Информационно-технологическое обеспечение расчета параметров вихревой галереи для защиты нижних бьефов гидроузлов от размыва

При пропуске строительных расходов и на этапах эксплуатации гидроузлов возможно возникновение местных размывов в нижнем бьефе за креплением водосливного сооружения, превышающих проектные значения. Развитие этих процессов может привести к нарушению нормальной эксплуатации сооружений и возникновению аварийных ситуаций [1].

Разработку устройств для минимизации местных размывов и их ликвидации на этапах эксплуатации можно осуществить на основе использования метода искусственной поперечной циркуляции, предложенного Потаповым [2]. На основании обзора конструкций вихревых устройств можно заключить, что интенсификация их работы возможна за счет повышения компактности вихря и увеличения индуктивных скоростей. Поскольку причиной снижения эффективности вихревой галереи Потапова является неустойчивость вихря из-за резких переходов от одной плоскости к другой, предлагается камера цилиндрической формы.

Вихревая галерея предложенной конструкции присоединена к платформе, перемещающейся на двух катках, верхний по потоку из которых имеет больший диаметр и при загрузке приобретает больший вес по сравнению со вторым катком, обеспечивая пригруз всей системы и момент относительно оси малого катка, удерживающий подвижное основание от опрокидывания при динамическом воздействии на вихревую галерею (рис. 1) [3].

Рисунок 1. Общий вид установки галереи с подвижным основанием: 1 - концевое крепление нижнего бьефа плотины; 2 - передвижное устройство для формирования поперечного потоку вихря;

3 - якоря-присосы; 4 - барабан регулирующей лебедки (барабанной)

Рым-болты, присоединенные к канатам, пропущенным через скобы гравитационных якорей-присосов, удерживают систему в заданном положении. При включении барабанных лебедок и выборе каната платформа перемещается вверх по течению. При противоположном направлении вращения вихревая галерея вместе с платформой смещается ближе к месту локализации размыва.

Конструкция вихревой галереи с подвижным основанием (рис. 2) опускается в поток за счет веса ее элементов и прежде всего массивного пригружающего катка. При установке платформы на рисберму необходимо установить в нижней части дополнительные рым-болты, позволяющие сориентировать систему в заданном направлении. После чего нижние установочные канаты отсоединяются и вся нагрузка передается на регулировочные канаты и лебедки.

Рис. 2. Вихревая галерея с подвижным основанием: 1 – вихревая галерея; 2 – платформа подвижного основания; 3 – массивный пригружающий каток; 4 – опорный каток; 5 – силовые элементы платформы;

6 – консольные опоры платформы; 7 – подшипники скольжения;

8 – рым-болт; 9 – фартук

Расчет устройства на опрокидывание связан с определением моментов относительно опорного катка. В качестве сил, вызывающих моменты выступают вертикально направленные силы тяжести пригружающего катка, распределенная нагрузка веса платформы, действующая с левой стороны, а также вес части платформы ниже вертикали установки опорного катка и вес вихревой галереи (рис. 3).

Рис. 3. Схема вихревой галереи с подвижным основанием

Для повышения точности моментов необходимо учесть выталкивающие архимедовы силы, направленные вертикально вверх против сил тяжести. Дополнительно возникает сила справа от вертикальной оси опорного катка от действия гидродинамического давления потока. Сила гидродинамического давления определяется величиной давления потока pv ² / 2, распределённой по вертикальной проекции отклоняющей части вихревой галереи на плоскость перпендикулярную направлению потока, сходящего в галерею.

Ниже представлен листинг программы расчета подвижного основания вихревой галереи на опрокидывание, реализованной в прикладной программной среде MathCad.

Ускорение свободного падения g : = 9 . 81 м/с².

Скорость равномерного движения в отводящем русле v: = 5 . 769 м/с.

Плотность воды р : = 1000 кг/м³.

Гидродинамическое давление p_Г :

= р • — = 1 . 664 х 10⁴ Па.

Диаметр вихревой галереи D_B : = 2, м.

Длина оболочки пригружающего катка В : = 12 м.

Сила гидродинамического давления P: = p Г • D_B • В = 3 . 994 х 10 5 Н.

Расстояние от оси опорного катка до оси галереи L_v: = 1 . 9 м.

Расстояние от оси опорного катка до линии действия гидродинамического давления на вихревую галерею l_v : = 1 . 1 м.

Погонная масса подвижного основания т : = 100 кг/м.

Масса подвижного основания M: = т • L = 190 кг.

Вес подвижного основания G_o : = M • g = 1 . 864 х 10³ Н.

Диаметр пригружающего катка D K : = 1 . 4 м.

Погонная масса оболочки пригружающего катка т_к : = 991 кг/м.

Погонная масса поперечной связи пригружающего катка т_пс : = 14 . 2 кг/м.

Масса поперечной связи пригружающего катка

M_ПС : = т_ПС • B = 170 . 4 кг.

Масса оболочки пригружающего катка M_ПК : = т_к • B = 1 . 189 • 10⁴ кг.

Плотность заполнителя пригружающего катка р_к : = р , кг/м³.

Внутренний объем пригружающего катка V_K : = ““ K • B = 13 . 195 м³.

Масса заполнителя пригружающего катка

M_ЗК : = р _к • V_K = 1 . 319 х 10⁴ кг.

Плотность стали крышек пригружающего катка р_Т : = 7800 кг/м³.

Толщина крышек пригружающего катка Kt_к : = 6 • 10 ^{- 3} м.

Масса торцевых крышек пригружающего катка

D ²

M_TK : = 2 • p_CT • п • —K • A t_K = 144 . 086 кг.

Площадь консольных опор пригружающего катка S_KO : = 0 . 7 м 2 .

Масса консольных опор пригружающего катка

M К _о : = 2 • p C _T • S_KO • At_K = 65 . 52 кг.

Масса подшипников пригружающегокатка M_n : = 2 • 11, кг.

Масса пригружающего катка

M_K : = M_nк + М_ж + М_пс + М_тк + М_к0 + М_п = 2 . 549 х 10⁴ кг.

Вес пригружающего катка G_K : = M_K • g = 2 . 5 х 10⁵ Н.

Число продольных связей подвижного основания n_c : = 7 шт.

Погонная масса покрытия подвижного осмнования т_ппс : = 565 . 2 кг/м.

Погонная масса продольной связи подвижного основания тПРС : = тПС • ПС + тППС = 664.6 кг/м.

Погонный вес подвижного основания q : = т_ПРC • g , кг.

Масса жидкости, вытесненной пригружающим катком

M„ : = p • V_K = 1 . 319 х 10⁴ кг a  KK

Масса вихревой галереи M ВГ : = 3391 . 2 кг.

Вес вихревой галереи G_Br : = М ВГ • g = 3 . 327 х 10⁴ кг.

Масса струенаправляющего фартука М сф : = 1695 . 6 кг.

Вес струенаправляющего фартука G_с ф : = М сф • g = 1 . 663 х 10⁴ кг.

Расстояние от оси пригружающего катка до центра тяжести фартука 1 ф : = 1 . 5 м.

Диаметр опорного катка D_OK : = 0 . 8 м.

Погонная масса оболочки опорного катка т_ок : = 162 кг/м.

Длина оболочки опорного катка B: = 12 кг/м.

Погонная масса поперечной связи опорного катка т^ : = 14 . 2 кг/м.

Масса поперечной связи опорного катка M_OK : = m_OC • B = 170 . 4 кг.

Масса оболочки опорного катка M_OOK : = т_ок • B = 1 . 944 х 10 3 кг/м.

Плотность заполнителя опорного катка р : = р = 1 х 10 3 кг/м.

Внутренний объем катка V_OK : = ^П ^^ок • B = 7 . 54 м 3 .

Масса заполнителя опорного катка M_3OK : = р • V_oк = 7 . 54 х 10 3 кг/м.

Масса опорного катка M_OK : = M_ooк + M_3Oк + Moк = 9 . 654 • 10 3 кг.

Вес жидкости, вытесненный опорным катком

G a : = Р к • V k • g = 1 . 294 • 10⁵ Н.

Масса торцевых крышек опорного катка

M_OK: = 2 • р_Т • п • —^ок •A и • B = 9 . 654 х 10 3 кг.

OK       СТ            K

Момент от внешних сил, действующих слева от опорного катка

M 1 : =- ( G k + G o - G a ) • L - q • L 2 - G сф • ( L + 1 ф ) , Н-м.

Момент от внешних сил, действующий справа от опорного катка

M ₂ : = P • 1 1 + G_Br • L 1 + q • у, Н-м.

Расчет минимальной длины подвижного основания из условия опрокидывания, м.

Given

(

Gсф ’(L + 4 )+ P •11 + GBr • L1 + q ~=

V

L ²

- (gk + Go - Ga )•L - q — -

Find ( L ) float , 4 ^ ( - 45 . 94 3 . 268 )

Из физических соображений выбираем положительное значение минимальной длины подвижного основания, которое должно быть не менее L >  3 . 268 м.

На основании автоматизированного расчета подвижного основания вихревой галереи на опрокидывание можно заключить, что его минимальная длина должна быть не менее 3,268 м. По конструктивным соображениям принимаем длину подвижного основания равной 6,0 м.

Расчет позволил установить суммарную массу всей конструкции, которая составила 59,183 т.