5-5. РАСЧЕТНЫЙ УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД В ОТВОДЯЩЕМ РУСЛЕ
Рис. 5-13. К расчету увеличения удельного расхода при расширении потока в плане и вертикальной плоскости.
1—1 — створ окончания рисбермы и открылка.
Для расчета глубины возможного размыва за рисбермой и крупности несвязного материала при рисберме, откосе и дне ковша, образующего концевое крепление, требуется знать удельный максимальный расход и среднюю максимальную скорость в отводящем русле. Картины течений при поступлении в нижний бьеф потока из отсасывающих труб или из водосбросов различны. В первом случае имеет место сопряжение спокойных потоков, что позволяет пренебречь влиянием перепада восстановления на формирование течения и поперечными уклонами и, предположив существование универсального профиля скоростей, использовать при расчете методы теории турбулентных струй [171]. Во втором случае бурный водосбросный поток сопрягается со спокойным потоком в отводящем русле.
При этом в случае сосредоточенной струи происходит местное понижение уровня свободной поверхности, следствием чего является увеличение удельного расхода в струе по длине русла, в то время как при сопряжении спокойных потоков удельные расходы с увеличением расстояния от начального сечения уменьшаются и выравниваются по длине русла.
Увеличение удельного расхода происходит также за рисбермой при расширении потока в плане за открылками и в вертикальной плоскости в ковше или в яме размыва (рис. 5-13).
а) Удельный расход в отводящем русле несовмещенной ГЭС
Распределение удельных расходов по фронту здания несовмещенной ГЭС может достигать в начальном сечении (створ отверстий отсасывающих труб) значительной неравномерности, обусловленной работой турбин в различных режимах и неравномерным распределением скоростей по ширине выходного отверстия каждой из отсасывающих труб.
Рис. 5-14. Отождествление свободной турбулентной струи и потока, поступающего из отсасывающей трубы. На длине в границах 3—3 (ядро невозмущенного потока) скорости при пренебрежении силами трения по дну постоянны.
а, б — при равномерном распределении скоростей (удельных расходов); в — при неравномерном распределении скоростей.
О неравномерности распределения скоростей по ширине выходного отверстия отсасывающей трубы следует судить по соответствующей эпюре скоростей, выделив из нее для определения максимального удельного расхода участок шириной 1 м. Далее допускаем упрощение расчетной схемы, принимая, что при наличии в горизонтальном диффузорном патрубке отсасывающей трубы промежуточных быков скорости и удельные расходы по ширине b'т каждого из образованных таким образом отверстий постоянны.
При отсутствии промежуточных быков при нимаем b'm= 0,5bm1, где bт — ширина выходного отверстия в свету. Такая схематизация позволяет при определении максимального удельного расхода в выходном сечении отсасывающей трубы использовать коэффициент неравномерности k распределения расхода в рассматриваемом выходном сечении, полученный экспериментальным путем (рис. 2-8,б). При известном k получаем:
(5-4)
Согласно теории турбулентных струй различаются начальный и основной участки струи. Начальный участок характерен наличием ядра невозмущенного потока (рис. 5-14, граница 3), в котором при отсутствии трения сохраняется постоянная скорость, а при учете сил трения на дне скорость при удалении от начального сечения уменьшается. На основном участке скорость падает более интенсивно.
Длина Х0 начального участка, отсчитываемая от створа О—О с равномерным распределением скоростей (рис. 5-14,а, б), может быть определена по известному из опытов углу отклонения границы 3 от оси потока, равному примерно 6° (рис. 5-14):
(5-5)
1 Поскольку при отсутствии в горизонтальном патрубке отсасывающей трубы промежуточных быков максимальный удельный расход в выходном отверстии, по-видимому, будет не меньше, чем при наличии одного быка.
Распределение скоростей (удельных расходов) в створе выходных отверстий отсасывающих труб неравномерно как в пределах действующего фронта здания ГЭС, так и в пределах отверстия одной отсасывающей трубы. Поэтому отсчет длины х0 при определении длины участка, на котором в пределах границ 3—3 скорости (удельные расходы) постоянны, следует производить не от выходных отверстий отсасывающих труб, а от створа выравнивания скоростей по ширине.
Рис. 5-15. К расчету удельных расходов в конце рисбермы и за рисбермой на несовмещенной ГЭС при пропуске расхода через часть фронта.
3—3 — границы ядра невозмущенного потока.
По имеющимся данным [4] интенсивное выравнивание поля скоростей смежных турбулентных струй происходит на участке протяженностью от начального сечения до створа пересечения границ 2—2 смежных струй (рис. 5-14,в). При угловом коэффициенте границы 2, равном 0,16, и ширине смежных струй b расстояние ха до створа выравнивания скоростей (удельных расходов) равно:
Хн=3b. (5-6)
В створе отверстий отсасывающих труб неравномерность распределения расхода выражается согласно (5-4) в перераспределении расхода между отверстиями шириной b'm, образованными промежуточными быками (рис. 5-18) в горизонтальных патрубках отсасывающих труб.
Параметр а при абсолютной шероховатости дна А=10 мм и λ = 0,011 [формула (4-35)] изменяется для 22 рассмотренных ГЭС в пределах 0,01—0,6.
5-8. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ МЕЖДУ ОТВОДЯЩИМИ РУСЛАМИ ЗДАНИЯ ГЭС И ПЛОТИНЫ
На рис. 5-47 изображены графики N=f(H) и Q=f(H) при НПУ. При H>Hрасч мощность турбины ограничивается установленной мощностью генератора. Турбина работает при частично закрытом направляющем аппарате.
При H>Hрасч (напор турбины упал в результате повышения уровня нижнего бьефа в паводок) пропускная способность и мощность турбины снижаются. Возникает потребность восстановления мощности, что определяет начало пропуска расхода через водосбросы здания ГЭС из энергетических соображений.
Рис. 5-47. Графики изменения расхода турбины (а) и мощности агрегата (б) в зависимости от напора турбины.
Пропуск паводковых расходов через гидроузел обычно начинается при уровнях нижнего бьефа, меньших тех, которые отвечают расчетному напору турбины. Вопрос о том, следует ли начинать сброс паводка через здание ГЭС или через плотину, должен решаться путем соответствующих гидравлических и энергоэкономических расчетов. Возможны следующие схемы включения в работу водосбросного фронта гидроузла: 1) сначала открываются пролеты плотины, а затем водосбросы ГЭС (рис. 5-48,а); 2) первыми включаются водосбросы ГЭС, а затем плотина (рис. 5-48,б).
Последовательность пропуска паводка по схеме 1 может оказаться рациональной в тех случаях, когда стремятся облегчить гидравлические условия на водобое и рисберме за зданием ГЭС. Водосбросы ГЭС вступают в работу в некоторый момент А уже при повышенных уровнях нижнего бьефа, что создает благоприятные условия гашения энергии водосбросного потока. Далее увеличение сбросного расхода осуществляется постепенным открытием водосбросных отверстий. После поднятия затворов водосбросов здания ГЭС на полную высоту переходят к дальнейшему увеличению расхода через плотину. С момента Б пропускная способность напорных водосбросов или водосливов здания ГЭС снижается, так как происходит затопление водосбросных отверстий или подтопление водосливов.
Пропуск расхода по схеме 2 облегчает условия на водобое и рисберме плотины, поскольку в этом случае плотина вступает в работу при повышенных уровнях нижнего бьефа. При такой схеме пропуска расхода возможно пойменное расположение плотины с повышенными отметками водобоя и рисбермы. Подобное решение обычно возможно в тех случаях, когда не предусматривается пропуск строительных расходов через плотину. Падение пропускной способности водосбросов зданий ГЭС происходит с момента Б.
Рис. 5-48. Возможные схемы пропуска паводка через гидроузел.
а — плотина — водосбросы здания ГЭС; б — водосбросы здания ГЭС — плотина; в — совмещенная ГЭС без водосбросной плотины.
При отсутствии в составе сооружений гидроузла отдельной водосбросной плотины (например, на Камской водосливной ГЭС) единственно возможной схемой пропуска паводковых расходов может быть приведенная на рис. 5-48,в.
На всех отечественных совмещенных ГЭС, имеющих в составе гидроузла водосбросную плотину (Волжские ГЭС, Новосибирская, Каховская, Уч-Курганская, Дубоссарская гидроэлектростанции), предусмотрен пропуск паводка по схеме 5-48,а, т. е. плотина вступает в работу раньше водосбросов здания ГЭС [график пропуска паводка на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина (рис. 5-25)]. Такое решение принято в целях облегчения гидравлических условий в отводящем русле. Однако почти на всех этих ГЭС режим включения водосбросов в работу нарушался в строительный период, что привело к повреждению отводящего русла. Так, на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина состояние строительных работ заставило пропуск паводка 1957 г. сосредоточить в правой части здания ГЭС. Глубина в отводящем русле при этом была на 2 м ниже допускаемого по расчету, что привело к размыву дна на 17— 19 м ниже ковша. По этим же причинам на Каховской ГЭС размыв за рисбермой отводящего русла достиг глубины 9 м. На Уч-Курганской и Дубоссарской ГЭС из-за нарушения установленного порядка пропуска паводка произошел размыв и обрушение левого берега отводящего русла. Кроме того, на Дубоссарской ГЭС обнаружен подмыв на глубину 2,5 м гибкой части рисбермы. Незначительный размыв грунта под бетонными плитами крепления откосов отводящего русла имел место на Новосибирской ГЭС.
Как видно, наличие в составе гидроузла водосливной плотины не гарантирует облегчения гидравлических условий пропуска через здание ГЭС паводка в период строительства. По-видимому, следует предусматривать возможность работы части водосбросов здания ГЭС при малых наполнениях отводящего русла, что должно обеспечить безаварийную работу сооружения в строительный период, дать большую свободу маневрирования затворами и облегчить гидравлические условия в нижнем бьефе водосливной плотины.
Казалось бы, что так как при отсутствии водосбросной плотины предусматривается пропуск через отводящее русло здания ГЭС и строительного и максимального расчетного паводка, оно, будучи рассчитано исходя из этих условий, должно быть надежно для всех возможных режимов.
В действительности же и на ГЭС без водосливной плотины могут образоваться режимы, не предусмотренные проектными проработками. ведущие к тяжелым повреждениям отводящего русла, как это имело место на Иркутской и Саратовской ГЭС. Несоблюдение на Иркутской ГЭС установленного режима включения водосбросов при пропуске строительных расходов привело к разрушению ряжевой рисбермы, стоимость работ по восстановлению которой превысила ее первоначальную стоимость. На Саратовской ГЭС в первый период эксплуатации вследствие пропуска расхода через полностью открытые водосбросы повреждено концевое крепление.
Как уже отмечалось выше, наиболее тяжелые гидравлические условия в отводящем русле создаются не при максимальных, а при некоторых меньших уровнях воды в русле. На совмещенных ГЭС наиболее тяжелый режим может создаться при открытии, полном или частичном, первого затвора водосбросов (возможность появления донного отогнанного прыжка, сбойности, увеличение удельного расхода, высокие скорости на рисберме и за рисбермой, проникновение сбросной струи до дна отводящего русла и пр.), что требует обязательного проведения расчета режимов нижнего бьефа, создающихся при работе водосброса. В результате этого может быть введено ограничение высоты открытия первого затвора или нескольких затворов. На совмещенных ГЭС тяжелые гидравлические условия в отводящем русле могут также сложиться в момент открытия на полную высоту всех затворов водосбросов (рис. 5-25).
Отметим, что на несовмещенных ГЭС максимальные скорости в отводящем русле обычно следует ожидать при расчетных расходе и напоре турбин.
