МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 626.823.54:627.43

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

РЕГУЛЯТОРОВ РАСХОДА

 

В.Л. Снежко – к.т.н., доцент;  Л.М. Абрамкина

ФГОУП ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Наиболее распространенными конструкциями водовыпусков при низконапорных плотинах, в настоящее время являются трубчатые сооружения, имеющие регулирующую башню в верхнем бьефе или регулируемые задвижкой, расположенной на низовом откосе.

Водохранилища таких гидроузлов в основном местного значения. Накапливаемая в их чаше вода может использоваться для орошения, разведения рыбы, в общем случае для поднятия глубин выше створа плотины.

Сейчас, когда большое внимание уделяется экологии малых рек, одним из актуальных вопросов охраны водотоков является такая организация водопользования на речной сети, при которой на всем протяжении зарегулированного русла обеспечивается природно-необходимое транзитное течение, причем санитарный расход поступает независимо от водности года.

К сожалению, низкий класс капитальности сооружений малых гидроузлов, малое число эксплуатационного персонала, а иногда и недостаточная дисциплина водопользователей приводят как к выходу из стоя регулирующих органов (затворов, задвижек), так и к нарушению (порой сознательному) условий водоподачи.

Автоматизация работы сооружений гидроузла позволяет решать эту и многие другие задачи, связанные с высвобождением трудовых ресурсов, обеспечением минимума непроизводительных потерь воды и энергетических затрат, а также оптимизации технологических параметров гидромелиоративных систем.

Анализ сведений, приводимых в технической литературе по данному направлению, показал, что все средства гидравлической автоматики для оснащения гидротехнических сооружений можно разделить на четыре группы:

1.                        Регуляторы уровней на каналах открытой сети;

2.                        Регуляторы расходов на открытой сети, в том числе непосредственно регуляторы расхода и пропорциональные делители;

3.                        Регуляторы напоров на закрытой сети;

4.                        Автоматические задвижки на закрытой сети.

По принципу действия автоматы постоянного расхода делятся на три группы:

1.                        Водовыпуски-автоматы, постоянный расход в которых обеспечивается путем поддержания определенного напора;

2.                        Водовыпуски-автоматы, в которых постоянство расхода обеспечивается путем сохранения определенного соотношения между горизонтом воды в подводящем канале и открытием щита или другого устройства, автоматически регулирующего площадь рабочего отверстия;

3.                        Водовыпуски-автоматы, в которых с увеличением горизонта воды в подводящем канале соответственно увеличиваются потери напора на входе.

Вопросам автоматизации водовыпускных сооружений посвящено много исследований, во всех случаях основным принципом работы сооружений является использование энергии потока в чистом виде и свойств потока при движении. При этом поток формируется одним из следующих способов: изменяется сжатие потока при истечении из-под щи-

 

тов и затворов различной конфигурации, используется инверсия или деформация подающей струи, инерционные свойства потока.

Гидроавтоматы расхода можно подразделить на следующие группы (рис. 1).

 

Рис. 1. Классификация существующих гидроавтоматов расхода

 

Наиболее перспективными и простыми по конструкции являются гидроавтоматы третьей группы, использующие гидравлические свойства струй истечения потока, изученные достаточно подробно. К этому типу автоматов относятся регулирующие затворы Пенджабского института (Пакистан), модуль Канна, цилиндрический коробчатый щит конструкции Я.В.Бочкарева, стабилизаторы расхода, предложенные А.С.Луговым. в приведенных технических устройствах поток деформируется и сжимается твердыми телами. Каждое сооружение имеет свою конкретную, как правило, нелинейную характеристику степени сжатия потока, зависящую от подходных геометрических и кинематических условий, и практически не зависящую от условий течения ниже сжатого сечения потока.

Систематизация результатов натурных обследований на оросительных системах Саратовской и Волгоградской областей, Алтайского края и Украины показывает, что только 39 % регулирующих затворов работают без замечаний, практически не работают в проектном режиме 28 % регуляторов, главным образом цилиндрических и прислонных. Основные жалобы (85 %) на работу гидроавтоматов – сложность их балансировки и наладки, возникающая вследствие ,дополнительных сопротивлений перемещению, несоответствия массы затворов и противовесов, засорения и отказа водорегулирующих каналов (труб) и датчиков уровня.

Наиболее надежными являются гидроавтоматы, в которых отсутствуют как механические подвижные части,  так и всевозможные датчики, подающие сигнал для начала процесса регулирования. 

Исследования в области гидродинамических регуляторов расхода, сигналом для работы которых будут непосредственные колебания одного из бьефов, были начаты во ВНИИГиМ в начале 90-х годов прошлого века,  и затем продолжены в Московском государственном университете природообустройства Разработанные сооружения легко вписываются в башенные водосбросы, трубчатые водовыпуски, перепады, дюкеры и трубчатые переезды (рис. 2) и относятся к неподвижным устройствам, использующим гидравлические сопротивления сливающихся потоков.

                            

                                                                         а)                                                                                                                            б)

                                                                                                                                                     в)                                                             

Рис. 2.   а) – водовыпуск – регулятор по нижнему бьефу; б) регулятор-переезд;

в) регулятор с затвором

 

Основное условие работы гидродинамических регуляторов – наличие двух напорных потоков – управляющего qy, подаваемого из любого бьефа,  и транзитного Qт, подаваемого из верхнего бьефа в нижний. Устройство расширяющейся выходной части позволяет не только увеличить пропускную способность водовыпуска (по аналогии с отсасывающими трубами гидротурбин), но и снизить пьезометрическую линию, обеспечив возможность подачи управляющего расхода самотеком из любого бьефа.

Рассмотренные гидродинамические регуляторы расхода не требуют высокой точности первоначальной регулировки и имеют достаточно простую конструкцию. Тем не менее, конструкции самих сооружений и узла слияния  транзитного и управляющего потоков могут быть принципиально улучшены.

Регуляторы, забирающие расход управления из верхнего бьефа, требуют значительного вынесения управляющей башни в сторону водохранилища. Теоретический диапазон регулирования по обоим бьефам определяется выравниванием горизонта воды в камере слияния и водохранилище для верхнего бьефа,  либо отводящем канале для нижнего. Оба диапазона могут быть получены из уравнения

DH/H=-((xбс+xн)(1+m)2-(1+m)Da+m2xшс)/((xпс+xн)(1+m)2+(1+m)mDa+xтс),

где  DH - разница между горизонтом воды в управляющей  камере и горизонтом воды в управляющем бьефе;   Н – напор, перепад между бьефами;  xбс – коэффициент сопротивления управляющего потока на проход, принимается по зависимостям для вытяжных тройников;    xн - коэффициент сопротивления низового участка, xн =xд+a2(w1/w2)2 ,  где xд – коэффициент сопротивления диффузора,   a2 - коэффициент Кориолиса в выходном сечении,   a2  = 1,2¸1,3;    w1/w2   -  площади  сжатого  и  выходного  сечения  диффузора;

m=qy/Qт – соотношение сливающихся расходов;   Da - разница между коэффициентами Кориолиса транзитного и управляющего потока в сжатом сечении;   xшс – коэффициент сопротивления   в  управляющей  башне,  пересчитанный  по  сжатому  сечению, xшс = 0,2;

xпс – коэффициент сопротивления транзитного потока на проход в камере слияния, принимается по зависимостям для вытяжных тройников;   xтс – коэффициент сопротивления транзитного водовода до камеры слияния.

Очевидно, что при DH=H регулирование прекращается. Увеличение  диапазона работы сооружений может быть достигнуто за счет исполнения  транзитного и управляющего водоводов полностью напорными и  расположения их в одной плоскости. Это позволит избежать устройства управляющей башни, динамика колебаний свободной поверхности в которой, негативно сказывается на возможностях регулирования. Первоначальная привязка регулятора к уровням бьефов будет происходить с помощью задвижки, установленной на управляющем водоводе. Возможность использования не только бетонных водоводов квадратного сечения, но и стандартных металлических труб должно сделать конструктивное исполнение сооружений более простым.

Экспериментальные исследования сопротивлений, возникающих в узле слияния потоков, показали, что значения коэффициентов сопротивлений на поворот xбс и прямой проход xтс  значительно превышали расчетные величины, полученные по зависимостям для вытяжных тройников. Это объясняется  близким расположением тройника и диффузора (расстояние между ними равнялось высоте транзитного водовода), отсутствием участка стабилизации и нестандартным выполнением камеры слияния – квадратным сечением обоих водоводов.

Разработка оптимальных конструкций гидродинамических стабилизаторов с отсутствием свободной поверхности в камере слияния,  и определение методики их расчета требует теоретических и экспериментальных исследований по следующим направлениям:

1.                        Оценка влияния на процесс регулирования подвода управляющего потока с углами меньше 900 ;

2.                        Изучение возможности применения металлических водоводов круглого сечения и разработка соответствующих вариантов конструкций камеры слияния;

3.                        Определение фактических значений сопротивлений полностью напорных тройников квадратного и круглого сечения при отсутствии участка стабилизации;

4.                        Влияние на регулируемые потери напора и значения соответствующих коэффициентов xбс  и  xтс удаленности от сжатого сечения тройника расширяющегося участка отводящего рукава;

5.                        Замена прямоугольного диффузора на круглый раструб для металлических водоводов и оценка соответствующих коэффициентов xн.

 

Библиографический список

 

1.         Бочкарев Я.В. Авторегуляторы уровня нижнего бьефа гидравлического действия  для водовыпусков из бассейна суточного регулирования. - Фрунзе: СХИ, 1984.

2.         Батин Г.Л. затворы-автоматы створчатого типа и перспективы их применения. /Сб. научных трудов СевНИИГИМ. - Л., 1991.

3.         Беглярова Э.С., Лысенко П.Е., Снежко В.Л. Автоматические водовыпуски низконапорных гидроузлов с гидродинамическим регулированием расхода. //Мелиорация и водное хозяйство. 2003. Вып. 6.

4.         Снежко В.Л., Беглярова Э.С. Автоматические гидрорегуляторы расхода на низконапорных гидроузлах. Научно-практический журнал //Вопросы мелиорации. 2002. Вып. 1.

5.         Снежко В.Л., Беглярова Э.С. Пути совершенствования гидрорегуляторов расхода низконапорных гидроузлов. //Мелиорация и водное хозяйство. 2004. Вып. 1.