Еще не ударил настоящий мороз, не установился ледяной покров на реке. Но река выглядит уже по-зимнему. Ранними морозными утрами ее волнующаяся поверхность покрывается пестрой сетью льдинок, ледяных пластов и комьев. Это шуга, гроза гидроэлектростанций. Если ледяные комья засорят гидротурбины, случится авария, гидростанция остановится.
Как защититься от опасного врага? Можно выставить оборону на дальних подступах перегородить подводящий канал запанью - плавучим «забором», цепочкой связанных бревен. (Разъяснения малопонятных гидротехнических терминов читателю дадут подписи к рисункам на цветной вкладке.) Силой течения шуга будет двигаться вдоль запани в неглубокий канал - шугосброс и по нему сбрасываться в нижний бьеф гидроузла, а затем в реку. Но запань не задержит шугу, взвешенную в потоке. Для защиты от нее устраивают ближнюю оборону перегораживают турбинный трубопровод решеткой, а, чтобы смерзшаяся шуга не забила просветы между прутьями, решетку обогревают электрическим током. На электрообогрев решетки расходуется немало энергии. Надо сказать, что и шугосброс работает не без ущерба для станции он вхолостую сбрасывает воду, которая в ином случае пошла бы на выработку электротока.
Все это было бы терпимо, если бы описанные способы борьбы с шугой действовали бы безотказно. А это отнюдь не так. Несмотря на электрообогрев, сорозадерживающие решетки частенько забиваются взвешенной шугой, а шуга плавающая то, и дело скапливается у запани. Тогда ГЭС приходится останавливать. Такой момент изображен на рис. 2а цветной вкладки. Подняв уровень воды выше нормального подпертого горизонта, шугу вручную проталкивают через холостой водосброс. На аварийные работы созывают местное население, а порой вызывают взрывные команды.
И это в такое время, когда потребители требуют все больше электроэнергии (наступающая зима дает себя знать!), а обмелевшая к осени река становится все менее «трудоспособной»!
Надеюсь, что сказанным я убедил читателя в том, как велика потребность в простых и безотказных, эффективных и нерасточительных способах борьбы с шугой. Об одном из таких способов и пойдет речь в статье. Он основан на применении вихревой воронки, знакомой каждому, кто наблюдал, как вытекает вода из ванны или раковины умывальника.
Рассказ о том, как вихревую воронку привлекли к борьбе с шугой, начнется издалека. Взгляните еще раз на цветную вкладку, на правую колонку фотографий и рисунков. На фото 4а вы видите пластинку, поставленную поперек потока жидкости в лотке. Если скорость потока достаточно велика, за преградой образуется пара вихрей. Картина течения, как легко убедиться, совершенно симметрична. В подобных случаях ось симметрии можно заменить твердой стенкой, иными словами, заменить лоток его половинкой. За преградой, ниже по течению, поставим еще одну стенку - поперек потока, а для стока жидкости устроим отверстие в дне лотка - посредине между преградой и торцевой стенкой. Рисунки 46, и 4в показывают - в плане и в разрезе, - какой характер примет движение жидкости в перестроенном лотке в потоке образуется вихревая воронка. Теперь слегка изменим конфигурацию лотка - перенесем сток на нижнюю часть торцевой стенки (рис. 4г). Мы приходим к конструктивной схеме, которую нетрудно реализовать на любой гидроэлектростанции (ср. рис. 4г, и рис. 1). На одной из таких станций, где внедрен режим пропуска шуги через гидравлические турбины с помощью вихревых воронок и сделано фото 4д. Белые пятна - это шуга. Близ ядра воронки пятна растянуты в штрихи - фото свидетельствует о том, что скорость движения жидкости растет с приближением к оси воронки, и с глубиной. В бешеном, все ускоряющемся вихре шуговые пласты и комья сталкиваются друг с другом, дробятся, измельчаются, и с большими скоростями проходят через решетку, не задерживаясь на ней и дальше - к турбинам. Ледяная пыль, взвешенная в воде, им не страшна.
Даже из этого краткого описания можно уяснить основное достоинство вихревых воронок они позволяют обезвредить шугу без дополнительных затрат энергии, без потерь воды. Работают они беспрерывно, устойчиво, при любых уровнях воды. И достигается все это за счет очень нехитрого приспособления - щита, поставленного поперек потока. Щит-вихреобразователь - назовем его так.
На рисунке 4г - принципиальной схеме описываемого метода - эта важная деталь отмечена буквой А. На рисунке 1 - плане водоприемного сооружения гидроэлектростанции - щит-вихреобразователь выкрашен в красный цвет, как и все детали, необходимые для его установки. Как видно, их немного блок, укрепленный на консоли, да лебедка грузоподъемностью несколько тонн, установленная на пешеходном мостике. (Щит может вращаться вокруг трубы, на которой он подвешен; по миновании надобности его убирают из воды при помощи лебедки. Разумеется, подвижное крепление щита можно осуществить различными способами - на горизонтальной оси, как в описанном случае, на вертикальной оси, подобно дверной створке, и т. д.)
Щит-вихреобразователь прост по устройству, несложен в изготовлении - сварная металлическая рама с дощатым заполнением. Все остальное, необходимое для устройства вихревой воронки, уже имеется на гидростанции. Вот, скажем, щит-перепад, отмеченный на рисунке 4г буквой В, под который воронка уходит своим нижним концом. Его роль в реальных условиях играет щит аварийного заграждения. Он имеется на каждой ГЭС с его помощью перекрывают доступ воды к турбинам во время аварийных остановок, ремонта, и т. п.
Говоря о простоте устройств, позволяющих создать вихревую воронку, стараясь отчетливее и ярче описать физическую идею, лежащую в основе метода, я хотел бы напомнить читателю о том, как непросто дается простота, как туманны порой пути к ярким идеям и дальше - от идей к их конкретному осуществлению. Легко подать мысль об использовании вихревых воронок для борьбы с шугой, но, как создать устойчивую воронку? (В авторском свидетельстве, полученном мною в 1947 году, не случайно речь идет о создании устойчиво и вихревой воронки.) Тот, кто наблюдал вихревую воронку в ванне, знает, что образуется она не всегда. Свою роль здесь играет глубина жидкости, размер сливного отверстия. Иногда поверхность воды в опорожняющейся ванне совершенно плоская, иногда лишь чуть искривлена в виде неглубокой впадины, иногда вихрь выглядит еле заметным волоском.
Этот тонкий волосок-то возникающий, то исчезающий - привлек мое внимание, когда в 1947 году я проводил эксперименты с моделью Усть-Каменогорской ГЭС в лесосплавной лаборатории Лесотехнической академии имени С. М. Кирова. Я занялся исследованиями вихревых воронок с расчетом использовать их на практике. Довольно быстро выяснилось, что устойчивое завихрение проще всего создать, заставляя поток жидкости обтекать, какую-либо преграду. Определилась конфигурация и взаимное расположение вихреобразующих перегородок, схематически представленных рисунком 4г. Были найдены условия, позволяющие получить устойчивую воронку, которая простиралась бы на всю глубину потока и имела бы максимальную тягу ширина щита-вихреобразователя должна быть равной или несколько меньшей расстояния до щита-перепада, щит-вихреобразователь должен отклоняться от вертикали на 12 - 14°, образуя склон к донному отверстию, и т. д.
В 1951 году режим пропуска шуги через гидравлические турбины с помощью вихревых воронок (см. рис. За) был внедрен на Верхнеи Нижне-Варзобских ГЭС (близ Душанбе), годом позже - на Бурджарской ГЭС системы Узбекэнерго, затем на Алма-Атинской ГЭС № 6, на Уч-Курганской ГЭС, и т. д. Такая география внедрения не случайна. Реки, на которых стоят перечисленные гидростанции, начинаются высоко в горах. Зимой температура воздуха там зачастую резко падает ниже нуля. Бурное течение интенсивно' перемешивает образующийся лед с водой и поток насыщается шугой. Шугу здесь можно ждать в любой день зимнего месяца - с ноября по март. Борьба с шугой в таких условиях приобретает особо острый характер.
Надо сказать, что на некоторых из перечисленных гидростанций вихревые воронки помогли бороться не только с шугой.
Например, на Алма-Атинскпх ГЭС они предназначались для борьбы с поверхностным льдом. Всю широту их возможности отразил проект Уч-Курганской ГЭС. С помощью вихревых воронок, оказывается, можно, и «перемолоть» шугу и собрать с поверхности воды лед и сор, чтобы затем сбросить их через донные отверстия в нижний бьеф.
Как, и в начале статьи, скажу о том, как важна и трудна борьба с сором и надводным льдом на гидроэлектростанциях. Лед, и плавающий сор (кустарник, высохшие стебли, пищевые отходы) обычно удаляют при помощи запаней, а это, как мы уже видели, связано с расходом воды, запань же требует немалых средств для своего сооружения. Взвешенный сор (ботва, трава, корни) обычно задерживают с помощью решеток. Сор осаждается на них толстым слоем, который приходится убирать по нескольку раз в день, останавливая станцию (рис. 26). Для борьбы со взвешенным сором сооружают громоздкие сорозадерживающие агрегаты. Такой агрегат показан на рис. 2в. Колесо со спицами, наполовину погруженное в воду, медленно вращается; сор. осевший на сетке, натянутом между спицами, смывается мощной струей воды в отводящий лоток. Чтобы осадить взвешенный сор, устраивают отстойники. Воду из отстойника периодически спускают и затвердевший слой осевшего сора смывают гидравлической струей. Все эти способы неэффективны, сложны, требуют больших затрат.
Обратимся к вихревым воронкам. Спуская воду из засоренной ванны, легко заметить, что поначалу плавающий сор медленно опускается вместе с поверхностью воды, не обнаруживая заметных перемещений. Но вот толщу воды пронзила вихревая воронка. Вихрь всасывает в себя плавающий сор и очищает поверхность воды в довольно обширной окрестности. Чтобы перенести этот несложный опыт на натуру (см. рис. 36), в условия гидроэлектростанции, нужно установить в подводящем канале достаточно широкую (40 - 80 см) трубу или несколько таких труб высотою чуть меньше половины глубины канала (иначе воронка не образуется и труба быстро окажется забитой сором; при указанной же высоте трубы тяга воронки максимальна). Выше по потоку, на расстоянии, равном примерно двум диаметрам трубы, устанавливается щит-вихреобразователь, ширина которого равна расстоянию до трубы. Плавающий сор будет затягиваться в вихревую воронку и, сжатый вихрем, пройдет через донное отверстие в нижний бьеф. Точно таким же образом воронка сможет засосать поверхностный лед толщиной до восьми сантиметров. Вихрь раздробит лед на куски и затянет в трубу. Как видно и зимой и летом вихревые воронки смогут очистить гладь воды.
Для вихревых воронок найдется работа, и в отстойниках. Известно, что в завихренных потоках взвеси осаждаются гораздо быстрее, чем в незавихренных. Поэтому вход и выход из отстойника предлагается перегородить косо поставленными щитами (рис. Зв), обтекая которые жидкость закружится в вихре. Из завихренного потока сор отложится ровной горкой вокруг трубы, поставленной в центре отстойника. Верхняя часть трубы - съемная. Стоит снять ее -, и вихревая воронка быстро смоет и засосет в трубу горку отложившегося сора. Замечу, что размеры таких отстойных сооружений меньше обычного. Следует сказать и про то, что вихревые движения могут быть использованы для охлаждения потоков воды в прудах-охладителях на теплоэлектростанциях.
Вихревая воронка облегчает перевалку сплавного леса через плотину (рис. Зг). Бревна - разрозненные или связанные в пучки, - подойдя к воронке, становятся вертикально, затем, строго придерживаясь оси вихря, вновь принимают горизонтальное положение и, беспрепятственно пройдя через донное отверстие, всплывают в нижнем бьефе. Обычно для этой цели сооружают дорогостоящие бревноспуски, железные и подвесные дороги (рис. 2г).
В заключение стоит особо сказать об экономической целесообразности внедрения вихревых воронок для борьбы с шугой, льдом и сором, для сплава леса. Это миллионы сэкономленных рублей, которые уже не придется затрачивать на строительство шугосбросов и лесоперевалочных дорог. Это прирост выработки электроэнергии, исчисляемый миллионами киловатт-часов ежегодно.
Обычно к новой технической идее поначалу относятся недоверчиво - ждут, пока идея убедительно докажет свои достоинства, пока накопится опыт ее использования на практике.
Более двадцати лет вихревые воронки бесперебойно «работают» на Верхне-Варзобской, Зеленчукской и Алма-Атинской ГЭС. Это примеры наиболее старые. Вот наиболее свежий в проекте ныне строящейся Киевской , гидроаккумулирующей станции предусмотрен пропуск; шуги и мелкого льда через гидравлические турбины с помощью вихревых воронок.
Можно надеяться, что в будущем вихревые воронки будут находить все более широкое применение.
ЛИТЕРАТУРА:
Фокеев В. С. Вихревые воронки и их применение на электростанциях, изд. «Энергия», 1964 г.
Шмульсон и Б. Д. Киевская гидроаккумулирующая электростанция, журнал «Гидротехническое строительство» № 4, 1972 г.
1973_09_07_01.jpg
Рис. 1. Общий вид водоприемного сооружения гидроэлектростанции с разрезом. 1 - подводящий канал, 2 - щит-вихреобразователь, 3 - лебедка, 4 - консоль с блоком, 5 - щит аварийного заграждения, 6 - вихревая воронка, 7 - сорозадерживающая решетка, 8 - турбинный трубопровод.
Рис. 2а - аварийная остановка ГЭС; шуга вручную проталкивается через холостой водосброс (А - запань, В - водосброс); 26 - очистка сорозадерживающих решеток (Земо-Авчальская ГЭС); 2в - сорозадерживающий агрегат (Ташкентская ТЭЦ); 2г - причал с механизмами для перевалки сплавного леса через гидроузел (Красноярская ГЭС).
Рис. За - вихревая воронка дробит шуговые комья; 36 - вихревая воронка очищает поверхность воды от плавающего сора (А - донное отверстие); Зв - вихревая воронка способствует более интенсивному осаждению взвешенного сора (В - съемный патрубок); Зг - вихревая воронка упрощает пропуск сплавного леса через гидроузел.
Рис. 4а - за пластинкой, поставленной поперек потока жидкости, образуется пара вихрей; 46 - 4в - ось симметрии потока заменена боковой стенкой, поток за преградой перегорожен поперечной стенкой, сток жидкости устроен внизу; в лотке образуется вихревая воронка (46 - план, 4в - разрез); 4г - сток жидкости перенесен в нижнюю часть передней стенки (А - щит-вих-реобразователь, В - щит-перепад); 4д - вихревая воронка (вид сверху).
