6-2. РЕЖИМЫ НИЖНЕГО БЬЕФА СОВМЕЩЕННОГО ЗДАНИЯ ГЭС
При пропуске сбросного расхода через отсасывающую трубу в нижний бьеф, поступает, как и в случае несовмещенного здания ГЭС, спокойный поток. (Число Фруда обычно не превышает 0,3).
При пропуске через совмещенное здание ГЭС воды помимо отсасывающих труб поступление в нижний бьеф бурного потока приводит к образованию режимов, рассматриваемых ниже.
Водосбросы здания ГЭС совмещенного типа, расположенные над отсасывающей трубой (рис. 1-4, схемы 2-7), сопрягаются с дном нижнего бьефа уступом, а расположенные между турбинными блоками — уступом или плавной кривой.
В зависимости от высоты уступа и соответствующих расходе и глубине нижнего бьефа может образоваться любой из существующих режимов нижнего бьефа. При отсутствии уступа может устанавливаться лишь режим с отогнанным или затопленным донным прыжком. Поэтому водосброс без уступа можно рассматривать как частный случай водосброса с уступом.
Особенностью сопряжения бьефов за совмещенными зданиями ГЭС является поступление в нижний бьеф кроме сбросного расхода также турбинного расхода, причем поток в нижний бьеф может поступать в один, два или три яруса.
Рассматриваем далее режимы нижнего бьефа за совмещенной ГЭС со сбросом воды над отсасывающими трубами с уступа ограниченной высоты. Проследим смену режимов [238] по мере повышения уровня свободной поверхности в отводящем русле, начиная от отогнанного прыжка (рис. 6-4,а). Донный режим с отогнанным прыжком1 сменяется донным режимом с затопленным прыжком (б). Сопряжение бьефов при этом может происходить (при достаточной высоте уступа) свободной отброшенной струей. Далее следуют поверхностный режим с незатопленной струей (в) (с отогнанным поверхностным прыжком), поверхностный режим с затопленной струей (г), поверхностно-донные режимы с незатопленной (б) или затопленной (е) струей, восстановленные донный (ж) или поверхностный режимы (з).
1 Неудачные термины: «затопленный режим», «незатопленный режим». Следует говорить «затопленная струя», «затопленный или незатопленный прыжок», так как затопляется струя (прыжок), а не режим.
Рис. 6-4. Режимы нижнего бьефа совмещенной ГЭС (или плотины с уступом).
Смена режимов от а к з происходит при повышении уровня воды в нижнем бьефе: А — при водосливе; Б — при напорном водосбросе.
Иной может быть последовательность смены режимов при понижении уровня свободной поверхности нижнего бьефа. Указанная последовательность может также не соблюдаться в пространственных условиях. Последовательность смены критических режимов иллюстрируется рис. 6-5.
При уступе соответствующей высоты или при наличии носка с обратным уклоном может образоваться режим свободной отброшенной струи. В зависимости от высоты уступа, с которого сбрасывается струя, ее наклона и скорости в створе сливной кромки меняется угол встречи струи со свободной поверхностью нижнего бьефа, что определяет донный пли поверхностный режим при сопряжении бьефов отброшенной струей.
Смена режимов происходит через так называемые критические режимы. Важнейшие критические режимы приводятся ниже:
а) Режим затопления отогнанного прыжка, при котором глубина нижнего бьефа за сжатым сечением на водобое равна сопряженной глубине.
б) Первый критический режим (I), разграничивает донный затопленный и поверхностный незатопленный прыжки.
Рис. 6-5. Характер изменения режимов нижнего бьефа в зависимости от отношения глубины в отводящем русле к высоте уступа и числа Фруда, вычисленного по глубине на сливной кромке носка [638].
Различают верхнюю и нижнюю границы критических режимов, отвечающие смене (рис. 6-5) режимов при понижении или повышении уровня нижнего бьефа. В пределах этих границ может быть любой из критических режимов или устанавливается неустойчивый режим, при котором наблюдается непрерывная смена режимов. Практически особенно заметное различие между глубинами нижнего бьефа, отвечающими верхней и нижней границам, имеется при первом критическом режиме. Нижняя граница первого критического режима отвечает уровню, при котором начинается процесс смены донного прыжка поверхностным, верхняя граница—процесс смены поверхностного прыжка донным.
Рис. 6-6. Периодическая смена донного и поверхностного режимов при первом критическом режиме (модель Камской водосливной ГЭС, опыты автора, МЭИ, 1949 г.). Период смены режимов в натуре 60—70 сек.
Первый критический режим является неустойчивым режимом; неустойчивость выражается периодической сменой поверхностного и донного режимов (рис. 6-6).
в) Второй критический режим (II); разграничивает поверхностные режимы с незатопленной и с затопленной струей. Режим определяется практически однозначно. При истечении из напорных водосбросов с водосбросными отверстиями, расположенными на уступе, второй критический режим практически отвечает моменту затопления водосбросных отверстий (их верхней кромки).
г) Третий критический режим (III); разграничивает поверхностно-донные режимы с незатопленной и затопленной струей. Нижняя и верхняя границы режима обычно совпадают.
д) Четвертый критический режим (IV) образуется при уровне и глубине нижнего бьефа, при которых появляется или исчезает донный восстановленный режим, характерной особенностью которого является затопление донной водосбросной струи на всей ее длине (и на уступе).
Характер режимов сопряжения бьефов при пропуске воды через водосбросы совмещенной ГЭС при работающих и не работающих турбинах отличается не существенно. Влияние расхода турбин сказывается на изменении глубин нижнего бьефа, отвечающих критическим режимам. С уменьшением дополнительного расхода его влияние на характеристики, соответствующие критическим режимам, уменьшается. При дополнительном расходе, приближающемся к нулю, от более сложной и общей задачи сопряжения бьефов за совмещенными ГЭС переходим к частному случаю — сопряжению бьефов за водосливными плотинами и другими водосбросными сооружениями с уступом.
Расчету поверхностных режимов посвящены работы более чем тридцати авторов (табл. 6-1), в том числе лишь нескольких зарубежных.
1 II. М. Слисским четвертым критическим режимом назван режим возникновения или исчезновения восстановленного донного прыжка; М. Д. Чертоусовым четвертым критическим режимом назван режим перехода поверхностно-донного режима в восстановленный поверхностный. В работе Π. М. Слисского [238] нет упоминания про режим восстановленный поверхностный, а в работе М. Д. Чертоусова [297] — про восстановленный донный режим.
Способы расчета критических режимов могут быть разделены на: 1) теоретические с использованием экспериментов лишь для создания расчетной модели; 2) полуэмпирические с использованием экспериментальных коэффициентов; 3) эмпирические в виде эмпирических графиков или соответствующих им формул.
К работам, в которых расчетные зависимости получены без использования экспериментальных коэффициентов, относятся работы А. А. Сабанеева, И. И. Леви, В. В. Смыслова, Б. Ф. Левицкого, Η. Н. Беляшевского, Π. М. Слисского, С. М. Слисского. Имеется также работа Эйнвахтера [320]1 (первый критический режим), не доведенная до стадии практического использования (число неизвестных превышает число уравнений). Вывод расчетных формул, предлагаемых нами для первого, второго и третьего критических режимов, приведен в настоящей работе.
Остальными авторами, из числа перечисленных в табл. 6-1, предложены полуэмпирические или эмпирические способы расчета критических режимов, упрощены формулы, улучшена техника и методика расчетов, некоторые из них поверхностные режимы рассматривают без изучения критических режимов.
Вопросами сопряжения бьефов за сооружениями с уступом при поступлении под струю из отверстия в уступе дополнительного расхода (двухъярусные водосбросы или совмещенные ГЭС) занимались непосредственно или косвенно И. И. Вейц [64], С. А. Егоров [96], Д. И. Кумин [133], X. Ш. Мустафин [175], И. И. Леви [147], С. М. Слисский [242]. Π. Е. Ткаченко2, Л. В. Мошков [174], Ван Жуй-пен (МЭИ), Лю Дамин [158], Г. П. Скребков [231, 232], П. К. Цветков и Н. В. Малюк [288], Н. В. Шрагин [304] и др. Способы расчета поверхностных критических режимов предлагают лишь некоторые из этих авторов; большинство из них критических режимов вообще не рассматривали. Некоторые же уделяют внимание лишь донным режимам или другим вопросам сопряжения бьефов при сбросе воды через двухъярусный водосброс.
Наиболее полные обзоры работ по сопряжению бьефов поверхностными режимами дает Μ. Ф. Складнев [227] и затем С. М. Слисский [242]. Остановимся здесь лишь на некоторых работах, посвященных получению теоретических зависимостей, которые в конечном счете позволяют учесть при расчете поверхностных режимов поступление в нижний бьеф дополнительного расхода (из отверстия отсасывающей трубы).
Не исключая возможности расчета критических режимов по наиболее проверенным полуэмпирическим и эмпирическим зависимостям п графикам, следует, разумеется, отдать предпочтение зависимостям, полученным теоретически, исходя из расчетных схем, в максимальной степени приближающихся к действительности. Нельзя не отметить имеющиеся высказывания о невозможности получения зависимостей для расчета критических режимов, не содержащих экспериментальных коэффициентов. Так, американские гидравлики В. Муур и С. Морган утверждали, что получить зависимости для расчета критических режимов из уравнений количества движения и неразрывности невозможно, что заставляет определять критические режимы экспериментальным путем [334].
1 Одна и та же работа Эйнвахтера выпущена под двумя различными титульными листами. В одном случае значится, что работа защищена как докторская диссертация 28 июля 1928 г., без даты выпуска ее из печати, в другом случае указание о ее защите отсутствует, но работа датирована 1930 г. Поскольку Эйнвахтер коротко останавливается на работе А. А. Сабанеева (без ссылки на соответствующий литературный источник), вышедшей в 1929 г., рассматриваемую работу следует относить к 1930 г., а приоритет в открытии и расчете поверхностных режимов принадлежит А. А. Сабанееву.
2 Научные записки, МИИВХ, т. XX, Сельхозгиз, 1958.
Таблица 6-1
Работы по расчету поверхностных режимов
Дело в том, что при выводе зависимостей для расчета критических поверхностных режимов обычно пользуются уравнениями количества движения Бернулли и неразрывности. Но, для того чтобы получить расчетные зависимости, не содержащие эмпирических коэффициентов, указанных уравнений недостаточно. Для каждого критического режима требуется знать некоторое дополнительное условие.
Как полагал М. Д. Чертоусов, «получить эти дополнительные условия теоретическим путем пока не представляется возможным и поэтому при установлении их приходится прибегать либо к тем или иным гипотезам, либо, что несомненно лучше, к данным опыта» [297].
Но в действительности некоторым авторам удалось отыскать недостающие дополнительные условия, которые даже при их гипотетическом характере позволяют получить приемлемые расчетные зависимости, не содержащие экспериментальных коэффициентов.
Для расчета первого критического режима А. А. Сабанеев в качестве дополнительного условия принял, что в момент перехода от донной струи к поверхностной или обратно давление в струе в створе уступа распределяется по гидростатическому закону. Расчет первого критического режима по Сабанееву подкупает ясностью расчетной схемы. Формула А. А. Сабанеева для расчета второго критического режима основана на ошибочном отождествлении кривизны струи и носка уступа. 1 И. И. Леви при расчете второго критического режима предполагает, что «начало затопления, очевидно, соответствует такому значению h0, при котором в точке перегиба горизонтальная составляющая скорости их становится равной нулю», что приводит в частных случаях (малая глубина струи на водосливе) к удовлетворительной расчетной зависимости (h0— пьезометрический напор, отсчитываемый от сливной кромки уступа, отвечающий давлению под струей).
1 Кривизну струи и носка отождествляет также С. В. Соколовский. Используя эту неприемлемую расчетную схему, С. В. Соколовский приходит, не замечая этого, к формуле А. А. Сабанеева (в несколько ином виде). Исходя из тех же предпосылок, к формуле А. С. Сабанеева приходит М. А. Городский.
Приближенное дополнительное условие для вывода формулы первого критического режима удается найти В. В. Смыслову, для вывода формулы третьего критического режима — Π. М. Слисскому [238].
Как это следует из дальнейшего изложения, дополнительные условия, приводящие к вполне приемлемым расчетным формулам, даже для пространственных условий, получены автором.
Таким образом, утверждения о невозможности получить расчетные зависимости для критических режимов без использования экспериментальных коэффициентов ошибочны.
