Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор современного состояния теории гидравлического удара 11
1.1. Основные причины возникновения переходных процессов в напорных системах водоподачи
1.1.1. Отключение насосного агрегата 15
1.1.2. Отключение параллельно работающих насосов 16
1.1.3. Отключение последовательно работающих насосов 18
1.1.4. Пуск насосных агрегатов
1.2. Гидравлический удар в двухфазном газожидкостном напорном потоке
1.3. Определение максимального повышения давления при гидравлическом ударе в простом и разветвленном трубопроводе 25
1.4. Разрыв сплошности потока 30
1.5. Определение скорости распространения волны гидравлического удара 34
2. Мероприятия по снижению давления в трубопроводах напорных систем водоподачи 44
2.1. Средства для уменьшения скорости движения воды в трубопроводах
2.2. Сброс воды из трубопровода 47
2.3. Впуск воздуха и воды в трубопровод 55
3. Методика расчетно-теоретических исследований переходных режимов для напорных трубопроводов крупных насосных станций 59
3.1. Задачи исследования
3.2. Уравнения, описывающие переходные процессы 60
3.3. Расчет переходных процессов в напорных системах водоподачи с водовыпускными сооружениями с быстропадающими затворами 66
3.4. Учет влияния нерастворенного в воде воздуха на переходные процессы в напорных трубопроводах 71
3.5. Основные положения метода расчета переходных процессов при различном шаге по времени t и по координате х 76
4. Расчеты переходных режимов для крупных насосных станций 82
4.1. Задачи расчетно-теоретических исследований 82
4.2. Метод расчета переходных процессов при различных шагах х и t 82
4.3. Дополнения к алгоритму и программе расчета 88
4.4. Общие положения проектирования крупных насосных станций 91
4.5. Первая серия расчетов переходных режимов 93
4.6. Вторая серия расчетов переходных режимов 106
4.7. Рекомендации по уменьшению колебаний давления при переходных процессах 123
4.8. Экономическая эффективность 128
Заключение 131
Литература
- Отключение последовательно работающих насосов
- Определение максимального повышения давления при гидравлическом ударе в простом и разветвленном трубопроводе
- Впуск воздуха и воды в трубопровод
- Дополнения к алгоритму и программе расчета
Введение к работе
Актуальность темы. Планами развития народного хозяйства РФ предусматривается широкое строительство крупных водохозяйственных систем (с подачей более 10 м/с) для водоснабжения, орошения, судоходства и межбассейнового перераспределения стока. Неотъемлемой частью таких систем являются магистральные каналы с насосными станциями большой мощности. Кроме того, в ближайшие годы намечается использование агрегатов крупных насосных станций в качестве потребителей-регуляторов энергосистем.
При изменении режимов работы регулирующих органов в напорных трубопроводах гидросистем возникает неустановившееся движение жидкости. Частным случаем такого движения является гидравлический удар - одна из основных причин аварий, возникающих в напорных гидросистемах.
На стадии проектирования крупных насосных станций следует выполнять расчетно-теоретические исследования неустановившегося напорного движения реальной жидкости с целью обеспечения надежной работы гидросистем в различных режимах и снижения затрат на их строительство и эксплуатацию. Для выбора надежных способов и средств ограничения давления при переходных процессах необходимо проведение расчетов, учитывающих как физические закономерности, определяющие ход этих процессов, так и технические характеристики используемого оборудования.
Гидравлические удары, возникающие при выключении насосов, хотя и могут вызывать весьма значительные повышения давления, являются "предсказуемыми" - причина их возникновения известна, закономерности процесса изучены и средства борьбы с повышением давления теоретически обоснованы и экспериментально проверены. Поэтому можно принимать меры защиты, выбирая их применительно к особенностям условий работы данного водовода в соответствии с результатами расчетов, выполненных с использованием компьютерных программ.
В системах подачи и распределения воды могут так же возникать и "непредсказуемые" гидравлические удары в следствие запаздывания закрытия
обратных клапанов, быстрого закрытия или открытия запорных устройств, а так же неконтролируемого перемещения воздуха, зависящего от ряда факторов, учет которых практически невозможен.
Рассматривая вопросы совершенствования систем водоподачи и распределения воды, прежде всего необходимо отметить, что значительное снижение стоимости их строительства, которая обычно составляет 50...70 % общей стоимости гидроузла, может быть достигнута снижением избыточных давлений при стационарных и переходных режимах работы водохозяйственных систем.
В связи с вышеизложенным, большое научное и практическое значение имеют уточнение существующих и разработка новых методов расчета переходных процессов для крупных насосных станций, соединение с водоприемником которых осуществляется водовыпускным сооружением с быстропадающими затворами, что позволит создавать более совершенные и надежные водохозяйственные системы.
Решение задачи защиты оборудования крупных насосных станций и систем водоподачи от недопустимых мгновенных повышений давлений является весьма актуальным для разработки новых водохозяйственных объектов.
Цель и задачи исследований. Целью работы является создание методики расчета переходных процессов в напорных трубопроводах крупных насосных станций, соединенных с водоприемником с помощью водовыпускных сооружений, оборудованных быстропадающими затворами.
Достижение поставленной цели было связано с решением следующих задач:
- рассмотрение основных существующих зависимостей для расчетов переходных процессов в напорных трубопроводах и выделение главного направления развития исследований;
совершенствование существующей методики расчета переходных процессов в напорных трубопроводах крупных насосных станций, часто встречающихся в водохозяйственной практике;
разработка алгоритма расчета и его реализация в компьютерной программе;
проведение расчетно-теоретических исследований различных случаев переходных процессов в напорных трубопроводах, соединенных с водоприемником с помощью водовыпускных сооружений, оборудованных быстропадающими затворами;
- разработка, на основании проведенных расчетно-теоретических
исследований, рекомендаций по комплексной защите напорных трубопроводов
крупных насосных станций от гидравлического удара при отключении
насосных агрегатов.
Научная новизна работы. Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
- усовершенствована математическая модель гидравлических переходных
процессов, возникающих в результате аварийных отключений насосных
агрегатов, для крупных насосных станций с учетом норм технологического
проектирования;
разработана методика проведения расчетно-теоретических исследований с учетом кавитационных разрывов сплошности потока;
- создан алгоритм и компьютерная программа для расчета переходных
процессов, позволяющая полностью моделировать автоматическую работу
подобных напорных систем с крупными насосными станциями.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов по всем позициям диссертационных исследований обеспечена:
- применением точных теоретических методов анализа и исходных
зависимостей, общепринятых в теории исследования переходных процессов;
- использованием современных компьютерных программ;
- большим объемом и достаточной полнотой выполненных расчетно-теоретических исследований, согласующихся с материалами проектных разработок крупных насосных станций, выполненных ЗАО ПО "Совинтервод".
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы обусловлена актуальностью рассматриваемых проблем и конкретными результатами для оценки гидравлического удара в напорных трубопроводах. Реализация предложенной математической модели в компьютерной версии позволяет проводить расчеты переходных процессов в напорных трубопроводах с крупными насосными станциями с учетом действия средств защиты.
Методы исследований. Применены методы вычислительной математики, современные методы программирования, анализ и обобщение расчетно-теоретических исследований.
Реализация работы. Результаты исследований позволили разработать предложения по защите напорных трубопроводов с крупными насосными станциями от гидравлического удара при отключении насосных агрегатов и в значительной мере повысить надежность работы водохозяйственных систем.
Личный вклад автора. Постановка задач исследований в области гидравлики напорных трубопроводов с крупными насосными станциями, выбор направлений их решения, анализ и обобщение приведенных в диссертации результатов, выполнены автором.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических и научно-теоретических конференциях при ФГОУ ВПО "Московский государственный университет природообустройства" в 2011-2013 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи, в том числе 3 в изданиях, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация, общим объемом 152 страницы, состоит из введения, 4 глав, заключения, включает в себя 35
рисунков, 2 таблицы и приложение. Библиографический список литературы содержит 186 наименований, в том числе 16 иностранных изданий.
Отключение последовательно работающих насосов
Напор насоса, развиваемый им при стационарном режиме работы, затрачивается на подъем воды на высоту Нг, равную разности отметок воды между водовыпускным сооружением и водоисточником, а так же на преодоление гидравлических сопротивлений (потерь) как местных, так и на трение воды о стенки по длине трубопровода.
Если обозначить суммарное гидравлическое сопротивление S, то для определения необходимого напора насоса можно записать выражение Н=Нг+SQ2 (где Q – расход воды в трубопроводе, равный в данном случае подаче насосов).
С другой стороны, зависимость между напором насоса и его подачей определяется его напорной характеристикой, поэтому рабочей точкой насоса при нормальном режиме работы является пересечение характеристики насоса H-Q с характеристикой трубопровода Нтр=Нг+SQ2. При нормальном режиме работы вал насосного агрегата вращается с постоянной, а точнее, незначительно изменяющейся частотой. Постоянство частоты вращения определяется тем, что крутящий момент, развиваемый двигателем (как правило электродвигателем), равен крутящему моменту, необходимому насосу, часто именуемому моментом сопротивления.
Во время отключения двигателя крутящий момент, развиваемый им, обращается в ноль, вызывая уменьшение частоты вращения всего насосного агрегата, вызывая уменьшение подачи воды насосом и его напора.
С уменьшением напора насоса будет происходить и снижение давления в начале трубопровода, которое в виде волн пониженного давления начнет распространяться по трубопроводу. Волна пониженного давления достигает конца трубопровода через некоторое время, зависящее от длины трубопровода lтр и скорости распространения ударной волны а. Если принять, что уровень воды в резервуаре постоянный, то постоянным будет и давление в концевом сечении трубопровода, примыкающего к резервуару. Поэтому волна пониженного давления, подошедшая к резервуару, отразится равной ей по абсолютной величине волной повышенного давления, которая начнет распространяться в обратном направлении по трубопроводу к насосу. Необходимо отметить, что, отражение волн фактически начинается одновременно с их распространением по трубопроводу вследствие влияния гидравлического сопротивления на трение. Это изменение волн происходит постоянно по мере распространения их по трубопроводу.
Через некоторое время после отключения насоса направление движения воды в трубопроводе, вследствие действия силы тяжести, изменится, причем не одновременно по всей длине трубопровода. Дальнейшее протекание процесса будет значительно зависеть от того, будет ли происходить сброс воды через насос или нет. Для предотвращения обратного тока воды через насос на его напорной линии устанавливают наиболее распространенный тип предохранительной трубопроводной арматуры – обратный клапан. Перекрытие потока обратным клапаном происходит при закрытии его тарели (диска), шарнирно закрепленной в корпусе. В настоящее время в основном используются однодисковые обратные клапаны, в которых перекрытие сечения осуществляется одним диском. Многодисковые обратные клапаны в виду их недостаточно надежной работы применяются редко. В зависимости от подвески тарели, однодисковые обратные клапаны выпускаются двух модификаций: с эксцентричной и с верхней подвеской. Обратные клапаны с эксцентричной подвеской по габаритам меньше клапанов с верхней подвеской и практически не выходят за пределы наружного диаметра трубопровода, что положительно сказывается на компоновке напорной линии насосной установки. Длина их также не больше диаметра трубопровода, поэтому они легче и дешевле клапанов с верхней подвеской тарели, но до настоящего времени обратные клапаны с эксцентричной подвеской работали менее надежно.
Таким образом, при установке обратного клапана на напорной линии насоса, изменение направления движения потока в начале трубопровода при переходном процессе вызовет закрытие тарели клапана, вызывая уменьшение скорости потока до нуля и повышение напора на AH=(a/g)иобр (иобр - скорость движения потока в обратном направлении). Для стальных, железобетонных и чугунных труб скорость распространения волн а«1000 м/с, отношение а/g lOO, следовательно, каждые погашенные 0,1 м/с скорости движения воды обратным клапаном повышают напор приблизительно на 10 м, то есть повышение напора может быть значительным, а при образовании кавитационных разрывов сплошности потока в трубопроводах - еще больше.
При отсутствии обратного клапана все будет происходить так же, как и при его установке, до момента изменения направления движения потока воды. Затем вода начнет двигаться через насос в обратном направлении. Какое-то время вал насосного агрегата будет еще вращаться в прямом направлении, а потом остановится и под влиянием обратного потока воды начнет вращаться в противоположную сторону с постепенно увеличивающейся частотой. По мере увеличения расхода воды через насос будут также увеличиваться потери напора, что несколько сдержит рост скорости потока воды. Следует отметить, что при использовании для подачи воды центробежного насоса увеличение его частоты вращения приводит к повышению гидравлического сопротивления насоса, что еще больше будет снижать скорость потока воды. Наибольшее повышение напора приблизительно соответствует максимальной реверсивной частоте вращения (частоте вращения в обратном направлении), после этого она начинает уменьшаться. В отдельных случаях возможно повторное увеличение реверсивной частоты вращения. Если трубопровод опорожняться не будет, то есть по каким-либо причинам он не отключится от водовыпускного сооружения, то вал насосного агрегата будет вращаться с постоянной реверсивной частотой.
Определение максимального повышения давления при гидравлическом ударе в простом и разветвленном трубопроводе
Описав физическую картину гидравлического удара, установив метод определения наибольшего повышения давления при различных условиях удара, Н.Е.Жуковский /68/ предложил также и формулу для определения скорости распространения волны гидравлического удара:
Наличие в потоке двух фаз всегда приводит к их взаимодействию, причем результат этого взаимодействия не является однозначным, а зависит от соотношения расходов фаз, их абсолютных и относительных скоростей, физических характеристик, геометрических размеров водовода и т.д.
Вследствие этого закономерности как установившегося, так и неустановившегося движения двухфазного (вода и воздух) потока отличаются от тех, какие имеют место в однородных средах.
Увеличение или уменьшение количества газовых пузырьков за счет массообмена, вызванного изменением давления в общем случае нестационарного режима, влечет за собой изменения в характере распространения ударных волн. При этом обнаруживается, что возникающее нарушение термодинамического равновесия не может быть в полной мере объяснено действием закона Гука; необходимо учитывать, кроме того, законы термодинамики. В первые на эту особенность реальной жидкости указывает А.А. Эпштейн /165/ при изучении явления кавитации.
Влияние выделяющегося при кавитации воздуха было учтено А.А. Эпштейном /165/ при получении зависимости для определения критического давления Рвк ар к . Учет фазовых превращений производился им на основании закона Генри. При этом не рассматривалось влияние объема воздуха на величину плотности потока, а также не учитывалось сжимаемость воды и труб.
К настоящему времени имеется довольно много теоретических и экспериментальных работ по исследованию мгновенного гидравлического удара в газожидкостных потоках. Ю.С. Девдариани и Т.Б. Лунякина /105/, рассматривая вопрос о снижении амплитуды давления в трубопроводах при гидравлическом ударе, предложили прокладывать внутри трубопровода гибкий шланг, наполненный воздухом. Авторы получили для расчетов следующую формулу: a a = (1.18) n D 2 Р где a0 - скорость распространения волны гидравлического удара без учета влияния воздуха, т.е. вычисления по формуле (1.17), a0=aж; Р – абсолютное гидродинамическое давление в момент гидравлического удара; –диаметр шланга; Епр – приведенный модуль упругости. Формула (1.18) получена при рассмотрении объемной деформации отсека трубопровода длиной Z с уложенным внутри шлангом. При выведении этой формулы не учитывалась деформация стенок шланга, а учитывалось лишь сжатие воздуха в шланге. Процесс сжатия воздуха считался изотермическим. Поскольку авторами не учитывалось влияние стенок шланга, то формулу (1.18) формально можно отнести к формулам для определения a при движении по трубопроводу газожидкостной смеси, считая, что по центру трубы, наполненной жидкостью, движется воздушная струя диаметром d. Зависимость (1.18) после некоторых преобразований может быть приведена к виду:
Ременьерас /178/ рассматривал объемную деформацию элементарного отсека трубопровода dx со шлангом, не учитывая сжимаемость стенок шланга и полагая процесс сжатия воздуха в шланге изотермическим. Полученная им формула может быть приведена к виду:
Блинд /170/ выводит формулу для определения скорости распространения возмущений в случае, когда в напорном трубопроводе имеются крупные воздушные включения, расположенные у верхней стенки трубы. Он рассматривает объемную деформацию элементарного отсека трубопровода, учитывая деформацию стенок трубы, сжимаемость воды, а также подчиняющиеся адиабатическому закону сжатие воздушного включения в плоскости живого сечения. Формула Г. Блинда записывается так: площадь поперечного сечения трубопровода, занятая жидкостью.
Взяв за основу формулу Кортовега и рассматривая изменение объема воздуха по адиабатическому закону, Г.Я. Гигиберия /43/ по аналогии с выводом Л. Прандтля /136/ дает формулу для определения скорости волны удара при наличии воздушных пузырьков, более или менее равномерно распределенных по сечению потока.
В.М. Алышев /2/ выводит зависимость для определения скорости а при движении гидросмеси в соосных трубах. Автор, следуя Б.Л. Буниатяну и З.А. Зоряну /73/, рассматривает объемную деформацию элементарного отсека соосных труб. Из выведенной В.И. Алышевым зависимости как частный случай можно получить следующую формулу для определения скорости а в простом трубопроводе при движении по нему газожидкостной смеси:
В.О. Токмаджян /155/, отметив достоинства и недостатки исследований Г.Я. Гигиберия и В.Н. Дегтярева, также дает формулы для определения величины повышения давления и скорости распространения волны гидравлического удара при движении газожидкостной смеси. При выведении своей формулы В.О. Токмаджян, так же как и Г.Я Гигиберия, основывается на формуле Кортовега. В.О. Токмаджян считает процесс сжатия газа адиабатическим и получает после ряда допущений и преобразований следующую формулу:
Впуск воздуха и воды в трубопровод
Впуск воды более эффективно ограничивает повышение давления, чем впуск и защемление воздуха, однако является более дорогим и сложным мероприятием. Для впуска воды могут быть использованы специальные резервуары для впуска воды или водонапорные колонны, который должен осуществляться автоматически при падении давления в трубопроводе ниже заданной величины. Впуск воды в трубопровод на напорных системах водоподачи не нашел широкого распространения из-за значительной стоимости, хотя и является достаточно эффективным противоударным мероприятием при разрывах сплошности потока.
Установка дополнительных обратных клапанов, разделяющих трубопровод на отдельные участки целесообразна при значительных статических напорах (более 50 м). В результате этого в пределах каждого участка статический напор становится относительно небольшим. Каждый такой резервуар соединен с трубопроводом соединительной линией, на которой установлен обратный клапан, закрытый при нормальной работе насосной станции давлением воды в трубопроводе. При аварийной остановке насосов воды из резервуара поступает в трубопровод при понижении давления, заполняя возможный разрыв сплошности потока. При последующем повышении давления в трубопроводе обратный клапан на соединительной линии закрывается, и резервуар отключается от трубопровода. Предусматривают устройства для впуска воздуха в местах установки клапанов для недопущения возникновения глубокого вакуума.
Исследования, проведенные Алышевым В.М. и Хамо М.А. /1/, доказывают высокую эффективность совместной работы резервуара и обратного клапана, то есть комбинированной системы защиты трубопровода от гидравлического удара. Авторами доказана высокая степень защиты трубопроводов от гидравлического удара и оптимальная работа системы. Применение водовоздушных баков в качестве средства защиты трубопроводов от гидравлического удара может быть достаточно эффективным, однако практически затрудняется быстрым уменьшением в них запаса воздуха, вследствие растворения его в воде, а также из-за утечек. В связи с этим необходима периодическая подпитка резервуаров воздухом при помощи компрессора, что усложняет схему автоматизации и снижает ее надежность. Использование насосных агрегатов с большей инерцией вращающихся масс может быть достигнуто снижением давления при гидравлическом ударе. Использование насосных агрегатов подобного типа может рекомендовано лишь в том случае, если это приводит к существенному снижению давления в водоводе и не связано со значительным усложнением и удорожанием оборудования насосных станций. А также в качестве гасителя гидравлического удара систем водоподачи, но должны предшествовать тщательные расчеты, применительно к конкретных условиям, так как воздушный бак может оказать и отрицательное влияние на переходные процессы в насосной станции.
Два последних рассмотренных средства защиты могут быть отнесены также и к сбросным устройствам, поскольку при повышении давления вода начинает поступать в них.
Сброс воды из трубопровода Сброс воды из трубопровода может осуществляться через насосы или через специальные предохранительные устройства. Вода поступает через насосы обратно в водоисточник в первом случае, а во втором – может сбрасываться как в водоисточник, так и в атмосферы, или специальные емкости.
Можно применить следующие способы для осуществления сброса воды обратно в водоисточник через насосы: пропуск воды через клапаны с регулируемым закрытием; пропуск воды по обводным линиям к обратным клапанам. Сброс воды через насосы может быть неограниченным, если не установлены обратные клапаны и запорная арматура находится в полностью открытом положении или отсутствует вообще на напорных линиях. И ограниченным, если воду сбрасывают через обводные линии обратных клапанов или через клапаны с регулируемым закрытием. С одной стороны, количество сбрасываемой воды должно обеспечивать снижение давления в необходимых пределах при гидравлическом ударе, а с другой – не должно вызывать реверсивного вращения ротор насосного агрегата, превышающего допустимое. Более эффективное гашение гидравлического удара при сбросе воды через насос достигается при заторможенном рабочем колесе. С увеличением частоты вращения насоса в обратном направлении уменьшается пропускная способность насоса. Приходится производить сброс при свободном вращении ротора насосного агрегата, исключающих реверсивное вращение рабочего колеса насоса из-за того, что нет надежных конструкций тормозов.
Соответствующее увеличение гидравлического сопротивления уменьшает расход сбрасываемой воды и при этом соответственно снижается расход сбрасываемой воды и при этом соответственно снижается реверсивная частота вращения при уменьшении диаметра обводной линии по сравнению с диаметром водовода.
Сброс воды через насос по обводной линии меньшего диаметра по сравнению с диаметром напорной линии является наиболее простым способом защиты трубопроводов от гидравлического удара. На обводной линии необходимо предусмотреть установку автоматически закрывающейся запорной арматуры, которая открыта при нормальном режиме работы насоса. Ограниченный сброс воды из трубопроводов через насосы можно осуществлять, также использовать обратные клапаны специальной конструкции с регулируемым закрытием диска.
При отключении насоса тарель (диск) обратного клапана под воздействием собственного веса и обратного тока воды вначале закрывается быстро, а последняя стадия закрытия (200…300) с помощью специального гидроцилиндра - демпфера происходит медленно. Через медленно закрывающийся обратный клапан часть воды сбрасывается, что снижает давление в трубопроводе. Ограниченный сброс воды или вообще не вызывает реверс насоса, или незначительный и кратковременный. Время закрытия клапана можно регулировать дросселем.
Большинство из сбросных предохранительных устройств сбрасывает при повышении давления сверх заданного значения, превышающего максимальное рабочее давление, что является их недостатком. Кроме того, их можно использовать лишь при медленно нарастающем давлении. Все они инерционны, то есть их открытие происходит за ограниченное время, после того как давление в мессе их установки повысится сверх заданного значения.
Принцип действия предохранительных устройств в следующем: при повышении давления в трубопроводе выше допустимого рабочий орган открывает отверстие в корпусе, из которого жидкость выливается в атмосферу, отводящий трубопровод или специальный резервуар.
Рабочими элементами в этих конструкциях являются клапаны, металлические пружины, поршни и другие конструктивные элементы (рис. 2.1).
Применяются предохранительные пружинные клапаны (рис. 2.1 а) клапаны с дополнительным грузом (рис. 2.1 б), мембранные клапаны (рис. 2.1 в), пружинно-мембранные клапаны (рис. 2.1 г) и менее распространенные поршневые клапаны (рис 2.1 д).
При эксплуатации этих гасителей происходит сильный износ уплотнительных элементов седла и тарелки. При их сработке обеспечивается сосредоточенный сброс воды и переувлажнение прилегающей территории, что может отрицательно сказаться на экологии, что особо следует подчеркнуть.
Дополнения к алгоритму и программе расчета
Вторая серия расчетов переходных режимов на крупной насосной станции была проведена для случая подачи воды девятью вертикальными центробежными насосами марки 2400 В - 31.5/80 в индивидуальные стальные трубопроводы, диаметром 3200 м и длиной 1430 м, уложенные в грунте, рис.
Таким образом, по сравнению с вариантом, для которого выполнялась 1 серия расчетов, изменены не только диаметры трубопроводов, но и основное гидромеханическое оборудование. Четырехквадрантные характеристики насосов 2400 В - 31.5/80 построены по данным испытаний модельного насоса с рабочим колесом 289 мм, полученным от ВНИИ «Гидромаш» и приведены в табл. 4.1. Четырехквадрантные характеристики показаны на рис. 4.15. Насосы агрегатированы с синхронными электродвигателями с частотой вращения 214.3 мин-1 и маховым моментом GDдв2=1500 тм2. Поскольку данных по маховым моментам насосов в каталогах не приводится, принято, что GD2 насосного агрегата равен GD2 двигателя, что дает некоторый запас в результатах расчета. Расчеты проводились при наибольшей геодезической высоте подъема воды Нг.max = 84.5 м, которая соответствует минимальному уровню воды в водоисточнике, равному 12.0 м и максимальному в водоприемнике 96.5 м. Поскольку каждый насос подает воду в индивидуальный трубопровод, расчеты выполнялись при одних и тех же начальных значениях подачи насоса 25.8 м3/с, напора насоса 88.3 м и скорости движения воды в трубопроводе З.3 м/с.
Первый вариант расчета был проведен для случая, когда установленный на напорной линии насоса дисковый затвор диаметром 2800 мм после отключения насоса остается открытым и при отсутствии на трубопроводе какой-либо противоударной арматуры. Скорость распространения волн изменения давления была принята равной 1000 м/с, что практически соответствовало отсутствию нерастворенного в воде воздуха.
Изменение направления движения воды в начале напорного трубопровода происходило через 9.6 с после отключения насоса, к этому времени напор насоса снижался до 20 м. Реверсивное вращение ротора насосного агрегата начиналось через 17.6 с а достигает максимума (1.24 от номинального) через 36 с после отключения насоса.
Максимальное повышение напора до 99.5 м имеет место несколько раньше (34.5 с). Результаты расчета показали, что в трубопроводе (участок от 600 м до 850 м от начала трубопровода) после отключения насоса образуется глубокий вакуум, что приводит к разрыву сплошности потока в трубопроводе. В данном случае последующая ликвидация разрыва сплошности потока не приводит к какому-либо ощутимому повышению давления. Однако, поскольку толщина стенок стального трубопровода была определена из условия, что вакуум не превосходит 5 м, это должно быть обеспечено принятием соответствующих мероприятий.
Поэтому второй вариант расчета был проведен при установке на трубопроводе двух аэрационных клапанов (клапанов для впуска и защемления воздуха) одного на расстоянии 50 м, а второго – 630 м от насосной станции, остальных в тех же условиях, что и в первом варианте. В этом случае (рис. 4.17) изменение направления движения воды в начале напорного трубопровода происходило несколько раньше, чем в первом варианте – через 9.1 с после отключения насоса, реверсивное вращение начиналось через 17.3 с, но достигало максимума (1.24 от номинального) несколько позднее (36.7 с). Максимальное повышение напора составляло 103.5 м, т.е. несколько больше, чем при отсутствии впуска воздуха. Расчет показал также, что установка первого аэрационного клапана не нужна, а установка второго в данном случае обеспечивает то, что вакуум в трубопроводе при переходном процессе не превышает 5 м.
Третий вариант расчета проведен для таких же условий, что и второй, но было принято, что в транспортируемой по трубопроводу воде имелся нерастворенный воздух, содержание которого составляет 1% от объема воды при атмосферном давлении.
Результаты расчета этого варианта (рис. 4.18) отличаются от результатов расчета второго варианта следующим. Изменение направления движения воды в начале напорного трубопровода происходило несколько быстрее (8.4 с после отключения насоса), реверсивное вращение ротора насосного агрегата достигало максимальной величины (1.22 от номинальной) через 37.9 с и максимальное повышение напора составляло при этом 98.5 м, т.е. несколько меньше, чем при отсутствии нерастворенного в воде воздуха.
В соответствии с этим было увеличено время переходного процесса, для которого проводились эти расчеты, более 120 с. Четвертый вариант был выполнен при скорости распространения волн изменения давления равной 1000 м/с, т.е. при отсутствии нерастворенного в воде воздуха, в пятом влияние нерастворенного воздуха учитывалось снижением величины а до 500 м/с.
Результаты расчета четвертого варианта (рис. 4.19), как и следовало ожидать, отличались от результатов расчета второго варианта весьма незначительно. Максимальная реверсивная частота вращения составляла 1.23 от номинальной, а максимальное повышение напора в начале трубопровода 102.8 м. Результаты расчета пятого варианта показаны на рис. 4.20. Изменение направления движения воды в начале напорного трубопровода начинались через 8.4 с, а реверсивное вращение начиналось через 17.6 с после отключения насоса. Максимальной величины (1.23 от номинальной) реверсивная частота достигала через 37,5 с и напор в начале трубопровода при этом повышался до 99.0 м. Однако наибольшее повышение напора до 105.3 м происходило раньше (29.3 с) при частоте вращения составляющей 0.86 от номинальной.
Результаты расчета этого варианта показали, что при установке одного аэрационного клапана вакуум на участке трубопровода между этим клапаном и водовыпускным сооружением превышает 8.0 м, т.е. в трубопроводе возможно образование разрывов сплошности потока. Поэтому на этом участке необходима установка второго аэрационного клапана.
Три следующих варианта расчета (шестой, седьмой и восьмой) были выполнены при установке на трубопроводе двух аэрационных клапанов: первого на расстоянии 630 м от его начала, второго на расстоянии 1020 м. Эти варианты приведены для случая, когда затвор на напорной линии насоса оставался открытым.
