RU2483158C1

RU2483158C1 - Vortex spillway

Info

Publication number: RU2483158C1
Application number: RU2011140562/13A
Authority: RU
Inventors: Валерий Валентинович Волшаник; Андрей Львович Зуйков; Генрих Васильевич Орехов; Павел Сергеевич Чурин
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-05-27
Also published as: RU2011140562A

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: vortex spillway includes a flow swirling device and a discharge water conduit. The output portal of the spillway with discharge of the swirled flow into atmosphere is equipped with a jet-directing deflector made in the form of a slant or figured cut of the output section of the discharge water conduit. The fan shape of the free jet during discharge of the swirled flow into atmosphere aids its efficient aeration and spraying in air, and also larger length of the line of coupling of the discharged jet with the bottom of the lower reach.

EFFECT: prevention of formation of substantial plunge basins, higher reliability and safety of spillway and water-retaining structures.

11 dwg

Description

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к глубинным водосбросам высоконапорных гидроузлов.The invention relates to hydraulic engineering, and in particular to deep spillways of high-pressure hydroelectric facilities.

Известны водосбросные устройства для напорных водоудерживающих сооружений, включающие подводящий водовод, закручивающее поток устройство (завихритель) и отводящий водовод [1]. После завихрителя в отводящий водовод водосбросного устройства поступает закрученный (циркуляционно-продольный) поток, имеющий помимо аксиальных скоростей u_x, направленных вдоль водовода, азимутальные скорости u_θ, направленные по его окружности и создающие поперечную циркуляцию в потоке. Данные устройства называются вихревыми водосбросами, при этом закручивающее устройство может быть любой конструкции, например в виде направляющего аппарата реактивной гидротурбины, тангенциального завихрителя и др. [2-4].Known spillway devices for pressure water-retaining structures, including the inlet conduit, a swirling device (swirl) and the outlet conduit [1]. After the swirler, a swirling (circulation-longitudinal) flow enters the outlet conduit of the spillway device, which, in addition to the axial velocities u _x directed along the conduit, has azimuthal velocities u _θ directed along its circumference and creating transverse circulation in the flow. These devices are called vortex spillways, while the swirling device can be of any design, for example, in the form of a guiding apparatus of a jet turbine, tangential swirl, etc. [2-4].

Недостатком этих устройств является установленный экспериментально [5], а в последующем доказанный теоретически [6 - 8] эффект, состоящий в том, что в вихревых водосбросах с гашением поперечной циркуляции по длине отводящего водовода поток сначала теряет устойчивость, трансформируясь в спиралевидное течение с нарастающим по длине водовода спиралевидным изгибом его оси вращения - так называемого вихревого шнура, а затем разрушается в результате дестабилизации последнего, который начинает вращаться вместе с потоком, после чего происходит распад течения на отдельные крупные вихревые образования. Это явление называется «распадом вихря». Прецесс вихревого шнура и распад потока сопровождаются мощной динамикой с уровнем пульсаций скоростей и давлений, значительно превышающим уровень развитой турбулентности. Механизм потери устойчивости и смены форм движения циркуляционно-продольного течения известен. Любой закрученный поток имеет две характерные области: вихресодержащую центральную область (вихревое ядро) со значительной завихренностью и периферийную область с малой завихренностью. Вихревое ядро является нестационарной областью потока, в которой зарождаются возмущения, нарушающие его осевую симметрию. В результате, теряя циркуляцию, а с ней теряя стабилизирующее силовое центробежное поле, поток оказывается неспособным подавлять эти несимметричные возмущения и переходит от симметричной формы к спиралевидной. Дальнейшее вырождение циркуляции приводит к распаду циркуляционного течения в связи со слабостью остаточной закрутки. Описанные явления происходят в отводящих водоводах длиной более 60 их диаметров, а также при выходе закрученного потока под уровень нижнего бьефа [3]. Потерю устойчивости с разрушением высокоскоростного потока и переход к стохастическому движению следует признать неприемлемыми для высоконапорных водосбросных сооружений.The disadvantage of these devices is the experimentally established [5], and subsequently theoretically proved [6–8] effect, consisting in the fact that in vortex spillways with damping of the transverse circulation along the length of the outlet conduit, the flow first loses stability, transforming into a spiral flow with increasing along the length of the conduit with a spiral bend of its axis of rotation - the so-called vortex cord, and then collapses as a result of destabilization of the latter, which begins to rotate with the flow, after which p upstream of the flow into individual large vortex formations. This phenomenon is called "vortex decay." The precession of the vortex cord and the decay of the flow are accompanied by powerful dynamics with a level of pulsations of velocities and pressures, significantly exceeding the level of developed turbulence. The mechanism of buckling and changing the forms of movement of the circulation-longitudinal flow is known. Any swirling flow has two characteristic regions: a vortex-containing central region (vortex core) with significant vorticity and a peripheral region with low vorticity. The vortex core is a non-stationary region of the flow in which disturbances arise that violate its axial symmetry. As a result, losing circulation, and with it losing the stabilizing force centrifugal field, the flow is unable to suppress these asymmetric perturbations and passes from a symmetrical shape to a spiral one. Further degeneration of the circulation leads to the decay of the circulation flow due to the weakness of the residual swirl. The described phenomena occur in the outlet conduits with a length of more than 60 of their diameters, as well as when the swirling flow exits the level of the downstream [3]. The loss of stability with the destruction of the high-speed flow and the transition to stochastic movement should be recognized as unacceptable for high-pressure spillway structures.

Известны также вихревые водосбросы, в которых отводящий водовод выполнен коротким (длиной существенно меньше 50 его диаметров), при этом закрученный поток выбрасывается в атмосферу и приобретает в воздухе форму однополосного гиперболоида вращения [2, с.237, рис.16.6; 3, с.93, рис.3.20], напоминая этим струю, исходящую в атмосферу из-под конусного затвора. Такая форма выходящей свободной струи обусловлена не только закруткой потока, но и наличием в нем замкнутого на атмосферу вихревого жгута - воздушной полости диаметром 2r₀ с атмосферным давлением.Vortex spillways are also known, in which the outlet conduit is made short (substantially less than 50 diameters long), while the swirling flow is released into the atmosphere and takes on the form of a single-band rotation hyperboloid [2, p. 237, Fig. 16.6; 3, p.93, fig.3.20], reminding them of the jet emanating into the atmosphere from under a conical shutter. This shape of the outgoing free stream is caused not only by the swirling of the flow, but also by the presence of a vortex bundle closed to the atmosphere — an air cavity with a diameter of 2r ₀ with atmospheric pressure.

Отброс высокоскоростной струи от сооружения позволяет избежать описанных недостатков схемы с длинным отводящим водоводом, связанных с высокой динамикой при распаде течения в пределах проточного тракта, и погасить механическую энергию потока путем его аэрации и распыления в атмосфере, а также в месте падения в воронке размыва на дне нижнего бьефа. Такое выполнение водосбросного сооружения показано на фиг.1, где 1 - подводящий водовод, 2 - камера затвора, 3 - завихритель потока, выполненный в виде поворотных лопаток (аналогичных направляющему аппарату реактивной гидротурбины, показанных на фиг.2), 4 - гидропривод, 5 - обтекатель, 6 - короткий отводящий водовод, 7 - воздуховод, 8 - опорные колонны, 9 - свободная струя в виде однополосного гиперболоида вращения, 10 - вихревой жгут.The rejection of the high-speed jet from the structure avoids the described drawbacks of the long discharge conduit scheme associated with high dynamics during flow decay within the flow path, and to extinguish the mechanical energy of the stream by aeration and spraying in the atmosphere, as well as at the place of the fall in the erosion funnel at the bottom downstream. This embodiment of the spillway structure is shown in Fig. 1, where 1 is the inlet conduit, 2 is the shutter chamber, 3 is the flow swirl made in the form of rotary blades (similar to the guiding apparatus of the jet turbine shown in Fig. 2), 4 is the hydraulic actuator, 5 - fairing, 6 - short discharge duct, 7 - duct, 8 - supporting columns, 9 - free stream in the form of a single-band rotation hyperboloid, 10 - vortex bundle.

Однако на фиг.1 можно видеть, что низовая часть выходящей струи резко уходит вниз к подошве сооружения, что опасно подмывом последнего с его разрушением или потерей статической устойчивости. При правильно запроектированном водосбросе с сопряжением бьефов отброшенной струей воронка размыва должна располагаться на таком удалении от сооружения, при котором опасность его подмыва исключается.However, in FIG. 1, it can be seen that the lower part of the outgoing stream abruptly goes down to the bottom of the structure, which is dangerous by washing the latter with its destruction or loss of static stability. With a correctly designed spillway with the conjugation of the upstream waters by a discarded stream, the washout funnel should be located at such a distance from the structure that the risk of washing it out is excluded.

Цель изобретения - повышение надежности и безопасности водосбросных и водоподпорных сооружений.The purpose of the invention is to increase the reliability and safety of spillway and water structures.

Указанная цель достигается тем, что выходной портал вихревого водосброса с выбросом закрученного потока в атмосферу снабжен струенаправляющим дефлектором, выполненным в виде косого или фигурного среза выходного сечения короткого отводящего водовода.This goal is achieved by the fact that the output portal of the vortex spillway with the release of swirling flow into the atmosphere is equipped with a directional deflector made in the form of an oblique or curly section of the output section of a short outlet conduit.

Рассмотрим работу простейшего струенаправляющего дефлектора, выполненного в виде косого среза выходного сечения отводящего водовода вихревого водосброса под углом α к горизонту (фиг.3). Пусть закрученный поток имеет вращение против часовой стрелки, нетрудно видеть, что в этом случае исключить сброс потока в сторону подошвы сооружения, можно, если его выпуск в атмосферу осуществить только в правом секторе выходного сечения в пределах по углу β от 0 до π. Это условие выполняется, если угол закрутки потока θ=arctg(u_θ/u_x) существенно превышает угол скоса выходного сечения α. Тогда закрученный поток, подойдя к косому срезу выходного сечения, начинает выбрасываться в атмосферу в его верхней точке. Часть потока, которая прошла верхнюю точку водовода непосредственно перед срезом, отсекается косой цилиндрической стенкой и, пройдя вдоль нее половину периметра, выбрасывается в атмосферу в его нижней точке. Другая часть потока, которая подошла к срезу, не пройдя верхней точки водовода, сбрасывается по косому периметру правого сектора выходного сечения (вид по А-А на фиг.4). Такой режим работы вихревого водосброса следует считать оптимальным (номинальным), при котором достигается симметричный относительно оси водовода выброс потока в атмосферу. Соотношение между углом скоса выходного сечения α и углом закрутки потока θ=arctg(u_θ/u_x), обеспечивающее указанный режим работы водосброса, определяется соответствующим расчетом и подлежит экспериментальному подтверждению. На фиг.5 в качестве дополнительного примера показан некий промежуточный режим работы водосбросаConsider the work of the simplest directing deflector, made in the form of an oblique cut of the output section of the outlet conduit of the vortex spillway at an angle α to the horizontal (Fig. 3). Suppose that the swirling flow has a counterclockwise rotation, it is easy to see that in this case it is possible to exclude the discharge of the flow towards the sole of the structure, if it can be released into the atmosphere only in the right sector of the output section within the angle β from 0 to π. This condition is satisfied if the swirl angle θ = arctan (u _θ / u _x ) substantially exceeds the slant angle α of the output section. Then the swirling flow, approaching the oblique cut of the outlet section, begins to be released into the atmosphere at its upper point. The part of the stream that passed the upper point of the water conduit just before the cut is cut off by an oblique cylindrical wall and, having passed along it half the perimeter, is released into the atmosphere at its lower point. The other part of the flow, which approached the cut, without passing the upper point of the water conduit, is discharged along the oblique perimeter of the right sector of the output section (view along AA in FIG. 4). This mode of operation of the vortex spillway should be considered optimal (nominal), in which a stream is released symmetrically with respect to the axis of the conduit into the atmosphere. The ratio between the slope angle of the outlet cross section α and the swirl angle θ = arctan (u _θ / u _x ), which ensures the specified spillway operation mode, is determined by the corresponding calculation and is subject to experimental confirmation. Figure 5 as an additional example shows a certain intermediate mode of operation of the spillway

На фиг.6-10 показаны факелы распыла закрученного потока в атмосфере при различных режимах работы глубинного вихревого водосброса с отводящим водоводом диаметром 2R=6 м, длиной 5 калибров и углом скоса выходного сечения α=22,8 град. Расчеты выполнены при напоре Н=200 м и отметке дна нижнего бьефа относительно верхней точки среза выходного сечения Z_НБ=-40 м. При этом на фиг.6 показан режим работы водосброса при геометрической характеристике завихрителя [8] равной A=1,03, угол закрутки потока в выходном сечении на этом режиме составляет θ=33,5 град., пропускаемый расход Q=750 м³/с; на фиг.7 - А=1,68, θ=42,5 град., Q=560 м³/с; на фиг.8 - А=2,66, θ=50,4 град., Q=415 м³/с; на фиг.9 - А=5,18, θ=59,9 град., Q=250 м³/с; на фиг.10 - А=19,46, θ=72,2 град., Q=80 м³/с. Следует иметь в виду, что реальный факел распыла закрученного потока - это сплошная пространственная поверхность, на начальном участке при слабой аэрации представляющая собой водяной купол, поэтому визуальное представление его в виде отдельных струй условно. На фиг.11 пунктиром показаны горизонтальные проекции пятен (линий) удара свободных струй о дно нижнего бьефа, которые формируют общую воронку размыва (штриховая замкнутая линия); буквенные обозначения пятен удара соответствуют описанным режимам работы водосброса в их показанной последовательности. Точка «0» на фиг.11 соответствует отбросу потока при максимальной пропускной способности водосброса, равной Q=1200 м³/с, угол закрутки потока θ при этом равен нулю, выходящая струя имеет компактную форму и, не касаясь стенок водовода, выбрасывается в атмосферу.Figure 6-10 shows the torches spray swirling flow in the atmosphere at different modes of operation of the deep vortex spillway with a discharge conduit with a diameter of 2R = 6 m, a length of 5 calibers and a slope angle of the outlet cross section α = 22.8 degrees. The calculations were performed at a pressure of Н = 200 m and a mark of the bottom of the downstream relative to the upper cut-off point of the output section Z _NB = -40 m. In this case, Fig. 6 shows the spillway operating mode with the geometric characteristic of the swirl [8] equal to A = 1.03, the swirl angle of the flow in the outlet section in this mode is θ = 33.5 deg., flow rate Q = 750 m ³ / s; in Fig.7 - A = 1.68, θ = 42.5 degrees., Q = 560 m ³ / s; in Fig.8 - A = 2.66, θ = 50.4 degrees., Q = 415 m ³ / s; in Fig.9 - A = 5.18, θ = 59.9 degrees., Q = 250 m ³ / s; figure 10 - A = 19.46, θ = 72.2 degrees., Q = 80 m ³ / s. It should be borne in mind that the real swirling torch of swirling flow is a continuous spatial surface, which in the initial section with weak aeration is a water dome, therefore, visual representation of it in the form of separate jets is arbitrary. 11, the dotted line shows horizontal projections of spots (lines) of impact of free jets on the bottom of the downstream, which form a common washout funnel (dashed closed line); the lettering of the impact spots corresponds to the described spillway operating modes in their sequence shown. Point “0” in FIG. 11 corresponds to the flow rejection at the maximum spillway throughput equal to Q = 1200 m ³ / s, the flow swirl angle θ is equal to zero, the outgoing stream has a compact shape and, without touching the walls of the water conduit, is released into the atmosphere .

На фиг.6 и 11 можно видеть, что при пропуске расхода Q=750 м³/с обеспечивается эффективный отброс потока от подошвы сооружения в виде веерного факела распыла на расстояние от 120 до 280 м, при этом пятно (линия) удара падающей свободной струи о дно нижнего бьефа имеет подковообразную форму, симметричную относительно оси сооружения. Протяженность линии сопряжения отброшенной веерной струи с дном нижнего бьефа составляет более 600 м. Для расчетного водосброса это оптимальный (номинальный) режим работы.In Figs. 6 and 11, it can be seen that when the flow rate is skipped, Q = 750 m ³ / s, effective flow rejection from the sole of the structure in the form of a fan-shaped spray jet at a distance of 120 to 280 m is provided, while the spot (line) of the impact of the incident free stream about the bottom of the downstream has a horseshoe-shaped shape, symmetrical about the axis of the structure. The length of the interface line of the discarded fan stream with the bottom of the downstream is more than 600 m. For the calculated spillway, this is the optimal (nominal) mode of operation.

На режимах с большей закруткой потока и меньшей пропускной способности, которые имеют место во время регулирования вихревого водосброса (открытие - закрытие регулирующего затвора), факел распыла закрученного потока изменяет свою форму. На фиг.7-10 можно видеть, что при снижении открытия регулирующего направляющего аппарата линия сопряжения веерной струи с дном нижнего бьефа смещается вправо от оси сооружения, а дальность отброса струи плавно нарастает до 160-380 м.In modes with a greater flow swirl and lower throughput, which occur during the regulation of the vortex spillway (opening - closing the control shutter), the spray torch of the swirling flow changes its shape. In Figs. 7-10, it can be seen that as the opening of the regulating guide vane is reduced, the interface line of the fan stream with the bottom of the downstream is shifted to the right of the construction axis, and the throwing distance of the stream gradually increases to 160-380 m.

При пропуске максимального расхода (Q=1200 м³/с) поток отбрасывается от подошвы сооружения по оси водовода в виде компактной струи, аналогичной струе, выходящей из-под игольчатого или кольцевого затворов, на расстояние 170 м (фиг.11 точка «0»).When skipping the maximum flow rate (Q = 1200 m ³ / s), the flow is discarded from the sole of the structure along the axis of the water conduit in the form of a compact jet, similar to the jet emerging from under the needle or ring valves, to a distance of 170 m (Fig. 11 point "0" )

Веерная форма свободной струи при выбросе закрученного потока в атмосферу, способствующая ее эффективной аэрации и распылению в воздухе, а также большая протяженность линии сопряжения отброшенной струи с дном нижнего бьефа, предотвращают образование существенных воронок размыва.The fan-shaped free stream when ejecting a swirling stream into the atmosphere, which contributes to its effective aeration and dispersion in air, as well as the large length of the line connecting the discarded stream to the bottom of the downstream, prevent the formation of significant erosion funnels.

При вариантах с развернутым вокруг оси водовода косым срезом или при выполнении среза фигурным по любой пространственной кривой или ломаной линии факелы распыла потока будут иными. Это дает возможность широкого варьирования при проектировании выходных порталов вихревых водосбросов.In cases with an oblique slice deployed around the axis of the water conduit, or when performing a curly slice along any spatial curve or broken line, the flow spray torches will be different. This makes it possible to vary widely when designing output portals of vortex spillways.

Источники информации, принятые во вниманиеSources of information taken into account

1. Авторское свидетельство СССР №271382, кл. Е02В 8/06, 1970.1. USSR Copyright Certificate No. 271382, cl. EBB 8/06, 1970.

2. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.237, рис.16.6.2. Hydraulic calculations of spillway hydraulic structures. Reference manual. - M .: Energoatomizdat, 1988, p. 237, Fig. 16.6.

3. Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Мордасов А.П. Закрученные потоки в гидротехнических сооружениях. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.45-48, рис.2.4-2.7.3. Volshanik V.V., Zuykov A.L., Mordasov A.P. Swirling flows in hydraulic structures. - M .: Energoatomizdat, 1990, p. 45-48, Fig. 2.4-2.7.

4. Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Куприянов В.П., Новикова И.С., Родионов В.Б., Ханов Н.В., Цедров Г.Н., Асташова И.В. Особенности движения воздухонасыщенного потока воды в высоконапорных вихревых водосбросах // Безопасность энергетических сооружений. 2010, Вып.17, с.236-251.4. Volshanik V.V., Zuikov A.L., Kupriyanov V.P., Novikova I.S., Rodionov V.B., Khanov N.V., Tsedrov G.N., Astashova I.V. Features of the movement of air-saturated water flow in high-pressure vortex spillways // Safety of energy facilities. 2010, Issue 17, p. 236-251.

5. Животовский Б.А. Водосбросные и сопрягающие сооружения с закруткой потока. М., Изд-во РУДЫ. 1995, с 75-77, рис.36.5. Zhivotovsky B.A. Spillways and mating structures with swirling flow. M., Ore Publishing House. 1995, p. 75-77, fig. 36.

6. Зуйков А.Л. Устойчивость циркуляционно-продольного течения // Известия ВУЗов. Строительство, 2009, №11-12, с.77-86.6. Zuykov A.L. The stability of the circulation-longitudinal flow // News of universities. Construction, 2009, No. 11-12, p.77-86.

7. Зуйков А.Л. Гидродинамика циркуляционных течений. М., Изд-во АСВ, 2010, с.101-114, рис.1.17-1.20.7. Zuykov A.L. Hydrodynamics of circulating currents. M., DIA Publishing House, 2010, pp. 101-114, Fig. 1.17-1.20.

8. Ахметов В.К., Шкадов В.Я. Численное моделирование вязких вихревых течений для технических приложений. М., Изд-во АСВ, 2009, с.60-98.8. Akhmetov V.K., Shkadov V.Ya. Numerical simulation of viscous vortex flows for technical applications. M., DIA Publishing House, 2009, p. 60-98.

Claims

A vortex spillway, including a swirling device and a discharge conduit, characterized in that the outlet spillway portal with a swirling flow into the atmosphere is equipped with a directional deflector made in the form of an oblique or curly section of the outlet cross-section of the outlet conduit.