Калугина_Шлюзованные системы ВВП. Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство морского и речного транспорта Омский институт водного транспорта филиал
 Скачать 3.9 Mb.
|
|
1.1.8 Типы гидравлических турбин Имеются две основные группы гидравлических турбин: реактивные турбины, использующие преимущественно потенциальную часть энергии потока; активные, или струйные (ковшовые) турбины, которые используют энергию потока в кинетическом виде. Гидротурбинная установка с реактивной турбиной имеет следующие основные элементы: камеру водоприемника; спиральную камеру для подвода воды к турбине; направляющий аппарат для регулирования расхода воды; рабочее колесо и камеру, в которой оно установлено; генератор; отсасывающую трубу. Работает реактивная турбина следующим образом. Из камеры водоприемника вода поступает в спиральную камеру, которая охватывает направляющий аппарати обеспечивает равномерный подвод воды к рабочему колесу по всему его контуру. Через направляющий аппарат вода входит в камеру рабочего колеса и попадает на лопатки рабочего колеса, которые отклоняют поток воды, и она выходит вертикально вниз. При отклонении потока лопастями возникает реактивная сила, которая и заставляет вращаться рабочее колесо. Отсасывающая труба позволяет увеличить разрежение под рабочим колесом турбины и полностью исполь- зовать напор, так как часто рабочее колесо турбины устанавливают выше уровня нижнего бьефа. Наиболее распространенными реактивными турбинами являются радиально-осевые, поворотно-лопастные и пропеллерные. У радиально- осевой турбины лопасти рабочего колеса неподвижно закреплены на ободе, а у пропеллерной турбины — на втулке. 19 Рис.8 Рабочие колеса реактивных турбин: а - радиально-осевой; б -поворотно- лопастной; Радиально-осевая турбина характеризуется тем, что скорость течения воды в зоне рабочего колеса имеет радиальную и осевую составляющие. Мощность турбин этого типа достигает 500 тыс. кВт. Пропеллерные турбины применяются реже. У поворотно-лопастных турбин лопасти могут вращаться вокруг своих осей в цапфах, перпендикулярных к оси вала, и, в зависимости от напора и расхода воды, занимать положение, обеспечивающее наибольший коэффициент полезного действия турбины. Мощность поворотно-лопастных турбин достигает 120 тыс. кВт. Тип турбины для гидроэлектростанции выбирают в зависимости от величины напора. Поворотно-лопастная турбина в сочетании с генератором, размещенным в капсуле, образует капсульный агрегат. Наиболее распространенными активными турбинами являются ковшовые турбины. Ковшовая турбина состоит из двух основных элементов — рабочего колеса и сопла, которым регулируется расход воды. На рабочем колесе имеются лопасти ковшеобразной формы, которые в отличие от лопастей реактивных турбин работают не в сплошном потоке, а под действием свободной струи, обладающей только кинетической Рис.7 Разрез гидроэлектростанции с реактивной турбиной: i — камера водоприемника; 2 — направляющий аппарат; 3 — генератор; 4— рабочее колесо; 5 — спиральная камера; 6 — отсасывающая труба 20 энергией и имеющей одинаковое давление при входе на рабочее колесо и при сходе с него. Поэтому такие турбины и называют активными. Ковшовые турбины применяют при напорах свыше 200м, их мощность доходит до 110 тыс. кВт. 1.1.9 Лесопропускные сооружения На шлюзованных реках, по которым лес транспортируют в плотах за буксирами, никаких специальных лесопропускных сооружений при гидроузлах не строят, а для пропуска плотов используют судоходные шлюзы. Иногда для пропуска леса строят специальные сооружения. Шлюзы для пропуска плотов.На водных путях, по которым идут только плоты и в одном направлении, для пропуска плотов через гидроузлы строят специальные шлюзы. Рис.9 Схема работы шлюза по пропуску плотов: а — ввод плота в камеру; б — шлюзование; в — выпуск плота в нижний бьеф; г — подготовка камеры для приема нового плота Такие шлюзы с напором от 1 до 3 м получили широкое применение на соединительных каналах между озерами в Финляндии. Ввод плотов из подходного канала верхнего бьефа в камеру шлюза и вывод их из камеры в нижний подходный канал на таких шлюзах производится потоком воды, без участия буксирной тяги. Процесс пропуска плотов через шлюз и последовательность маневрирования затворами показана на рис. Плотоходы.По конструкции плотоходы представляют собой широкие деревянные или железобетонные лотки прямоугольного сечения. В зависимости от размеров плотов ширину плотоходов принимают от 5 до 20 м, а уклон равным 0,01—0,02. Скорости движения воды в лотке обычно равны 2—4м/с. В головной части плотохода устанавливают быстродействующий затвор, обычно сегментного типа. Лесосплавные лотки.На некоторых сплавных, но несудоходных реках, на которых лес сплавляют россыпью (молем), для пропуска леса через гидроузлы строят специальные лотки треугольного или трапецеидального 21 сечения из дерева, железобетона или металла. Уклоны в таких лотках допускаются до 0,2—0,25. Головную часть лотка, с затвором размещают, как правило, рядом с водосливным отверстием. При значительных колебаниях уровня верхнего бьефа в головной части устраивают несколько приемных отверстий, расположенных рядом, но с порогами на разной высоте, или делают высоту порога переменной, или разборной. Лесоперевалочные механические устройства.При глухих плотинах значительных напоров, чтобы сэкономить воду на пропуск плотов, применяют механические устройства. Лес, связанный в пучки приплавляют в тупиковый бассейн у верховой стороны плотины. Здесь грузоподъемным краном пучок поднимают из воды, переносят через гребень плотины и укладывают на вагонетку, которую затем по рельсовому пути, уложенному на берегу или на железобетонной эстакаде, спускают в отводящий канал. Далее пучки леса движутся вниз по реке самосплавом — под действием течения. В РФ лесоперевалочное устройство подобного типа действует на Верхнетуломском гидроузле. 1.1.10 Рыбопропускные сооружения Некоторые виды осетровых рыб (осетр, белуга, севрюга и др.) и лососевых (лосось, семга, белорыбица) обитают в морях, а для нереста поднимаются вверх по рекам на нерестилища, иногда на расстояние 1—2 тыс. км. Судак, сазан, лещ живут в устьевых частях рек и в опресненных заливах, а для зимовки и нереста заходят в реки. Для обеспечения прохода рыбы из нижнего в верхний бьеф, а иногда и в обратном направлении, на гидроузлах строят рыбопропускные сооружения. К основным рыбопропускным сооружениям относятся: рыбоходы, рыбоходные шлюзы и рыбоподъемники. Рыбоходы представляют собой лотки или небольшие каналы, по которым из верхнего бьефа в нижний течет вода, а в обратном направлении поднимается рыба. Для того чтобы рыбы могли преодолевать встречное течение воды, его скорости назначают в определенных пределах. Так, для осетровых рыб скорость воды в равномерном потоке принимают 0,8—1,2 м/с, а для лососевых рыб — 1,5—2,5 м/с. По конструкции рыбоходы подразделяются на лотковые, прудковые и лестничные. Лотковые рыбоходы могут быть гладкими (без искусственной шероховатости) с уклоном не более 1: 20. Они применяются только при небольших гидроузлах с напором 2—3 м. Лотковые рыбоходы с повышенной шероховатостью получили широкое распространение на гидроузлах с напором 5—7 м. 22 Рис.10 Прудковый рыбоход: а — план; б — разрез; 1, 2,. , 7 — прудки Прудковые рыбоходы устраивают в естественном грунте берега в обход плотины. Они представляют собой ряд прудков (бассейнов), соединенных между собой короткими каналами или лотками. Прудки делают длиной по 3—5 м и глубиной 0,6—0,8 м; уровни воды в смежных прудках разнятся на 0,5—1,5 м. Такие рыбоходы применяют при напорах до 15 м. Прудковые рыбоходы обычно работают эффективно, так как в них создаются привычные для рыб природные условия и они имеют возможность отдыхать в прудках. Лестничные рыбоходы представляют собой лотки со ступенчатым дном и с поперечными перегородками, в которых для прохода рыб устроены вплавные отверстия. Для лучшего гашения энергии потока воды вплавные отверстия располагают (вдоль рыбохода) в шахматном порядке и в зависимости от породы рыб делают поверхностными или донными, последние — для осетровых. Лестничные рыбоходы обычно имеют по нескольку маршей высотой 2,5—4м каждый, а между маршами для отдыха рыб расположены удлиненные бассейны. Из всех существующих типов рыбоходов лестничные являются наиболее распространенными, так как они пригодны для различных пород рыб. Их строят на гидроузлах с напорами до 30 м. Применением различных материалов в них можно создавать привычные для рыб природные условия реки. 23 Рис.11 Рыбоходный шлюз: 1 — рыбонакопитель; 2 — побудительная решетка; 3—самоходная тележка побудительной решетки; 4 — камера шлюза; 5 — верховой выходной лоток; 6 — паз ремонтного затвора; 7 — затвор с водопропускными задвижками; 8—ихтиологическая решетка Рыбоходные шлюзы. По своему устройству рыбоходные шлюзы во многом подобны судоходным шахтным шлюзам. В рыбоходном шлюзе имеются одна или две параллельные камеры и в каждой — по два затвора; верхний отделяет камеру от верхнего бьефа, нижний от нижнего бьефа. Процесс шлюзования рыбы происходит в следующем порядке. После захода рыбы из нижнего бьефа в рыбонакопитель опускают из горизонтального в вертикальное положение побудительную решетку и включают самоходную тележку, соединенную с нею. Перемещаясь вдоль рыбонакопителя по направлению к нижней голове шлюза, побудительная решетка направляет рыбу в камеру шлюза. Затем закрывают затвор нижней головы шлюза и начинают наполнять камеру через задвижки в затворе верхней головы. После выравнивания уровней воды в верхнем бьефе и в камере открывают затвор верхней головы, давая выход рыбе в бьеф. Для контроля за ходом рыбы через шлюз и других наблюдений в камере шлюза около верхней головы имеется ихтиологическая решетка, которая может быть поднята вместе с рыбой со дна камеры на верхнюю площадку шлюза. Рыбоподъемники.По принципу действия рыбоподъемники могут быть механическими и гидравлическими. В механических рыбоподъемниках (лифтах) подъем, рыбы происходит в наполненных водой камерах или насухо в сетях. В гидравлическом рыбоподъемнике рыба поднимается вверх без механических побудителей, самостоятельно, идя навстречу медленному течению воды, поступающей из верхнего бьефа. Для эффективной работы рыбопропускных сооружений их располагают около водосбросных сооружений гидроузла (водосбросов, водосливных плотин, гидроэлектростанций и т. д.), чтобы вход в них был 24 расположен в зоне заметной свежей струи воды, поступающей из верхнего бьефа. Пропуск взрослой рыбы после нереста в нижний бьеф при ее движении к морю, а также выведшейся и выросшей молоди происходит через водосливные плотины, реактивные турбины при больших диаметрах рабочего колеса (при напорах до 20—30 м), рыбоходы и гидравлические рыбоподъемники. 25 1.2 ПРИНЦИП ШЛЮЗОВАНИЯ РЕК 1.2.1 Разбивка на бьефы при шлюзовании. Способы шлюзования рек Рис.12 Способы шлюзования рек. Днепрогэс, Запорожье При шлюзовании реки она делится водоподпорными сооружениями на ряд участков, называемых бьефами. Участок реки, расположенный выше водоподпорного сооружения, называется верхним бьефом (сокращенно ВБ), а участок реки, расположенный ниже водоподпорного сооружения,— нижним бьефом(НБ). Превышение уровня верхнего бьефа над уровнем нижнего бьефа называется напором (Н) на сооружение. Бьефами являются и водохранилища. В результате шлюзования продольный профиль поверхности воды приобретает ступенчатый вид, и река превращается в цепь подпертых бьефов, часто озеровидных. Условия судоходства в озеровидных бьефах резко изменяются у. водоподпорных сооружений. Для перехода судов из одного бьефа .в другой служат судоходные сооружения, что требует дополнительных затрат времени. Однако при шлюзовании реки исключаются многочисленные затруднения для судоходства на перекатах и в других местах, и река становится пригодной для плавания крупных судов, перевозки грузов значительно увеличиваются, а стоимость перевозок снижается. Исторически сложились два способа шлюзований рек. Первый способ, который можно назвать низконапорным шлюзованием, возник в начале XVIII в. и получил свое развитие в тот период, когда реки использовались преимущественно как водные пути. Низконапорные 26 сооружения поддерживают напор только в меженный период, когда сток воды в реке уменьшается и глубины падают. При этом способе подпорные уровни воды устанавливаются ниже уровня половодья. Во время половодья такие сооружения затопляются, и судоходство происходит примерно так же, как и до шлюзования. Низконапорное шлюзование рек, улучшая судоходные условия, позволяет сохранять плодородные пойменные земли для сельского хозяйства. Этот способ начинает находить все более широкое применение при освоении небольших рек для судоходства, а также при реконструкции старых водных путей с низконапорным шлюзованием. В больших объемах проводятся научные и проектные работы по созданию новых, более совершенных, типов низконапорных сооружений. Рис. 13 Способы шлюзования реки: а — низконапорный: б— высоконапорный; I, II, III, ..., VII — водоподпорные сооружения; 1 — бытовой уровень воды до постройки водоподпорных сооружений; 2 —уровень воды в половодье; 3 — уровни после возведения водоподпорных сооружений Второй способ шлюзования называется высоконапорным, поскольку подпорные уровни в этом случае значительно превышают высокие уровни при естественном состоянии реки. Высоконапорные сооружения на реках строят для комплексного использования водных ресурсов, но основным пользователем обычно является гидроэнергетика, для которой необходимы постоянно действующие сооружения. Поэтому высоконапорные сооружения поддерживают напор непрерывно весь год. 1.2.2 Режим шлюзованных рек Строительство водоподпорного сооружения и создание водохранилища многолетнего или годичного регулирования стока вносит значительные изменения в режим реки, а также в связанный с ним гидрогеологический режим прилегающего района. В верхнем бьефе значительно повышается 27 уровень воды в реке и на ее притоках, в пределах так называемой зоны подпора. Уровни воды в верхнем бьефе устанавливаются в зависимости от отметки подпорного уровня воды, поддерживаемого у сооружения. Повышение уровня воды в реке по сравнению с бытовым уровнем умень- шается по мере удаления от сооружения. Место, где указанное превышение уровня воды становится практически равным нулю, называется местом выклинивания подпора. Выше него сохраняются бытовые глубины. Подпорный уровень воды представляет собой не горизонтальную линию, а вогнутую кривую, близкую к ветви параболы. Построение кривой подпора относится к одной из наиболее сложных задач, связанных с неравномерным движением воды. Методы построения этой кривой изложены в учебниках по гидравлике. Дальность распространения подпора тем больше, чем меньше уклон реки и чем больше создаваемый сооружением подпор. Поэтому на равнинных реках с небольшим уклоном относительно малый подпор распространяется на сотни километров, тогда как на горных реках, имеющих значительный уклон, сравнительно больший подпор может распространяться всего на несколько километров. Подпорные уровни воды часто затопляют земельные участки в пойме реки (сельскохозяйственные угодья, территории промышленных, транспортных и других предприятий, лесные массивы, населенные пункты). Поэтому в ряде случаев ценные сельскохозяйственные угодья и территории населенных пунктов, промышленных и других предприятий защищают от затопления специальными земляными сооружениями, если перенос их из зоны затопления на новое место невозможен или экономически не целесообразен. Подъем уровней воды в долине реки, вызванный строительством водоподпорных сооружений, влечет подъем уровней грунтовых вод, а вследствие этого некоторые земельные участки могут оказаться заболоченными и потребуется их осушение. Береговая полоса по урезу воды в бьефах после подпора оказывается подверженной действию волнения, течения и грунтовых вод: грунт размывается, крутые берега обваливаются. Наблюдается перемещение уреза воды в сторону суши, происходит переработка берегов, которая может длиться несколько десятилетий. В процессе эксплуатации водохранилища происходит изменение уровня воды в нем в течение года: в период половодья водохранилище наполняется до нормального подпорного уровня (НПУ), в межень оно постепенно срабатывается до уровня навигационной сработки (УНС). Указанное колебание уровня воды в различной степени сказывается по длине водохранилища, поэтому различают две зоны: 1) собственно водохранилище, где уровни воды весь год стоят выше бытовых, а скорости 28 течения очень малы; 2) зона переменного подпора, где подпор воды создается во время половодья и в период сработки водохранилища. На протяжении зоны переменного подпора (см. рис. 3) в период половодья, если выше места выклинивания подпора река находится в естественном состоянии, происходит отложение наносов, что ухудшает судоходные условия в этой зоне и вызывает необходимость выполнения больших объемов дноуглубительных работ. В первые годы эксплуатации происходит интенсивный размыв дна непосредственно ниже водоподпорного сооружения. Здесь поток насыщается наносами, а несколько ниже по течению наносы выпадают, что ведет к уменьшению судоходных глубин и необходимости производства дноуглубительных работ. Наблюдения за эксплуатируемыми водоподпорными сооружениями и их нижними бьефами показали, что интенсивный размыв дна продолжается 4-6 лет. Шлюзование реки вносит существенные изменения и в условия судоходства. В подпертых бьефах возникают ветровые волны; на некоторых водохранилищах высота их достигает 2—2,5 м. Создаются озерные условия плавания, недопустимые для речных судов. Поэтому на крупных водохранилищах эксплуатируют суда озерного плавания. В водохранилищах сокращается длина судовых ходов примерно на 10% благодаря спрямлению их в пределах бьефа по сравнению с извилистыми ходами в русле реки. Скорости течения в подпертых бьефах уменьшаются по сравнению с прежними скоростями в русле реки до шлюзования. В больших водохранилищах они настолько малы, что не оказывают влияния на судоходство, тогда как в не шлюзованной реке условия движения судов вниз по течению и вверх против течения значительно различались. На некоторых участках рек с быстрым течением приходилось применять двойную тягу, чтобы суда могли подняться вверх по реке. Вследствие малых скоростей течения воды ледяной покров в подпертых бьефах образуется осенью раньше, чем в реке до шлюзования, а весной держится дольше. Поэтому длительность физической навигации от конца ледохода до начала ледостава сокращается на 5—20 дней по сравнению со свободной рекой. Для продления навигации осенью и ускорения вскрытия водохранилищ весной применяются специальные суда - ледоколы, взламывающие ледяное поле и поддерживающие судовые ходы при отрицательных температурах воздуха. |