Американский Научный Журнал ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТИВОКАВИТАЦИОННОЕ МЕРОПРИЯТИЯ И СОВЕРЩЕНСТВОВАНИЕ НОВЫЙ КОНСТРУКЦИЯ РАСТЕКАТЕЛЬЯ (14-17)

14 American Scientific Journal № ( 39 ) / 2020
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 628.11

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТИВОКАВИТАЦИОННОЕ МЕРОПРИЯТИЯ И
СОВЕРЩЕНСТВОВАНИЕ НОВЫЙ КОНСТРУКЦИЯ РАСТЕКАТЕЛЬЯ

Абилов Рашад Саффан оглы
докторант, научной сотрудник,
Азербайджанский Нау чно -Исследовательск ий и
Проектно -Изыскательный Институт Энергетики,
лаборатория «Ис точники альтернативной энергии и
малые электрические станции»
г. Баку , Азербайджан

RESEARCH OF ANTI -CAVITATION MEARSURES AND IMPROVEMENT OF THE NEW
DESIGNOF THE DIFFUSER

Abilov Rashad Saffan oqlu
Doctoral student, researcher,
Azerbaijan Scientific -Research and Design Institute of Surveying Energy,
laboratory of «alternative energy sources and small power stations»
Baku , Azerbaijan

Аннотация . В статье рассмотрено вопросы исследование в нижнем бьефе в одосбросных
сооружениях , а именно на в одобойной колодцах, позволило провести последовательное приближение к
оптимальному варианту гашение энергии расходах потоков. Предложенное и совершенствованной
конструкции растекателья для гашение энергия потока на водобойном колодце и рисберме с минимальн ой
воронкой размыва на сходе с нее. Проверено возможность возникнование кавитации вследствие отрыва
потока от поверхности стенок -растекателей. Эрозия устранено вовсе путем подводя воздуха в области
кавитации.
Abstrakt . The article deals with the study of the TV downst -ream of spillway structures, namely on spillway
wells, which made it possible to consistently approximate the optimal option for extinguiching energy flow rates.
The proposed a nd improved design of the dif fuser for extinguiching the energy of the flow on the stilling well and
the apron with a minimal washout funnel at the exit from it, the possibility of cavitation due to the surface of the
diffuser walls was checked.
Ключевые слова : водосброс, избыточная энергия , гашение , водобойный колодец , размыв , скорость ,
рисберма.
Key words: spillway, excess energy, extinguichingt, stilling well, rivers, erosion , cpeed apron.

Цель исследования : Выявление недостатков
и размыва в нижнем б ьефе во досбросной
сооружение а именно в водобойном колодце. Для
устранение возможности кавитации и размыва
отдельный конструкции было рекомендовано и
совершенно новый конструкции стенок
растекатель и дальнейшего обеспечения условий их
нормального работы
Ре зультаты : Проектирование водосборных
сооружений на плотинных гидроузлах не
регламентируется специальными нормами и
правилами. На основание анализа существующий
по этой проблеме литературы и опыта
эксплуатации разработано общая схема
водосбросной сооружен ия с водобойном колодца и
совершенствовано конструкции растекателья для
гашение энергии потока в нижнем бьефе , создают
хорошие условия для гидравлического режима
потока на водобойном колодце и рисбермы ,
повышение надежности работы система в целом.
Введени е
Для пропуска паводковых вод в составе
водохранилищного узла устраивают водосбросное
сооружение , земляные плотины , как правило
является глухими[1].
При назначении трассы водосбросного
сооружения учитывают топографические ,
геологические , гидрологические и строительно -
экономические условия.
Не всегда можно выбрать подходящую
ложбину или старицу , чтобы использовать ее для
естественного водосброса ; чаще же всего по
топографическим условиям приходится устраивать
исскуственный водосброс в виде отводного канала
с сопрягающим сооружениям[1,2].
Трассу сооружения намечают в обход
плотины , по пологому берегу. Входная часть
канала должна быть удалена от плотины не менее
чем на 20м. Поэтому хорошим решением будет
расположение входа за поворотом берега или в
притоке , отвертке.

American Scientific Journal № ( 39 ) / 2020 15

Канал должен проходить не ближе 10 – 15м от
места сопряжения плотины с берегами. Выход в
нижний бьеф должен быть удален от плотины не
менее чем на 50м , чтобы при пропуске паводка не
возникла опасности подмыва низового откоса
плотины. Желательно рас по лагать выходную часть
сооружения в притоке , отвертке , рукаве той же
балки реки. Дно водосбросного канала в начальной
его части закладывают на отметке НПУ в
водохранилище и , следовательно , сброс воды будет
проходит лишь при повышении уровня воды над
норма льны м.
Дно отводящего канала размещают на 2м и
ниже отметки тальвега , для того , чтобы канал
проходил в выемке или полу выемке -полу насыпи
При поворотах канала радиус закругления
принимают R ≥ 5 ��,
Где �� - ширина канала по урезы воды.
Минимальная величина рад иуса закругления
определяется по эмпирическом формуле
�������������� = 11 �2√������ +12; м [3,4].
Где υ -скорость течения воды в канале в м /сек;
ω – площадь живого сечения в м 2.
На профиль трассы водосбросного соо ружения
со стороны водохранилища на носят линию НПУ.
Точка пересечения этой линии с линией откоса
долины (со стороны верхнего бьефа ) будет началом
входной части подводящего канала.
Для обеспечения сброса излишних паводковых
вод из водохранилища подводящий к сбросному
сооружению канал должен иметь широкий фронт
забора. т.е. зн ачительную ширину по дну при
сравнительно небольшой глубине , определяемой
разницей отметок дна канала и гребня
плотины [4,5].
Методы и материалы
С целью уменьшения неравномерности
распре деления удельных расходов по ширине
отводящего русла и уменьшения тем самым
размывающей способности потока принято
решение расширить водосбросной тракт.
Размеры оголовка водосброса изменой
конструкции оставлены прежними. Угол сужения
стенок начального учас тка быстротока
уменьшается таким об разом , чтобы ширина
призматического участка составляла 33,0 м, что на
6 м больше , чем в прежнем варианте.
Водобойный колодец также был расширен на
6 м по всей его длине – по 3 м в каждую сторону.
С целью улучшения растека ния потока по
ширине отводящего рус ла и уменьшения
водоворотной зоны в начальной его части была
укорочена на 10 м разделительная стенка между
колодцами водосброса и здание ГЭС , а левая
стенка -открылок водобойного колодца была
перенесена на 18 м в сторону верхнего бьефа.Уклон
дна быстротока и все высотные отметки
сооружения осталась прежние.
Было проведено серия опытов , которая
показала низкую эффективность гашения энергии
при от сутствии искусственной шероховатости на
быстротоке и растекателья на водоскате
водобойного колодца. При отсутствие
шероховатости на быстротоке не представилось
возможным даже подобрать порог - растекатель ,
обеспечивающий эффективное гашение энергии в
нижнем бьефе.
Установка шашек в конце быстротока не дала
ожидаемого результата.
Параметры потока несколько улучшились при
установке по всей длине быстротока искус ственной
шероховатости в виде нормальных брусков , но при
этом была получена брызжущая перепадная фор ма
движения потока в лотке.
С целью улучшения характеристик потока
нормальные бруски были заменены брусками
треугол ьного сечения. Однако по -прежнему на
быстротоке наблюдалась сильная неравномерность
рас пределения глубин по ширине лотка.
С целью уменьшения сосредоточения потока
по оси лотка на начальном участке быстротока
бруски были заменены шероховатостью в форме
один очного зигзага. Угол зигзага увеличивается в
напрвлении колодца от 90 0 до 150 0.
Установка искусственной шероховатости
предложенного типа позв олила улучшить
распределение глубин потока по ширине лотка ,
получить большие глубины на входе в водобойный
лшолодец , уменьшив тем самым избыточную
кинетическую энергию пото ка.
Подбор размеров и места к установке порога -
растекателя производился путем визуал ьного
наблюдения за характером гашения энергии при
последовательной работе колодца с порогами
высотой 1 ,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 м и углами 120 0, 140 0
и 160 0.
Наилучшая эффективность гашения энергии
была получена при установке на водоскате порога
высотой 2 ,5 м с углом растекания 120 0. Причем ,
порог -растекатель устанавливается не в конце
водоската , а на расстояние 10 ,0м от его начала.
Порог , установленной на водоскате , оказывает
на поток распределительное воздействие ,
подтормаживая и отклоняя его придонные сло и к
поверхности и , кроме того , расщепляя их и
направляя к стенкам колодца. Однако донный
порог - растекатель слабо воздействует на
поверхностные слои потока , поэтому при установке
только порог - растекателья не удалось добиться
высокой эффективности гашение энергии. В связи
с этим на пороге - растекателе параллельно
бортовым стенкам колодца были установлены две
направляю щие стенки.
Сами направляющие стенки слабо
воздействуют на поток при сильном его
сосредоточении по оси водосброса.
Перераспределение придонны х слоев по ширине
потока порогом - растекателем уменьшает
сосредоточение удельных расходов по оси колодца ,
и создает тем самым благоприятные условия для
воздействия стенок на поверхностные слои потока.
Было проведено серия опытов , в ходе которой
уточнялась конструкция растекателя путем
сравнения эпюр распределения скоростей и
удельных расходов по ширине и глубине потока ,

16 American Scientific Journal № ( 39 ) / 2020
полученных при различных комбинациях порога -
растекателя с направляющими стенками -
растекателями. Входе этой серии опытов был также
рассмот рен вариант конструкции водобойного
колодца , при котором с целью более равномерного
растекания потока по ширине отв одящего русла
вдоль левой стенки –открылка колодца устроена
траншея с в ертикальными боковыми стенками , дно
траншеи на отметке дна колодца , 10 ,0 м. По верху
траншеи , на отметке дна отводящего русла ,
установлены дополнительно два зубчатых
гасителя.
Опыты про водились при следующих
конструкциях колодца и растекателя :
1. Водобойный колодец без траншеи, порог -
растекатель выполнен враспор со стенками
колодца , стенки - растекатели с наклонной передней
гранью длиной 35 м , начинаются в конце
быстротока.
2. Водобойный коло дец с транше ей
растекатель той же конструкции.Т.к наличие
траншеи несколько выровняло эпюр у
распределения удельных расходов , последующие
опыты проводились для водобойн ого колод ца с
траншеей.
3. Растекатель той же конструкции , но порог
– растекатель выполне н не враспор со стенками
колодц а.
4. Стенки – растекатели укорочены , не
выходят за пределы порога – растекателя ,
выполнены в виде параллелограмма с наклонными
передней и задней гранями.
5. То же , но задняя грань стенок –
растекате лелей выполнена вертикальной.
Наилучшей с точки зрения эффективности
гашения энергии и равномерности распределения
потока в нижнем бьефе является конструкция
растекателя четвертого варианта , со стенками -
растекателями в форме параллелограмма.
Результаты и обсуждение
Рекомендуемая констр укция растекателья.
Противокавитационн ые мероприятия :
Растекатель рекомендуемого типа представляет
собой донный порог – растекатель , имеющий
форму одиночного зигзага высотой 2 ,5 м, с углом
120 0, и установленные на нем две направляющие
стенки - растекатели [ 6].
Донный порог – растекатель выполнен не
враспор с бортовыми стенками колодца и
расположен по оси водоската на расстоянии 10 , 0 м
от его начала. Стенки - растекатели параллельны
стенкам колодца , их передная грань округлена и
расположена под углом 70 0 по о тноше нию к
водоскату. Стенки - растекатели не затапливаются ,
их высота 13 , 0 м. Конструкция растекатели
представлена на Рис.1
В качестве критерия , характеризующего
кавитацию , обычно применяется параметр (число)
кавитации[7] :
К= ������хар−������кр
������������хар2
2
= Нхар−Нкр ������хар2
2�
; (1)
Где ; ������хар = �Нхар - абсолютное давление
вблизи элемента сооружения:
Нхар = На−ℎизб ; (2)
Н кр = Н� ; (3)
Где; Н� -абсолютное давление паров воды ,
значение которого при температ уре 15 0 составляет :
Н� = 0, 17 м вод , ст. [7] :
������хар - осредненная во времени характерная
скорость потока вблизи элемента сооружения.

Рис.1. Планы и разрезы Устройство для гашение энергии потока; подводящий канал -1; нижний бьеф -2;
водобойный колодец -3;боковые стены -4; порог -5; железо бетонный стена -6; трубки -7; воздух
отводный труба - 8;

American Scientific Journal № ( 39 ) / 2020 17

Значения числа кавитации, соответствующие
условиям возникнования кавитации , принято
называть критическими К кр;
Атмосферное давление для нашего случая ,
опреде ленное в зависимости от высоты местности
над уровнем моря , составляя определения ет 10 ,17м
вод.ст.
Проверим возможность возникновения
кавитац ии вследствии отрыва потока от
поверхности стенок -растекателей. Для К кр их
можно рассматривать как расшепители пото ка,
устанавливаемые за водосливами.
По данными С. М. Слисского , при округлении
передного ребра расщепителя критическое
значение числа кавитац ии снижается до К кр=0 ,11.
Число кавитации у дна стенок - растекателей
при скорости потока 29м /cек составляет:
Нхар =10 ,17 +10 ,0=20 ,17 м ,
К= 20,17−0,17 292 2.9,82
= 0,47 , то есть кавитация
отсутствует.
У поверхности , при ℎизб = 0; число кавитации
составит :
К= 10,17−0,17 292 2.9,82
= 0,23 , но стенка не затеплена , и
в эту зону возможно поступление воздуха.
Значен ие К кр определенное для растекателя Д. И.
Кумина , по конструкции наиболее близкого
донному порогу -растекателя составляет К кр=1 ,05.
Внашем случае число кави тации для донного
порога составляет К=0 ,47, т.е . будет иметь место
кавитация.
Однако в том случае , е сли верхняя грань
порога выполнена наклонной в напралении потока
с коэффициентом заложения m ≤ 2,5, будет
безэрозионным ( суперкавитирующим ), т.к. вихри
срывной к авитации не будет замыкаться на его
поверхностях.
Однако при этом не может быть гарантировано
отсутствие кавитации водобоя за порогом и
бортов ых стенок колодца. В этих зонах необходимо
предусмотреть кавитационно стойкое покрытие.
Перспективными являются эп оксидно -
полиэфирные и эпоксидно -тиокольные составы с
наполнителем (различные смеси песка , песок
электрок орундом), а также эпоксидно -каучуковые
составы. В настоящее время , когда еще
недостаточно изучена возможность
кавитационного выпора для таких материа лов
,предпочтительное принимать стойкие против
эрозии относительно хрупкие составы (например ,
эпокс идно -по лиэфирные), для которых явление
кавитационного выпора не наблюдало сь.
Кавитационная эрозия возможна также в
нижних частях стенок -растекателей , в зоне
замыкания на них вихрей срывной кавитации
донного порога -растекателя.Эрозия может быть
резко уменьш ена или устранена вовсе путем
подвода воздуха в области кавитации. На
рис ование 1 представлено конструкция без
эрозинного растекателя. Подача воздуха
происходит автоматически через трубу 8
расположенную внутри стенки -растекателя 6 и
имеющую ответления с от верстиями 7 на боковых
поверхностях стенки где диаметр воздуховода
состав ил 18см , диаметр отверстия 5см.
Особое внимание следует обратить на
обеспечение прочности стенки -растекателя при
динамическом воздействии транзитного потока и
на обеспечение прочного сцепления трубы -
воздуховода с бетоном стенки , что может быть
достигнуто п утем приварки к трубе ребер
жесткости из отрезков арматуры класса А -III. Для
больщей прочности конструкции труба -воздуховод
в нижний своей части анкеруется в бетоне порога -
растекател я с приварк ой к его армоконструкциям.
С целью предохранения бетона от пов реждений
передние грани стенок и вершина порога
выполняются в стальной облицовке.
Заключение
В итоге исследование в нижнем бьефе
водосбросных сооружениях , а именно на
водобойной колод цах, позволило провести
последовательное приближение к оптимальному
вариа нту гашение энергии расходах потоков.
Предложенное и совершенствованной конструкции
растекателья для гашение энергия потока на
водобойном колодце и рисберме с минимальной
воронкой раз мыва на сходе с нее. Проверено
возможность возникнование кавитации вследс твие
отрыва потока от поверхности стенок -
растекателей. Эрозия устранено вовсе путем
подводя воздуха в области кавитации.

Список литературы
1. Волков И. M., Федичкин И.К. ,
Методические по собие по выполне нию курсового
проекта узел сооружений ,г.Новочер касск , 1970 ,
76с.
2. .Волков И. M.,Кононенко П.Ф. , Федичкин
И.К. ,Гидротехнические сооружения М. :
Колос ,19 68,464 с.
3. Алтунин С.Т. ,Регулирование русел рек. М. :
Ce лхозгиз , 19 62, 352 с
4. Васильева И.А. ,Журавлев Г.И. ,Корюкин
С.Н. ,Гидротехнические сооружения
М. :Стройиздать ,1978 ,647с.
5. Гришин М.М. ,Гидротехнические
сооружения М. :Bысшая школа ,19 68,615 с.
6. Абилов Р.С. Устройство для гашение
енергии потока. Полезное модель №U20180018
7. ОТЧ ЕТ о НИР Модельные исследов ания
строительно – эксплуат ационного водосброса
Кирзанской ГЭС на р. КУРЕ Бакинский филиал
(ВНИИ ВОДГЕО) Баку , 1988