Авторизация
Поле течения во всасывающей камере насоса не должно характеризоваться наличием закрутки или вихрей. Подобные особенности потока приводят к дополнительным энергетическим потерям и, следовательно, требуют увеличения энергозатрат насоса для подачи заданного расхода, а также могут ускорять износ отдельных деталей насоса. В данной главе кратко описано, как проектирование всасывающих камер для вертикальных насосов в основном направлено на устранение закрутки и вихрей. Подробное обсуждение проблем, связанных с нежелательной закруткой и вихрями во всасывающих камерах вертикальных насосов, приведено в работе Кнауса (Knauss, 1987).
Многие водозаборные сооружения требуют установки насосных всасывающих устройств. На рис. 7.1 показаны основные конструктивные элементы типичной насосной всасывающей камеры. Как отмечалось в ранних исследованиях (например, Denny, 1956; Gordon, 1970; Reddy и Pickford, 1972), проектирование и эксплуатация всасывающих камер обычно связаны с необходимостью решения проблем, обусловленных особенностями течения, с целью обеспечения удовлетворительной работы размещённых в них вертикальных насосов. Всасывающая камера забирает воду из водоёма (например, реки, озера или бассейна градирни). Вода сначала проходит через решётку для отделения воды от мусора и льда (или для предотвращения попадания гидробионтов), после чего поступает в одну или несколько насосных ячеек (для отдельных насосов), откуда вертикальный насос отбирает поток.
Существует множество вариантов типовой компоновки всасывающей камеры, изображённой на рис. 7.1. Эти варианты адаптируют насосные ячейки к местным условиям площадки, конструкции системы очистки от мусора и размещению насосов внутри всасывающей камеры. Например, вода может поступать в насосную камеру после прохождения через простую мусорозадерживающую решётку, ряд цилиндрических щелевых сеток, затвор или иные геометрические переходы, а затем направляться в насосные ячейки (или приямки) у отдельных насосов.
Рисунок 7.1. Основные элементы конструкции насосной всасывающей камеры:
(a) план; (b) продольный разрез.
В идеале поток, поступающий в насосную ячейку и приближающийся к колонне насоса, должен быть равномерно распределен (в поперечном и вертикальном направлениях), установившимся и не должен формировать вихрей или являться постоянным источником завихренности. Эти условия являются основными задачами при проектировании всасывающих камер. На практике, однако, невозможно полностью устранить всю неоднородность течения или вихри. Более того, наличие боковых и задней стенок, а также других конструктивных элементов изменяет распределение потока. Следовательно, задача проектирования заключается в определении допустимых пределов для этих и других параметров, а также в применении различных корректирующих устройств, обеспечивающих надлежащую работу насоса. Рекомендации по компоновке всасывающих камер приведены, например, в работах Knauss (1987), ANSI/HI (1998), Ettema et al. (1998), USACE (1995) и Jones et al. (2008). Полезные комментарии к стандарту ANSI/HI (1998) представлены в работе Claxton et al. (1999).
На всасывающих патрубках насосов обычно возникают следующие гидродинамические проблемы:
Эти проблемы подробно обсуждаются в литературе по насосным всасывающим камерам (например, Tullis, 1979; Sweeney et al., 1982; Knauss, 1985; Padmanabhan, 1987; Hecker, 1987a, b; Melville et al., 1994; Ettema et al., 1998; Jones et al., 2008) и, как правило, обусловлены следующими причинами:
Особенности внешнего потока, такие как кривизна линий тока и отрыв потока у входа в камеру, а также возможные поперечные течения у входа во всасывающее устройство, могут создавать неблагоприятные гидродинамические условия у насосной камеры. Для проектирования камер и соответствующих средств регулирования потока важно понимать эти особенности.
Рассмотрим, например, прямоугольный 90-градусный отвод в канале с фиксированным дном, по которому протекают установившиеся расходы как в основном русле, так и в отводе — как показано на рис. 7.2 для насосной камеры, расположенной на берегу реки.
Рисунок 7.2. Крупная насосная всасывающая камера у берега реки Чаттухучи, Джорджия. Стрелка указывает направление течения в реке.
Рисунок 7.3. Гидродинамические особенности 90° прямоугольного отвода (Ettema et al., 1998).
На рис. 7.3 указаны расходы (Q₁ — расход в основном русле; Q₂ — расход, отводимый во всасывающую камеру), соответствующие удельные расходы (расход на единицу ширины потока — q₁ и q_d соответственно), средние скорости (u₁ и u₂ соответственно) и угол φ, под которым поток отклоняется во всасывающую камеру.
Хотя рис. 7.3 представляет собой упрощённую схему поля течения у берега реки (например, не учитывается влияние донных гряд и прибрежной растительности), он выявляет ряд характерных гидродинамических особенностей:
Наличие донных гряд может делать картину течения на рис. 7.3 более нерегулярной, однако основные гидродинамические особенности остаются неизменными (например, расход, отбираемый насосом). Лабораторные эксперименты позволяют получить количественные значения указанных характеристик (например, Neary и Odgaard, 1993; Barkdoll et al., 1997; Neary et al., 1999; Hsu et al., 2002; Herrero et al., 2015). В частности, Neary и Odgaard (1993) предложили зависимости, полученные на основе лабораторных исследований, для ширины разделяющих линий тока у поверхности и у дна (при 0,2 < u₂/u₁ < 1,0) для канала с шероховатым дном (коэффициент сопротивления по Дарси–Вейсбаху f = 0,05). Эти зависимости полезны при проектировании средств задержания дрейфующего льда и плавающего мусора (Kubit и Ettema, 2001), а также при оценке транспорта донных наносов в направлении всасывающей камеры (Ettema et al., 1998; Barkdoll et al., 1999).
Поле течения внутри всасывающей камеры может характеризоваться неоднородностью распределения потока между отдельными насосами, что потенциально приводит к образованию вихрей. С точки зрения условий течения представляют интерес следующие типы вихрей:
Термин «пристенный» используется применительно к подповерхностным вихрям, поскольку один их конец опирается на стенку всасывающей камеры, тогда как другой уходит внутрь колонны насоса и в конечном счёте разрушается рабочим колесом. Подробное диагностическое описание поведения вихрей на основе численного моделирования приведено, например, в работе Constantinescu и Patel (1998).
Всасывающие устройства на плотинах и гидроэлектростанциях могут размещаться на напорной грани плотины, на откосах водохранилища или непосредственно в водохранилище на достаточной отметке для предотвращения захвата донных наносов. В натурных условиях такие устройства, как правило, ориентированы горизонтально, однако могут быть направлены вертикально вниз или наклонно от дна (Yang et al., 2018).
В зависимости от того, является ли глубина воды (напор) у всасывающего устройства относительно малой или большой, формируются существенно различные картины течения, а соответствующие гидравлические проблемы также носят принципиально разный характер (Hager et al., 2020). При низконапорных всасывающих устройствах, особенно в условиях осесимметричного подхода потока, возникают вихри и развиваются значительные составляющие закрутки. При высоконапорных всасывающих устройствах геометрия должна обеспечивать превышение давления воды над местным давлением насыщенного пара, исключая тем самым кавитационное разрушение. Кроме того, при высоком напоре заглубление всасывающего устройства значительно, и захват воздуха или мусора, как правило, не представляет опасности.
При описании поверхностных вихрей полезно классифицировать их по интенсивности. Для характеристики типа вихря, который может возникать во всасывающей камере, предложено несколько методов классификации.
Одним из наиболее распространённых является метод, предложенный лабораторией Alden Research Laboratory (ARL). Данная система классификации основана на выявлении характерных гидродинамических признаков, указывающих на постепенное нарастание интенсивности вихря. Основная идея состоит в том, что более интенсивные вихри способны захватывать материалы с бо́льшей плавучестью — от нейтрально плавучего красителя до плавающего мусора и воздуха.
Система классификации ARL для поверхностных вихрей (VT) приведена на рис. 2.3 (глава 2). Вихри типа VT3 образуют красящее ядро и соответствуют переходу от общей закрутки (VT2) к сосредоточенной завихренности, распространяющейся от свободной поверхности до входного патрубка насоса (VT4). При этом вихри VT3 вызывают лишь незначительное воронкообразное понижение свободной поверхности. Вихри более высоких типов обладают большей интенсивностью: VT4 способны захватывать плавающий мусор, но не воздух; VT5 — захватывать воздушные пузырьки; VT6 — характеризуются сплошным воздушным ядром от свободной поверхности до входного патрубка насоса.
Подповерхностные вихри обычно зарождаются у дна и стенок ячейки. Их можно наблюдать только при использовании красителей, вводимых вблизи их расположения, или когда давление в ядре вихря настолько низко, что в нем формируется ядро из воздуха и водяного пара. Следовательно, их обнаружение в натурных масштабах чрезвычайно затруднено.
Рисунок 7.4. Поверхностный вихрь типа VT5, захватывающий воздух в колонну насоса. Всасывающий патрубок снабжён разделителями у дна и в углах. (IIHR, Университет Айовы).
Рисунок 7.5. Подповерхностные вихри, визуализированные с помощью красителя:
(a) донный; (b) у задней стенки; (c) у боковой стенки. (IIHR, Университет Айовы).
Как и для поверхностных вихрей, классификация подповерхностных вихрей по системе ARL оказывается полезной. Вихри типа VT1 представляют собой слабую закрутку, тогда как VT2 и VT3 обладают сформированным ядром, как показано на рис. 7.5a–c. Вихри VT3 имеют относительно интенсивное ядро, в котором давление снижается настолько, что из воды выделяются пузырьки растворённого воздуха и водяного пара.
Вихри во всасывающих камерах могут возникать эпизодически: зарождаясь, перемещаясь, распадаясь и вновь формируясь. Некоторые из них сохраняются в течение длительного времени — в особенности донные вихри под колоколом насоса и воздухозахватывающие поверхностные вихри. При оценке значимости и типа эпизодического вихря полезно фиксировать относительную долю времени его существования. Данные о времени появления вихрей различных типов могут быть представлены в виде кумулятивной частотной диаграммы (тип вихря vs. частота появления вихрей данного типа и ниже) или диаграммы устойчивости.
Большинство выполненных исследований течений во всасывающих камерах свидетельствует о важной роли неоднородности подходящего потока. Влияние циркуляции в подходящем потоке на поверхностные и подповерхностные вихри часто упоминается в литературе, однако редко количественно оценивается с той степенью детализации, которая представлена в настоящей работе.
На основе исследований воздухозахватывающих вихрей у горизонтальных патрубков всасывающих камер Quick (1970) пришёл к выводу, что их образование зависит от завихренности и нестационарности подходящего потока, а также от геометрии патрубка. Им установлено, что уровень закрутки в подходящем потоке приближённо равен циркуляции во входном сечении колонны насоса.
Knauss (1987) исследовал влияние циркуляции в подходящем потоке на критическое заглубление и установил значительное усиление вихрей при возрастании закрутки входящего потока (приближённо определяемой как отношение поперечной составляющей скорости к продольной). Им предложена эмпирическая зависимость между критическим заглублением, циркуляцией в подходящем потоке и диаметром колонны насоса.
Аналогичные зависимости для поверхностных вихрей в цилиндрическом резервуаре с донным отверстием получены Daggett и Keulegan (1972) и Jain et al. (1978). Для создания закрутки применялись различные методы: Denny (1956) подавал поток через часть ширины канала, Tagamori (1980) использовал направляющие лопатки. Результаты экспериментов Amphlett (1978) и Tagamori (1980) были использованы для определения константы в корреляции Кнауса. В литературе предложены также аналитические зависимости для определения критического заглубления, однако они имеют те же ограничения, что и их эмпирические аналоги.
Hecker (1987) установил, что подповерхностные вихри с большей вероятностью формируются или усиливаются при увеличении отношения скорости в колонне насоса к скорости подходящего потока, при возрастании циркуляции в подходящем потоке или при уменьшении расстояния до боковых стенок. Положение колонны насоса относительно боковых стенок и неоднородность подходящего потока также влияют на интенсивность закрутки внутри колонны. Данная особенность течения имеет ключевое значение при проектировании всасывающих камер. Исследования Rajendran и Patel (1998) и последующие работы (например, Gessler et al., 2017) с применением численных и лабораторных моделей показывают, как геометрия камеры влияет на её гидродинамику.
Основной вывод этих исследований состоит в том, что образование вихрей во всасывающих камерах определяется закруткой в подходящем потоке, то есть его неоднородностью.
На практике удовлетворительное проектирование всасывающих камер требует обоснованного выбора геометрических параметров для заданного расхода насоса. На рис. 7.6 приведена рекомендуемая компоновка по USACE (1995), параметры которой выражены через диаметр колокола насоса D:
Рисунок 7.6. Рекомендуемая компоновка насосной всасывающей камеры (для нескольких насосов) по данным Корпуса инженеров армии США (USACE, 1995):
Кроме того, для обеспечения надлежащей работы насоса нередко требуются следующие корректирующие меры:
Многие всасывающие камеры подвержены воздействию поперечных течений, вызывающих отрыв потока у входа в камеру. Такой отрыв, в свою очередь, приводит к неравномерному распределению подходящего потока внутри камеры. Как правило, вдоль одной боковой стенки развиваются повышенные скорости, тогда как вдоль противоположной стенки наблюдаются пониженные скорости — нередко с образованием обратных течений. Подобное распределение скоростей в типичной прямоугольной насосной ячейке является интенсивным источником завихренности, способствующим образованию вихрей вблизи колонны насоса.
Проблемы, обусловленные поперечными течениями, возникают также во всасывающих камерах, оборудованных барабанными сетками для улавливания мусора, и в многонасосных камерах при частичной загрузке — когда часть насосов работает, а остальные отключены. В последнем случае между работающими и остановленными насосами формируются поперечные течения.
Для устранения нежелательной неоднородности потока применяют следующие корректирующие устройства: решётки-успокоители (baffle bars), перфорированные пластины и направляющие лопатки. Все перечисленные устройства создают местные гидравлические потери.
Ряды правильно подобранных решёток-успокоителей, установленные непосредственно за входом в камеру, способны эффективно выравнивать распределение подходящего потока. Однако во многих существующих камерах недостаточно пространства для их размещения.
Перфорированные пластины, напротив, не требуют значительного пространства и могут эффективно применяться для выравнивания потока, однако склонны к засорению и создают затруднения при работе в потоках с высоким содержанием взвешенных частиц и мусора.
Обширные лабораторные испытания показали, что простая и надёжная конфигурация направляющих лопаток может успешно применяться практически в любых всасывающих сооружениях или их насосных ячейках (Kruetten и Nakato, 1998). Такие лопатки легко встраиваются в конструкции мусорозадерживающих решёток, устанавливаемых у фронта береговых водозаборов, или размещаются непосредственно у входа в насосную ячейку.
Наиболее жёсткий расчётный случай соответствует отношению скорости поперечного течения в основном русле к скорости потока во всасывающей ячейке, равному 5,3. Данное значение является верхней границей для водозаборов, расположенных вдоль рек.
Неравномерное распределение подходящего потока является существенным источником завихренности, которая, в свою очередь, приводит к образованию и интенсификации вихрей в зоне колонны насоса у задней стенки насосной ячейки.
Для достижения приемлемой равномерности потока применяются следующие меры:
Два последних устройства создают гидравлическое сопротивление, увеличивают глубину потока и снижают скорость течения выше по потоку от места их установки. Поскольку сопротивление пропорционально квадрату скорости, поток перераспределяется из зон с повышенной скоростью в зоны с пониженной скоростью.
Вместе с тем при проектировании необходимо исключить чрезмерное стеснение потока, которое может привести как к недопустимому подпору перед устройством, так и к избыточному ускорению потока ниже по течению (вплоть до перехода в сверхкритический режим).
Лабораторные испытания и последующий натурный опыт подтвердили возможность создания эффективной конфигурации решёток-успокоителей (например, Muste и Ettema, 1996). В качестве элементов решёток могут применяться различные профили, однако двутавровые (Н-образные) сечения обеспечивают наибольшую эффективность благодаря повышенному лобовому сопротивлению и, соответственно, более высокому гидравлическому сопротивлению потоку.
Рисунок 7.7. Пример установки успокоительных решёток во всасывающей камере бассейна градирни:(a) план; (b) вертикальный разрез.
Решётки обеспечивают приемлемый минимальный уровень закрутки потока внутри камеры и предотвращают образование поверхностных вихрей у каждого насоса.
Завесные стенки (или поверхностные балки) также замедляют поток и улучшают его равномерность. Заглубление и положение завесной стенки (расстояние от её нижней кромки до дна камеры) варьируются в зависимости от конкретного сооружения.
Как правило, нижняя кромка завесной стенки располагается ниже ожидаемого минимального уровня воды. Типичная конфигурация показана на рис. 7.7.
Несмотря на отсутствие формализованных рекомендаций по проектированию завесных стенок, а геометрия определяется ожидаемыми уровнями воды, размеры и расположение, показанные на рис. 7.6, получили широкое практическое применение и подтвердили свою эффективность (например, Melville et al., 1994).
Поскольку проектирование водозаборных сооружений нередко осуществляется совместно специалистами различных профилей (гражданское, механическое и электротехническое направления и соответствующие подразделения), подвод потока к насосной ячейке редко оказывается гидродинамически плавным.
В поток могут выступать различные колонны и стойки. Стенки могут быть расположены несимметрично относительно ячейки. Поток может поступать в ячейку резко — например, из трубопровода, соединяющего её с рекой, озером или бассейном градирни.
Все перечисленные факторы обусловливают отрыв потока, влекущий за собой неравномерность поля скоростей и генерацию завихренности; оба явления способствуют образованию вихрей у колокола насоса. Поэтому отрыв потока, как правило, необходимо устранять.
Основным способом устранения отрыва является корректировка геометрии камеры:
Перечисленные меры обеспечивают более плавный подвод потока к насосной ячейке. Пример применения направляющих стенок и скруглённых кромок в многонасосной камере приведён на рис. 7.6.
В случаях, когда изменение геометрии камеры невозможно или установка направляющих устройств нецелесообразна, для улучшения равномерности потока и снижения завихренности могут применяться завесная стенка или ряды решёток-успокоителей.
Увеличение заглубления колокола насоса может исключить образование поверхностных вихрей при условии, что конструктивно такое увеличение осуществимо для данной насосной ячейки. Однако в крупных насосных установках подобное решение, как правило, экономически нецелесообразно, и возникает необходимость в применении специальных средств подавления вихрей.
Все применяемые методы подавления вихрей основаны на увеличении длины пути потока к насосу. Padmanabhan (1987) приводит наглядную схему (рис. 7.8) наиболее распространённых вихрегасящих устройств:
Рисунок 7.8. Типичные устройства подавления поверхностных вихрей:
(a) горизонтальная решётка, уложенная по всей ширине приямка; (b) плавающие плоты вокруг колонны насоса (применяются редко); (c) решётчатая «клетка» (глубина балок типично 30–40 мм); (d) завесная стенка (или балка-подавитель вихрей). (Модифицировано по Padmanabhan, 1987)
Высота и шаг стержней горизонтальной решётки являются важными конструктивными параметрами. Padmanabhan (1987) рекомендует высоту стержней 40–60 мм и расстояние между ними около 25 мм (см. рис. 7.8).
Tullis (1979) указывает на необходимость учитывать влияние корректирующих мер на другие гидравлические проблемы. Так, завесная стенка, установленная выше по потоку, может ослабить поверхностные вихри, однако одновременно усилить подповерхностные.
Подповерхностные вихри, как правило, представляют наиболее трудноустранимую гидравлическую проблему. Поскольку их интенсивность в значительной мере определяется циркуляцией потока у всасывающего колокола насоса и в его окрестности, корректирующие меры направлены на снижение этой циркуляции. Необходимо также принимать во внимание влияние зазоров от колокола до дна и стенок камеры.
Padmanabhan (1987) приводит наглядную схему (рис. 7.9) распространённых методов подавления подповерхностных вихрей:
Рисунок 7.9. Типичные устройства подавления подповерхностных вихрей:
(a) увеличение зазора до задней стенки; (b) разделители («сплиттеры») на дне и в углах приямка; (c) направляющие лопатки, закреплённые на колоколе насоса; (d) конус на дне под колоколом. (Источник: модифицировано по Padmanabhan, 1987)
Направляющие лопатки и донные конусы применяются редко ввиду риска засорения мусором. Tullis (1979) отмечает, что, несмотря на способность донных конусов устранять донные вихри, они могут усугублять другие гидравлические проблемы. Лабораторные исследования подтверждают данный недостаток (например, Nakato и Yoon, 1992; Ettema et al., 1998): донный конус способен усиливать вихри у боковых стенок и задней стенки камеры.
Tullis также указывает на возможность применения донных выступов (по принципу действия аналогичных шашкам гасителей энергии) для разрушения донных вихрей. Вместе с тем подобные устройства могут провоцировать вибрации и кавитацию.
Padmanabhan (1987) указывает, что отдельные устройства подавления подповерхностных вихрей лишь частично устраняют проблемы, связанные с закруткой и неравномерностью подхода потока к насосу.
Разделительные рёбра и скругления являются практически обязательными элементами насосных ячеек. Типичная конфигурация приведена на рис. 7.10. Конкретные размеры могут варьироваться в зависимости от геометрии камеры.
Результаты лабораторных испытаний свидетельствуют о том, что высота донных разделителей должна составлять 0,35D–0,38D, где D — диаметр колокола насоса (Nakato и Yoon, 1992; Ettema et al., 1998).
Рисунок 7.10. Рекомендуемые размеры разделительных устройств:
(a) поперечное сечение углового разделителя; (b) поперечное сечение разделителя на задней стенке; (c) фасад донных и заднестенных разделителей; (d) фронтальный вид боковых и заднестенных разделителей. (Ettema et al., 1998)
Гидравлические проблемы могут возникать во всасывающих камерах, забирающих воду из рек со значительным снижением уровня в межень или из водоёмов с существенно пониженным горизонтом воды. В подобных условиях формируются нежелательные структуры течения, в том числе разнообразные вихри, которые негативно сказываются на работе насоса.
При этом стандартные устройства улучшения гидродинамических условий (рассмотренные выше) могут оказываться неэффективными.
В таких случаях применяется всасывающий ковш (или инвертированная отсасывающая труба). Данное устройство позволяет устранить многие проблемы, обусловленные малыми глубинами. Иными словами, насос может эксплуатироваться при заглублении S, меньшем нормативного, однако это требует коренного изменения конструкции всей камеры (или насосной ячейки).
Наименование «всасывающий ковш» обусловлено сходством устройства с отсасывающей трубой гидротурбины, предназначенной для плавного торможения потока на выходе из рабочего колеса. Всасывающий ковш:
%20для%20работы%20в%20мелководных%20условиях.png)
Рисунок 7.11. Всасывающая воронка (инвертированная водоводная труба) для работы в мелководных условиях:
(a) план; (b) вертикальный разрез. (Kreutten и Nakato, 1998)
На рис. 7.11 также приведены рекомендуемые размеры, нормированные по диаметру колокола насоса D:
Рекомендуемые размеры (нормированные по диаметру колокола насоса D):
Авторизация