СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОВОДОВ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОВОДОВ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Бальзанников Михаил Иванович

д-р техн. наук, проф., Самарский государственный экономический университет,

РФ, г. Самара

IMPROVEMENT OF HYDROPOWER STATION WATER CONDUIT DESIGN

Mikhail Balzannikov

Doctor of Technical Sciences, Professor, Samara State University of Economics,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены водоприемные и водовыпускные устройства водопроводящего тракта гидроэлектростанций. Приведены примеры совершенствования их конструкции за счет повышения подвижности отдельных частей. Технические решения позволят повысить эффективность их работы гидроэлектростанций.

ABSTRACT

The article considers water intake and water outlet devices of the water supply path of hydroelectric power plants. Examples of improvement of their design are given by increasing the mobility of individual parts. Technical solutions will increase the efficiency of hydroelectric power plants.

Ключевые слова: гидроэлектростанция; конструкция водовода.

Keywords: hydroelectric power station; water conduit design.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом эксплуатируется весьма значительное количество гидроэлектрических (ГЭС), гидроаккумулирующих (ГАЭС) и насосных (НС) станций. Водоприемные, водовыпускные устройства и другие элементы водопроводящего такта этих гидроэнергетических установок (ГЭУ) обеспечивают необходимую прочность, надежность эксплуатации и высокие гидроэнергетические качества. Этим достижениям они обязаны использованию опыта проектирования сложных водопроводящих элементов, основывающихся на результатах многочисленных натурных и лабораторных исследований их работы [1-3].

Тем не менее, имеется большой потенциал дальнейшего улучшения работы водопроводящего тракта. В частности, актуальным направлением повышения эффективности элементов тракта является совершенствование их конструкции [4, 5].

Перспективным направлением совершенствования элементов водопроводящего тракта является динамичность. Динамичные конструкции обладают признаками подвижности одного элемента относительно другого. С этой целью в конструкцию вводятся шарниры, упругие или гибкие элементы.

Пример повышения динамичности приведен в [5]. Водовыпуск сифонного исполнения снабжен диффузором, верхняя часть которого выполнена в виде полой конструкции, кромка которой шарнирно прикреплена к нижней кромке сифона с возможностью поворота в вертикальной плоскости. Такое решение рекомендуется использовать при работе НС в режиме гидроаккумулирования. В начальный период работы НС при наполнении водоема верхняя часть диффузора устанавливается в нижнем положении, которое обеспечивает безотрывное течение воды от стенок диффузора и наилучшие условия гашения его энергии. При некотором наполнении водоема полая конструкция поворачивается до положения, соответствующего оптимальному с гидравлической точки зрения (8-12 градусов). Если режим работы меняется на турбинный, то раструбность диффузора увеличивается до 40-50 градусов за счет выпуска некоторого количества воды из полой конструкции. Новый наклон будет отвечать наилучшим гидравлическим условиям уже для этого режима.

Многочисленные исследования водоприемных устройств ГАЭС показали необходимость учета специфичности их работы в двухстороннем режиме. Дело в том, что для разных направлений течения воды наименьшие потери напора обеспечиваются не только при различных углах конфузорности, но и при других очертаниях стенок водоприемно-водовыпускной камеры. Кроме того, форма и конструкция отдельных элементов водоприемника-водовыпуска (пазов, забральной и наклонной стенок, оголовков бычков, ригелей сороудерживающей решетки), а также подходного участка к нему, являющиеся наивыгоднейшими для одного направления, часто оказываются неприемлемыми для другого и наоборот.

Такие противоречивые требования могут быть успешно преодолены повышением динамичности конструкции сооружения. В частности, в [5] описывается водоприемник гидротехнического сооружения, в котором верхняя и нижняя грани водоприемно-водовыпускной камеры выполнены плоскими, но снабжены рамами, которые в свою очередь, снабжены эластичными оболочками с образованием между ними и рамами полостей, заполненных водой или воздухом.

Такое решение позволит работать водоприемному устройству с оптимальной раструбностью и очертанием, за счёт чего получить существенный экономический эффект.

Довольно часто ввод подвижных элементов в конструкцию может обеспечить выполнение этими элементами нескольких функций различного назначения. Например, в устройстве [5] верхняя рама одновременно может выполнять роль быстродействующего затвора. Следовательно, отдельного размещения аварийно-ремонтного затвора с механизмом подъема и опускания не потребуется. Аналогичное решение возможно и по сифонному водовыпуску.

Естественно, установка подвижных элементов имеет не только положительные стороны, но и существенные недостатки. К ним относятся такие, как наличие дополнительных регулирующих механизмов, а следовательно, необходимость в системе наблюдения и управления этими механизмами. В технических решениях более сложным будет процесс эксплуатации.

Кроме этого, значительное усложнение элементов потребует больших трудо- и материальных затрат, и значит, увеличения стоимости сооружения. Сложно будет также обеспечить надежность работы таких устройств.

Другим направлением развития водоприемников и водовыпусков, частично устраняющим отмеченные выше недостатки, может считаться повышение самоуправляемости используемых подвижных элементов. В этих разработках предлагается применение дополнительных несложных устройств, позволяющих автоматически производить перемещение элементов в зависимости от изменения условий работы или использовать сами изменяющиеся условия (например, скорость потока, его направление, сработка уровня воды в водохранилище и т.п.) в качестве приводов подвижных элементов.

Рассмотрим водоприемное устройство ГАЭС с автоматически закрывающимися пазами (рис. 1).

Рисунок 1. Водоприемное устройство с открывающимися пазами

Его особенностью является размещение потоконаправляющих элементов в пазах и выполнение их в виде пластин с вертикальной осью вращения, расположенной вдоль кромки паза. Причем верхняя часть пластины имеет винтообразную форму. В бычках, напротив верхней части пластины, выполнены ниши, в которых размещены упругие элементы, соединенные с пластинкой. Во время работы ГАЭС пластины, удерживаемые упругими элементами, полностью закрывают пазы, исключая их из работы в качестве местных гидравлических сопротивлений. При опускании затвора, его нижняя грань приходит в соприкосновение с винтовыми частями пластин, и при дальнейшем движении затвора, поворачивают их, открывая пазы. Если затвор поднимается, то после его прохождения верхних винтовых частей, пластины под действием упругих элементов автоматически разворачиваются и занимают исходное положение. Как видим, здесь движение затвора является приводным механизмом для пластин.

Таким образом, исследованиями показано, что совершенствование конструкций элементов водопроводящего тракта может обеспечить повышение эффективности работы гидроэнергетических установок.

Список литературы:

1. Васильев Ю.С., Кубышкин Л.И. О технологии проектирования объектов гидроэнергетики // Гидротехническое строительство. 2014. № 7. С. 2-8.
2. Козинец Г.Л. Обоснование проектных параметров гидроагрегатных блоков высоконапорных ГЭС // Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 13-14. С. 26-30.
3. Васильев Ю.С., Сидоренко Г.И., Фролов В.В. Методика обоснования параметров малых гидроэлектростанций // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2012. № 1-1 (147). С. 76-84.
4. Бальзанников М.И., Пиявский С.А. Особенности работы и перспективные конструкции отсасывающих труб гидроэлектростанций // Вестник МГСУ. 2015. № 10. C. 127-137.
5. Бальзанников М.И. Основные методы совершенствования конструкций затворов гидротехнических сооружений // Известия вузов. Строительство. 2018. № 12. С. 94-108.