Способ уменьшения потерь напора на трение в туннелях

1 Уровень техники Туннели для гидроэлектростанций используются для перекачки воды из водохранилища или водоприемника до электростанции, где потенциальная энергия воды преобразуется в электрическую энергию. При протекании воды по туннелю всегда возникают потери энергии,вызванные трением. Из-за потери потенциальной энергии полученная энергия оказывается меньше ее теоретически возможного значения. Большое и непрерывно растущее количество потребляемой энергии приводит к настоятельной необходимости строить новые электростанции, что наносит вред окружающей среде. Поэтому очевидно, что если бы потери энергии могли быть снижены до минимума, то это принесло бы существенную пользу как окружающей среде, так и населению. Множество туннелей, в том числе в Норвегии, просто прорыты и не имеют каких-либо бетонных облицовок или подобных покрытий,за исключением бетонированного укрепления особо слабых зон. Если в таких туннелях вода протекает у стенки туннеля, имеющей очень неровную поверхность, то потеря напора на трение оказывается значительно больше, чем если бы стенка имела более гладкую поверхность. В старых туннелях, имеющих относительно небольшое поперечное сечение, потеря напора больше, чем в более новых туннелях. Причина может заключаться в том, что старые туннели были спроектированы с размерами, соответствовавшими устаревшим критериям (больший доход с капитала, более высокая стоимость строительства и меньшее значение мощности) по сравнению с ситуацией на сегодняшний день. Кроме того, в некоторых случаях желательно увеличить поток воды в туннеле, например при увеличении максимального водосброса электростанции и/или для подведения к ней большего количества воды, что приведет к непропорционально большему увеличению потери напора. При строительстве новых туннелей потерю напора уменьшают путем бурения или рытья каналов, имеющих достаточное большое поперечное сечение и как можно более гладкую поверхность. Кроме того, иногда потерю напора уменьшают путем сглаживания земли в туннеле с помощью асфальта или подобного материала. Однако эти способы имеют технические и экономические ограничения и в большинстве туннелей потери напора остаются большими. До настоящего времени практическим решением проблемы существенного увеличения потока для электростанций было строительство нового туннеля, параллельного существующему туннелю, или расширение существующего туннеля. Однако оба эти решения требуют больших строительных затрат. 2 Цель изобретения Целью изобретения является уменьшение потери напора на трение при протекании воды по необлицованным туннелям или другим туннелям с шероховатыми стенками. Другой целью изобретения является решение этой проблемы с помощью экономичных средств, которые легко устанавливать и которые требуют минимального обслуживания. Изобретение относится к способу, который позволяет усовершенствовать существующие электростанции так, что их параметры будут близки к максимальным теоретически возможным значениям, что позволяет избежать необходимости в строительстве новых больших сооружений для гидроэлектростанций. Сущность изобретения Указанные цели достигаются в способе,охарактеризованном в независимом п.1 формулы. Предпочтительные варианты выполнения изобретения описаны в зависимых пунктах формулы. Ниже описаны различные варианты выполнения изобретения. Согласно предпочтительному варианту изобретения из гибкого материала может быть предварительно изготовлена труба полной длины в виде цельного цилиндрического элемента,подходящего для конкретного туннеля. Очевидное преимущество такой конструкции состоит в том, что не требуются соединительные или сборочные операции, а недостатком является большой вес трубы. Труба может быть изготовлена из пластичной и предпочтительно усиленной ткани по типу тех, которые используются для нефтезадерживающих бонов. В связи с проблемами, возникающими изза больших размеров и большого веса, в некоторых случаях предпочтительно собирать такую трубу из предварительно изготовленных секций из гибкой ткани, имеющих определенную длину. Секциям придают цилиндрическую форму и соединяют их друг с другом подходящим способом, например сваркой, с получением трубы требуемой длины. В альтернативном варианте секции могут иметь прямоугольную форму. В этом случае одна или несколько прямоугольных секций могут быть сначала соединены (сварены) с цилиндрическим элементом, после чего прикрепляют друг к другу следующие цилиндрические элементы. Размеры выбирают так, что когда готовая труба под действием избыточного давления приобретает требуемую, почти цилиндрическую форму, она должна почти полностью заполнить часть туннеля, имеющую правильную (цилиндрическую) форму. Очевидно, что между трубой и стенкой туннеля будет образована некоторая полость, размеры и форма которой изменяются с изменением шероховатости стенки туннеля. В предпочтительных вариантах выполнения изобретения, которые описаны ниже более подробно, эта полость используется также для проте 3 кания ограниченного потока воды, в то время как в трубе поддерживается соответствующее избыточное давление, так что при всех нормальных рабочих условиях она удерживается в расправленном состоянии (цилиндрической). При нормальной работе труба подвергается значительному напряжению, и поэтому необходимо предотвратить возможность ее продольного смещения вдоль туннеля путем прикрепления к стенке туннеля через определенные интервалы или непрерывно. Однако напряжение,вызванное колебаниями давления, исключается,так как (избыточное) давление внутри трубы всегда будет больше давления снаружи. Далее изобретение описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, где на фиг. 1, изображающей продольный разрез туннеля, показано, как согласно изобретению можно выполнить крепление/монтаж цилиндрической ткани; фиг. 2 а изображает поперечный разрез туннеля, показанного на фиг. 1; фиг. 2b изображает узел для крепления трубы согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения; фиг. 3 изображает вариант крепления, альтернативный показанному на фиг. 2 а, предусматривающий, помимо точек крепления к "потолку" туннеля, дополнительные точки крепления; фиг. 4 а и 4b изображают альтернативные варианты выполнения изобретения, в которых труба образована из более жестких секций, собранных, по существу, в жесткую трубную конструкцию; фиг. 5 а изображает в продольном разрезе предпочтительный вариант выполнения изобретения, в котором поперечное сечение туннеля несколько сужено непосредственно перед трубой в направлении потока и непосредственно за ней для создания избыточного давления внутри трубы 1; фиг. 5b-d поясняют различные способы поддержания избыточного давления внутри трубы 1. На фиг. 1 показан продольный разрез туннеля, в который, согласно изобретению, введена труба в виде одного цилиндрического элемента из гибкой ткани 1. С помощью крепежных узлов 2 ткань 1 прикрепляется через равные интервалы по прямой линии на ее периферии к рельсу(балке) 3, проходящему посередине вдоль "потолка" туннеля, т.е. в высшей точке поперечного сечения 5 туннеля или вблизи этой точки. Рельс 3 прикреплен к стенке 6 туннеля с помощью шпилек 4 или аналогичных крепежных элементов. Преимущество такого крепления заключается в том, что рельс 3 несет основную часть веса ткани с самого начала монтажа, когда прикрепленные к ткани 1 (или трубе) крепежные узлы 2 проталкивают по рельсу 3 в отверстие 4 туннеля и затем перемещают до достижения правильного положения в туннеле, при этом не требуется прилагать большого усилия для подъема ткани или других ее перемещений внутри туннеля. На фиг. 2 а изображен туннель, показанный на фиг. 1, в поперечном разрезе. Как указано выше, этот тип крепления может использоваться также в случае, если труба выполнена из более жестких трубных элементов, поэтому трубу 1 на фиг. 2 можно рассматривать как гибкую или жесткую трубу. После установки в правильное положение ткань или трубу можно прикрепить к стенке туннеля, чтобы свести к минимуму ее возможное смещение в продольном направлении туннеля. На фиг. 2b подробно показан предпочтительный вариант выполнения крепежного узла 2 и рельса 3. Крепежный узел 2 содержит, по меньшей мере, одно колесо 8 для перемещения по нижней части рельса 3 и стопорный штифт 9 или шпильку, которые могут проталкиваться через отверстия в первом вертикальном фланце крепежного узла 2, затем через отверстие в рельсе 3 и далее ввинчиваться в резьбовое отверстие во втором вертикальном фланце крепежного узла 2. Таким образом, после установки крепежного узла 2 в требуемое положение и закрепления стопорного штифта крепежный узел уже не сможет перемещаться по рельсу. Можно использовать большее число рельсов, если нужно удерживать трубу достаточно прочно. На фиг. 3 показаны три рельса, расположенные, если смотреть в поперечном разрезе туннеля, под углом 120 друг к другу, т.е. равномерно по окружности. Это обеспечивает особенно прочное закрепление трубы после ее окончательной фиксации. Однако в этом случае требуется большая дополнительная работа по обеспечению дополнительного крепления, поэтому это крепление используется только при необходимости. Возможен также вариант с использованием рельса, установленного вдоль верхней линии туннеля, и других, более гибких или универсальных крепежных устройств для остальных точек 2' крепления. Таким образом,крепежным механизмом 3' может быть рельс, но могут также использоваться крепежные ремни или подобные элементы, которые нет необходимости устанавливать равномерно или близко друг к другу вдоль потолка туннеля, как это требуется для крепежных узлов 2. Крепежные узлы 2 на ткани или трубе могут быть любого типа, если они выдерживают требуемое напряжение. Однако из соображений требуемой прочности предпочтительно применять крепежные ушки, выполненные за одно целое с тканью или трубой. Хотя описанный выше рельс обеспечивает удобное крепление трубы к стенке туннеля благодаря удобству выполнения монтажа, изобретение не ограничивается каким-либо опреде 5 ленным креплением. В объем изобретения входят любые известные средства крепления, в том числе жесткие шпильки и гибкие ремни или сочетания таких средств. При этом следует иметь в виду, что также нет необходимости располагать точки крепления по одной линии, хотя часто это наиболее удобно. Понятно, что использование гибкой ткани дает много преимуществ в отношении монтажа. Помимо того, что требуется мало места для ее транспортировки, между тканью и стенкой туннеля всегда будет оставаться пространство, в котором может находиться рабочий, например,для закрепления ткани, поскольку ткань можно легко отогнуть от стенки туннеля в местах, где пространство между стенкой туннеля и трубой небольшое. Другое преимущество состоит в том, что если форма туннеля местами сильно отличается от, в основном, правильной цилиндрической формы, то с гибкой трубой легче находить конкретные решения, чем с жесткой трубой, поэтому при наличии одного узкого места в туннеле нет необходимости делать узкой всю трубу. В других ситуациях может оказаться выгодным использовать трубу, состоящую из более жестких трубных элементов, собранных вместе с получением, по существу, жесткой конструкции трубы, как показано на фиг. 4 а. Преимущество этого варианта заключается в том, что собранная конструкция менее способна смещаться, требует меньшего количества точек крепления к стенке туннеля и не будет сжиматься при опорожнении. С другой стороны, она не имеет указанных выше преимуществ гибкой трубы. Жесткая труба должна крепиться к стенке туннеля, что, в принципе, достигается тем же путем, как и для гибкой трубы. Жесткие трубные элементы могут представлять собой цилиндрические элементы 1', как показано на фиг. 4 а, однако, часто более целесообразно использовать элементы, образующие только часть, например половину, цилиндрической стенки (см. фиг. 4b). Это связано с тем, что будет требоваться меньше пространства для транспортировки, и с упрощением введения этих элементов в туннель, их сборки и крепления в нужных местах в условиях ограниченного пространства. Для листов, составляющих только часть цилиндрической стенки, также существуют различные варианты выполнения. Такие элементы могут быть выполнены в виде изогнутых пластин очень жесткой конструкции, способных деформироваться лишь в очень ограниченной степени, или в виде очень тонкостенных листов, которые могут гнуться, по меньшей мере, в одном направлении, а в ненапряженном состоянии имеют плоскую прямоугольную форму. В последнем случае после сгибания листа до получения необходимой цилиндрической формы и соединения его с соседними листами по обеим сторонам его способность к смещению 6 весьма ограничена, поскольку он является частью жесткой стенки. Общая проблема, связанная с использованием таких труб в туннеле, особенно труб из гибкой ткани, заключается в том, что время от времени в трубе случаются скачки давления. Труба должна выдерживать эти скачки, не сминаясь. Далее описаны несколько способов решения этой проблемы путем создания и поддержания внутри трубы некоторого избыточного давления относительно наружного давления. Наиболее предпочтительный способ создания избыточного давления поясняется на фиг. 5 а. Он включает создание постоянного узкого канала 10, например, из металла или бетона, на небольшом расстоянии перед входом в трубу 1. Непосредственно перед трубой этот канал расширяется до поперечного сечения трубы с помощью гладкого и ровного конуса 12, вследствие чего поток после узкого канала имеет минимальную турбулентность. Кроме того, через отверстия 13 в стенке узкого канала из него вытекает определенное количество воды, которая далее течет вдоль наружной поверхности трубы между ней и стенкой туннеля. Однако основной объем воды будет протекать через узкий канал 10 в трубу и скорость этого потока будет выше в узком канале, чем в трубе. Когда вода проходит самое узкое поперечное сечение и поступает в трубу через конический участок 12 узкого канала, скорость потока несколько уменьшается, а значит, часть его кинетической энергии преобразуется в энергию давления. Поэтому давление внутри трубы будет несколько выше, чем снаружи. Степень сужения определяет, насколько больше будет давление внутри трубы. Эта конструкция может быть приспособлена в соответствии с каждым конкретным случаем. Следует отметить, что изза колебаний, которые могут возникнуть при регулировке турбин, целесообразно или необходимо, чтобы избыточное давление можно было поддерживать для потока обоих направлений. Кроме того, избыточное давление должно обеспечиваться при различных скоростях воды,вплоть до скорости, при которой турбины разгоняются (приблизительно в два раза больше нормальной скорости). Для поддержания избыточного давления при протекании воды в обратном направлении за трубой, в направлении потока, может быть установлен узкий канал 11, аналогичный каналу 10,расположенному перед трубой. Скорость воды снаружи трубы будет автоматически устанавливаться такой, что потеря напора внутри трубы и снаружи будет одинаковой. Практически это означает, что скорость снаружи трубы будет намного меньше, чем внутри трубы, но пространство снаружи трубы, по меньшей мере, несколько способствует протеканию общего потока. Согласно изобретению, существуют и другие способы создания избыточного давления 7 внутри трубы. Один из альтернативных способов (см. фиг. 5) заключается в установке перед трубой по направлению потока и за ней насосов 14, направленных так, чтобы накачивать воду в трубу (штриховые линии указывают направление накачки), т.е. насос, установленный за трубой, качает против направления общего потока. Такой способ позволяет создать локальную область избыточного давления между насосами. Недостаток такого решения состоит в том, что оно связано с использованием подвижных механических элементов, для работы которых требуется подвод энергии. Другой альтернативный вариант, показанный на фиг. 5 с, заключается в установке небольших трубок 15 у впускного и выпускногоконцов трубы. Один конец каждой трубки 15 проходит,по существу, перпендикулярно через стенку трубы 1 и может быть соединен с ней с возможностью поворота. Если нет необходимости менять направление потока воды на обратное, то трубки устанавливают без возможности поворота. Трубки имеют намного меньшее поперечное сечение,чем труба 1 согласно изобретению. Трубки изогнуты под углом приблизительно 90, так что их свободные концы, в основном, параллельны направлению потока внутри трубы 1. Под действием сил, создаваемых потоком воды, трубки будут устанавливаться по направлению этого потока. Непосредственно за трубками, в направлении потока, будет создаваться относительное разрежение, которое будет передаваться через них в пространство снаружи трубы. Наиболее изящный и надежный способ создания локальной области избыточного давления осуществляется с помощью узкого канала, описанного со ссылками на фиг. 5 а. В зависимости от конкретных обстоятельств могут использоваться некоторые варианты этого способа. При описании первого альтернативного способа предусматривалось, что с наружной стороны трубы должен проходить меньший поток воды. В случае длинных туннелей может оказаться желательным иметь более чем два узких каналов, расположенных друг от друга на удобном расстоянии, для управления избыточным давлением в разных местах туннеля. Если же требуется поддерживать избыточное давление в трубе небольшой длины, то можно использовать только один узкий канал. Согласно этому альтернативному варианту в пространстве снаружи трубы не будет течь вода. Если поток воды всегда имеет одно направление, то полость снаружи трубы может быть соединена небольшим трубопроводом 16, как показано на фиг. 5d, с местом пониженного давления,находящимся ниже по потоку, так что внутри трубы создается относительное избыточное давление(на фиг. 5d поток направлен справа налево). Независимо от того, выполнена труба из жестких пластин или из гибкой ткани, ее поверхность, особенно обращенная внутрь, должна 8 быть как можно более гладкой и не создавать трения. Это, прежде всего, определяется выбором материала и обработкой его поверхностей до монтажа в туннеле. Целесообразно также обработать материал, например, с целью предотвращения роста плесени или подобных образований. Однако эта проблема не является первоочередной для настоящего изобретения, которое касается установки в туннеле трубчатого тела, имеющего ровную форму, соответствующую туннелю,и предпочтительно почти круглое поперечное сечение. Несмотря на то, что поперечное сечение трубы всегда будет несколько меньше, чем поперечное сечение самого туннеля, в результате уменьшения потери напора на трение будет сэкономлено много энергии. Пример. В приведенном примере расчета экономии,достигаемой при использовании способа согласно изобретению, за основу взят туннель с площадью поперечного сечения 50 м, по которому проходит 150 м 3 воды в секунду. Как видно из примера, при использовании изобретения можно избежать около 3/4 потерь напора на трение. Пример показывает также, что экономия будет больше, если нужно увеличить расход по сравнению с тем, для которого первоначально были рассчитаны размеры туннеля. Для расхода воды 100 м 3/с экономия составит 2,7 ГВтч на 1 км туннеля, а для расхода вому потреблению энергии приблизительно 40 обычными отдельными домами в Норвегии). Характеристики туннеля с поперечным сечением 50 м 2 для различных потоков воды 100 120 Максимальный расход воды, м 3/с Первоначальный туннель Поперечное сечение туннеля 50 50 Гидравлический диаметр 7,5 7,5 Скорость 2 2 Шероховатость поверхности 250 250 Потеря напора на трение потока 0,06 0,06 Потеря напора на 1 км 1,6 2,4 Туннель с гладким тюбингом Поперечное сечение туннеля 38,4 38,4 Гидравлический диаметр 7 7 Скорость 2,6 3,12 Шероховатость поверхности 0,01 0,01 Потеря напора на трение потока 0,08 0,08 Потеря напора на 1 км 0,4 0,04 Уменьшение потери напора 1,2 1,8 Данные/установка/экономия (пример) Время использования потери напора, ч/год 2500 2500 Коэффициент эффективности 0,9 0,9 0,2 0,2 Стоимость энергии, крон/кВтч Расчетная прибыль, % 7 7 Период скидки, лет 40 40 Обратный коэф. скидки на ежегодный доход 13,3 13,3 Экономия Ежегодный прирост производства, ГВтч/км 2,7 4,7 Скидка на ежегодный доход на продукцию,7,3 12,5 млн крон/км 2 Скидка на ежегодный доход на 1 м трубы,330 570 крон/м 2 1,62 0,94 Стоимость разработки, крон/кВтч ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ уменьшения потери напора на трение в необлицованных туннелях или других туннелях, имеющих стенки с шероховатой поверхностью и/или неодинаковое поперечное сечение, отличающийся тем, что в туннель вводят гибкую или жесткую трубу с поперечным сечением,соответствующим наибольшему круглому открытому поперечному сечению туннеля или несколько меньшим этого поперечного сечения туннеля; прикрепляют трубу непрерывно или в некоторых точках к элементам стенки туннеля и вводят средства, обеспечивающие при протекании потока создание в трубе избыточного давления относительно давления снаружи трубы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала для трубы выбирают гибкую, предпочтительно синтетическую ткань с гладкой поверхностью. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубу собирают из жестких тонкостенных трубных элементов с относительно малым весом,получая, по существу, жесткую конструкцию. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что избыточное давление создают путем введения в туннель постоянного узкого канала перед впускным концом трубы в направлении потока, причем поперечное сечение, начиная от этой точки, постепенно увеличивается до полного поперечного сечения трубы, в ре 10 зультате чего скорость потока, начиная от узкого канала, постепенно уменьшается и часть кинетической энергии преобразуется в энергию давления; узкий канал имеет размеры, исключающие возникновение динамических напряжений из-за колебаний давления; трубу, если она выполнена из гибкого материала, удерживают в расправленном состоянии с почти круглым поперечным сечением; а в узком канале выполнены отверстия, пропускающие ограниченное количество воды из узкого канала в пространство снаружи трубы. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что за трубой, в направлении потока, также вводят узкий канал, соответствующий узкому каналу,вводимому перед трубой, так что при нормальной работе снаружи трубы поддерживается небольшой поток воды. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубу прикрепляют вдоль верхней части стенки туннеля в определенных точках или почти непрерывно с помощью крепежных узлов, расположенных на трубе или ткани, а крепежные узлы прикрепляют к рельсу или аналогичному устройству, закрепленному на верхней части стенки туннеля. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что крепежные узлы, расположенные на трубе, могут перемещаться по указанному рельсу во время монтажа и демонтажа, но они могут быть постоянно или временно застопорены в различных местах на рельсе или вдоль него. Фиг. 2b