Глава восьмая
ЭЖЕКЦИЯ НА СОВМЕЩЕННЫХ ГЭС
8-1. КРАТКИЙ ОБЗОР РАБОТ ПО РАСЧЕТУ ЭЖЕКЦИИ
Повышение уровня нижнего бьефа ГЭС в период паводков может вызывать падение напора турбины до величин, меньших ее расчетного напора, что приводит к уменьшению мощности ГЭС по сравнению с установленной (рис. 8-1).
Восстановление напора, а следовательно, и мощности ГЭС возможно за счет снижения пьезометрического уровня под рабочим колесом. Это может быть достигнуто за счет эжекции, осуществляемой путем холостых сбросов через блоки ГЭС или в непосредственной близости от них.
Способы эжекции рассмотрены в § 1-3. При эжекции в нижний бьеф происходит снижение давления в выходном сечении отсасывающей трубы, что приводит к соответствующему увеличению напора турбины. Поэтому расчет эжекции в нижний бьеф заключается в отыскании снижения пьезометрического уровня в выходном сечении отсасывающей трубы, происходящего при поступлении в нижний бьеф сбросного расхода.
При эжекции в отсасывающую трубу изменение давления под рабочим колесом происходит вследствие поступления в отсасывающую трубу эжектирующего потока. Кроме того, давление под рабочим колесом снижается за счет понижения уровня воды в створе выходного отверстия отсасывающей трубы, обусловленного увеличением расхода, поступающего из отсасывающей трубы. В связи с этим при эжекции в отсасывающую трубу различаем внутреннюю и внешнюю составляющие эффекта эжекции (см. ниже).
Рис. 8-1. Изменение мощности, расхода и к. п. д. Турбины в зависимости от напора.
Впервые способ расчета эжекции в нижний бьеф был предложен еще в 1911 г. Б. А. Бахметевым [37] в связи с появившимися в иностранной литературе сведениями о применении эжекции на Шеврской ГЭС. Б. А. Бахметев, по существу, предложил способ расчета эжекции при отогнанном прыжке, использовав для расчета формулу прыжка.
Все способы расчета эжекции в нижний бьеф основаны на применении к отсеку нижнего бьефа уравнения количества движения. После Г. Крея и главным образом С. А. Егорова, которые расчет эжекции в нижний бьеф произвели путем непосредственного применения уравнения количества движения, работы в данной области свелись к уточнению расчетных схем, заключающемуся в более полном и достоверном учете пограничных условий.
Г. Креем в 1920 г. дан способ расчета эжекции в нижний бьеф для схемы бычковой ГЭС (истечение сбросного потока из-под затворов при расположении порога на уровне дна нижнего бьефа). Экспериментальная проверка формулы Крея, по результатам которой в формулу введен поправочный коэффициент, была произведена в 1928 и 1929 гг. [96].
С. А. Егоров неоднократно [95—97] обращался к вопросам расчета эжекции начиная с 1942 г. Исходя первоначально из схемы, в которой отождествляется кривизна струи и слива1 [95], он в последующем дал более строгую расчетную схему [96]. В формулах С. А. Егорова ошибочно введен косинус угла наклона оси диффузора отсасывающей трубы (см. § 2-5).
Кроме расчета эжекции при пропуске расхода через водослив или напорные водосбросы С. А. Егоров рассмотрел расчет эжекции при пропуске расхода на малых ГЭС через турбинную камеру и камеру отсасывающей трубы [97].
И. И. Леви в 1943 г. ввел в уравнение количества движения силу трения как некоторую функцию количества движения [239]2. Получив расчетную зависимость, И. И. Леви воздерживается от рекомендаций «...однако было бы рискованно переходить к окончательным рекомендациям без экспериментальной проверки явления». И. И. Леви предлагает к использованию экспериментальные графики, «вполне удобные для расчета взамен теоретических формул».
Способ расчета эжекции при пропуске расходов через донные водосбросы опубликован Б. Д. Качановским [117].
Вопросам эжекции в нижний бьеф нами посвящен ряд работ [239, 242, 243 и др.]. Автору удалось улучшить расчетные зависимости, предложенные С. А. Егоровым, и установить влияние на эффект эжекции доступа воздуха под водосбросную струю. Способ расчета дан с учетом влияния на эффект эжекции наклонного участка водобоя.
X. Ш. Мустафин рассмотрел расчет эжекции в нижний бьеф при горизонтальном водобое [175]. В его работе впервые при расчете эжекции в нижний бьеф учитывается перепад восстановления, определяемый из уравнения количества движения.
Зависимости, рекомендуемые РУ 10-53 [218], основаны на упрощенной расчетной схеме и содержат неточности. Влияние наклонного участка водобоя учитывается введением в формулу произвольного коэффициента.
Расчет эжекции при сбросе воды через водосливы в связи с определением оптимальной высоты уступа дан Д. И. Куминым (1951 г. [135]).
Более детально, чем это было сделано ранее, изучил эжекцию в нижний бьеф при сбросе воды через глубинные напорные водосбросы Π. Е. Ткаченко3 [273]. В его работе впервые учитывается, что при затопленных водосбросных отверстиях уровень нижнего бьефа в створе отверстий и пьезометрический уровень, отвечающий давлению под водосбросной струей, могут быть неодинаковыми (напоры водосбросов и турбины могут различаться).
Весьма упрощенную схему использует для расчета эжекции Е. Мошони (1956 г. [335]).
1 Кривизна струи может быть и меньше и больше кривизны слива и даже отличаться от кривизны слива по знаку (см. гл. 6).
2 Опубликовано С. М. Слисским с согласия И. И. Леви.
3 Ткаченко Π. Е., Энергетическое использование паводковых расходов на совмещенных ГЭС, Автореферат канд. диссерт., М, 1954.
Зависимости для расчета эжекции на малых ГЭС при пропуске сбросного расхода через открытую турбинную камеру даны также И. В. Филипповичем [282], который не внес каких-либо новых расчетных положений, , повторив уже опубликованные С. А. Егоровым или С. М. Слисским. Вводя в расчетные формулы косинус угла наклона диффузора отсасывающей трубы, И. В. Филиппович допускает неточность.
Для расчета эжекции на бычковых ГЭС предложены формулы Ван. Цзун-яо (1956 г., МЭИ). В уравнении количества движения двумя неизвестными являются глубина в выходном сечении отсасывающей трубы и глубина водосливного потока. Дополнительное уравнение Ван Цзун-яо получает эмпирически.
Зависимости для расчета эжекции в нижний бьеф предложены в связи с определением пропускной способности двухъярусных водосбросных плотин И. И. Вейцом [64], А. К. Аняняном [15], Ван Жуй-пеном (1956 г., МЭИ). Первые два автора изучают эжекцию, имеющую место лишь при донном режиме.
Эмпирические формулы для расчета увеличения за счет эжекции расхода донных труб в теле водосливов с широким порогом применительно к пропуску строительных расходов через бетонные сооружения предложены И. Я. Татаровым [265].
Расчет эжекции в отсасывающую трубу впервые выполнил А. А. Сабанеев 1 (1917 г. [193]). Расчет основан на использовании уравнения энергии.
Затем способ расчета эжекции в отсасывающую трубу (применительно к эжекторной турбине) разработал А. А. Альфорс (1924 г. [193]).. Он ошибочно рассматривает энергию в одном из сечений как вектор.
Для расчета эжекции в отсасывающую трубу Д. И. Кумин применил систему уравнений количества движения, составленных для турбинного потока и потока, сбрасываемого в отсасывающую трубу, и для отсека нижнего бьефа (1947 г. [132]).
Эмпирические зависимости, полученные Ван Ли-янь [59] и Е. В. Сластениным [236], не учитывают внешней составляющей эжекции, что недопустимо.
При исследовании эжекции в колено отсасывающей трубы в МЭИ (автор) и в НИС Гидропроекта [101] было установлено, что в ряде случаев внутренняя составляющая эффекта эжекции отсутствует или пренебрежимо мала. В связи с этим нами предложено учитывать при. предварительных расчетах лишь внешнюю составляющую эффекта эжекции, определяемую по формулам перепада восстановления 2.
Расчет эжекции из отсасывающей трубы в водосбросы применительно к предложенной им конструкции разработан И. В. Николаевым в 1956 г. [180].
Можно указать также на экспериментальные работы, связанные с исследованием турбинных блоков конкретных ГЭС или двухъярусных плотин, в которых рассмотрено влияние эжекции, следующих исследователей: А. С. Абелева, Н. А. Преображенского и А. М. Чистякова [1], В. П. Гурьева и И. Н. Смирнова [86], В. Ф. Лысова [157], А. С. Офицерова и В. Г. Соколова [185], С. Василева [315], Η. Н. Степанова [258], В. В. Перфильева [194], А. Н. Папира [192], В. П. Заваруева и Μ. Ф. Саркисовой [101].
Одна из задач совершенствования расчета эжекции в нижний бьеф заключается в получении формул для случая затопленной водосбросной струи.
1 Как это нам известно от А. А. Сабанеева, расчет эжекции в отсасывающую трубу он выполнил, будучи еще студентом Политехнического института, в дипломном проекте.
2 Слисский С. М., Лабораторные гидравлические исследования турбинных блоков Молотовскон, Куйбышевской и Сталинградской гидроэлектростанций, Труды МЭИ, вып. XIX, Гидроэнергетика, Госэнергоиздат, 1956.
Полуэмпирические способы расчета эжекции при затопленной водосбросной струе на ГЭС с напорными водосбросами (расчет затопления водосбросных отверстий) были предложены Π. Е. Ткаченко [273] и С. М. Слисским [239]. Формулы для расчета эжекции при затопленных водосбросных отверстиях, приведенные в настоящей работе, получены теоретическим путем.
8-2. УВЕЛИЧЕНИЕ МОЩНОСТИ ПРИ ЭЖЕКТИРОВАНИЯ
Поскольку обычно сброс расхода через турбинный блок происходит при напорах турбины, меньших расчетного, увеличение напора, по сравнению со статическим в соответствии с характеристикой турбины обеспечивает увеличение ее расхода и к. п. д. (рис. 8-1). Таким образом, при известном эффекте эжекции по напору 
, определяющемся как разность напоров, имеющих место при эжекции и в ее отсутствие:
При определении эффекта эжекции по напору нельзя не учитывать возможности увеличения потерь напора в водоприемнике при пропуске через него одновременного турбинного и сбросного потоков, поскольку эти потери могут превысить увеличение напора за счет собственно эжекции, что имеет место, например, на Дубоссарской ГЭС (см. § 1-3). Способ определения дополнительных потерь в водоприемнике дан для некоторых случаев в § 4-11.
Определение эффекта эжекции по формулам (8-1), (8-2) в лабораторных условиях производится при постоянном уровне свободной поверхности нижнего бьефа в предположении, что бытовые уровни нижнего бьефа в отводящем русле машинного здания не зависят от схемы пропуска через гидроузел паводка данной величины [см. формулу (2-7)]. Но в натурных условиях уровень в отводящем русле машинного здания может зависеть от распределения расхода между водосбросной плотиной и машинным зданием, что следует учитывать во избежание переоценки эффекта эжекции. Чем длиннее отводящее русло машинного здания, тем меньшего эффекта эжекции следует ожидать на ГЭС, поскольку при пропуске через зданий сбросных расходов в случае длинного отводящего русла повышение за зданием ГЭС уровня нижнего бьефа будет большим, чем при пропуске этого же расхода через плотину.
Относительное увеличение мощности за счет эжектирования может быть сколь угодно велико, поскольку речь идет о восстановлении мощности, которая в паводок может падать до нуля.
