Способ параметрического моделирования высоконапорных гидроэнергетических объектов
METHOD FOR PARAMETRIC MODELLING OF HIGH-HEAD HYDROPOWER OBJECTS

Изобретение относится к области конечно-элементного моделирования гидроэнергетических объектов (ГЭО) и может быть использовано, в частности, для оценки надежности водопроводящих трактов, действующих ГЭС и ГАЭС с учетом трещин, выявленных в бетонном массиве указанных ГЭО в процессе их эксплуатации.
Особенностью сталежелезобетонных водопроводящих трактов (включающих сталежелезобетонный водовод и спиральную камеру) высоконапорных ГЭС и ГАЭС, является работа в условиях высокого (100 м и более) внутреннего давления воды, которое воспринимают стальная оболочка и арматура, поэтому оптимизация параметров (прежде всего толщины) этих элементов должна осуществляться с учётом возникающих в них напряжений.
Известен способ параметрического моделирования ГЭО (см. патент России на изобретение № 2473128), включающий ввод базовых параметров конструктивного компонента, создание на их основе компьютерной базы данных параметрических моделей типовых конструктивных компонентов ГЭО (базовых моделей) и преобразование базовых моделей в рабочие путём автоматического расчёта параметров рабочих моделей по заложенным в них математическим зависимостям.
При этом в число вводимых базовых параметров не включены параметры элементов сталежелезобетонного водопроводящего тракта, а именно, слоёв стальной оболочки, арматуры и промежуточных слоёв бетона.
Это не позволяет оптимизировать геометрические параметры рассчитываемых элементов с учётом возникающих в них напряжений, что является источником потенциальных ошибок.
Прототипом заявляемого технического решения выбран способ параметрического моделирования высоконапорных ГЭО, включающий ввод базовых параметров конструктивного компонента, в том числе параметров элементов сталежелезобетонного водопроводящего тракта, создание на их основе базовых моделей типовых конструктивных компонентов ГЭО и преобразование базовых моделей в рабочие путём автоматического расчёта параметров рабочих моделей по заложенным в них математическим зависимостям с учётом действующих на вышеуказанные элементы напряжений [см. Автореферат диссертации. Козинец Г.Л. Методология обоснования проектных параметров гидроагрегатных блоков высоконапорных ГЭС автореферат диссертации д-ра технических, наук: 05.14.08 / Г.Л. Козинец С.-Петербург. ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. - СПб. 2015. - 36 с.].
Введение в способ параметров элементов сталежелезобетонного водопроводящего тракта - стальной оболочки, арматуры и слоев бетона между ними в качестве базовых позволяет оптимизировать геометрические параметры элементов водопроводящего тракта ГЭО с учетом возникающих в них напряжений.
Однако, прототип не учитывает влияния трещин, которые могут возникнуть в бетонных слоях водопроводящих трактов высоконапорных ГЭО, что, в свою очередь, является источником потенциальных ошибок.
Сущность предлагаемого способа заключается в учете влияния трещин, возникающих в бетонных слоях ГЭО в процессе их эксплуатации, на геометрические параметры элементов водопроводящего тракта, при параметрическом моделировании высоконапорных ГЭО.
Для получения указанного технического результата в способе параметрического моделирования высоконапорных ГЭО, включающем ввод базовых параметров элементов сталежелезобетонного водопроводящего тракта, создание на их основе базовых моделей типовых конструктивных компонентов ГЭО и преобразование базовых моделей в рабочие путём автоматического расчёта параметров рабочих моделей по заложенным в них математическим зависимостям с учётом действующих на вышеуказанные элементы напряжений, в число базовых параметров дополнительно включают параметры трещин, выявленных в бетонных слоях ГЭО в процессе эксплуатации, а при расчёте параметров рабочих моделей учитывают напряжения, действующие на элементы водопроводящего тракта в условиях наличия указанных трещин.
Благодаря реализации отличительных признаков заявляемого технического решения в совокупности с признаками, общими с прототипом, у заявляемого объекта появляются новые свойства: введение параметров трещин, возникающих в бетонных слоях ГЭО в процессе их эксплуатации, в число базовых параметров предлагаемого способа. Это позволяет оптимизировать геометрические параметры элементов водопроводящего тракта ГЭО с учетом возникающих в них напряжений в условиях наличия указанных трещин и повышает точность предлагаемого способа моделирования ГЭО и, как следствие, - надёжность указанных объектов в целом.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где фиг.1 и фиг.2. иллюстрируют процесс реализации предлагаемого способа на примере моделирования высоконапорного водопроводящего тракта действующей ГЭС. Здесь на фиг. 1 изображена модель сегмента водовода, а на фиг. 2 – модель сегмента спиральной камеры, размещённого в бетонном массиве.
При моделировании учтены и соответственно на чертежах обозначены все составляющие водовода:
- внутренний слой 1 стальной оболочки начальной толщины радиусом трубы r;
- защитный слой 2 бетона;
- приведенный слой 3 внутренней кольцевой арматуры;
-  приведенный слой 4 внутренней торовой арматуры;
-  промежуточный слой 5 бетона;
- приведенный слой 6 наружной кольцевой арматуры;
- приведенный слой 7 наружной торовой арматуры;
- защитный слой 8 бетона водовода с трещинами;
- слой 9 бетона (бетонный массив) блока спиральной камеры с трещинами.
- позицией 10 обозначены трещины, выявленные в бетонных слоях 8 и 9 путём натурных наблюдений в процессе эксплуатации ГЭС (трещины, которые могут возникнуть в бетонных слоях 2 и 5, не учитывают ввиду мелкодисперсности этих трещин). Параметры (длина, ширина, глубина) трещин 10 обозначены соответственно латинскими буквами L, В и H.
Предлагаемый способ моделирования справедлив как для водоводов, так и для блоков спиральных камер.
Способ реализуется следующим образом:
1) Бетонный массив пространственной модели водопроводящего тракта ГЭС разбивают на объемные конечные элементы. Для эксплуатируемых объектов в бетонном массиве задают выявленные трещины 10 с учетом их длины, глубины, ширины.
2) Сталежелезобетонный (водовод – фиг. 1) водопроводящий тракт моделируют плоскими многослойными элементами стальной оболочки с приведенными слоями 3 и 4, эквивалентными соответственно начальным диаметрам кольцевой и торовой арматуры и с внутренним слоем 1 стальной оболочки начальной толщины (здесь и далее толщины слоёв на чертежах не обозначены).
3) Выполняют оценку напряжений в каждом слое водопроводящего тракта с учётом наличия трещин 10.
4) При послойном моделировании водопроводящего тракта, расположенного в бетонном массиве (например, сегмента спиральной камеры, представленного на фиг. 2), учитывают все составляющие водопроводящего тракта, переходящие в спиральную камеру (позиции 1 – 5), и добавляют позицию 9 – слой бетона блока спиральной камеры с трещинами 10.
5) В процессе реализации способа начальные значения толщины каждого из слоев модели меняют до получения оптимальных значений (соответствующих данному слою параметров), основанных на условии равенства напряжений стальной оболочки и внутреннего слоя арматуры, а также с учётом наличия трещин 10.
В результате пользователь получает рабочую расчетную модель, соответствующую требуемым размерам и нужной детализации.
Таким образом, предлагаемый способ обладает более высокой точностью моделирования по сравнению с известными аналогами, т.к. обеспечивает возможность оценки напряжений элементов водопроводящего тракта с учётом трещин в слоях бетона, возникающих в процессе эксплуатации ГЭС, ГАЭС. Это позволяет определить запас прочности стальной оболочки и арматуры водопроводящего тракта и в случае необходимости своевременно выполнить мероприятия по заделке трещин.
Следовательно, предлагаемый способ повышает надёжность ГЭО в целом.
Для осуществления заявляемого изобретения могут быть использованы известные технические средства и технологии.