Неустановившееся движение водных потоков

Министерство Образования  и Науки Российской Федерации

 

Новосибирский Государственный

Архитектурно-Строительный Университет

(Сибстрин)

 

 

 

 

 

Кафедра Гидротехнических сооружений и 

Гидравлики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему: «Неустановившееся  движение водных потоков».

 

КР. ГТСГ. 15-ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                        Выполнил: студент гр.371а

Михайлов А.А.                                                                                                      Проверила: Губанова О.И.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск, 2011г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

Пояснительная записка

КР. ГТСГ. 15-ПЗ

 

 

 

       

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Возникновение волновых процессов в открытых деривационных  каналах ГЭС вызывается их работой  на суточном графике, случайными внезапными сбросами нагрузки и другими причинами. Эти явления наблюдаются как в форме перемещения волны на поверхности вдоль канала, так и в форме колебания воды в данном створе канала.

При расчете деривационного канала в условиях неустановившегося движения требуется определить наибольшие и наименьшие отметки горизонта свободной поверхности воды в отдельных створах деривационного канала. Неустановившееся движение – это движение, при котором частные скорости в каждой данной точке пространства меняются со временем. При этом различают медленноизменяющееся и быстроизменяющееся движения.

Явление попеременного  изменения давления в различных  сечения трубопровода при резком изменении скорости движения жидкости в одном из сечений называется  гидравлическим ударом. Удар распространяется по трубопроводу, как упругая волна со скоростью, зависящей от сжимаемости жидкости и от упругости стенок трубопровода. Определение величины удара производится для расчета водоводов на прочность. Гидравлический удар оказывает существенное влияние на переходные процессы при работе турбинных агрегатов: пуск, остановка, отключение от электросистемы и других, и должен учитываться при их расчетах.

 

Содержание

 

Введение ………………………………………………………………………..

  1.Расчет гидравлического удара в турбинном водоводе…………………

1.1. Расчет прямого  гидравлического удара………………………………

1.2. Расчет непрямого  гидравлического удара……………………………

1.3. Расчет гидравлического удара с учетом закона закрытия затвора....

2. Расчет нестационарных процессов в деривационном канале ГЭС…….

2.1. Определение наибольших  отметок уровня воды в открытой  деривации при внезапном уменьшении  нагрузки ГЭС…………………..

2.2. Определение наибольших отметок уровня воды в открытой деривации при внезапной и полной остановке турбин ГЭС…………….

2.3. Определение наименьших отметок  уровня воды при внезапном  увеличении нагрузки ГЭС…………………………………………………

Список литературы…………………………………………………………….

 

1. Расчет гидравлического  удара в турбинном водоводе

 

Для расчета необходимо рассмотреть совмещенный график (рис.1.1), с помощью которого был определён минимальный расход деривационного канала . Расход – это наибольший расход холостого сброса (быстротока) при , т.е.

 

Определяется отметка  при наибольшем расходе холостого сброса :

,                                             (1)

 

где – отметка дна в пределах выходной части водоската (быстротока);

 – нормальная глубина в отводящем канале, м.

 

.

 

Строим график вида Q = f (H) зависимости уровня нижнего бьефа за зданием ГЭС от расхода в реке (рис.1.2). Проводим кривую Q=f(H) используя следующий приём из курса водные изыскания: рекомендуется на приращение расхода 50 м³/с увеличивать уровень воды в реке не более чем на 25-30 см. Принимаем: на приращение расхода 50 м³/с уровень воды в реке увеличивается на 25 см.

Анализируем ситуацию, когда  расход через ГЭС равен расходу 

, т.е. 

где – максимальный расход пропускаемый через турбины ГЭC.

 

 

На совмещенном графике (рис.1.1) откладываем расход и тем самым получаются две точки: точка 1 и точка 2. Точка 2 опускается на ось

абсцисс и получается точка 5, а  точка 1 сносится на ось ординат и  получается точка 4. На графике (рис.1.1) отрезок 1-2 определяет расход через  ГЭС, отрезок 4-1 – расход через быстроток.

Разница между отметкой порога и  отметкой точки 4 определяет величину напора Н = 2,6 м. Отрезок 0-5 представляет собой расход реки = 110 м³/с.

Уровень воды в напорном бассейне равен:

,                                               (2)

.

 

Затем откладывается  расход реки Q_рек м³/с на рис.1.2 и получается отметка УНБ^’, которая равна:

 

.

 

После построения графика Q=f(H) и определения отметки  , находится статический напор на турбине ГЭС. Статический напор определяется как разность уровней в напорном бассейне и отметкой уровня нижнего бьефа в створе выхода потока из отсасывающих труб ГЭС:

 

                                       (3)

 

.

 

1.1. Расчет прямого гидравлического  удара

 

Частным случаем прямого  гидравлического удара является удар, возникающий при «мгновенном» закрытии задвижки.

Если время закрытия задвижки меньше продолжительности фазы удара, то удар называется прямым.

При возникновении гидравлического  удара движущаяся жидкость начинает останавливаться и её кинетическая энергия переходит в потенциальную  энергию давления, остановка  жидкости происходит от слоя к слою. В механике жидкости этот процесс рассматривается как процесс распространения возникшего, в каком-либо сечении трубопровода, возмущения и носит волновой характер.

Граница, разделяющая жидкость, находящуюся  в «нормальном» и возмущенном  состояниях называется фронтом ударной  волны, который распространяется с некоторой скоростью по трубопроводу, эта скорость называется скоростью распространения фронта ударной волны. Ударная волна в процессе гидравлического удара распространяется как от задвижки к резервуару, так и обратно и «приносит» как повышение давления по сравнению с первоначальным, так и понижение.

Предполагаем, что в каждой турбине  вода подаётся по двум водоводам. Следовательно, расчетный расход определяется по формуле:

                                                  (4)

 

где N – количество агрегатов, установленных в здании ГЭС, N=2.

 

 

В случае подачи воды к  каждой турбине по двум водоводам, расчетный  расход определяется по формуле:

 

где 2 – количество водоводов к  каждой турбине.

 

 

Начальное манометрическое давление у аварийных затворов турбинных  водоводов определяется по формуле:

                                   (5)

где 

        - плотность воды ( ) при t=4⁰С;

- потери удельной механической  энергии в водоводе, м;

- средняя скорость движения  воды в водоводе до возникновения

гидравлического удара, м/с ( ).

Коэффициент гидравлического трения λ следует определять по формуле:

 

                                              (6)

 

где ∆ – эквивалентная  шероховатость для стального  водовода,

(∆ =0,5·10^-3 м).

В дальнейших вычислениях  следует иметь в виду, что площадь поперечного сечения водовода, входного сечения водоприемного турбинного водовода и площадь сороудерживающей решетки в свету отличаются. Следовательно, приняв площадь поперечного сечения трубопровода за расчетную, необходимо коэффициенты сопротивления ξ_реш , ξ_вх, ξ_вых привести к этой расчетной площади.

При выборе сороудерживающей решетки  в свету и площади водоприёмника  турбинного водовода следует руководствоваться  следующим.

Необходимая площадь решетки в  свету может быть определена по формуле:

                                                         (7)

где  –средние подходные скорости воды, допускаемые для безопасной

эксплуатации решетки, лежащие  в пределах  .

 

Коэффициент сопротивления  на решетке зависит от размеров стержней решетки, степени стеснения потока конструктивными элементами решетки, засорения решетки и направления  скоростей перед решеткой.

Величина коэффициента ξ_реш при фронтальном подходе потока к решетке может быть определена по формуле А.Р.Березинского:

 

                (8)

 

где  – коэффициент, зависящий от содержания в воде мусора и способа очистки решетки ( );

 – коэффициент формы стержней  решетки ( );

 – толщина стержня решетки  ( );

  – ширина стержня решетки ( );

– просвет между стержнями ( );

– угол наклона решетки к горизонту( ).

 

Площадь поперечного  сечения входного отверстия водоприемника, которая определяется допустимыми  скоростями течения воды     

Потери напора в водоводе на участке от входа в водоприемник и до места установки затвора  определяется по формуле:

 

                      (9)

 

где – длина трубопровода, м;

  – диаметр трубы, м;

ξ_вх – коэффициент сопротивления при входе потока в водоприемник

деривационного трубопровода ξ_вх=0,2;

ξ_реш – коэффициент сопротивления на сороудерживающей решетке; 

λ – коэффициент гидравлического  трения;

- коэффициент Кориолиса  ;

, - принятое значение диаметра водовода,м.

Расчеты:

 

, принимаем условный внутренний диаметр:

 

 и соответствующую ему  наименьшую толщину оболочки  .

 

 

 

                                              

 

 

Порядок выполнения расчета:

1.Определяется толщина  стенок  водовода при начальном манометрическом давлении, т.е. когда давление в трубопроводе у затвора равно .

 

 

2. Определяется толщина стенок водовода,  предполагая, что стенки водовода абсолютно жесткие, т.е. даже при значительном повышении давления расширения водовода не происходит.

Тогда , так как .

Скорость звука в  жидкости определяется по формуле:

,                                                       (10)

где  - модуль упругости воды, при t=20⁰С.

 

.

 

Вычисляется максимальная величина повышения давления при гидравлическом ударе у затвора:

.

 

Вычисляется величина полного  давления:

.

 

Определяется толщина стенок водовода:

 

 

 

_{3. Определяется толщина стенок водовода с учетом упругости стенок трубопровода:}

 

 

_{Принимаем:}

 

 

1.2. Расчет непрямого гидравлического  удара