20.1.
20.2.
20.2.1. Для нас, думаю, и для Вас также, представляет особый интерес проверить работоспособность новых знаний в области поиска закономерностей возникновения и развития кавитаци в движущейся жидкости, приведенных на нашем сайте, на примере выполнения анализа работы комбинированного эксплуатационного плотинного водосброса III-го яруса Саяно-Шушенской ГЭС, получившего в процессе эксплуатации значительные кавитационные повреждения дна и водобойной стенки.
Возьмем из открытых источников схему водосбросной части плотины СШ ГЭС (см. рис. 20.2.1.) с необходимыми отметками и размерами, а самое главное, с нанесенными уровнями свободной поверхности потока, как на наклонной части водосброса для одной секции с расходом сброса 1 200 м3/с, так и для водобойного колодца в целом при работе всех одиннадцати секций с общим расчетным расходом 15 900 м3/с.
Кроме того, на схеме указаны уровни воды в нижнем бьефе при пропуске расхода 3 585 м3/с по трем секциям водосбросов при полном открытии входных затворов и нормальном подпорном уровне верхнего бьефа, либо, при работе нескольких секций водосбросов при частичном открытии затворов (если такие режимы разрешены при эксплуатации, что навряд ли допустимо), а также минимальные уровни воды в нижнем бьефе, обеспечиваемые контррегулирующей Майнской ГЭС, например, при работе одной секции водосбросного тракта.
"Безнапорный участок водосброса с течением потока по криво-линейному потолку является принципиально новой разработкой, не встречавшейся ранее в мировой практике.
В отрывную зону по всему периметру поступает воздух из аэрационной шахты. За счёт этого вдоль дна безнапорного участка образуется слой водо-воздушной смеси, содержание воздуха в которой достигает 80-85%, чем и обеспечивается безнапорный гидравлический режим сбрасываемого потока.
Длина водосброса для постоянной эксплуатации на плотине Саяно-Шушенской ГЭС более 220 м. Учитывая это, а также опыт эксплуатации водосбросов II яруса, на постоянных водосбросах было выполнено по два аэратора – один на расстоянии 100 м от входа, второй на расстоянии 180 м. Лоток перед пазом-аэратором выполнен в виде трамплина, отклоняющего поток на 7 град. от образующей лотка. Эти решения позволили обеспечить надёжную аэрацию потока и исключить кавитационные разрушения поверхностей эксплуата-ционных водосбросов. Положительный результат подтверждается многолетними наблюдениями; после прохождения холостых сбросов поверхность лотков остаётся в хорошем состоянии. За 12-летний период через водосбросную плотину пропущено 32,6 км3 воды, а водосбросы отработали от 1390 до 3400 часов".
* В. И. Брызгалов "Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушненской гидроэлектростанций." Производственное издание.
20.2.2. Проведем численное моделирование параметров потока для работы одной секции водосброса исходя из ряда предположений и допущений:
1 - нормальный уровень верхнего бьефа равен 540 м;
2 - водосброс работает при полном открытии входных затворов;
3 - на схему проточного тракта нанесены расчетные сечения потока с более или менее равномерным распределением их по длине с указанием наиболее характерных сечений (от 0 до 31);
4 - геометрические параметры живых сечений потока (глубина, ширина, общая площадь, геометрическая высота центра сечения) определяются по схеме из расчета непрерывности и плавности изменения этих параметров по длине потока ввиду значительной инерционности масс воды и значительных скоростей движения воды вдоль проточного тракта (от 1,0 до 50,0 м/с), а также, ввиду слишком малых промежутков времени перемещения расчетного живого сечения потока между соседними расчетными сечениями (от 0,3 до 3,8 с для большинства сечений в зоне проточного тракта), что приводит к незначительному расширению транзитного потока высокоскоростной струи, в частности, в пределах длины водобойного колодца;
5 - потери напора по длине закрытого участка проточного тракта определяются расчетом пропорционально длине водовода после входа в него и потери 0,5 скоростного напора от сечения № 3 до выходного сечения из напорного участка сечения № 7 , в котором давление равно атмосферному;
6 - средние скорости в живых сечениях транзитного потока расчитываются путем деления расхода потока на площадь живого сечения без учета неравномерности распределения скоростей по живому сечению и без учета возможного изменения плотности воды за счет аэрации/кавитации в большинстве случаев кроме водобойного колодца;
7- удельные потенциальные энергии закрытого и открытого потока в расчетных сечениях определяются высотой столба воды от центра живого сечения до уровня пьезометрической линии/свободной поверхности с учетом абсолютного атмосферного давления, принимаемого равным 10,1 м.вод.ст.;
8 - значения удельных потенциальных и удельных кинетических энергий на графиках в каждом расчетном сечении отсчитываются/откладываются от оси потока - "X" для исключения влияния удельной потенциальной энергии положения - "Z" в результатах численного экспермиента и в анализе поведения высокоскоростного потока воды в водосбросе;
9 - при определении полного напора в расчетах чисел кавитации и энергий потока давление насыщенных паров жидкости не учитывается ввиду его малости для технических расчетов по сравнению с абсолютным давлением атмосферы, как минимум.
Рис. 20.2.2.
Для удобства проведения дальнейших расчетов и графической интерпретации результатов заменим координату "Х" по длине потока на равномерно распределенные расчетные сечения пронумерованные в пределах от 1 до 31. Соответствие координаты "Х" по длине потока для каждого из номеров расчетных сечений приведено на графике (см. рис 20.2.2.)
20.2.3. Как отмечалось нами выше, геометрические параметры живых сечений потока (глубина, ширина, общая площадь, геометрическая высота центра сечения) определяются по схеме из расчета непрерывности и плавности изменения этих параметров по длине потока ввиду значительной инерционности масс воды и значительных скоростей движения воды вдоль проточного тракта. Расчетные параметры живого сечения по длине потока приведены на рис. 20.2.3.
Рис. 20.2.3.
20.2.4. Изменение расчетной площади живого сечения по длине потока приведено на рис. 20.2.4.
Рис. 20.2.4.
20.2.5. Расчетные параметры потока одной секции эксплуатационного плотинного водосброса III-яруса СШ ГЭС при пропуске расчетного расхода Q=1200 м3/с в классической интерпретации по уравнению Д.Бернулли приведены на рис. 20.2.5.
Рис. 20.2.5.
20.2.6.Теперь представим изменение тех же параметров по длине потока одной секции эксплуатационного плотинного водосброса III-яруса СШ ГЭС при пропуске расчетного расхода Q=1200 м3/с в виде изменения удельной кинетической энергии по оси потока и удельной полной потенциальной энергии по оси потока, посчитанной с учетом высоты столба жидкости атмосферного давления, равной 10,1 м.вод.ст. в новой интерпретации согласно волновой теории.
Как видим из графика, представленного на рис. 20.2.6., полная удельная потенциальная энергия потока превалирует над удельной кинетической энергией потока в тех же расчетных сечениях начиная с 1-го вплоть до 5-го.
Начиная с 5-го и вплоть до 18-го расчетного сечения удельной кинетическая энергией потока превышает значения полной удельной потенциальной энергии потока в тех же расчетных сечениях. Начиная с 18-го расчетного сечения и вплоть до конца рассматриваемого участка проточного тракта в сечении 31 вновь полная удельная потенциальная энергия потока превалирует над удельной кинетической энергией в тех же расчетных сечениях.
Рис. 20.2.6.
20.2.7. Таким образом, если несколько видоизменить графики параметров потока одной секции эксплуатационного плотинного водосброса III-яруса СШ ГЭС при пропуске расчетного расхода Q=1200 м3/с , представленные в классической интерпретации по уравнию Д.Бернулли на рис. 20.2.5. с наложением на него графиков изменения удельной кинетической энергии по оси потока и удельной полной потенциальной энергии по оси потока, посчитанной с учетом высоты столба жидкости атмосферного давления, равной 10,1 м.вод.ст. , представленные в новой интерпретации согласно волновой теории на рис. 20.2.6., получим очень интересный материал для анализа поведения высокоскоростных кавитирующих потоков на реальных объектах гидроэнергетики и проведения аналогии с преодолением звукового барьера в газовой динамике.
Рис. 20.2.7.
20.2.8. Начиная с 1-го и вплоть до 5-го расчетных сечений поток при входе в закрытый участок водосброса активно разгоняется, удельная кинетическая энергия возрастает, давление - полная удельная потенциальная энергия потока уменьшается, но все еще остается выше удельной кинетической энергии в соответствующих сечениях, сохраняя поток кавитационно безопасным в сплошном сжатом состоянии с параметром 1/Eu<1.
Начиная с 5-го сечения и вплоть до 15-го включительно идет значительный рост скоростного напора потока не компенсированного соответствующим ростом полной удельной потенциальной энергии, т.е. нарастает действие растягивающих напряжений в толще потока при условии 1/Eu >1.
С 15-го по 18-е сечение идет активное торможение кавитационно опасного потока с параметрами 1/Eu>>1 с резким снижением растягивающих напряжений, но не с прекращением их действия.
И только после 18-го сечения вновь появляются сжимающие напряжения плавно переводя поток в докритическое состояние со значениями параметра 1/Eu<1.
Рис. 20.2.8.
20.2.9. Именно наличием растягивающих напряжений на границах открытого транзитного высокоскоростного кавитационно опасного потока в водосбросе с параметрами 1/Eu>>1 можно объяснить эффект бурной аэрации - читай кавитации - активного вовлечения окружающего атмосферного воздуха в паро-газовые пустоты (каверны) "разорванной" жидкости под действием разности давления атмосферы и давления в паро-газовых пустотах, близкого к полному вакууму !!!
Рис. 20.2.9.
Рис. 20.2.9.
20.2.10. Именно наличием сжимающих напряжений в толще открытого транзитного высокоскоростного кавитационно опасного потока в водосбросе с параметрами 1/Eu>>1 можно объяснить эффект бурного высвобождения внутренней энергии "разорванной" жидкости, насыщенной паро-газовыми вакуумными пузырьками - читай кавитации - под действием разности давления атмосферы и давления в паро-газовых пустотах, близкого к полному вакууму с активным кинетическим воздействием масс воды (практически несжимаемой среды) и превращением этой кинетиской энергии в потенциальную энергию кавитационного воздействия, как в толще воды, так и на обтекаемую поверность с дополнительным выделением вовлеченного в паро-газовые пустоты (каверны) потока окружающего атмосферного воздуха!!!
Рис. 20.2.10.
20.2.12.
20.2.13.
Рис. 20.2.13.
20.2.14.
Рис. 20.2.14.
20.2.15.
Рис. 20.2.15.
Рис.20.2.11. Вид отремонтированного водобойного колодца перед пропуском паводка . . . . года?
20.2.16. Общий вид одновременной работы всех эксплуатационных плотинных водосбросов СШ ГЭС.
20.2.17.
Заголовок 20.2.1.
Заголовок 20.2.2.
