автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Вихревые водосбросы с наклонной шахтой и тангенциальным завихрителем потока

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ХАНОВ НАРТМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

ВИХРЕВЫЕ ВОДОСБРОСЫ С НАКЛОННОЙ ШАХТОЙ И ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМ ЗАВИХРИТЕЛЕМ ПОТОКА

05.23.07- Гидротехническое и мелиоративное строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1993

Работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений Исаковского ордена Трудового Краевого Знаивнн гидромелиоративного института

НАГЧНЫЙ руководагш»:

Заолуженный деятель науки я гвгндхи РСФСР, доктор технжчёокк наук, профессор НЛ». Роаанов

ошлш огшашпи! , ,

доктор технических наук, профессор ГД» Воробьев < кандидат технически наук» доцент Бвглярова

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ. - . "ССЮВОДПРШГ'

Залита аоатоитох " ¿рё'Ьра-Л*? 1994 г. в часов ва

ааоедаим специализированного совета 1С 120»16.01 в Московской ордена Трудового ¡фасного Знамени иадромалиоративнок институт» но адресу:. 127550, Москва, ул. • Пряшшшсова, 19, МПШ

Ваши отзывы оросим направлять на имя ученого секретаря специализированного оовета.

С диссертацией ыохно ознакомиться в библиотеке Московского гидромелиоративного института.

Автореферат разослан "¡0" 1994 г.

*

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук СЛ. Кузьмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проектирование и строительство высоконапорных гидроузлов ставит задачу разработки- экономичных конструкций водосбросных вооружений, опооойишс надежно работать при напорах долее 150 и л скоростях потока до 60 и/о. Существующие подземные водосбросы о традиционным гашением энергии внутри ооорухения (¡шахтные обычных конструкций, о глубоким шахтным колодцам, о расширенной камерой гашения к т\д.] оказывавтоя не всегда приемлемыми.

Одним на перспективных направлений в создании высоконапорных водосбросных сооружений является использование закрученного потока, обеспечивающего эффективное гашение энергии потока внутри сооружения и уменьшение опасности возникновения кавитационной эрозии обделки туннеля за счет центробежных сил.

Накоплен определенный опыт в проектировании вихревых водосбросов с закруткой потока в туннеле. 3 ряде случаев длина отводящего тракта оказывавтоя недостаточной для эффективного гашения анергии потока. Поэтому большой интерес вызывает изучение возможности ■ условий трансформации закрученного потока ^ моноэихря]в осевой поток на коротком участке туннеля. Также ограниченность данных о закрученных потоках на участках водосброса требует дополнительных исследований, например, учета влияния конструкции залихрителя при наклонной вахте и формы сечения отводящего туннеля на гидравлические ха>-рактеристики потока.

Цддь работы и задачи исследований. Цель работы заключается в экспериментальном исследовании конструкции отводящего водорода вихревого водосброса с наклонной шахтой и тангенциальным завихритолем потока, о учетом особенностей работы такого водосброса, определении эффективности гашения избыточной внергии закрученного потока, изучении гидравлических характеристик потока на основных участках во-

дооброса а получения вкспериментальных яависимостей, позволяв»« выполнять ооновные гидравлические расчеты. Указанная конструкция в «правого водооброса при наклонно! вахт« раньше не исследовалась, во как показал« выполнении« -"внгидро проектом прорлсютки, ваалужа-вал внимания. Дня достижения вставленной целя, решаляоь слздую-вше валачя:

- по экспериментальным данный получить зависимости основных гидравлических я кинематических характеристик закрученного потока от условий его формирования!

- для разработанной конструкции камеры гаванях установить зависимость между интенсивностью закрутки потока я »ффектнвностыв гааенял енергии в камере)

- улучшать гидравлические условия работы водосбросного тракта {устранить значительные вакуум^ применением простых меотных сопротивлений

Научная новизна и практическая значимость работы. В диооергаця ■ооледована обвая компоновочная охема вихревого водосброса о яахло-ниой вахт о I я тангенциальным завихрят од а и потока, отводящим туннелем корытообразного сечения я камерой гшаенкя в его коков. Основными »лементаш научной новизне является:

- закономерность изменения кинематической н энергетической структуры закрученного потока в водоводе корытообразного овченшц

- экспериментально установленные зависимости величин коэффициентов гидравлического сопротивления тангенциальных завихриталей от интенсивности, создаваемой ими, закрутки потока;

- конструкция каморы гашения энергия, преобразущая захручш-1ш1 поток в осевой.

ГаэраЗотаннал конструкция вихревого водосброса позволяет на коротком участха отводядаго водовода (ь » 23(1, где с/- диаметр *3 «ноля) погасить избыточную энергию закрученного потока с последу»-

вш ораобрааоамаам в ооаво1, а прпмнмм дополнительных гаолавх уотроШота во ляпа туннеля ухухаает гадрааичаокиа условия робота аомооброол - по» мляат аабахать »влчжтлпша вакуумов»

АШвМИЛ ИМ?ТИ- Ооаовюм» результата даосертацаовяов райоти доклады валко ь на ааучио-техмачаоих кон^реицаях МНЮ ( Москва, 1991 - 1ЭТЗ гг.), ма шухжо-т*хняч»схои совешани "Гидрадлим гадротах-квчасках оооруж»н*4" (Санкт-Петербург. 1992 г,], на ааоедамав каф-в*ри ПО МГШ(Кооква, 1993 г.).

РШИШВ/1 работы.разудьтаты эвспервиеиталъных иоаледованай яопольаоваяы институтом "Хенгхдро проект' ара обосноваява выбора вараанта аодос<5росаого вооружения для Твльаамохого гедроуэха, а также пра ооотавлвнав "Временных рекомендаций по раочету а проектировано) вадосбросо» о ускоренным гвавнави ввергая вакрученного потока" РУДН по ааказу Научно-ясслодователъского анстатута »нер-гатачеокях сооружен*! (ншэс), 1992 г.

рб^ен работы.Дяеоертацяя ооотоат и аведеияя, 4 глав, »акл»-чаяал ■ списка литературы. Работа изложена >а /£4 страницах маакнв-шюного текста, включая в таблац а содержит 90 раоунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ •

ро введены обоснована актуальность теш дасеертацая» аа основная цмь в задача исследований, изложена научная но вязка а практическая ценность работы» дала информация о реализации а объеме райоти.

В первой глава дясоертациа приводятся аналитический обзор использования высоконапорных подземных водосбросов с гашением энергии аяутря сооружения. Выделю ни основные направления в атады развитая конструкцаЯ водосбросных сооружений, работавших в условиях пропуска закрученного потока. Отмечается, что в настоящие время больао«

»

внимая*« обращено на конструкции о тангенциальным завнхрителвм потока, отличающегося простотой и надежностью. Давтоя обзор и анализ теоретических и экспериментальных исследований закрученных пото- . ков. В частности, анализируется теоретически« работы О.Ф. Ваожлье-ва, Б.А. Пышкнна, Б.А. Животовского

я др* Рассмотрены эксперимента» лине исследования В.В. Волоаника, А.П. Ыордасова, А.И. Зуйкова, БД. Животовохого, H.H. Розановой, BS.Pc3udhoÍ¿) , А.М. Федорком, A.B. Шленева, A.B. Сапфиров«, Г.Н.ЦгЪрока, ¡t.C.Üo&mcoioü и 2/),

Г&двние »нергяи и затухание вакрутки потока в водоводе о кругло! формой поперечного сеченая по данных А.П. Мордасова к БД* Хв-> вотовокого происходит на достаточно большой длине (60 - 100)d *■ В случае короткого' отводящего водовода, когда его длина ограничена по условиям,компоновки гидроузла, возникает проблема более еффекти-вкого гаяемя избыточно! энергия закрученного потока в пределах туннеля. А.П. Мордасов, H.H. Розанова, АЛ. Зуйков, A.B. Леванов ■ др. занимались решением »той задачи пут»м разработки конструкция гасителей, оонованных главным образом на ^фехт* диссипации вяер-гин оря взаимодействии закрученных потоков. В настоящее время предложены конструкции водосбросов о контрвкхревымх гасителями, в которых создается два влокекнкх ооосяо закрученных потока, причем черев ядро внутреннего »вкрученного потока рекомендуется пропускать осевую струю. Такая конструкция позволяет погасить до 98£ внергии высокоаапориого водосброса в камере гаяения на длине до б ... 8 диметров камеры.

Дм Тальманского гидроузла бил запроектирован подобны! кои-трвжхрвво! гаситель, расположенный i конце отводящего тракта. Исследования, проведенные в ЫГСЭГ я во ВНШЧ им. Б.Х. Веденеева, показали, что являясь сложным ■ дорогостояажм сооружением, кои-трвжзревой гаситель эффективно работает лиш> при расчепом рас» ходе в является источником поввенной гидродинамической нагрузки

на моменты гаоителя анэргии. По этим причинам была отвергнута схеме контрвихревого гаоителя анергии для условий Тельмамокого гидроузла.

На кафедре гидротехнических сооружений МГШ кеаедр&яна конструкция вихревого шахтного водосброса, в которой гашение избыточной анергии потока и "раскрутка" моновихря осуществлялись а специальной камер« гашения, которая соединяется с тангенциальным завихрителем конфузорнш учаотком, Такая схема была рекомендована для Туподантакого шахтного водосброса. Экономическая эффективность такой компоновки объясняется тем, что часть строительного туннеля была попользована в качестве отводящего туннеля шахтного водосброса и ого большая пропускная способность давала возможность осуществлять аа камерой гашения безнапорный режим течения потока.

A.B. Шленев также эаним&лоя вопросами диссипации энергии закрученного потока в коротких водоводах о некруглой формой сечения (подковообразной, квадратной и треугольной], в которых, в зависимости от начальной интенсивности закрутки, осуществляется гашение избыточной энергии потока на длине (30 - 50)d и выше (для водоводов яекруглых форм поперечных сечений величина диаметра выражена через эквивалентный диаметр водовода круглого сечения при равновеликих площадях сечений этих водоводов). Такие водоводы а сочетании о закручивающим устройством, в виде тангенциального завихрителя, представляют довольно простую конструкцию. Но туннель треугольного сечения а конструктивном отношении уступает приведенным выше водоводам.

Кавитадаонно-эроэионные исследования элементов вихревого водосброса Рогунской ГЭС, проведенные Н.П. Розановым и A.M. Федорковым в кавитационном стенде, показывают, что кавитационный факел, срывающийся с сопрягающей кромки тангенциального завихрителя при пропуске расчетного расхода, замыкается в потоке, что обеспечивает благо-

приятные условия работы закручивающего устройства в кавитациоино-эрозиЭнном отношении.

В настоящей работе на основе чертежа отроигельио-зксилувтацн-онного водосброса, представленного заказчиком в лица института "Ленгидропроэкт", была запроектирована модель вихревого шахтного водосброса о тангенциальны« завихрятелем потока (рис. 1]. Наклон шахты вызван расположением затворной камеры строительного туннеля под основной затворной камерой на оголовке водоприемника эксплуатационного водосброса. Гашение избыточной анергии закрученного потока и преобразование его в.осевой происходит в туннеле корытообразного сечения и камере гашения, установленное в его конце (см. рао.]). Длина отводящего тракта составляет 28 эквивалентных диаметров, Т*~ кая компоновочная схема была исследована как один из вариантов Те-льмамского шахтного водосброоа. При атом было недостаточно данных о влиянии конструкции тангенциального заверителя на характеристики закрученного потока в туннеле ^особенно при наклонной шахте причем отсутствовали данные по гидравлическим характеристикам закрученного потока в водоводе корытообразного оечения и камере гашения при ее установке в конце туннеля. В связи о этим возникла необходимость экспериментального исследования гидравлических характеристик закрученного потока в отводящем водоводе и получении данных, дающих возможность расчета пропускной способности подобных вихревых водосбросов.

■В заключительной части главы окончательно сформулированы основ-.ныв задачи исследование» ■

Во второй главе дается описание экспериментальной уот&иовхи, методики проведения исследований, обработки экспериментальных данных, точности измерений и гидравлического моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории гидравлики водопропускных сооружений кафедры гидротехнических сооруже-

вг . . — __{±

Т- гп гя /Г» ---Ы--■Ч--1-!- - —1--| 5. Л 1> /г.ЛГГ>

Рис. 1. Схема гидравлической модели вихревого водосйроса с наклонной шахтой

1ШЙ МШИ в рамках хоздоговорной НИР между институтом "Ленгидропро-акт* и кафедрами гидротехнических сооружений МГМИ д гидравлики и гидросооружений РУД! на гидравлической модели шахтного водосброса • Тельмамского гидроузла. Модель была выполнена из оргстекла £ масштабе 1 : 50 и ее схема представлена на рис.1. Начальный участок отводящего водовода имеет круглую форму сечения о 27« 20 см. Поперечные сечения юахты и части отводящего туннеля имееют корытообразную форму с размерами 18 х 19 см. Камера гашения и концевой участок в месте сопряжения о водобойным колодцем имеют также корытообразное поперечное сечение с размерами соответственно 18 х 30.6 см н 24 х 26 см. Высоты уступа и порога в камере равны 4.6 си. Модель водосброса заканчивалась водобойным колодцем, в конце которого смонтирован небольшой участок отводящего канала о регулятором уровня воды шш'вго бьефа. Общая длина всей модели равна 11.1 м, а высота от дна завихрителя до потрлка входного оголовка - 2.57 и. Отводящий туннель выставлен о продольным уклоном £ » 0.0055. Суммарная площадь сечения воздуховодов в водоприемнике равнялась 14.13 см^, а в торце завихрителя 25 см2 (см. рио. 1). На модели были исследованы 2 варианта тангенциальных завихрителей с геометрическими параметрами для завихрителя с плоской ореэкой шахты при А = 0.6; 0.71; 0.83$ 0.96; 1.14 в для аавихрителя о эллиптической срезкой при А « 0.8» 0.84; 0.88{ 0.97. Параметр А характеризует интенсивность закрутки потока и. определяется по <£ормуле

А . . (1) .

где /?ц- расстояние от оси туннеля до центра тяжести "ключевого* сечения, площадью Рщ (см.рис. 1); Й - радиус туннеля в плоскости оси шахтн;р - угол наклона шахты.

Расход в опытах изменялся от 51.8 л/с до 138.6 л/с. Величина

расхода измерялась мерным прямоугольным водосливом; статические давления - пьезометрами; скорости, давления и углы закрутки в закрученном потоке - шаровым пятиканальным зондом. В осевом потоке скорость измерялась трубкой Пито; расход воздуха, идущего на аэрацию потока - трубкой-аэрометром конструкции НЩЮС. Характеристики пульсаций давления потока определялись при помощи датчиков ППДЧ, изготовленных в НИИЭС. Усиленный и преобразованный в напряжение оигнал реализации записывался магнитографом НО - 62 на магнитную ланту и обрабатывался ЭВМ СМ 1300 по программам статистической обработки.

г Исследовалась модель водосброса о введением в некоторые зоны отводящего водовода дополнительных меотных сопротивлений: спиралевидного выступа, продольных ребер-гаоитолей и диафрагм (рио. г).

-Моделирование гидравлических явлений в водосбросе в целом производилось по закону гравитационного подобия. Вместе о тем наличие в отводящем водоводе участка о закруткой потока приводит к необходимости учета действующих в нем центробежных сил, величина которых может значительно превышать силы гравитации и приводить к образованию жгута. И

t

■ Изучением критериев гидравлического подобия закрученных потоков занимались В.К. Щукин, A.A. Халатов, А.М. Мордасов, A.A. Зуйков, БЛ. Хивотовский, A.B. Сапфиров и др. Анализ критериев подобия,

предложенных этими авторами,' показывает, что большинство из них при

/

внимательном рассмотрении определяется углом закрутки потока на границе у стенки водовода. В качества критерия подобия закрученных потоков Б.А. |ивотовским предложен локальный параметр закрутки потока ( сам называет его интегральным) :

n= hn 9»= Ldem . ( 2)

Риа. 2. Схемы установки местных сопротивлений вдоль отводящего туннеля •

aj - продольных ребер-гасителей; б) - диафрагмы а наше камеры гашения; в) - диафрагм вдоль туннеля; гj - спиралевидного выступа.

В наатояще» работ* в кячеотве критерия подобия закрученных погожем предпочтение отдано интегральному параметру интенсивной» аа» грутки потока (предложен В.К, Щукиным и АЛ. Хялатовш), Он опреде-метоя как отновениа потока момент* количеотпа движения я осевом »»правления х потоку количества движения в ооевом направления о учетом (параметр в) ял« без учета вклада давления в количество движения (параметр Ф.)

cp^tMuni'd? . (3) Г if(pWvik)zdi '

ч

ф „Ami , (i\

ч

где 1С,IM,- окружная и ооевая компоненты скорооти аахручанного потока;? - даалвнив| R - радиус туннеля, величина которого выражена через эквивалентный ^адиуо водовода круглого сечения; радиус жгута «»крученного потока) I- текущие радиуо.

В иослодованиях Б.К. Щукина, A.A. Халатова и A.B. Сапфирова установлена универсальность связи Ф,« / f ф) и отмечаетоя, что параметр Ф, однозначно характеризует особенности локальной структуры аакрученного потока и его интегральные овойотва. Поэтому можно вапи-оать

idem . ( б ) .

Числа Рейнольдса для закрученного потока определялись по фор-

муле:

Re , ■ ( 6 )

где И, и <fiv - средаеосевая скорость потока и приведенная толщина водяного кольца соответственно о учетом размеров жгута в сечении; l) -коэффициент кинематической вязкости воды. Их значения находились в пределах (l.8 ♦ 3.5) ДО5. Граничные числа Рейнольдса, определяющие границу зоны автомоде'льности, составили 1.2 ♦ 2.fl)l0 .

В третьей главе диссертации приводятся результаты экспериментальных исследований характеристик закрученного потока, создаваемого тангенциальным аавихрителем.

Характер движения закрученного потока о подачей и дез подачи воздуха в торец завихрителя показан на рио. 3. Жгут имеет форму спирали с осью, совпадающей о осью водовода.

Эксперименты показали, что при одинаковом значении геометрического параметра А., пропускная способность завихрителя с эллиптической срезко» вше, чем с плоской срезкой шахты (рис. 4). При подаче воздуха в отводящий водовод пропускная способность водосброса снижается.

Значения расходов воздуха и модельные параметры гидравлических режимов, для которых проводились замеры, приводятся в табл. 1. При НПУ для пропуока раочетного расхода d - 107.76 л/с приходится

'завих-Î Зритель•

uu-ы-щшн

! Г° Л " !.<§ и ^ Г !

■яг

о и. а О «н

а к

V ci se ег-

Ёо> ян •, g оо

Ч П II

n2U

1 . I

Ш

Ш

НПУ

НЕУ

IC0.23

ЮР. 76

9P.il

J U

гм

г.бк

2:63

г.ег

4/

НА

39

«О

IP.?

ZP.S

Н.1

39

39. h

ВЗ

(0.3

Bi.Bl

0.72

39. S

Щ2&

о.?г

а щвг.&м о.зз

Табл. 1,- Параметры, гидравлического ре.шда и значения расходов возду-воздуха. .

где 3 - работающие воздуховоды (см. рио. I)

л - относительное открытие затворов на оголовке водосброса. ■

/

* -л.

(ш) «о подачей МЭД/ха (0) • «гут

а

04

«I

О* ________________

с« о? а оя ю и и ! Рио. Зииисимоотк приведенного раохода водосброса, от гео-

метрического параметра зивихритоля впе-НА) .

--при запихритоле с плоской орозкой тахты и бе»

подачи воздуха.

----„рИ заэихритвле о плоской срвзко! шахты и о подачей

воздуха в *гут.

----ари завихритала с эллиптической срезкой шахты и без

подачи воздуха. •

прикрывать отмротнл водоприемника «атворами, «а которым • установлении« воздуховоды начинает всасываться аоадух. По»тоцу рассмотрев! режимы о подачей воздуха как отдельно аа затворы яодопривтяка« тая ■ во вс* »озлуховодм. При Я1У [«счетный расход ггрогту чдвтоя яре во» лиоотью открытых аатаорах ■ водопрпешям, по»току, для рваямв о во-эдухоаахватом раооиатривлетоя случай подачи воздуха только а торец завихрит в ля, когда пропускная способность снижявтоя аначмталмо -llj. Исследования проведены при различном прикрытии аатворама отверстий водоприемника.

С увеличением янтвноивяостя аакруткя потока (то «оть А ) центр жгута, имений форму tJuuooa, омевдаетол я оса водовода, а даиаквд в нам увеличивается.

Опыты пожазлля, что большая аавмутальяал нвряпномриосгк шля окоростей закрученного потока проявляется при кзныав! интенсивности закрутки потока.

В закрученном потом, когда центробежные силы прев икают гравитационные, образуется полое ядро, относительная плочадь которого в створе 1 - 1 (см. рыо. l) по данным пая их исследований вожде бить определена оо аависимоста

И);=*0.99~С.0кФч , ( * )

9

где uJ'm 1 - ^'/й)2 - относительная плооадь сечения, занятая закрученным потоком; - интегральные параметр интенсивности закрутки потом в том же створе. Зависимость (7 ) получена при ф»< 4 1.8.

Давление закрученного потока у стенка водовод* (оач. 1 - i) определяется полной удельной анергией потока в атом {»«чеши ж нсжвностыо закруты:

Ё<(0.11£+С23бЪ<) при Ф.,<1М (*)

В результате экспериментальных исследований била подтверждена зависимость параметра интенсивности закрутки потока Ф,, для тангенциальных запихрителей от геометрического параметра- А, полученная B.IC. сукиным я A.A. Халатовым по опытным данным Х.О. Нурсто, Ю.В. Иванова, Х.О, Луба, В.И. Собяна я А.И. Ериова применительно к центробежным фороункам, сепараторам, теплообменникам п т. п. ( рио. б). На «том графике также приведены данные A.B. Сапфирова. Эта зависимость позволяет о достаточной для практического применения точноо-тью пололрать конструкцию тангенциального завихрителя (которая долина Ся?» геометр*48скя подобна исоледованной, см. рио. 1 ] для создания требуемой начальной интенсивности закрутки.

Дм достоверной оценки пропускной способности водосброса больное значение имеет правильное определение коэффициентов гидравлического сопротивления в »одооброое. Трехмерная структура закрученного потока а оТводяием водоводе и обусловливает разные подходы по определение коэффициента оопротивлоння. Приводятся три зависимости коэффициента гидравлического сопротивления тангенциального завихрителя от интенсивности закрутки потока а оеч. 1-1, когда динамичеокий напор, входящий в энергию, вычисляется от полной (прямая l), среднео-оевоВ (прголая 3 )о учетом размеров жгута н ореднерасходной (прямая 2) скоростей (рис. б), В результате анализа пришли к выводу, что пр» расчетах нужно пользоваться зависимостью - 1, так как коэффициент расхода, вычисленный по сопротивлениям этой зависимости, близко соответствует коэффициенту расхода, определенному по расходу черед мерный водослив, действующему на зчвихритель напору и площади живого (кольцевого)peww ка выходе из завихрителя:

Q

(ю)

3.0

1.0

О

О 10 ¿.0 3.0 4.0 3.0 <0

Рис. б. Зависимость интегрального параметра закрутки потоке в сеч. 1 - 1 от геометрического параметра тангенциального завихрителя» 1

А - данные автора;

• - по данным А. 13. Сапфирова;

* - Х.О. Нурсте, Ю.З. Иванова, Х.О. Луви;. о - Х.О. Нурсте;

+ - В.М. Собина, А.И. Нршоаа.

6

О

0.6 СЛ (.0 и 1к 16 и

Рис. 6. Зависимости коэффициента гидравлического сопротиьле ния з тангенциальном завихрителв от интенсивности закрутки потока.

в 4» - А. = 0.6; ОАО - А = 0.33; «*в-А = 1.1-1 - для завихри-

•талей с плоскими срезками шахты.

• да - А - 0.97 - для завихрителя с эллиптической-срезкой

пахти.

«Л,

4 •

У А

Структура закрученного потока в водоводе корытообразного сечения является более сложной, чем в цилиндрическом водоводе, что возможно объясняется наличием макровихрей в углах сечения и непостоянством изменения кривизны линий тока из-за более сложной формы сечения. Также нужно отметить, что эпюра давления на стенки в водоводе корытообразного сечения отличается более неравномерным распределением в сравнении с водоводом круглого сечения. В углах водовода имеет место значительное увеличение (в 2 2.5 раза] значения давления по сравнении со сводом и центрами граней.

В работе получены экспериментальные зависимости изменения по длине водовода корытообразного сечения локального параметра закрутки П ={([) (С » ¿/Ы - относительная длина водовода, где /2 - гидравлический радиус) в зависимости от начальной закрутки, создаваемой аавихрителем (рио. 7). На основе этих зависимостей, зная нача-льнув закрутку и параметр А запихрителя, можно определить значение П в любом сечении водовода.

Исследования энергетических структур потока, создаваемых разными завихрителями показывают, что гашение полной энергии потока при завихрителе с большим параметром А происходит интенсивнее. При одинаковой пропускной способности завихрителей с плоской и эллиптической срезками шахты и одинаковом уровне воды в В.Б. значения и характер изменения полной энергии и ее составляющих совпадают.

Потеря энергии в закрученном потоке определяется по формуле

Л + . (ч)

где Я - коэффициент гидравлического трения осевого потока; \Хр -сроднерасходкая скорость; - относительный коэффициент гидравлического трения закрученного потока, равный отношению , где и коэффициенты гидравл и ча с ко го'тре ни я соответственно от закрутки и

1.0

0.9

0.1

0.7

ОМ

0.5

fl-íúlff»

——

о г к 6 1 W 1, L.- н /А)

Рис. 7. Изменение параметра П вдоль водовода корытообразного, сечения. Без подачи воздуха.

Прямые: 1 - для завихрителя с эллиптической срезкой А = 0.97, а = 112 л/с

для завихрителей с плоскими срезками шахты 2 - А = 0.6, 138.6 л/с; 3 - А = 0.83, 0-109.4 л/о» 4 - А = 1.14, А= 84.75 л/с.

J

- /

г 0

у'

__ _ ■ о Л

0.7 0.6

ОМ 0.3

- — t ■

Л,

Рис. 9. Зависимость

JC-

Рл<% 8. Зависимости 1раЦп)ъ водоводе корнтообразного сечения

- - при режимах без подачи воз-.

духа

--- _ при режимах с подачей воздуха

' в отводящий водовод.

тивнойти гаяения энергии закрученного потока от интенсивности его закрути

. * - А = 0.6; • - А = Q.9',

о - А * 0.83;

• - А = 1.14.

О

для осевого потока, полученные в условиях одного и того же эксперимента. В результате исследований получон график изменения (/> в зависимости от параметра закрутки П для водовода корытообразного сечения (рио. 8). С подачей воздуха сопротивление закрученного потока увеличивается, что подтверждается и другими исследованиями.

Поисковых исследований рациональной конструкции камеры гашения не было проведено. Эффективность гашения энергии закрученного потока в гасительной камере оценивалась по критерию

Где £и - осредненная по сечению полная удельная энергия потока перед камерой геиения и посла камеры соответственно в сечениях 3-314-4. Полученные зависимости ^»(рио. 9) показывают, что на эффективность гашения энергии потока незначительно влияет интенсивность его закрутки на входе в камеру в рассмотренном диапо-эона ее изменений.. В настоящей работе, при компоновке камеры гашеная, в конце отводящего туннеля, значения р равны 0.49 ♦ 0.62. Баку- -умные зонн^зафиксирована в начале камеры н непосредственно за донгам порогом. Образование вакуумов в начале камеры вызвано отрывом потока от обделки водовода в зоне сопряжения туннеля с камерой. Как показали опыты, подача воздуха в зоны отрыва потока уменьшает вакуум до. допустимых значений.

В работе 1.В. Сапфирова, где использовалась камера гашения при ее установке в начале отводящего водовода,у достигает значений 0.89, что говорят о более высокой эффективности гашения энергии закрученного потока. •

Наблюдения за ядром закрученного потока на торцевой стенке завихрителя показали, что вращение ядра потока имеет прецессионный -, характер. Этим, возможно, и внзёанн пульсации давления потока в за-

вихрителе, которые передаются в шахту и в отводящий водовод. Увеличение геометрического параметра тангенциального завихрителя А приводит к снижению стандартов пульсаций давления по длине водовода. Значения нормированных скоростным напором стандартов пульсаций давления у стенки завихрителя с плоской срезкой шахты с параметром А = 0.8 при пропуске расчетного расхода достигали 0,1, что состав-, ляет 5.04$ действующего на завихритель напора Н, а в камере гашения 0.06 или 2.9% напора И. В исследованиях с завихрителем-А = 0.6 значения стандартов пульсаций увеличиваются в среднем в 2 раза. Также важно отметить, что стандарты пульсаций давления в завихрителе. с плоской срезкой больше, чем в завихрителе с эллиптической срезкой шахты в 1.2-1.5 раза при одинаковой пропускной способности. При режимах без воздухозахвата максимум спектральной плотности перемещается в область более высоких частот, что говорит об увеличении . устойчивости жгута.

В четвертой главе изложены особенности формирования закрученного потока тангенциальным завихрнтелем с одним подводом, когда в отводящем водоводе жгут имеет форму спирали с осью, совпадающей с осью водовода. Так как воздуховод в торце завихрителя не обеспечивал достаточного расхода воздуха для устранения вакуума в жгуте (площади отверстия и жгута совпадают], то в местах, где жгут приближается к стенкам отводящего туннеля, на них регистрировались значительные вакууш (рис, 10). Большой вакуум в жгуте в наших иол. следованиях возможно объясняется значительным заглублением отверо-тия водоприемника под уровень воды в В.Б, недостаточными размерами поперечного сечения водовода для пропуски расчетного расхода в условиях закрученного потока и наклоном шахты. Придание плоской срезке завихрителя эллиптической формы не решило проблему формирования боле! равномерного закрученного потока, хотя центр жгута сместился ближе к оси водовода. Учитывая, что полные скорости закрученного потока

Ряс. 10. Зпюры пьезометрического давления на стенки водовода. Завихритель с эллиптической срезкой -ахти - А = 0.97. Ланы модельные значения в - см

у стенки водовода в наших исследованиях доходили до 38 ц/о, для предотвращения кааитацаонной эрозии обделки туннеля актуальны значения пристенных давлений и наличие технологических неровностей на ее поверхности. Поэтому, для повышения давлений на стенках водовода, была проведена серия экспериментов с применением различных простых местных сопротивлений. Типы местных сопротивлений в схемы их установки показаны на рис. 2. Установка спиралевидного выступа за за-аихрителем значительно уменьшает пропускную способность водосброса

(й = 61 л/с)и в месте переходного участка наблюдается опасный ва>-куум. Исследования показали, что наиболее эффективными средствами по устранению вакуума на стенках водовода ив камере гашения являются установки продольных ребер жесткости я диафрагм в отаодяций туннель и подача воздуха в жгут и в кашру гашения. На рис, Д показаны эпюры пьезометрического давления на стенки водовода при установке диафрагм а отводящий туннель. .••.;'•

Шаггныо вихревые водосбросы с камерой гашения, расположенной вдоль отводящего туннеля, могут найти широкое применение в высоконапорных гидроузлах, когда для сопряжения потока с нижний бьефом требуется эффективное гашение энергии потока в пределах вбЬосбросно-го тракта.

Расположение камеры гашения в конца водосбросного тракта может бить рекомендовано в случав длины отводящего водовода > 30. При этом, часть энергии закрученного потока гасится по дине туннеля за счет дополнительных гидравлических сопротивлений, связанных о закруткой. Остаточную энергию можно погасить в камере, расположенной в конце отводящего туннеля, перед выходом потока в нижний бьеф гидроузла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенные на модели исследования высоконапорного вигрево—

Гис. 11. Этзры пьезометрического давления на стенки водовода. Диафрагмы установлены в отводящем водо-зоде. Завихрзтель с эллиптической срезкой шахты - А - 0.97. Даны модельные значения в см.

го шахтного водосброса с наклонной шахтой и гасительной камерой в ( конце т/ннеля показали, что гашение энергии потока (до 0.91 Но) возможно на относительно коротком (до 28с1) участке отводящего во» довода.

2. В тех местах, где жгут близко подходит к стенке водовода, наблюдается опасное в кавитациоином отношении давление.

3. Применение простых местных сопротивлений является аффективным средством по устранению вакуума на стенках водовода.

4. Результаты гидравлических исследований закрученного потока в завихрителе и на начальном участке отводящего туннеля позволили выявить следующие основные закономерности:

- тангенциальные завихрители с одинаковыми геометрическими параметрами А могут обладать разной пропускной способностью;

- с увеличением параметра А завихрителя центр жгута смещаетоя к оси водовода а давление в нем (в 'жгуте ) увеличивается;

- подтверждена зависимость интенсивности закрутки потока вблизи тангенциального заверителя от величины его геометрического параметра А;

- получена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления тангенциального завихрителя исследованной конструкции от интенсивности, создаваемой им, закрутки потока;

- большая азимутальная неравномерность поля скоростей закрученного потока проявляется при меньшей интенсивности закрутки потока.

5. Исследования туннеля корытообразного сечения показали:

- наибольшая неравномерность зшоры давления на стенки отмечается в водоводе корытообразного сечения (в углах водовода имеет .место увеличение давления в 2 * 2.5 раза по сравнению со.сводом и центрами граней);

- с увеличением параметра А тангенциального завихрителя растет интенсивность затухания закрутки потока^

- интенсивность затухания закрутка потока, характер изменения подвой удельной энергии и ее составляющих при завихрителйх с плоской я эллиптической срезками шахты о одинаковой пропускной способностью оовпадавт;

- о подачей воздуха в отводящий водовод (10 40% по отношении К расчетному расходу воды] увеличивается эффективность гашения энергия и коэффициент сопротивления закрученного потока.

6. В результате исследования камеры гашения установлено:

- разработанная конструкция камеры гашения позволяет погасить до 13% энергия потока в водосбросе и преобразовать его в осевой;

- на эффективность гашения энергии закрученного потока в камере мало влияет интенсивность закрутки.

7» Гидродинамические исследования показали:

- пульсации давления потока на стенках бескамерного тангенциального завихрителя связаны с прецессионным характером вращения дцра закрученного потока;

- стандарты пульсаций давления на стенках тангенциального завихрителя с одним тангенциальным по^&одом не превышает стандартов в завихрителе о тремя тангенциальными подводами, что позволяет использовать наиболее простые схемы тангенциальных заверителей, не опасаясь увеличения динамических нагрузок;

- стандарты пульсаций давления а завихрителе с плоской срезкой больше, чем о эллиптической срезкой шахты* при одинаковых режимах а 1.2 - 1.5 раза;

- увеличение геометрического параметра А приводит к снижений стандартов пульсаций давления в местах установки датчиков;

- при режимах-без воздухозахвата максимум спектральной,плотности перемещается в область более высоких частот.

8. Модель вихревого водосброса исследованной конструкции устойчиво работает в рассмотренном диапозоне пропускаемых расходов й = 51.8 138.6 л/с без неблагоприятных переходных режимов.

9» Эшоры скоростей закрученного потока, ври наклонно! шахт* имеют более неравномерное распределение, а жгут более неустойчивый характер.

10. Полученные значения коэффициентов гидравлического оопроги»-лоция основных элементов отводящего тракта водосброса о камерой гашения позволяют выполнить расчет пропускной способности водооброса с тангенциальным завихрителем потока.

В дальнейших исследованиях представляется целесообразным:

- изучить возможность возникновения кавитации и кавитационной эрозии на стенках тангенциального завихрителя потока и отводящего водовода, определить динамические нагрузки при кавитация и будет ли эрозия (с применением эквивалентных материалов) }

- исследовать характеристики закрученного потока в отводящем водоводе при разных углах наклона шахты;

- для более полного обобщения зависимости (/~Нп)о водоводами различных форы сечений необходимы дополнительные исследования о бблылим перепадом давления в жгуте;

- продолжить исследования по изучению влияния воздухозахвата на особенности закрученного потока с использованием "масштабной серии* при расширении диапозона изменения основных гидравлических и конструктивных параметров сооружения^

- усовершенствовать использование местных сопротивлений в вихревых шахтаих водосбро"сах,с подобными условиями, с проведением гидравлических и гидродинамических исследований.

Основное содержание диссертации опуоликонано в следующих работах.

1. Методика определения геометрического параметра ( А ] для бескамерного тангенциального завихрителя. Тезисы докладов научно-технической конфо! лащи МГМЛ. М., 1991. - с.69 ( в соавторство с А.. Сап}ировим, Л.!.!, ¿-одорковим).

2. Отчет о НЛР "Исследования пихрезого шахтного подосОроса

Телыяшского гидроузла о тангенциальным завихрителем потока", (отчет промежуточный). * roo.рог. 01.9.1D050Q93. - М., 1991.

3. Временные рекомендации по расчету и проектированию водосбросов о ускоренным гашением энергии закрученного потока. РУЛЛ. * roo.per. 01.9.30.001190. - М., 1992.

4. Отчет о НИР "Исследования вихревого шахтного водосброса Тельмамского гидроузла о тангенциальным завихрителем потока", ( отчет заключительный). * roo.per. 01.9.10050093. - М., 1993.