В книге излагаются методы гидравлических расчетов как общие для водосбросных плотин и зданий ГЭС, так и отдельные, специфические для них. Эти расчеты предназначены для нахождения решений, повышающих качества ГЭС как совмещенного, так и не совмещенного типа. Помимо оригинальных методов расчета, разработанных автором, в книге проанализирован ряд известных решений, что позволило выявить наиболее достоверные из них и рекомендовать их в проектной практике. Изложение ряда способов расчета сопровождается примерами, которые делают книгу доступной для использования в проектных организациях и в учебных заведениях при курсовом и дипломном проектировании. Книга представляет интерес также и для работников научно-исследовательских организаций.

Предисловие

Глава первая. Основные понятия
1-1. Гидравлика зданий гидроэлектростанций. Типы и гидравлические особенности зданий ГЭС
1-2. Гидравлические схемы зданий ГЭС
1-3. Использование эжекции на действующих ГЭС и возможности увеличения эффекта эжекции

Глава вторая. Влияние условий в нижнем бьефе на работу турбины
2-1. Перепад восстановления
2-2. Напоры гидроэнергетической установки
2-3. Распределение скоростей и удельных расходов в выходном сечении отсасывающей трубы
2-4. Длина вальца над струей, поступающей из отсасывающей трубы
2-5. Расчет перепада восстановления
2-6. Динамическая составляющая реакции наклонного участка водобоя. Влияние крутизны наклонного участка водобоя на перепад восстановления и эффект эжекции
2-7. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений перепада восстановления
2-8. Высотное положение водобоя, обеспечивающее отсутствие подпора. Отметка водобоя, отвечающая максимальному перепаду восстановления

Глава третья. Подводящее русло здания ГЭС
3-1. Элементы подводящего русла и задачи его расчета
3-2. Очертания береговой линии
3-3. Струенаправляющие сооружения подводящего русла
3-4. Раздельная стенка (бык) между подводящими руслами здания ГЭС и плотины
3-5. Профиль и высотное положение дна подводящего русла здания ГЭС
3-6. Защита крепления подводящего русла от подмыва

Глава четвертая. Водоприемники гидроэлектростанций
4-1. Типы водоприемников и их элементы
4-2. Исходные предпосылки для расчета очертании элементов проточной части водоприемника
4-3. Очертания элементов проточной части водоприемника
4-4. Высотное положение забральной и напорной стенок и верхней кромки отверстия входного участка водоприемника
4-5. Определение потерь напора в водоприемнике (по данным лабораторных и натурных гидравлических исследований водоприемников)
4-6. Коэффициент сопротивления входного участка
4-7. Коэффициент сопротивления переходного участка. Суммарный коэффициент сопротивления
4-8. Потери напора в пазах и проемах
4-9. Задачи гидравлического расчета сороудерживающих решеток. Требования к конструкции
4-10. Способы расчета потерь напора на сороудерживающих решетках
4-11. Дополнительные потери напора в двухъярусных водоприемниках при работе водоводов обоих ярусов (турбин и водосбросов)
5-1. Элементы отводящего русла и задачи его расчета
5-2. Очертания линии врезки в берег отводящего русла
5-3. Сопрягающие и струенаправляющие сооружения отводящего русла
5-4. Высотное положение отводящего русла
5-5. Расчетный удельный расход в отводящем русле
5-6. Расчет длины крепления отводящего русла, глубины ковша, крупности камня в ковше и глубины ямы размыва
5-7. Расчет глубины размыва при сопряжении бьефов свободной или подтопленной отброшенной струей
5-8. Распределение расходов между отводящими руслами здания ГЭС и плотины

Глава шестая. Режимы нижнего бьефа зданий ГЭС
6-1. Режимы нижнего бьефа несовмещенного здания ГЭС
6-2. Режимы нижнего бьефа совмещенного здания ГЭС
6-3. Глубина сбросного потока в сжатом сечении на водобое и на уступе
6-4. Уравнение свободной поверхности подтопленной струи
6-5. Распределение давления в струе в створе уступа
6-6. Критические режимы за совмещенными зданиями ГЭС, имеющими водосбросный уступ (при незначительной пространственности нижнего бьефа)
6-7. Критические режимы в пространственных условиях
6-8. Экспериментальная проверка формул. Сводка рекомендуемых формул критических режимов
6-9. Длина донного вальца под струей (дальность отлета подтопленной струи)
6-10. Некоторые способы расчета критических режимов, предложенные другими авторами
6-11. Влияние расхода турбины на глубину нижнего бьефа при критических режимах
6-12. Минимальная высота уступа, обеспечивающая образование поверхностных режимов
6-13. Режим свободной отброшенной струи
6-14. Неустойчивые режимы в нижнем бьефе

Глава седьмая. Водосбросы совмещенных зданий ГЭС
7-1. Типы водосбросов зданий ГЭС
7-2. Расчет пропускной способности водосливов ГЭС. Профили водосливов
7-3. Обобщенная формула пропускной способности напорных водосбросов с водосбросными отверстиями на уступе
7-4. Коэффициент расхода напорных водосбросов
7-5. Расчет уровня нижнего бьефа, при котором происходит затопление отверстий напорных водосбросов
7-6. Расчет действующего напора водосбросов (и турбины) при затопленных отверстиях
7-7. Расчет пропускной способности полунапорных водосбросов
7-8. Диффузорная камера
7-9. Расчет давления и скоростей в сечении на повороте напорных водоводов

Глава восьмая. Эжекция на совмещенных ГЭС
8-1. Краткий обзор работ по расчету эжекции
8-2. Увеличение мощности при эжектировании
8-3. Расчет эжекции в нижний бьеф
8-4. Расчет эжекции в отсасывающую трубу
8-5. Сопоставление результатов расчета эжекции с опытами

Приложения
Литература
Предметный указатель

Предисловие

Для повышения эффективности гидроэлектрических станций, существенное значение имеют применение рациональных компоновок зданий ГЭС и придание элементам проточной части оптимальных очертаний и размеров. В связи с этим для обоснования гидравлической части сравниваемых вариантов зданий ГЭС и принимаемых решений требуется проведение соответствующих расчетов и лабораторных исследований.

При проектировании зданий ГЭС обычных распространенных типов решения принимаются в большинстве случаев по аналогии с уже осуществленными сооружениями, в связи с чем гидравлические расчеты сводятся к минимуму, хотя, как это показывает рассмотрение с современных позиций осуществленных решений, гидравлические качества сооружений можно было бы улучшить путем проведения надлежащих расчетов.

Проектирование ГЭС совмещенного типа потребовало разрешения ряда новых гидравлических задач, ответы на которые первоначально не могли быть найдены расчетным путем. Поэтому для проверки и обоснования проектных решений стали широко применяться лабораторные исследования турбинных блоков [ВНИИГ. НИС Гидропроекта, ВНИИгидромаш (б. ВИГМ), ВОДГЕО, МЭИ, ЛПИ, МИСИ, МГМИ (б. МИИВХ), БПИ.

Ныне подобные исследования являются неотъемлемой частью комплекса работ при проектировании как совмещенных, так и несовмещенных зданий ГЭС и проводятся во многих научно-исследовательских и учебных институтах.

В результате лабораторных исследований и натурных испытаний рядом авторов были разработаны новые способы и методика гидравлических расчетов, использующихся при проектировании зданий ГЭС.

Академик А.Н. Крылов, говоря о стоимости вычислительной работы при проектировании кораблей, указывает, что «по сравнению со стоимостью экспериментов, даже на модели она (т. е. вычислительная работа; С. С.) будет ничтожно мала» [А.Н. Крылов, О боковой качке корабля, Собрание трудов, т. XI, Изд-во АН СССР, 1951, стр. 363.]. Такое положение имеет место и при проектировании зданий ГЭС, так как их лабораторные исследования весьма трудоемки. Поэтому задачей совершенствования гидравлических расчетов является доведение их до такого состояния, которое дает возможность уже на предварительных стадиях проектирования зданий ГЭС находить решения, приближающиеся к оптимальным и сводящие последующие лабораторные исследования к минимуму или исключающие их. Уверенность в достоверности расчетов должна быть не меньшая, чем при расчете пропускной способности водосливов, сопряженных глубин, или, например, при расчете на прочность ряда элементов конструкций.

Гидравлика пока далека от такого состояния. Особенно далеки от совершенства способы расчета глубины размыва, аэрации потока, прогноза процесса кавитации. Но следует иметь в виду, что методы расчета, имеющие в своей основе даже несовершенную теорию, но использующие в конечном счете экспериментальные поправки, дают, в конце концов, приемлемые для практики результаты расчета, что позволяет рекомендовать применение таких способов расчета в практике проектирования. Ряд решений, имеющих в своей основе достаточно строгие теоретические предпосылки, может уже сейчас приниматься без лабораторной проверки или с минимальным использованием экспериментов.

То, что в процессе проектирования зданий ГЭС при разрешении гидравлических задач расчетный путь применяется недостаточно, объясняется несколькими причинами. Многие решения не доведены до формы, позволяющей инженерам их использовать. В ряде случаев проектировщиков отпугивает сложность расчетов и отсутствие надлежащей их методики. Часть решений, имеющаяся в периодической литературе, ведомственных изданиях, диссертациях, отчетах по научно-исследовательским работам, выпадает из поля зрения проектировщиков. Ряд решений не подтвержден соответствующими экспериментами, в том числе натурными, что вызывает недоверие к расчетным данным. Некоторые решения дают разноречивые результаты. Наконец, имеется инертность во внедрении в проектирование новых методов расчета: отдается предпочтение лабораторным исследованиям или принятию решений по аналогам.

Назрела необходимость обобщения предложений по гидравлическим расчетам зданий ГЭС, обобщения рекомендаций, полученных при лабораторных исследованиях турбинных блоков, отбора и переработки способов расчета, разработанных для других гидротехнических сооружений, в том числе таких, как способ расчета глубины размыва за креплениями, расчета концевых устройств, прогноза кавитации и пр.

Имеющиеся многочисленные решения по некоторым вопросам автор рассматривал с позиции инженера-проектировщика, который должен из большого числа рекомендаций выбрать наиболее достоверные. Эта задача осложняется тем, что число работ по многим вопросам велико, а результаты расчета не всегда одинаковы и даже противоречивы. Поэтому большое внимание в настоящей работе уделяется сопоставлению способов расчета, их критике, что должно способствовать отбору наиболее удачных решений и дальнейшему их совершенствованию. Некоторые из рассматриваемых решений схематичны и приближенны. Однако потребность в способах расчета настолько велика, что даже эти приближенные и, порой, грубые способы расчета представляют практический интерес.

Не имея возможности остановиться на всех или даже на большей части имеющихся работ по тем или иным вопросам, автор рассмотрел или позднейшие работы, или те, которые уже нашли применение в практике проектирования. Наиболее сложные из них поясняются примерами.

Изложение гидравлики зданий ГЭС потребовало в ряде случаев рассмотрения конструктивных решений элементов сооружения, что по возможности сведено к минимуму. Уделяется внимание классификации зданий ГЭС, терминологии. Это необходимо для более четкого изложения основного материала и устранения имеющейся путаницы в нашей литературе. Например, некоторые авторы делят здания ГЭС на водосливные и совмещенные, в то время как водосливные ГЭС сами по себе являются совмещенными. Устаревшие или в принципе неприемлемые определения содержатся в терминологии гидротехники и гидротурбин АН СССР. Пересмотр и введение некоторых новых определений оказались неизбежными.

Часть главы 4 (§ 4-1, 4-6 и 4-9) написана совместно с инженером С.И. Егоршиным; § 4-8 — с инженером Д.Д. Сейфулла. Автор признателен инженеру Э.И. Перцовой за помощь в работе над книгой и канд. техн. наук А. М. Прудовскому за его полезные советы, позволившие улучшить работу, а также заранее всем лицам, которые найдут возможность высказать критические замечания по работе.