Исследования усовершенствованной конструкции концевого участка раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выходом потока

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 626/627

Д.П. Михайлец

аспирант,

кафедра гидротехнических сооружений, Институт природообустройства им. А.Н. Костякова, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К. А. Тимирязева»,

г. Москва

ИССЛЕДОВАНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ КОНЦЕВОГО УЧАСТКА РАСТРУБНОГО ТИПА НАПОРНОГО ВОДОПРОПУСКНОГО СООРУЖЕНИЯ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ ПОТОКА

Аннотация. В статье упоминаются исследования различных вариантов конструкции концевого участка напорного водопропускного сооружения с вертикальным выходом потока, а также описываются данные исследования. Сделан вывод о том, что основным направлением для дальнейшего изучения и усовершенствования конструкции являются ее направляющие стенки.

Ключевые слова: концевой участок, вертикальный выход потока, восходящий поток, вертикальная камера гашения, конструкция раструбного типа, гаситель энергии потока.

D.P. Mikhaylets, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, Moscow

STUDIES MODIFIED CONSTRUCTION OF THE END PORTION OF THE PRESSURE CULVERTS WITH A

VERTICAL EXIT OF FLOW

Abstract. The article referred to research different options for the design of the end portion of the pressure culverts with vertical exit flow, and also describes the present research. It is concluded that the directing walls are the main direction for further study and design improvements.

Keywords: end portion, vertical exit of flow, vertical stream outlet, vertical flow outlet, vertical damping chamber, vertical dissipating chamber, energy dissipator.

Проблема гашения избыточной энергии потока за водопропускными сооружениями является актуальной до сих пор, особенно для высоко- и средненапорных гидроузлов.

Для решения данной задачи при использовании напорных туннельных и трубчатых водопропускных сооружений может быть использован концевой участок с камерой гашения, которая обеспечивает безопасное сопряжение потока с нижним бьефом. Камера гашения, расположенная в концевой части, одновременно обеспечивает устойчивый напорный режим в водоводе и рассеивает избыточную энергию потока. Концевые участки с камерой гашения по своему расположению подразделяются на следующие: концевые участки с горизонтальной камерой гашения, концевые участки с наклонной камерой гашения, концевые участки с вертикальной камерой гашения.

В лаборатории кафедры гидротехнических сооружений Московского государственного университета природообустройства (современное название РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, Институт природообустройства им. А.Н. Костякова) были проведены исследования нескольких концевых участков водопропускных сооружений с вертикальным выходом потока и вертикальной камерой гашения, предложенных профессором кафедры Гидротехнических сооружений Института природообустройства им. А.Н. Костякова д. т. н. Б.М. Бахтиным и его аспирантами и студентами. Четыре из этих конструкций зарегистрированы патентами [1; 2; 3; 4].

Важным достоинством конструкций указанного типа является возможность расположения оси отводящего канала под произвольным углом к оси транзитной части (туннеля или трубопровода), что заметно увеличивает вариативность выбора створа гидроузла.

Первые исследования одного из таких объектов были проведены Расуанандрасаной

Мари Жозефин в ее научно-исследовательской работе на соискание ученой степени кандидата технических наук. Изучалась конструкция концевого участка (рис. 1). В ней над выходным сечением вертикального водовода, за пределами этого сечения, радиально расположены бычки обтекаемой формы, на которых установлен горизонтальный диск-отражатель. Соотношения диаметра диска, диаметра выходного сечения вертикального водовода и высоты расположения диска над ним подобраны таким образом, чтобы избежать размывов дна у концевого участка сооружения [1].

Рисунок 1 - Концевой участок напорного водопропускного сооружения с вертикальным выходом потока: 1 - вертикальный водовод цилиндрической формы;

2 - горизонтальный диск-отражатель; 3 - бычки обтекаемой формы;

4 - выходное сечение водовода; 5 - транзитная часть сооружения

Недостатком этой конструкции является то, что «посадка» кольцевой, радиально разлетающейся струи происходит на значительном расстоянии от оси вертикального водовода, ограничивая применение концевого участка этого вида широкими створами.

Вторая конструкция представляет собой сектор-отражатель, расположенный горизонтально над выходным отверстием вертикального водовода и опирающийся на ограничивающую стенку, повторяющую в плане часть упомянутого выходного отверстия и примыкающие к ней вертикальные направляющие стенки. Вертикальные направляющие стенки установлены с обеспечением угла раструбности более 30° [2].

В отличие от предыдущей конструкции этот вариант предусматривает выпуск потока в более узком направлении, что увеличивает удельные расходы на выходе из концевого участка. Основной проблемой данной схемы сооружения является то, что за счет сложения удельных расходов, проходящих по стенкам и сектору-отражателю, выходящий поток образует сосредоточенные струи, которые формируют неравномерность распределения потока по ширине поперечного сечения отводящего канала. Таким образом, дальнейшие усилия исследователей были сосредоточены на поиске решения указанной проблемы и модернизации конструкции раструбного типа. В ходе усовершенствования конструкции разработаны и исследованы следующие её разновидности: конструкция с наклонно-закрепленным сектором-отражателем [3; 5], конструкции с усиленной шероховатостью направляющих стенок [4].

В настоящее время под руководством Б.М. Бахтина ведутся исследования раструбной

конструкции, целью которых является перераспределение потока со стенок на сектор-отражатель. Исследования проводятся на экспериментальной установке масштабом М 1:125. В проведенных опытах варьировались: расход (путем увеличения уровня воды в верхнем бьефе установки), форма (прямоугольная и трапецеидальная) отводящего канала и в зависимости от степени открытия жалюзийного заграждения регулировалась глубина в нижнем бьефе. Малый масштаб модели обусловлен необходимостью произвести качественную оценку различных вариантов конструкции для выбора из них наиболее эффективной, удовлетворяющей условиям работы, и для последующего перехода к более подробному изучению на модельной установке большего размера.

Во время проведения экспериментов в точках пересечения на координатной сетке, расположенной по дну канала, с помощью шпицен-масштаба замеряются глубины, а с помощью флюгера определяются вектора донных и поверхностных скоростей. Это осуществляется для оценки распределения потока по ширине сечения канала и определения состояния потока.

Исследовались три модификации раструбной конструкции: с наклонными внутрь направляющими стенками и горизонтальным сектором-отражателем (рис. 2), с вертикальными направляющими стенками и изогнутым сектором-отражателем (рис. 3), с наклонными внутрь направляющими стенками и изогнутым сектором-отражателем.

Рисунок 2 - Концевой участок раструбной конструкции напорного водопропускного сооружения с вертикальным выходом потока, с наклонными внутрь направляющими стенками и горизонтальным сектором-отражателем: 1 - вертикальный водовод; 2 - сектор-отражатель; 3 - направляющие стенки;

4 - выходное сечение водовода; 5 - ограничивающая стенка

По результатам опытов с конструкцией, имеющей наклонные стенки, было замечено, что по оси вдоль отводящего канала возникает застойная область (рис. 4), где скорость потока близка к нулю, удельные расходы по сторонам конструкции достаточно большие, при использовании трапецеидального канала поток набегает на откосы и иногда перехлестывает их. Отсюда следует, что при использовании данной конструкции не удалось обеспечить равномерное распределение потока по ширине отводящего канала. Ближе к концу при успокоении потока глубины выравниваются, но основной расход проходит по краям канала.

/г- к

\

1 \\\\\\\\\\\\^ 1 \\_ci

/

г V

Рисунок 3 - Концевой участок раструбной конструкции с вертикальными направляющими стенками и изогнутым сектором-отражателем: 1 - вертикальный водовод; 2 - сектор-отражатель; 3 - направляющие стенки; 4 - выходное сечение водовода; 5 - ограничивающая стенка; 6 - длина отлета струи; 7 - приблизительная граница гидравлического прыжка

-2-1012 Рисунок 4 - План поверхностных скоростей. Концевой участок раструбной конструкции с наклонными внутрь направляющими стенками и горизонтальным сектором-отражателем: 1 - длина отлета струи; 2 -гидравлический прыжок

Характер истечения потока показывает, что конструкция усилила отрицательный эффект, и вместо того, чтобы перераспределить удельные расходы со стенок на сектор-отражатель, она еще больше сконцентрировала их по обоим сторонам.

Конструкция с изогнутым сектором-отражателем показала хорошее распределение потока по ширине канала. Сектор-отражатель имеет изогнутую форму с отношением высоты дуги к ширине дуги у выходного сечения ЬД/ВД @ 0,34 . За счет изогнутой формы часть потока плавно

перераспределяется от стенок к центральной оси. Сектор-отражатель имеет больший периметр выходного сечения, что обеспечивает меньшие удельные расходы. Восходящий наклон сектора в 25 градусов увеличивает длину отлета струи, в связи с чем возможные размывы будут происходить на большем расстоянии от выходного сечения конструкции.

Для усиления эффекта, достигнутого изогнутым сектором-отражателем, было решено провести исследования конструкции с комбинированием элементов двух предыдущих конструкций (рис. 5).

Рисунок 5 - Работа конструкции с наклонными направляющими стенками и изогнутым сектором-отражателем

Концевой участок раструбной конструкции с наклонными внутрь направляющими стенками и изогнутым сектором-отражателем позволил перенаправить небольшую часть расходов со стенок, о чем свидетельствует незначительное увеличение высоты отлетающей струи, при этом длина ее отлета не изменилась. В месте сопряжения направляющих стенок и изогнутого сектора-отражателя на выходе также образуются повышенные удельные расходы, что является отрицательной чертой наклонных внутрь направляющих стенок. Но перехлеста через откосы отводящего канала, как это было в предыдущей серии опытов с горизонтальным сектором, не наблюдается.

Из вышесказанного следует, что основной проблемой конструкций данного вида являются повышенные удельные расходы, сходящие с направляющих стенок конструкции, вследствие чего наблюдается неравномерное распределение потока по ширине отводящего канала. При дальнейшей модернизации особое внимание требуется уделить борьбе именно с удельными расходами на стенках. Это возможно осуществить с помощью повышения сопротивления на них или отвода потока к центру канала.

Следующим вариантом конструкции для исследования будет конструкция с изогнутым

сектором-отражателем и наклонными выступами на вертикальных направляющих стенках. Выступы будут играть роль шероховатости для увеличения гашения энергии потока и элементов, перенаправляющих поток на сектор.

Список литературы:

1. Бахтин Б.М., Расуанандрасана М.Ж. Концевой участок напорного водопропускного сооружения. Патент на изобретение № 2211279 от 27.08.2003 г.

2. Бахтин Б.М., Кузнецова С.Г. Концевой участок раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском воды. Патент №2341616 от 20.12.2008 г.

3. Бахтин Б.М., Кузнецова С.Г. Концевой участок раструбного типа с наклонно закрепленным отражающим сектором напорного водовода с вертикальным выпуском воды. Патент на полезную модель № 103814 от 27.04.2011 г.

4. Бахтин Б.М., Кузнецова С.Г., Макаров М.В. Концевой участок раструбного типа напорного водопропускного сооружения с вертикальным выпуском воды и усиленной шероховатостью направляющих стенок. Патент на полезную модель № 114690 от 10.04.2012 г.

5. Боков В.С. Концевой участок напорного водовода с вертикальным выходом потока / В.С. Боков, А.К. Бальгишиева, О.А. Люкшина, М.В. Макаров // Материалы научно-технической конференции «Роль молодых ученых в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России» - М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2013.