Пропуск холостых расходов через турбинные блоки реактивных гидротурбин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Скляднев Михаил Константинович

• Скляднев Михаил Константинович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Скляднев Михаил Константинович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВОДОСБРОСНЫЕ СИСТЕМЫ ГИДРОУЗЛОВ И СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКА

1.1 Общие сведенья о водосбросных системах гидроузлов

1.2. Контрвихревые гасители кинетической энергии

1.3. Отечественный и мировой опыт использования проточного тракта турбинных блоков в качестве водосбросов холостых расходов

1.4. Выводы по главе

ГЛАВА 2. ПУСК ХОЛОСТЫХ РАСХОДОВ ЧЕРЕЗ ПРОТОЧНУЮ ЧАСТЬ ТУРБИННОГО БЛОКА ГЭС

2.1. Конструкция проточной части турбинного блока

2.2. Возможные варианты сброса холостых расходов через проточную часть турбинного блока

2.3. Прямой сброс холостых расходов через существующую проточную часть турбины

2.4. Пропуск холостых расходов через проточную часть турбинного блока при демонтированном РК и НА

2.5. Пропуск холостых расходов через проточную часть турбинного блока при демонтированном РК и смонтированном НА

2.6. Пропуск холостых расходов через проточную часть турбинного блока при установленном контрвихревом гасителе в камере рабочего колеса

2.6.1. Гидравлический расчет контрвихревого течения

2.6.2. Расчет завихрителя внутреннего закрученного потока

2.6.2.1. Расчет гасителя с лопатками цилиндрического профиля

2.6.2.2. Расчет гасителя с лопатками логарифмического профиля

2.6.3. Расчет завихрителя периферийного закрученного потока

2.6.4. Нагрузка от потока на элементы конструкции при установленном контрвихревом гасителе в камере рабочего колеса гидротурбины

2.6.4.1. Нагрузки на завихритель внутреннего закрученного потока

2.6.4.2. Нагрузки на завихритель внешнего закрученного потока

2.6.5. Оценка эффективности контрвихревого гасителя

2.7. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОПУСКА ХОЛОСТЫХ РАСХОДОВ ЧЕРЕЗ МОДЕЛЬ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТЬ ТУРБИННОГО БЛОКА ЗДАНИЯ ГЭС

3.1. Моделирование гидравлических процессов

3.2. Критерии моделирования контрвихревого течения

3.3. Определение масштаба модели

3.4. Экспериментальный стенд для проведения модельных испытаний

3.5. Конструкция модели водосбросного тракта турбинного блока

3.6. Измерительная аппаратура и точность измерений

3.7. Стенд для динамической калибровки датчиков давления

3.8. Результаты физического моделирования

3.8. Уточненная методика аналитического расчета

3.9. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИННОГО БЛОКА С КОНТРВИХРЕВЫМ ГАСИТЕЛЕМ

4.1. Методика численного моделирования

4.2. Результаты численных расчётов

4.3. Валидация результатов численного моделирования

4.4. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пропуск холостых расходов через турбинные блоки реактивных гидротурбин»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. При реконструкции гидроузлов энергетического и комплексного назначения, построенных в середине прошлого века использование выводимых из эксплуатации турбинных водоводов здания ГЭС для пропуска холостых расходов экономически оправдано.

Вопрос о том, можно ли пропускать холостые расходы через энергетический проточный тракт, неоднократно обсуждался в специализированной литературе, особенно применительно к низконапорным гидроэлектростанциям. Решение о возможности пропуска холостых расходов через проточный тракт неработающего гидроагрегата и оценка возникающих при этом нагрузок на сооружение должны делаться на основании анализа характеристик течения с относительно низкими скоростями. Установлено, что пропуск холостых расходов в этих условиях возможен только при удаленном рабочем колесе и обеспечении надежного поступления достаточного количества воздуха под крышку гидротурбины. Отмечается, что вследствие высоких динамических нагрузок на сооружение производители турбин не рекомендуют такую процедуру и не несут ответственности за последствия. Опыт пропуска холостых расходов через турбинные блоки ГЭС при напорах более 50 м в мировой практике отсутствует.

Пропуск холостых расходов через водосбросные тракты турбинных блоков средне и высоконапорных ГЭС без проведения специальных мероприятий является недопустимым по причине риска разрушения самих водоводов, функционирующих в нерасчетных режимах, а также возможного повреждения сооружений гидроузла вследствие размывов в нижним бьефе. Для предотвращения данных негативных последствий рекомендуется реализация мероприятий по гашению энергии потока в пределах напорного проточного тракта, осуществляемых в водобойной камере. Это позволяет обеспечить поступление потока в отсасывающую трубу и нижний бьеф с минимальными скоростями, соответствующими расчетным режимам работы турбины.

Идея устройства камеры гашения энергии потока на трассе напорного водо-

вода не нова. В качестве примера можно привести эксплуатационный глубинный водосброс с напорной водобойной камерой в виде внезапного расширения потока на гидроузле Mica в Канаде и Швейцарский патент 136303 (1930 г.) водосброса для высоких плотин. Однако существующие напорные гасители энергии сбросного потока не могут быть признаны надежными из-за предельно высоких динамических нагрузок на узел гашения энергии. Таким образом, проблема снижения уровня гидродинамических нагрузок на стенки сооружения становится ключевой.

В этой связи в проекте рассматривается напорный контрвихревой гаситель энергии, основанный на взаимодействии соосных закрученных в противоположенных направлениях слоях потоках (авторское свидетельство СССР №920099, 1982 г.). В контрвихревом гасителе зона интенсивной диссипации механической энергии потока расположена между взаимодействующими концентрическими противоположно закрученными слоями на существенном расстоянии от стенок камеры гашения. Это препятствует появлению высоких гидродинамических нагрузок на стенки камеры, особенно при подводе в её центральную приосевую зону атмосферного воздуха.

В работе реализован современный подход к проведению исследований сложных гидродинамических систем: аналитические расчёты, подкреплённые физическими экспериментами и численным моделированием.

Исследование режимов течения сбрасываемого потока через турбинный тракт при установке контрвихревого гасителя в камере рабочего колеса турбины является актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования. Закрученные потоки жидкости и газа используются в различных сферах жизнедеятельности человека. Подобные течения изучались различными исследователями такими как: А.А. Халатов, Г.Н. Абрамович, Л.Г. Лойцянский, И.С. Громека, М.А. Гольдштик и многих других. Вопросами использования циркуляционно-продольных течений на практике занимались О.Ф. Васильев, М.В. Потапов и А.Д. Альтшуль.

Исследователи С.И. Остроумов и Г.И. Кривченко применили знания о структуре закрученных потоков и о положительных эффектах, возникающих в

них при проектировании ряда водосбросных сооружений. В дальнейшем над этой тематикой продолжили работать А.П. Мордасов, Е.В. Квятковская, А.В. Шленев, Н.Н. Розунова, Б.В. Родионов, А.Л. Зуйков, Г.В. Орехов, Р.С. Гальперин, Г.Н. Цедров, В.В. Волшаник, Н.В. Ханов, Черайкин, П.П. Лысенко, Б.А. Животовский и некоторые другие иностранные исследователи. Исследовательский опыт перечисленных выше авторов лег в основу создания вихревых водосбросов.

Результаты физическое моделирования сложных циркуляционно-продольных течений описаны в работах В.В. Волшаника, Г.В. Орехова, А.Л. Зуйкова и А.П. Мордасова. Численными расчетами подобных течений занимались Н.С. Харьков, В.К. Ахметов, М.Р. Петриченко и другие. А. Л. Зуйков внес существенный вклад в методику аналитического расчета сложных закрученных потоков.

Несмотря на значительное количество публикаций по данной тематике, вопрос о возможности реализации холостого сброса через водосбросной тракт гидротурбины, при наличии в турбинной камере контрвихревого гасителя, остается недостаточно исследованным.

Цель работы заключается в разработке конструкции и расчётном обосновании возможности и эффективности применения на средненапорных ГЭС контрвихревых гасителей энергии потока, расположенных в камере рабочего колеса гидротурбины.

Задачи исследования:

- проанализировать текущее состояние вопроса сброса холостых расходов через турбинные блоки гидроэлектростанций;

- разработать конструкцию контрвихревого гасителя, который будет установлен в камере рабочего колеса для обеспечения пропуска холостого расхода через водосбросной тракт турбинного блока здания ГЭС;

- провести гидравлический расчет разработанных вариантов контрвихревых гасителей с получением геометрических, гидравлических и силовых параметров;

- провести физическое и численное моделирование пропуска холостого расхода через водосбросной тракт турбинного блока здания ГЭС с различными вари-

антами контрвихревых гасителей, с получением гидравлических и кинематических параметров течения в области отсасывающей трубы.

Научная новизна:

- впервые выполнены гидравлические расчеты для ряда конструктивных вариантов контрвихревых устройств для гашения избыточной энергии потока, специально разработанных для установки в камере рабочего колеса гидротурбины;

- проведен физический эксперимент и получены модельные характеристики взаимодействующих закрученных потоков в камере гашения для различных режимов течения в проточном тракте турбины;

- с помощью численного эксперимента получены картины контрвихревого течения в сложном проточном тракте турбинного блока ГЭС.

Теоретическая значимость работы.

Научно обоснованные положения, сформулированные в рамках настоящего исследования, а также установленные управляющие факторы, в виде расчётных параметров и технических решений, позволят научному сообществу использовать полученные новые знания при оценке применимости энергетических водоводов эксплуатируемых гидроэлектростанций для сброса холостых расходов.

Изучение литературных источников по данному вопросу показало, что аналоги рассматриваемой технической задаче в мировой практике отсутствуют. В этом отношении полученные результаты исследований являются уникальными, которые позволят сформулировать новые технические подходы в практике эксплуатации гидроэнергетических объектов, в частности при решении вопросов, связанных с надежным и безопасным сбросом холостых расходов в нижний бьеф.

Практическая значимость работы.

Рассмотренный в настоящей работе новый технический подход позволяет использовать уже существующие сооружения для сброса расходов, что приводит к качественным изменениям во внешней среде. В этом случае отпадает необходимость сооружать дополнительные объекты, решающие поставленную задачу.

Методология и метод исследования - экспериментально-аналитический метод, включающий апробированные методики расчета и измерения параметров

закрученных потоков с применением современных измерительных приборов.

Положения, выносимые на защиту:

- конструкции контрвихревых гасителей лопаточного типа, устанавливаемых в камере рабочего колеса гидротурбины;

- алгоритм гидравлического расчета основных характеристик контрвихревого потока, проходящего через проточный тракт турбинного блока

- результаты гидродинамических исследований на физической модели контрвихревого гасителя энергии высокоскоростного потока, установленного в камере рабочего колеса;

- результаты численного моделирования процесса сброса холостого расхода по водосбросному тракту здания ГЭС, оснащенному контрвихревым гасителем смонтированным в камере рабочего колеса.

Личный вклад. Соискатель самостоятельно выполнил работу. Были проанализированы научные источники, связанные с темой исследования, определены цели и задачи. Также разработаны программы экспериментальных исследований контрвихревых устройств, проведены соответствующие эксперименты, сформулированы выводы и рекомендации. Все обоснования защищаемых положений диссертации получены автором лично.

Апробация результатов. Результаты исследований, представленных в рамках данной диссертационной работы, были доложены на российских симпозиумах, конференциях и семинарах; опубликованы в журналах и сборниках трудов.

Степень достоверности результатов. Обоснованность применения указанных методик гидравлического моделирования, математических моделей и методов расчета заключается в том, что они основаны на доказанных теоретических и экспериментальных фактах, классических уравнениях гидромеханики, известных методах математического анализа, соблюдении критериев гидравлического моделирования контрвихревых течений при создании экспериментального стенда, использовании высокоточных средств измерения гидродинамических характеристик потока и применении современных методов, минимизирующих человеческий фактор, при обработке результатов экспериментов.

Публикации. В результате проделанной работы было опубликовано 11 научных работ, 4 статьи в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук и 1 статья в журналах, индексируемых в международных реферативных базах Scopus, Web of Science и других, 1 статья в сборниках трудов конференций, индексируемых в международной реферативной базе Scopus и 5 работ, опубликованных в других журналах и изданиях.

Структура и объём работы:

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, состоящего из 82 источников. Объем работы составляет 128 страницы. В работе присутствуют 58 рисунков и 10 таблиц.

ГЛАВА 1. ВОДОСБРОСНЫЕ СИСТЕМЫ ГИДРОУЗЛОВ И СПОСОБЫ

ГАШЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКА

В зависимости от основных характеристик гидроузла, в составе которого проектируется водосбросная система, а также топографических и геологических условий участка строительства и требований к режимам движения потока воды в нижнем бьефе конструкции и компоновочные решения водосбросных систем могут различаться.

По гидравлическому признаку водосбросные системы делятся на напорные и безнапорные, по конструктивному - на открытые водосбросные системы и закрытые, по компоновочному - на плотинные и береговые [1].

В свою очередь, береговые водосбросы могут быть выполнены в виде быстротока, туннельного или шахтного водосброса. Среди шахтных водосбросов особое внимание уделим водосбросам с закруткой потока или вихревым водосбросам. В таких водосбросах поток движется не вдоль оси водосброса (поступательное движение), а с закруткой (продольно-циркуляционное). Закрутка потока может осуществляться с помощью различного вида завихрителей. Водосбросы с закруткой потока можно разделить на два вида: вихревые и контрвихревые [2,3].

Полная скорость продольно-циркуляционного течения и характеризуется радиальными иг, окружными ие и осевыми их скоростями.

Полная скорость течения и в цилиндрической системе координат вычисляется по формуле (1.1) [4]:

В природе жидкость всегда находится под действием различных сил, например сил вязкости, инерции, давления или массовых сил.

В нашем случае движение потока происходит в поле действия 2-х массовых сил: центробежной и гравитационной.

1.1 Общие сведенья о водосбросных системах гидроузлов

(1.1)

Если эти силы отнести к единице объема, то их можно выразить следующей формулой (1.2) [4]:

Р = РЛ (1.2)

где р - плотность жидкости, j - ускорение, характеризующее массовую силу.

Здесь это ускорение свободного падения g = 9,81м/с и центробежное, вычисляемое по следующей формуле (1.3) [4]:

; = ^2 / , (1.3)

где г - радиус от точки в потоке до оси вращения потока.

Из-за значительно более высоких ускорений, которые возникают в продольно-циркуляционных течениях, влияние центробежного силового поля существенно превышает воздействие гравитационного поля. Данное соотношение сил определяется как перегрузка и вычисляется по следующей формуле (1.4) [4]:

П = ^ = (1.4)

g gг

Значения перегрузок в некоторых системах даны в Таблице 1.1 [4]. Таблица 1.1 - Значения перегрузок [4]

Система П

Гравитационное поле у поверхности Земли 1

Максимальная перегрузка для организма человека 10

Центробежное ускорение в лабораторных центрифугах 350 000

Центробежное ускорение в гидроциклонах До 500

Центробежное ускорение в вихревом водосбросе с диаметром водовода 10 м и окружной скорости потока 40 м/с 32,6

Центробежное ускорение в модели вихревого водосброса с диаметром водовода 0,05 м и окружной скорости потока 40 м/с 6520

Вследствие уникальной структуры продольно-циркуляционных потоков они обладают рядом специфических характеристик. Среди ключевых положительных

свойств можно выделить следующие:

- положительное давление на стенках проточного тракта. Это свойство про-

дольно-циркуляционных потоков препятствует возникновению кавитационной эрозии стенок водосбросного сооружения;

- возникновение в приосевой зоне потока, при определенных режимах работы водосброса, зоны с давлением ниже атмосферного. Это свойство позволяет аэрировать поток, а аэрация потока уменьшает пульсации давления и вибрацию;

- центробежная сила, которая создаёт устойчивость потока при различных значениях расхода;

- возможность организации взаимодействия двух и более закрученных потоков. Положительный эффект данного свойства продольно-циркуляционных потоков связан с интенсивным гашением энергии. При данном способе гашения энергии практически исключается силовое воздействие на элементы конструкции камеры гашения.

Продольно-циркуляционное движение воды можно создать, используя различные виды завихрителей, например:

- тангенциальный завихритель;

- лопаточный завихритель;

- завихритель в виде вихревого затвора или спиральной камеры.

Другие конструкции завихрителей, например, винтовые шнеки, нельзя применять на высоконапорных водосбросах из-за опасности кавитационных явлений.

Из вышесказанного следует, что вихревые водосбросы имеют ряд преимуществ перед водосбросами других конструкций. Основными из которых является избыточное давление на стенки водосбросного канала и возможность, за счет организации взаимодействия нескольких закрученных течений, гашения избыточной энергии сбрасываемого потока.

Водосбросы с закруткой потока могут быть организованы по головной или концевой схеме.

В водосбросах с закруткой потока организованных по головной схеме отводящий водовод получается достаточно длинным. Поток воды, двигающийся по отводящему водоводу, теряет энергию из-за трения о стенки водосброса. Кроме потерь энергии становится меньше и степень закрученности потока. Поток попа-

дает в нижний бьеф с минимальной энергией [5].

При головной компоновке вихревого водосброса происходит плавное гашение энергии потока по всей длине отводящего водовода. В связи с этим не требуется устройства специальных гасящих сооружений в нижнем бьефе. Чтобы погасить значительную часть энергии длина отводящего водовода должна быть равна 70-100 его диаметров. Дальнейшее увеличение длины отводящего водовода неблагоприятно влияет на характеристики водосброса.

В вихревых водосбросах, организованных по концевой схеме, длина отводящего водовода недостаточна для гашения основной части энергии потока. В этом случае требуется проведение специальных мероприятий по гашению избыточной энергии потока.

Первым вариантом является организация сопряжения отводящего водовода с нижним бьефом по схеме затопленной струи. При таком сопряжении в центральной области потока создаются условия для возникновения приосевого возвратного течения. Осевая скорость в этом течении определяется по следующей формуле (1.5):

V = ф

2£

Я

Ря Р&

(1.5)

где И8 - заглубление оси водовода под уровень нижнего бьефа.

Расход возвратного приосевого течения определяется по формуле (1.6):

2 = П ^ф

2£

Я

Ря_ Р&

(16)

где - диаметр приосевой зоны, в которой возможно образование возвратного течения.

Вторым вариантом является организация сопряжения отводящего водовода с нижним бьефом по схеме выброса потока в атмосферу. При такой схеме сопряжения паровоздушное ядро потока заполняется воздухом. Давление в приосевой зоне становится практически равным атмосферному. За счет аэрации и распада

потока на части происходит гашение избыточной энергии [6].

1.2. Контрвихревые гасители кинетической энергии

Контрвихревые гасители энергии применяются в шахтных и туннельных водосбросных системах [7], в системах пропуска расходов через недостроенные турбинные блоки и некоторых другие сооружения.

В процессе контрвихревого взаимодействия в сдвиговом слое на границе потоков формируется значительный радиальный градиент окружных скоростей [8]. Это приводит к возникновению вторичных вихрей в этой области, которые в свою очередь, формируют вихри более низкого порядка малости и т.д. (Рисунок

Несколько взаимодействующих закрученных потока могут образовать контрвихревое течение. Существует два основных типа контрвихревых течений:

1. Течение с соосным расположением коаксиально закрученных потоков.

2. Сложное пространственно-неравномерное течение, состоящее из двух закрученных потоков с несоосными слоями.

Примеров применения контрвихревых водосбросов является проект водосброса Рогунского гидроузла в Таджикистане, где были предложены два варианта конструкции таких водосбросов. Один из вариантов предусматривал напор

1.1) [4].

вторичнь вихри

Эпюра окружных скоростей

Рисунок 1.1 - Схема контрвихревого потока [4]

Яр = 210 м и расчётный расход <р = 2500 м/с.

По второму варианту водосброс проектировался на расчетный напор Яр = 320 м и расчетный расход <р = 2500 м /с.

Еще одним примером использования контрвихревого водосброса является водосброс Тальмамского гидроузла. Он состоит из двух туннелей расположенных параллельно и имеющих подковообразное сечение. Площадь каждого туннеля 76,8 м2, а расстояние между осями туннелей 25 м. Водоприёмник имеет два пролета по 8 м, а также основной и аварийно-ремонтный затвор. Контрвихревые устройства для гашения энергии сбрасываемого потока размещены в конце туннельных водосбросов.

На Колымском гидроузле контрвихревой водосброс представляет собой переоборудованный для пропуска эксплуатационных расходов строительный туннель с площадью сечения 560 м2, рассчитанный на пропуск 10 700 м3/с. Получившийся эксплуатационный контрвихревой водосброс был рассчитан на пропуск 6000 м3/с и имел башенную конструкцию. Башня водосброса имеет 3 отверстия 12х13 м и водоприемник практического профиля.

На Катунском гидроузле контрвихревой водосброс выполнен в виде вертикальной шахты высотой 150 м и диаметром 16,6 м. Водоприемник выполнен в виде оголовка с расположенными 5-ю плоскими затворами. Водосброс рассчитан на расход 2р = 3150 м /с и напор Нр = 158,8 м. Соединение вертикальной шахты с

контрвихревым гасителем осуществляется с помощью трех трубопроводов круглого сечения с диаметром 6,7 м.

Когда возникла необходимость понизить уровень воды в Сарезском озере сделать это было предложено с помощью контрвихревого водосброса. Была предложена конструкция в виде туннельного водосброса с длинной 3,5 км и диаметром 4 м. Контрвихревой водосброс был рассчитан на напор от 390 до 540 м и расход от 44,2 до 88,4 м3/с.

По задумке проектировщиков контрвихревое устройство данного водосброса должно было объединять сразу две функции: гашение избыточной энергии по-

тока и регулирование расхода.

Представленные в данном параграфе варианты контрвихревых гасителей избыточной кинетической энергии показывают разнообразие их конструкций и широкий спектр их применения.

1.3. Отечественный и мировой опыт использования проточного тракта турбинных блоков в качестве водосбросов холостых расходов

Вопросы пропуска холостых расходов, а конкретнее строительных расходов через проточные тракты турбинных блоков зданий ГЭС, ранее описывались в отечественной литературе [9-15]. Наиболее подробный их обзор дан в литературном источнике [3].

Если гидроузел возводится в узком створе и в составе его сооружений отсутствует водосливная плотина, то целесообразно использовать для пропуска строительных расходов здание гидроэлектростанции. Обычно для пропуска строительных расходов используют совмещенные здания ГЭС. Существует несколько способов организации этого процесса:

1. Через отсасывающие трубы и спиральные камеры, независимо от степени готовности.

2. Через полностью или частично построенные водосбросы и водосливы.

3. Через турбинную шахту.

Особое внимание в данной работе заслуживает схема пропуска стоительных расходов, при которой их пропускают через водосбросной тракт турбинного блока. Этот процесс может осуществляться как с установленным рабочим колесом, так и без него. Важно отметить, что такая схема ограниченна напором воды, который влияет на энергию потока. В работах [9-15] авторы исследовали подобные схемы при напорах, не превышающих 40 метров.

Обычно, в качестве гасителей энергии пропускаемого в холостую потока через частично возведенные турбинные блоки гидроэлектростанций выступают крепления нижнего бьефа, которые будет использоваться в период постоянной

эксплуатации. Стоит отметить величину удельных расходов, пропускаемых в холостую, составляющую до 100 м3/с при напоре не более 40 м.

Авторы работ [9-15] подчеркивают важность учета кавитационных эффектов и гидродинамических нагрузок, включая пульсации давления, которые воздействуют на элементы конструкции проточного тракта турбинного блока.

Для снижения гидродинамических нагрузок и кавитационных явлений при прохождении потока турбинный тракт применяются решетки, устанавливаемые на входе в турбинную камеру или на выходе из отсасывающей трубы, а также частичное закрытие выходного сечения отсасывающей трубы затвором.

Водопропускные отверстия частично построенных турбинных блоков гидроэлектростанций имеют конфигурации, существенно отличающиеся от известных форм водосбросов. В связи с этим использование коэффициентов расхода, полученных для стандартных типов водосбросов, для определения пропускной способности турбинных блоков невозможно. Коэффициенты расхода для недостроенных водосбросных трактов можно определить только экспериментальным путем.

Модельные испытания показали, что пропускная способность турбинного тракта с остановленным рабочим колесом значительно ниже, чем без колеса. Эта разница на больших открытиях направляющего аппарата превышает 50 %.

Применительно к задаче, рассматриваемой в настоящей работе, представляет интерес материал, изложенный в [11]. В статье указывается, что на агрегате №3 Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС (ныне Волгоградской) ГЭС при пропуске воды через проточный тракт осевой поворотно-лопастной турбины без рабочего колеса, имеющей диаметр 9,3 м, было установлено, что необходимым условием надёжности работы схемы пропуска является достаточное поступление атмосферного воздуха под крышку турбины.

В 60-х годах в научно-исследовательском секторе института Гидропроект на моделях турбинных блоков Капчагайской и Асуанской ГЭС, имеющих подводящий туннель и безнапорный водоприемник, были исследованы (масштаб 1:25 натуральной величины) общие гидравлические характеристики работы турбинно-

го блока при отсутствии рабочего колеса и при различных монтажных состояниях турбины.

Вопросы надежности такой схемы пропуска воды исследовались на стендах с поворотнолопастными турбинами диаметром 460 и 1000 мм при напорах, близких к натурным. Здесь надо сказать, что расчётный напор на Капчагайской ГЭС принят 40,9 м, а Асуанской ГЭС в Египте - порядка 50 м. Эти данные говорят о том, что модельные испытания проводились при достаточно больших напорах. Было установлено, что во всех режимах работы блока без рабочего колеса в подводящем туннеле должен быть напорный режим, который обеспечивается регулированием открытий направляющего аппарата. В этом случае гидравлический режим в подводящем тракте такой же, как и в нормальных эксплуатационных условиях. При незатопленном водоприемнике и при открытиях направляющего аппарата больше требуемого, а также при отсутствии направляющего аппарата в проточной части блока возникает крайне неустойчивый гидравлический режим, особенно в подводящем его тракте, сопровождаемый прорывами воздушных полостей, периодическими ударами и сильными вибрациями строительных и турбинных конструкций.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Скляднев Михаил Константинович, 2026 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гидротехнические сооружения: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство» специальности «Гидротехническое строительство»: в 2 ч. Ч. 1 / Л.Н. Рассказов [и др.]; под редакцией Л.Н. Рассказова. - Москва: Издательство Ассоц. строит. вузов, 2008. - 581 с. -ISBN 978-5-93093-593-6.

2. Слисский С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений: учебное пособие для гидротехнических специальностей вузов / С.М. Слисский. - Москва: Энергия, 1979. - 336 с.

3. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений: справочное пособие / [А.Д. Альтшуль и др.]. - Москва: Энергоатомиздат, 1988. -624 с. - ISBN 5-283-01962-4.

4. Моделирование и расчет контрвихревых течений: [монография] / [В.К. Ахметов и др.]; под ред. А.Л. Зуйкова. - Москва: ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2012. -249 с. - ISBN 978-5-7264-0618-3.

5. Физическое моделирование контрвихревых сооружений и оборудования / В.К. Ахметов и [др.]; под ред. Г.В. Орехова. - Москва: МИСИ - МГСУ, 2018. -373 с. - ISBN 978-5-7264-1857-5.

6. Волшаник В.В. Закрученные потоки в гидротехнических сооружениях / В.В. Волшаник, А.Л. Зуйков, А.П. Мордасов; под ред. Г.И. Кривченкова. -Москва: Энергоатомиздат, 1990. - 278 с. - ISBN 5-283-01980-2.

7. Скляднев М.К., Орехов Г.В. Использование эффектов контрвихревых течений для гашения кинетической энергии потоков // Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства. Сборник тезисов докладов V Всероссийского научно-практического семинара. Москва, 2022. С. 98.

8. Скляднев М.К., Орехов Г.В. Эффекты контрвихревых течений и их использование для сброса холостых расходов гидроузлов // Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства. Сборник тезисов докладов VI Всероссийского научно-практического семинара. Москва, 2023. С. 88-89.

9. Абелев А.С., Соловьева А.Г. Гидравлические условия пропуска расходов через здания строящихся гидростанций. Л: Изв. ВНИИГ, 1983, т. 168. с. 71-78.

10. Гаген А.В. О холостых попусках воды через проточную часть капсуль-ного агрегата. Л.: Тр. ЛПИ, №289. «Энергия», 1968. с. 131-134

11. Горбачев С.И., Саркисова М.Ф. Пропуск воды через проточный тракт гидротурбины при отсутствии рабочего колеса // Гидротехническое строительство, 1970, №10, с. 30-33.

12. Миншулов А.Х. Исследование пропуска сбросных расходов воды через модель гидроагрегатного блока низконапорной ГЭС. Автореф. дис. канд. техн. наук. Л., 1982.

13. Проектирование и строительство больших плотин. Постоянные и временные водосбросные сооружения. Международный конгресс по большим плотинам. Сост. Гинзбург М.Б., ред. Боровой А.А. М.: "Энергия", 1972, вып. 2. 160 с.

14. Рубинштейн Г.Л., Рудакова М.Д. Пропуск строительных расходов через недостроенные бетонные сооружения гидроузлов / Обзорная информация: Сер. Гидроэлектростанции / М.: Информэнерго, 1980.

15. Условия работы совмещенных блоков ГЭС в строительные и эксплуатационный периоды / И.И. Иванов, Г.А. Иванова, В.М. Семенков, Т.В. Семенова // Материалы конф. и совещаний по гидротехнике: Методы исследований и гидравлических расчетов водосбросных гидротехнических сооружений / Л.: ВНИИГ, 1985. с.143-148.

16. Sutherland R.A. Free Discharge through a Turbine Distributer, Case and Draft Tube. Transactions of ASME, N.Y., 1959, Vol. 81, ser. D.N., 4, pp. 488-492.

17. Зуйков А.Л. Гидравлика. Том 2. Напорные и открытые потоки. Гидравлика сооружений / А.Л.Зуйков, Л.В.Волгина. М.: Издательство МИСИ - МГСУ. 2018. 400 С.

18. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева. Изд. 4-е, переработ. и доп. М.: Энергия, 1972. 312 C.

19. СП 58.13330.2012 Гидротехнические сооружения. Основные положения.

20. СТО 17330282.27.140.002-2008 «Гидротехнические сооружения ГЭС и

ГАЭС. Условия создания. Нормы и требования».

21. СТО 17330282.27.140.011-2008 «Гидроэлектростанции. Условия создания. Нормы и требования».

22. СТО 17330282.27.140.013-2008 «Механическое оборудование гидротехнических сооружений ГЭС. Условия создания. Нормы и требования».

23. СТО 17330282.27.140.014-2008 «Технические системы гидроэлектростанций. Условия создания. Нормы и требования».

24. СТО 17330282.27.140.022-2008 «Здания ГЭС и ГАЭС. Условия создания. Нормы и требования».

25. Зуйков А.Л. Гидродинамика циркуляционных течений. М.: Издательство АСВ. 2010. 216 с.

26. Скляднев М.К., Орехов Г.В. Использование проточной части радиально-осевой турбины для сброса расходов // Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства. Сборник тезисов сборник тезисов докладов VII Всероссийского научно-практического семинара. Москва, 2024. С. 68-69.

27. Гидравлические машины. Турбины и насосы. [Учеб. для гидротехн. спец. вузов] / Г. И. Кривченко. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Энергоатом-издат, 1983. -320 с.

28. Аршеневский Н.Н. Обратимые гидромашины гидроаккумулирующих элек-тростанций. М.: «Энергия». 1977, 239 с.

29. Орехов Г. В., Быков Ю. А., Чурин П.С. Расчет течения в проточной части высоконапорной гидротурбины с заторможенным рабочим колесом радиаль-но-осевого типа. Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №2 2014, 15 с.

30. Sklyadnev M.K., Orekhov G.V. Using the flow path of a radial-axial turbine to relieve flow rates // AIP Conf. Proc. 3286, 040020 (2025) https://doi.Org/10.1063/5.0281029

31. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: ГИТТЛ, 1953. 736 C.

32. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. 715 C.

33. Chigier N.A., Chervinsky A. Experimental investigation of swirling vortex

motion in jets // Journal of Applied Mechanics. 1967. Vol. 34. Issue 2. Pp. 443-451. DOI: 10.1115/1.3607703.

34. Beer J.M., Chigier N.A. Combustion aerodynamics. New York. Halsted Press Division, Wiley, 1972. 264 Pp.

35. Gupta A.K., Lilley D.G., Syred N. Swirl flows. England. Abacus Press, Tunbridge Wells, 1984. 475 Pp.

36. Скляднев М.К., Орехов Г.В. Использование проточной части реактивных турбин для сброса холостых расходов // Мелиорация и гидротехника. 2025. Т. 15, № 2. С. 380-400. D0I:10.31774/2712-9357-2025-15-2-380-400.

37. Зуйков А.Л. Гидравлика. Том 1. Основы механики жидкости. М.: Издательство МИСИ - МГСУ. 2019. 544 с.

38. Зегжда А.П. Теория подобия и методика расчета гидротехнических моделей. - М.: Госстройиздат, 1938. - 164 с.

39. Избаш С.В. Основы лабораторно-опытного дела в гидротехнике [Текст] / Под ред. акад. Н.Н. Павловского. - М.: ОНТИ, 1938. - 228 с.

40. Теория подобия / акад. М.В. Кирпичев- М.: Издательство академии наук СССР, 1953. - 96 с.

41. Методы подобия и размерности в механике / Л.И. Седов - М.: Наука, 1977. - 438 с.

42. Пропускная способность русел каналов и рек / Г.В. Железняков - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 311 с.

43. Основы теории подобия и моделирования. Терминология / [Отв. ред. проф., д-р техн. Наук В.А. Веников] - М.: Наука. 1973. - 22 с.

44. Скляднев М.К., Орехов Г.В., Зубков А.Ф. Физическое моделирование пропуска холостых расходов через проточную часть гидротурбины // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2025. Т. 315. С. 61-77.

45. Скляднев М.К., Орехов Г.В. Экспериментальный стенд для физического моделирования течений в проточном тракте гидротурбин // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. Вып. 9. С. 1422-1432. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.9.1422-1432.

46. Скляднев М.К., Орехов Г.В., Зубков А.Ф. Физическое моделирование

контрвихревых течений в отсасывающих трубах средне- и высоконапорных гидроузлов // Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства. Сборник тезисов сборник тезисов докладов VIII Всероссийского научно-практического семинара. Москва, 2025. С. 78-79.

47. Скляднев М.К., Орехов Г.В., Зубков А.Ф. Экспериментальная проверка динамических характеристик системы измерения пульсационного давления // Вестник МГСУ. 2025. Т. 20. Вып. 7. С. 1095-1103. DOI: 10.22227/19970935.2025.7.1095-1103.

48. Tey A.J.D., Vicarioli G.G., Rodríguez J.E.M. Development of a dynamic standard of pressure. 18th International Congress of Metrology. 2017; 14002. DOI: 10.1051/metrology/201714002

49. Gaetani P., Persico G. Technology Development of Fast-Response Aerodynamic Pressure Probes. International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power. 2020; 5(2):6. DOI: 10.3390/ijtpp5020006

50. Amer E., Jonsson G., Arrhen F. Towards traceable dynamic pressure calibration using a shock tube with an optical probe for accurate phase determination. Metrologia. 2022; 59(3):035001. DOI: 10.1088/1681-7575/ac5db5

51. Kutin J., Svete A. Connecting volume effects on dynamics of pneumatic pressure measurement systems. ACTA IMEKO. 2020; 9(5):315. DOI: 10.21014/ ac-ta_imeko.v9i5.991

52. Svete A., Kutin J. Optimal dimensions of connecting tubes for dynamic measurements of pressure. Journal of Physics: Conference Series. 2018; 1065:162006. DOI: 10.1088/1742-6596/1065/16/162006

53. Pereira J.D. Pressure Sensors: Working Principles of Static and Dynamic Calibration. Sensors. 2024; 24(2):629. DOI: 10.3390/s24020629

54. Bajsic I., Kutin J., Zagar T. Response time of a pressure measurement system with a connecting tube. Instrumentation Science & Technology. 2007; 35(4):399-409. DOI: 10.1080/10739140701436579

55. Dos Reis E., de Gaspari C.A. On measuring dynamic pressure in multiphase flows // 19th International Congress of Mechanical Engineering. 2007.

56. Venkatasubramanian V., Rengaswamy R., Yin K., Kavuri S.N. A review of process fault detection and diagnosis // Computers & Chemical Engineering. 2003. Vol. 27. Issue 3. Pp. 293-311. DOI: 10.1016/s0098-1354(02)00160-6

57. Elgeneidy K., Lohse N., Jackson M. Bending angle prediction and control of soft pneumatic actuators with embedded flex sensors — a data-driven approach // Mechatronics. 2017. Vol. 50. Pp. 234-247. DOI: 10.1016/j.mechatronics.2017.10.005

58. Zeng W., Jacobi I., Beck D.J., Li S., Stone H.A. Characterization of syringe-pump-driven induced pressure fluctuations in elastic microchannels // Lab on a Chip. 2015. Vol. 15. Issue 4. Pp. 1110-1115. DOI: 10.1039/c4lc01347f

59. Theodoro F.R.F., da Costa Reis M.L.C., d'Andrade Souto C., de Barros E. Dynamic calibration of pressure transducers employed in the aerospace sector: a literature survey // 22nd International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2013). 2013.

60. Svetea A., Stefea M., Maceka A., Kutin J., Bajsic I. Dynamic pressure generator for dynamic calibrations at different average pressures based on a double-acting pneumatic actuator // Sensors and Actuators A: Physical. 2016. Vol. 247. Pp. 136-143. DOI: 10.1016/j.sna.2016.05.031

61. Pieni^zek J., Ciecinski P., Ficek D., Szumski M. Dynamic Response of the Pi-tot Tube with Pressure Sensor // Sensors. 2023. Vol. 23. Issue 5. P. 2843. DOI: 10.3390/s23052843

62. Kutin J., Svete A. On the theory of the frequency response of gas and liquid pressure measurement systems with connecting tubes // Measurement Science and Technology. 2018. Vol. 29. Issue 12. P. 125108. DOI: 10.1088/1361-6501/aae884

63. Li R., Lin S., Ge N., Gao L. Nonembedded measurement method based on amplitude correction for unsteady surface pressure estimation in a high-subsonic compressor cascade // Measurement. 2023. Vol. 222. P. 113685. DOI: 10.1016/j .measurement.2023.113685

64. Кузнецов С.А., Мясникова М.Г., Панов А.П., Цыпин Б.В. Выбор методов спектрального оценивания для системы контроля динамических характеристик датчиков давления // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2015. № 2

(12). С. 45-51. EDN UKSFCJ.

65. Мясникова Н.В., Панов А.П., Цыпин Б.В. Система для исследования характеристик датчиков динамического давления // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2013. № 4 (6). С. 32-36. EDN RWVLJT.

66. Бушуев О.Ю., Семенов А.С., Шестаков А.Л. Экспериментальная оценка динамических характеристик тензопреобразователей давления // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение. 2011. № 1 (82). С. 88-97. EDN NDXJPB.

67. Sklyadnev M.K., Orekhov G.V., Zuykov A.L. Hydrodynamic loads on the walls of a turbine block with a counter vortex damper // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2025. Volume 21. Issue 3. P. 158-171. DOL10.22337/2587-9618-2025-21-3-158-171

68. Wang, H.; Zhou, D.; Yu, A.; Guo, J. Analysis of Cavitation-Induced Unsteady Flow Conditions in Francis Turbines under High-Load Conditions. Processes 2024, 12, 72. https:// doi.org/10.3390/ pr12010072.

69. Liu, C.; Wu, S.; Huang, X.; Zhang, S.; Zhou, L.; Hu, T.; Wang, Z. Flow Characteristics Analysis of a 1 GW Hydraulic Turbine at Rated Condition and Overload Operation Condition. Processes 2024, 12, 255. https://doi.org/10.3390/pr12020255.

70. Li, Q.; Xin, L.; Xie, G.; Liu, S.; Wang, Q. Influence of Guide Vane Profile Change on Draft Tube Flow Characteristics of Water Pump Turbine. Processes 2022, 10, 1494. https://doi.org/10.3390/ pr10081494.

71. Jiahao Lu, Chenhan Su, Ran Tao. Influence of runner blade number on hydraulic performance and flow control in draft tube of Francis turbine. Advances in Mechanical Engineering 2024, Vol. 16(3) 1-20. DOI: 10.1177/16878132241236574.

72. R Maddahian, M J Cervantes, N Sotoudeh. Numerical Investigation of the Flow Structure in a Kaplan Draft Tube at Part Load. 28th IAHR symposium on Hydraulic Machinery and Systems (IAHR2016). IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 49 (2016). doi:10.1088/1755-1315/49/2/022008.

73. Hu, J.; Wang, Q.; Meng, Z.; Song, H.; Chen, B.; Shen, H. Numerical Study of the Internal Fluid Dynamics of Draft Tube in Seawater Pumped Storage Hydropower

Plant. Sustainability 2023, 15, 8327. https://doi.org/ 10.3390/su15108327.

74. Жарковский А.А., Щур В.А., Омран М. Прогнозирование энергетических и кавитационных характеристик быстроходных радиально-осевых гидротурбин // Известия МГТУ «МАМИ». 2022. T. 16, № 3. С. 225-234. DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-105208.

75. Скляднев М.К., Орехов Г.В., Зубков А.Ф. Численное моделирование пропуска холостых расходов через проточную часть гидротурбины // Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства. Сборник тезисов сборник тезисов докладов VIII Всероссийского научно-практического семинара. Москва, 2025. С. 76-77.

76. Wang, L.; Cui, J.; Shu, L.; Jiang, D.; Xiang, C.; Li, L.; Zhou, P. Research on the Vortex Rope Control Techniques in Draft Tube of Francis Turbines. Energies 2022, 15, 9280. https://doi.org/10.3390/en15249280.

77. Katsutoshi Kobayashi, Yuta Tamura. Solution of unstable problem for hydraulic turbine in order to promote usage of hydraulic energy. 29th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 240 (2019). doi:10.1088/1755-1315/240/2/022048.

78. Xu, T.; Cheng, Q.; Lin, C.; Yu, Q.; Hu, X. Study on Flow Characteristics of Francis Turbine Based on Large-Eddy Simulation. Water 2023, 15, 3372. https:// doi.org/10.3390/w15193372.

79. Shanlei Wang, Shujiao Pang, Jiawei Ding, Ming Wang, Zhenmu Chen. The effect of damping grid on vortex rope and pressurefluctuation in the draft tube of Francis turbine. The 17th Asian International Conference on Fluid Machinery (AICFM 17 2023). Journal of Physics: Conference Series. doi:10.1088/1742-6596/2707/1/012062.

80. Платонов Д.В., Минаков А.В., Дектерев А.А. Исследование влияний пульсационных явлений на режимы работы высоконапорных ГЭС. Современная наука. Исследования, идеи, результаты, технологии. 2014. № 1 (14) С. 102-108.

81. Волшаник В.В., Орехов Г.В. Области применения взаимодействующих закрученных потоков жидкости // Вестник МГСУ. 2015. № 7. С. 87—104.

82. Г.А. Семёнов, А.Ю. Смирнова, А.А. Дектерёв, А.В. Минаков, А.В. Сен-

тябов. Численное исследование конструктивных способов подавления низкочастотных пульсаций давления в отсасывающей трубе гидротурбины // ISSN 20704755. Труды Академэнерго, 2013, №3. С. 26—40.