7-8. ДИФФУЗОРНАЯ КАМЕРА
а) Увеличение пропускной способности водосбросов за счет диффузорной камеры
Возможность увеличения пропускной способности напорных водосбросов путем устройства за водосбросами диффузорной камеры [285] установлена при исследовании в МЭИ моделей турбинных блоков Воткинской и Саратовской гидроэлектростанций1.
Диффузорная камера (рис. 7-28) представляет собой участок водосброса, с боков ограниченный основными быками, снизу — полкой или перекрытием отсасывающей трубы, а сверху — открытый или полуоткрытый участок (в последнем случае за счет устройства на некоторой его длине козырька). С низовой стороны участок ограничен забральной стенкой.
Ниже забральной стенки образуется отверстие, размеры которого должны обеспечивать безударное и безотрывное (по периметру отверстия) движение струи.
В общем случае камера может выполняться иной формы, обеспечивающей расширение струи (свободно или за счет влияния расходящихся стенок и наклонного днища) на участке от водосбросного отверстия до выходного отверстия камеры.
Действие камеры заключается в снижении за счет диффузорного эффекта уровня свободной поверхности в камере, в результате чего увеличивается действующий напор водосбросов.
Камера образуется устройством низовой забральной стенки, не имеющей козырька или с козырьком, направленным внутрь или наружу камеры (рис. 7-29)2. Устройство козырька, т. е. напорного диффузорного участка, уменьшает на этом участке потери энергии и увеличивает диффузорный эффект, что еще больше снижает уровень в камере. Предел понижения уровня в камере определяется динамическим равновесием. Камера с козырьком на всей ее длине становится единым целым с водосбросами, которые превращаются в диффузорные. Пропускная способность диффузорных водосбросов несколько больше, чем водо сбросов с диффузорной камерой, имеющей такие же размеры проточной части, как и диффузорный участок водосбросов. Однако это не исключает применения диффузорной камеры, поскольку напорные водосбросы с такой камерой и турбинный блок имеют некоторые конструктивные преимущества, в частности требуются меньшие размеры затворов для водосбросных отверстий и создаются благоприятные условия для размещения подъемных механизмов этих затворов, что позволяет уменьшить длину турбинного блока.
Обязательным условием эффективной работы камеры является придание ей надлежащих размеров и правильный выбор высотного положения нижней кромки забральной стенки.
б) Экспериментальная проверка действия диффузорной камеры
Проверка действия диффузорной камеры проведена в МЭИ на моделях турбинных блоков Воткинской и Саратовской ГЭС (в мас штабе 1:50). Часть опытов была поставлена применительно к Чебоксарской ГЭС.1 С. М. Слисский и А. В. Кузнецов, Способ и устройство для повышения пропускной способности напорных затопленных водосбросных систем, Авторское свидетельство № 113144, «Бюллетень изобретений», 1958, № 5.
2 И. И. Тайчер и В. И. Станкевич, Применение сборного железобетона в гидротехническом строительстве, «Гидротехническое строительство», 1953, № 7.
Рис. 7-28. Схемы диффузорных камер, исследованные в МЭИ.
Таблица 7-3
Увеличение напора водосбросов за счет диффузорной камеры (% от напора при отсутствии камеры) при высоте отверстий водосбросов 3,35—4,0 м
На рис. 7-30 виден уровень внутри камеры и (за прозрачной стенкой) уровень в нижнем бьефе за камерой. Одно деление рейки соответствует 1 м натуры.
Рис. 7-29. Здание ГЭС с диффузорной камерой, имеющей козырек, направленный в сторону нижнего бьефа (проектные проработки Гидропроекта).
1 — сборные элементы.
Исследовалась работа диффузорных камер без козырьков и с козырьком, с промежуточным быком в камере и без него, без щели в днище камеры для пропуска затвора отсасывающей трубы и со щелью, расширяющейся в плане и постоянной ширины. Испытано было более 15 камер длиной от 2,9 до 11,25 м (размеры натуры), с высотой выходных отверстий 3,35, 4,0, 4,5 и 7,05 м, с длиной козырька 2,5, 3,0, 5,5 и 7,75 м, с углом наклона козырька к горизонту от 0 до 20°.
На модели турбинного блока Воткинской ГЭС исследовались схемы рис. 7-28,е—м, на модели Саратовской ГЭС — схемы рис. 7-28,а—д. Данные об увеличении напора при использовании диффузорной камеры приведены в табл. 7-3.
Увеличение напора на 60,2% не является предельным, поскольку размеры и формы исследованных камер не были оптимальными.
Из опытов следует, что диффузорная камера обеспечивает повышение действующего напора водосбросов и их пропускной способности. Оптимальное высотное положение нижней кромки забральной стенки от уровня нижнего бьефа не зависит. Уровень в камере устойчив.
в) Гидравлический расчет диффузорной камеры
С. М. Слисский, Вопросы гидравлики нижнего бьефа гидроэлектростанций. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн, наук, МЭИ, 1962. 364
Рассмотрим камеру без козырька с дном, имеющим обратный уклон, с постоянной шириной, в плане с коротким промежуточным быком (рис. 7-31,б) или расширяющуюся в плане без промежуточного короткого быка (рис. 7-31,е). Получаем уравнение количества движения в проекциях на горизонтальную ось
где α01, α02 — коэффициенты количества движения. Остальные обозначения ясны из рис. 7-31.
Первый и второй члены правой части выражают проекцию на ось х сил, действующих в сечениях I—I, II—II и на стенки камеры, определяющихся исходя из гидростатического закона и отвечающих уровню К в камере.
Рис. 7-32. Расчетная схема диффузорной камеры с козырьком.
1 — линия давления на дно камеры; 2 — то же на нижнюю поверхность козырька.
Третий член определяет проекцию сил давления (сверх гидростатических) на стенки камеры (рис. 7-31,г) в пределах транзитной струи, четвертый — проекцию силы давления на днище камеры (его ширина принимается равной В0), пятый член—силы давления в отверстии камеры, определяющейся разностью уровней АН за камерой и в камере, последний член — силы давления (сверх гидростатического), появляющейся вследствие того, что в створе уступа пьезометрический напор ha под струей больше глубины hн.
