0Д52

45 £

0,3

Рис. 8. График зависимости отношения глубины в верхнем бьефе к периметру оболочки от отношения глубины в нижнем бьефе к периметру оболочки при различных критических глубинах Результаты экспериментальных исследований позволили выполнить сравнительный анализ работы конструкции МПСКН. За счёт применения гиб-

кого конфузора наблюдается увеличение частоты вращения турбины, что свидетельствует о более эффективной утилизации энергии водного потока (рис. 9).

По данным исследований были получены эмпирические зависимости частоты вращения турбины экспериментальной установки с различными условиями подхода потока в верхнем бьефе:

1. Без конфузора:

я= -109,66(#т/Я)2+330,37(#г/£)+52,58, Я2 =0,9754, (13)

где п - частота вращения турбины, об/мин; В - ширина турбины, м^ Нт — напор на турбине, м; Л2 - достоверность аппроксимации;

2. С конфузором:

п = -334,78(Ят/Л)3+84,29(Ят/5)2+331,36(Ят/5)+54,61, Л2 = 0,9517; (14)

3. С конфузором с жёсткой вставкой:

п= -108,94(ЯТД?)2+3 61,73 (Нт/В)+5 5,33, Я2 =0,9823. (15)

Для определения связи частоты оборотов п (об/мин) от отношения уровней воды верхнего и нижнего бьефов Я< й/Н,.б и расхода <2 (м3/с) были аппроксимированы данные при работе конструкции с конфузором при различных расходах в виде нижеприведённой зависимости:

«=(16634 е2-111бе+28,44) Яв.а/Яя.б-54340б2+6335е-32,57. (16)

Диапазоны применения полученной зависимости следующие: 35<и<350; 0,01<2<0,07 м3/с.

300

-1 250

ю

о

й 200

150

100

♦ без конфузора

■ с конфузором

конфузор с жёсткой вставкой

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 Нг/В

Рис. 9. - Эмпирические зависимости частоты вращения п от отношения напора на турбине Нт к её ширине В

Как видно из графика, при работе сооружения с конфузором без жёсткой вставки при Я/В>0,6 наблюдалось снижение частоты вращения, вызванное деформацией конфузора, что подтвердили данные численного моделирования.

На основании исследований получены эмпирические зависимости, описывающие форму оболочки при различных условиях работы конструкции:

у = к^х6 + к2х5 + к3хА + кАх3 + к5х2 + к6х + , (17)

где у, х- координаты точек формы оболочки;

к], к2, к3, ¿4, к5, к6, к-!- эмпирические коэффициенты в уравнении (табл. 2).

Таблица 2 - Данные для расчёта формы водоподпорной оболочки

Условия работы конструкции

при отсутствии влияния нижнего бьефа на оболочку*

при влиянии нижнего бьефа на оболочку

б, м3/с

0,050

0,060

0,070

0,050

0,070

Эмпирические коэффициенты

К 1/м5

-21700,0

-5259,5

-4359,5

-262,7

0,0

¿2, 1/м

85385,

4705,5

1805,5

-21,2

0,0

0,0

къ, 1/м3

-17127,0

-1548,8

-21,8

0,0

-1998,1

0,0

К 1/м

13564,4

0,5

290,4

к5, 1/м

-45,3

-15,9

-14,9

-783,6

-20,1

2846,3

К

-0,3

-0,3

-0,5

472,8

0,1

¿7, М

0,0

0,0

0,0

-72,0

0,0

1836,2 | 295,0

0,971

0,960

0,980

0,994

0,998

* отмечен случай, когда оболочка рассчитывается с применением двух зависимостей (в первой строке даны коэффициенты для расчёта формы верхней, а во второй - для нижней части)

В пятой главе приводится методика расчёта, проектирования и эксплуатации сооружения. Составлен алгоритм для выбора схемы гидроэнергетического сооружения и определения его основных конструктивных параметров. Для обеспечения мобильности конструкции и простоты установки, при потенциальной мощности водотока более 50 кВт и ширине более Юметров необходимо принимать схему многосекционного МПСКН.

Для предварительного определения высоты водоподпорного сооружения и других его параметров рекомендуется пользоваться разработанной автором номограммой (рис. 10). Исходными данными, в зависимости от задач проектирования, могут служить уровень нижнего бьефа, уровень верхнего бьефа, периметр оболочки.

Р *

Г

Ссгла :но ладорат иссле. Манит

hf.iL— отношение критической глубины к периметру оболочки;

1 — Ьк/1=0,131;

2 — \ZL~0,139; 3— Ик/Ь=0,155;

~Ь экспериментальные банные

/ /

Рис. 10. Номограмма для построения эксплуатационных характеристик МПСКН: Р - высота оболочки, м; Лг - напор на водоподпорной оболочке, ш. ц- коэффициент расхода

В главе приведены результаты ведомственных испытаний предложенной конструкции гидроэнергетического сооружения, установленного на Ольгин-ском полигоне Ростовской области (рис. 11).

В качестве гидроагрегата использовался мотор-редуктор 1МПз2-50. Сравнение данных, полученных в ходе натурных исследований, с экспериментальными и результатами численного моделирования, показало погрешность в --------7.10%.

а) в сложенном виде; б) вид со стороны нижнего бьефа

Рис. 11. Натурные испытания МПСКН

При расчёте экономических показателей базовым вариантом принималась конструкция микроГЭС фирмы «ИНСЕТ», напор обеспечивался грунтовой плотиной, при этом годовой экономический эффект от внедрения нового гидроэнергетического сооружения составил 60 тыс. руб.

Основные выводы и результаты работы

1. В результате проведённого анализа существующих конструкций малых и микроГЭС, низконапорных сооружений для малых водотоков, а также их теоретических и экспериментальных исследований определены требования к разрабатываемой конструкции: установка в водотоки с глубиной, не превышающей 1,5 метра в меженный период и средним многолетним расходом менее 5 м /с; мобильность; малое воздействие на экосистему; обеспечение свободного пропуска паводков и половодий; аккумулирование стока в меженный период для надёжного водо- и энергоснабжения потребителей малой энергоёмкости.

2. В соответствии с установленными требованиями разработано новое научно обоснованное техническое решение конструкции МПСКН с гибким конфузором сезонного действия в составе мембранно-вантовой плотины с гидроагрегатом в виде поперечно-струйной турбины Банки для малых водотоков с глубиной до 1,5м и расходом до 2,24 м3/с (согласно законам подобия), защищенное патентом на изобретение (пат. Ки 2378451).

3. Выполнено математическое моделирование элементов конструкции МПСКН, в результате которого определены: условия подхода потока в верхнем бьефе; параметры водоподпорной оболочки; параметры гибкого конфузора, область его деформации, что позволило обосновать предварительные параметры жёсткой вставки, равной 1/3 его длины, и условия работы гидроагрегата.

4. На основании проведённых экспериментальных и натурных исследований и сравнения их с данными, полученными в ходе численного моделирования, уточнены параметры элементов конструкции, определены расчётные зависимости, разработана методика расчёта параметров предложенной конструкции

МПСКН для напоров до 3,5 м и расхода до 2,24 м3/с, разработана схема многосекционной МПСКН для больших расходов и пролётов более 10 метров.

5. В результате выполненных комплексных исследований, а также анализа условий размещения и установки сооружения разработано руководство по проектированию, строительству и эксплуатации МПСКН утверждённое в «Южном специализированном научном Центре по проектированию объектов мелиорации и водного хозяйства».

6. Внедрение и ведомственные испытания МПСКН мощностью 2 кВт выполнено на Ольгинском полигоне Аксайского района Ростовской области. Сравнение ведомственных и экспериментальных данных показало достаточную сходимость с результатами численного моделирования в пределах 7... 10%, экономический эффект составил 60 тыс. руб. на одно сооружение в сравнении с конструкцией ГЭС фирмы «ИНСЕТ».

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Кашарин Д. В. Исследование условий работы мобильных гидроэлектростанций и создание алгоритма расчёта их оптимальных параметров / Кашарин Д. В., Годин П. А. //Вестн. ВолгГАСУ . 2009. Вып 13 - С 174 -180 (автор - 50%).

2. Кашарин Д. В. Экспериментальные исследования мобильных гидроэнергетических сооружений для малых водотоков / Кашарин Д. В., Годин П. А. // Гидротехн. стр-во. - 2009. - № 6. - С. 36-42. (автор - 50%).

3. Мобильное гидроэнергетическое сооружение многоразового использования пат. RU 2378451 Рос. Федерация: МОК Е02В7/02, Е02В9/00 / Д. В. Кашарин, П. А. Годин; заявитель и патентообладатель Д. В Кашарин -№2007132596; заявл. 8.05.2008; опубл. 10.01.2010, Бюл. № 3 - 2 с • ил (автоо -50%). " к

4. Кашарин Д. В. Повышение надежности водо- и энергоснабжения удаленных объектов за счет применения мобильных подпорных сооружений комплексного назначения / Кашарин Д. В., Годин П. А., Годин М. А., Коренов-ский М. А.// Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации - 2012 -№ 2. - С. 95-105. (автор - 50%)

5. Годин П. А. Использование современных методов математического моделирования и технология возведения мобильного подпорно-регулирующего гидроэнергетического сооружения / Годин П. А., Годин М. А., Кашарин Д. В. // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений: материалы IX Междунар. науч. практ. конф., г. Новочеркасск, 11 сентября 2009 г. /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск" ЮРГГУ 2009. - С. 58-63. (автор - 30%).

6. Годин П. А. Децентрализованное энергоснабжение объектов малой энергоёмкости на основе гибридной энергоустановки с системой аккумулирования энергии / Годин П. А., Годин М. А. //Вестн. ВолгГАСУ . 2013 Вып 30 (49). - С. 69-76 (автор - 75%).

Подписано в печать 23.04.2013г. Формат 60х84Ш6_

Объём 1,0 уч. изд. листов. Тираж 100 экз. Заказ №_

Типография НГМА, 346428, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111

!

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮЖДЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ», ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮЖДЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «НОВОЧЕРКАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕЛИОРАТИВНАЯ АКАДЕМИЯ»

На правах рукописи

042013?б^01

ГОДИН Павел Александрович

ОБОСНОВАНИЕ МОБИЛЬНЫХ ПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ КОМПЛЕКСНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ МАЛЫХ ВОДОТОКОВ

Специальность: 05.23.07 - «Гидротехническое строительство»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель - канд. техн. наук,

доцент Кашарин Д.В.

Новочеркасск 2013

Оглавление с. ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................4

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОПОДПОРНЫХ И ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ НА МАЛЫХ ВОДОТОКАХ. 11

1.1 Анализ существующих конструкций подпорных сооружений комплексного назначения на малых водотоках.............................................11

1.2 Мягкие облегчённые конструкции из композитных материалов..........17

1.3 Анализ существующих методов расчёта мягких мембранных плотин ..20

1.4 Существующие конструкции гидроэнергетических сооружений..........24

1.5 Существующие конструкции мобильных подпорных гидроэнергетических сооружений.................................................................31

Выводы по главе.................................................................................................34

2 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ МОБИЛЬНЫХ ПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ КОМПЛЕКСНОГО НАЗНАЧЕНИЯ...........36

2.1 Выбор оборудования для МПСКН...........................................................36

2.2 Предлагаемые технические решения МПСКН........................................41

2.3 Классификация мобильных подпорных сооружений комплексного назначения.......................................................................................................53

2.4 Техническое решение МПСКН, выбранное для исследования..............56

2.5 Подбор и анализ композитных материалов для создания водоподпорной оболочки МПСКН...........................................................................................57

2.6 Применение МПСКН для энерго- и водообеспечения на примере

коттеджного посёлка.......................................................................................60

Выводы по главе..............................................................................................61

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МПСКН НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ..............................................63

3.1 Расчёт водоподпорной оболочки МПСКН..............................................63

3.2 Определение оптимальных параметров конфузора МПСКН.................74

3.3 Методика расчёта вантовой фермы и анкерных опор.............................85

3.4 Определение параметров используемого гидроагрегата МПСКН.........90

Выводы по главе.................................................................................................95

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МПСКН ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ...................................................................96

4.1 Определение основных параметров физической модели МПСКН из композитных материалов и условий её работы.............................................96

4.2 Описание лабораторной установки и методики проведения экспериментальных исследований.................................................................99

4.3 Оценка точности измерений при проведении экспериментальных исследований.................................................................................................106

4.4 Методика проведения экспериментальных исследований на физической модели МПСКН. Анализ результатов экспериментальных исследований 109

Выводы по главе...............................................................................................131

5 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ, СТРОИТЕЛЬСТВУ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МПСКН, МЕТОДИКА ВЫБОРА СХЕМЫ УСТАНОВКИ....................................................................................132

5.1 Проектирование, алгоритм выбора схемы установки и расчёта её основных параметров....................................................................................132

5.2 Строительство и исследования МПСКН в натурных условиях............142

5.3 Производство строительных и монтажных работ...............................149

5.4 Эксплуатация МПСКН.........................................................................155

5.5 Расчёт экономической эффективности..................................................159

Выводы по главе............................................................................................162

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...........................................................................................163

Список использованных источников..............................................................165

Приложения......................................................................................................180

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Согласно проведённому анализу, в настоящее время вблизи малых водотоков Российской Федерации расположено около 90% сельскохозяйственных объектов и населённых пунктов. Многие из них являются территориально разрозненными и удаленными от централизованных инженерных сетей, сезонно-действующими объектами небольшой энергоёмкости (фермерские хозяйства, коттеджи, малые предприятия и т.д.), поэтому для их водо- и энергоснабжения экономически целесообразно использовать местные водные ресурсы - малые реки и каналы. В большинстве своём они являются равнинными, с глубиной до 1,5 метров в меженный период и средним многолетним расходом менее 5 м3/с. Эти водотоки наиболее уязвимы при антропогенном воздействии, поэтому требуется достаточная пропускная способность их русла с целью сохранения экологического состояния, обеспечения транспорта наносов, нереста рыбы, предотвращения затопления прилегающих территорий в период половодий и паводков. В то же время для надёжного водо- и энергоснабжения необходимо аккумулировать речной сток. В связи с этим актуальна разработка мобильных подпорных сооружений комплексного назначения (МПСКН) для создания сезонного водохозяйственного узла с автономным энергообеспечением на базе низконапорной мембранно-вантовой плотины из композитных материалов, устанавливаемой на каналах или малых реках с глубинами до 1,5 м. Условия создания и использования данных конструкций предъявляют к ним такие требования как: свободный пропуск водного потока в период половодий и паводков, мобильность, сборно-разборность, низкая материалоёмкость и малая стоимость, простота монтажа и эксплуатации.

Исследования проводились в соответствии с тематическим планом НИР ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по теме 03.01.01 «Разработать технологии проектирования эксплуатации и управления мелиоративными системами, обеспечивающими воспроизводство природно-ресурсного потенциала arpo ландшафта».

Целью создания водохозяйственных гидроузлов комплексного назначения, является создание благоприятных условий для жизнедеятельности человека, а также соблюдение экологического равновесия агроландшафта с наименьшими отрицательными последствиями для природной среды. Однако существующие водохозяйственные гидроузлы комплексного назначения оказывают значительное влияние на экологию окружающей среды, вызывая развитие негативных гидрологических и геологических процессов.

Для создания новых МПСКН необходимо руководствоваться принципами концепции экологической безопасности для окружающей среды.

Исследования проводились так же в рамках НИОКР №7050р/9666-3 «Разработка экологически безопасных технологий, моделей и устройств комплексной переработки энергии», а также в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы НИР по теме: «Исследования и анализ технологических схем и конструкций энергетических комплексов на базе ВИЭ для индивидуального децентрализованного энергоснабжения» (гос. контракт № 02.740.11.0476).

Основными положениями стратегии ОАО «Федеральной гидрогенери-рующей компания» («Гидро ОГК»), ранее являющейся частью Российского Акционерного Общества Единых энергетических систем (РАО ЕЭС), принятыми за основу Советом директоров 9 ноября 2005 г., являются: эффективное использование гидроресурсов России; расширенное использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Основными задачами в рамках развития использования ВИЭ компания считает:

строительство новых и достройку начатых объектов на базе возобновляемых источников энергии, подпорных сооружений комплексного назначения, и реализацию проектов строительства на основе долгосрочных партнёрских соглашений с привлечением новых энергоёмких потребителей на территории РФ ведущих к освоению экспортных рынков (прежде всего Китая, Кореи и др.);

формирование нормативной базы, стимулирующей развитие ГЭС, генерирующих объектов на основе ВИЭ, в том числе путём внедрения модели рынка, обеспечивающей полноценное участие компании на конкурентном рынке электроэнергии;

подготовку к использованию механизмов Киотского протокола и других «инструментов» как дополнительных источников инвестиций;

внедрение международных экологических стандартов (ISO 14001)

[102].

Мобильные подпорные сооружения комплексного назначения служат для создания водохозяйственных узлов, обеспечивающих водоснабжение и автономное энергоснабжение объектов малой энергоёмкости, расположенных в труднодоступных районах, вблизи малых водотоков.

Технический гидроэнергетический потенциал рек Российской Федерации составляет 1670 млрд. кВтч/год, из них на ГЭС утилизируется лишь 167 млрд. кВтч/год (10%) [6, 105, 44].

С целью снижения негативного влияния на окружающую среду, предотвращения затопления больших территорий, что возможно при эксплуатации крупных водохозяйственных узлов, необходимо рассматривать возможности использования мобильных подпорных сооружений комплексного назначения. В данном направлении разработаны и используются различные конструкции. Однако большинство из применяемых сооружений по данным, полученным в ходе исследований, не соответствует современным требованиям, так как имеют низкую эффективность по различным показателям, к числу которых относятся:

высокие капитальные вложения при строительстве стационарных малых и микро ГЭС;

низкий коэффициент полезного действия сооружений на основе мембранной плотины и поперечно-струйной турбины Банки;

существующие конструкции мобильных сооружений не могут использоваться в качестве постоянного водохозяйственного узла;

низкая эффективность использования энергии водного потока мобильными бесплотинными микро ГЭС.

Цель исследований заключается в разработке новых технических решений и обосновании методов расчёта сезонно-действующих мобильных подпорных сооружений комплексного назначения для автономного водо- и энергоснабжения децентрализованных потребителей, расположенных вблизи малых водотоков.

Основные задачи исследований:

- провести анализ существующих конструкций водоподпорных сооружений и гидроагрегатов для малых водотоков, их теоретических и экспериментальных исследований;

- разработать конструкции МПСКН для малых водотоков, обеспечивающие водо- и энергоснабжение объектов малой энергоёмкости;

- провести математическое моделирование напряжённо-деформированного состояния водоподпорной оболочки и гидравлических условий подхода потока в верхнем бьефе для оптимизации параметров сооружения, обеспечивающих минимальные потери напора и увеличение номинальной мощности гидроагрегата;

- выполнить лабораторные и натурные исследования варианта конструкции, выбранного в ходе математического моделирования конфузора, сравнить с данными, полученными в ходе численного моделирования, и на их основании получить зависимости для определения параметров МПСКН;

- разработать методику проектирования предложенных конструкций МПСКН для малых водотоков.

Методы проведения исследований. Задачи, поставленные в работе, решены путём ретроспективного анализа существующих методов расчёта, численного и физического моделирования, выполненных на базе общепринятых методик с использованием приборов и оборудования, прошедшего государственную аттестацию в нормативное время. Численное моделирование проводилось с применением комплекса программ: Cosmos Flo Xpress, АРМ

WшMachine, Со1шо1 МиШрЬузюБ, на основе метода конечных элементов и конечных объёмов. Экспериментальные исследования осуществлялись на физических моделях.

Основные положения, выносимые на защиту:

- новые конструкции МПСКН с гибким конфузором;

- эмпирические зависимости по определению конфигурации водопод-порной оболочки и конфузора из композитных материалов, параметров гидроагрегата для различных условий работы;

- методика расчёта и проектирования МПСКН и алгоритм подбора конструкции для различных условий установки, получённых на основе математического моделирования и экспериментальных исследований;

- эксплуатационные характеристики МПСКН, полученные в ходе исследований внедрённой конструкции.

Научную новизну работы составляют:

- новые конструкции МПСКН на основе мембранно-вантовой плотины, гидроагрегата и конфузора, защищенные патентом на изобретение (пат. 1Ш 2378451), с более высокими показателями скорости возведения, эффективности выработки электроэнергии, меньшим влиянием на экологию водотока по сравнению с существующими конструкциями;

- на основе результатов численного моделирования условий подхода потока в верхнем бьефе обоснована необходимость установки гибкого конфузора, обеспечивающего минимальные потери энергии;

- впервые на основе проведённого численного моделирования и результатов экспериментальных исследований МПСКН обоснована конфигурация и конструкция гибкого конфузора и рисбермы в зависимости от гидравлических условий работы;

- впервые выполнен сравнительный анализ результатов экспериментальных и натурных исследований МПСКН и на их основе получены зависимости по определению геометрических параметров конструкции.

Практическую ценность работы составляют:

- разработаны сезонно-действующие МПСКН, обеспечивающие водо-и энергоснабжение децентрализованных потребителей вблизи малых водотоков;

- разработанное руководство по проектированию, строительству и эксплуатации МПСКН с применением композитных материалов, обеспечивающих высокую эффективность работы при различных условиях эксплуатации, утверждённое в «Южный специализированный научный Центр по проектированию объектов мелиорации и водного хозяйства», рекомендовано для применения в водохозяйственном строительстве.

Внедрение МПСКН осуществлялось на Ольгинском полигоне Ростовской области, экономический эффект внедрения составил 60 тыс. руб. на одно сооружение.

Достоверность полученных результатов обосновывается: численным моделированием с использованием существующих гидромеханических решений для потока реальной несжимаемой жидкости, результаты которого подтверждены значительным объёмом экспериментальных данных, полученных в ходе лабораторных исследований; использованием методов математической статистики и программных средств при обработке результатов экспериментов; применением аттестованной измерительной аппаратуры и приборов; удовлетворительной сходимостью натурных и экспериментальных исследований с результатами других авторов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» ФГБОУ ВПО НГМА (2006-2012 г.); кафедр «Тепловые электрические станции»; «Водного хозяйства предприятий и населенных мест» ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (2012 г.); на научно-технических конференциях, проводимых в НГМА (2007 - 2012г.); всероссийской научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в АПК» (г. Пенза, 2007 г.); международной конференции «Проблемы повышения продуктивности мелиоративных земель» (г. Ново-

черкасск, 2008 г.); международной конференции «Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений» (ЮРГТУ, 2009 г.); всероссийской конференции «Социально-экономические аспекты современного развития АПК: опыт, проблемы, перспективы» (г. Саратов, 2009); IV всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ, научно-инновационных разработок и проектов студентов, аспирантов и молодых учёных высших учебных заведений Российской Федерации «ИННОВ -2009», семинаре ФГБОУ ВПО НГСУ (Сибстрин) 2012 г. На итоговой сессии программы «У.М.Н.И.К» по представленной работе «Проектирование мобильных подпорно-регулирующих ГЭС для водохозяйственного строительства» автор признан победителем (2008 г.).

Личный вклад автора заключается в разработке, научном обосновании и усовершенствовании технических решений МПСКН; проведении численного моделирования, лабораторных и натурных исследований; получении экспериментальных зависимостей по определению параметров МПСКН, разработке методики проектирования и внедрении.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 работах, в том числе 3 статьи в журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, патент на изобретение (пат. RU 2378451).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих вы�