Клапаны срыва вакуума сифонных воловыпусков

В период эксплуатации сифонных водовыпусков насосных стан­ций установлено, что самые ненадежные элементы сооружения — это клапаны срыва вакуума. Способность насосной станции пода­вать воду и при незаряженных сифонах приводит к тому, что неко­торые насосные станции вообще не оборудованы клапанами срыва вакуума, а часть станций работает с неисправными, то есть постоян­но открытыми клапанами. В этом случае горло сифона постоянно сообщается с атмосферой, а сооружение превращается в водовы-пуск — водослив, в результате повышается высота подъема воды и происходит перерасход энергии.
Основные требования к клапанам срыва вакуума:
конструкция и размер клапана должны обеспечить выпуск воз­духа из сифона при заполнении напорного трубопровода (при этом не должно быть прорыва воздуха через затопленное выходное от­верстие нисходящей ветви сифона) конструкция и размер клапана должны обеспечить впуск возду­ха в сифон для срыва в нем вакуума при остановке насоса и для компенсации объема воды, сбрасываемой через насосы; желатель­но, чтобы срыв вакуума происходил в момент отключения двига­телей основных насосов, то есть до образования обратного тока воды; клапан должен надежно срабатывать и открываться автома­тически;
время закрытия клапана (при пуске насосов) от момента уста­новления на гребне сифона критической глубины до закрытия кла­пана должно быть минимальным (до 5 с), особенно при пуске осе­вых насосов; клапан в закрытом положении должен быть герметич­ным и не допускать подсоса воздуха в сифон.
Клапан срыва вакуума на сифоне устанавливают также и в том случае, если в здании станции на напорных коммуникациях насо­сов имеются обратные клапаны, предназначенные для предотвра­щения обратного тока воды через насосы при их остановке. Клапан срыва вакуума должен предотвратить обратный ток воды из бассей­на водовыпуска в аварийной ситуации, например при разрыве на­порного трубопровода.В зависимости от амплитуды колебаний уровней воды в водо­приемнике и скорости в горловом сечении сифона применяют гид­равлические (рис. 8.7), гидромеханические и механические клапа­ны с электроприводом. Гидравлические клапаны срыва вакуума — это гидравлический затвор, в котором используют гидродинами­ческий эффект протекающего в сифоне потока воды. В гидромеханических и механических клапанах запорным устрой­ством служит диск специальной формы, для открытия или закры­тия которого используют или скоростной напор потока, проходя­щего в горле сифона, или независимый привод. Принцип действия различных клапа­нов изложен в учебнике

Рис. 8.7. Схема гидравлического клапана срыва вакуума (конструкция Укргипроводхоза):
1 — проточная часть сифона; 2 — скоростная трубка; 3 — стакан; 4 — предохранительная решетка; LmirL— минимальное расстояние от горлового сечения до ста­кана пьезометра; сЦ, — диаметр скоростной трубки; t— заглубление нижней кромки скоростной трубки под расчетный уровень воды; Д#о6р и ДЯпр — перепады уровней при обратном и прямом течении; dz— диаметр стакана пьезометра

Гидравлический клапан типа аэрационной трубы (см. рис. 8.5, б) можно при­менять при небольших (до 0,3 м) колебаниях уровней воды в отводя­щем канале и числе насо­сов, работающих на на­порный трубопровод, не более двух. Аэрационную трубу устанавливают так, чтобы ее устье (в месте присоединения к трубо­проводу) было ниже пье­зометрической (при ми­нимальном уровне воды в
канале) на 3VgbIX/2g, но не менее чем на 5 см (см. рис. 8.5, б). Иногда аэрационные трубы являются дублирующим устройством в паре с клапанами срыва вакуума других типов. При заполнении на­порного трубопровода водой выпуск воздуха происходит через аэрационную трубу.
Гидравлические клапаны срыва вакуума (рис. 8.7) используют при амплитуде колебаний уровня воды в водоприемнике до 1,2 м, а при больших скоростях потока в горле сифона даже до 1,8 м.

Гидромеханический клапан срыва вакуума (рис. 8.8), использую­щий скоростной напор воды, обычно применяют на сифонах с Др < 1,2 м при любых колебаниях уровней воды в водоприемнике, однако есть случаи примене­ния и на более крупных сифонах. Этот тип клапана очень чувствителен к значению ско­ростного напора: при измене­нии скорости в 3 раза сила при­жатия диска к уплотнению снижается в 9 раз, что при ма­лых расходах приводит к подсосу воздуха и разрядке сифона, поэтому их лучше применять при числе работающих насосов на трубопровод не более двух. Недостат­ки гидромеханических клапанов срыва вакуума: запаздывание при открытии и закрытии, налипание мусора на рычаг и крыло, вибра­ция рычажной системы и запорного диска при неравномерном дви­жении воды, что особенно заметно при большом диаметре (высоте) горлового сечения сифона (Dw> 1,2 м). Клапаны срыва вакуума с электро- и пневмомеханическим приводом используют в тех случа­ях, когда нельзя применить гидравлические и гидромеханические клапаны.

Рис. 8.8. Схема гидромеханического клапана срыва вакуума (конструкция Союзгипроводхоза):
1 — лопатка; 2 — рычаг; 3 — запорный диск; 4 — проточная часть сифона

Расчет воздушных труб клапанов срыва вакуума и воздуховодных труб. Минимальные площади сечений воздуховодных труб и клапа­нов срыва вакуума, м2,

где Qmax — расход выпускаемого или впускаемого через трубу воздуха, м3/с; С— ко­эффициент расхода, для воздуховодных труб С =0,7, для клапанов срыва вакуума С =0,5; Ар — допускаемая разность давлений наружного воздуха и воздуха за затво­ром, обычно Ар = 0,01…0,2 МПа.
При выборе сечения воздуховодных труб и клапанов срыва ваку­ума, чтобы избежать подсоса воды из канала при опорожнении на­порного трубопровода, следует выдержать условие
Ap-Ws/pg<a,
где а — превышение гребня сифона над расчетным уровнем воды в канале, м; р — плотность воды, кг/м5; g— ускорение свободного падения, м/с2.
Вычисленное по формуле (8.3) значение со0 необходимо прове­рить по допустимым скоростям: для воздуховодных труб — 50 м/с, для воздушных труб клапанов срыва вакуума — 40 м/с.
Расход Qmax в формуле (8.3) определяют на основании расчетов пуска и остановки насосных агрегатов. Если по каким-либо причи­нам эти расчеты выполнить нельзя, то пользуются следующими ре­комендациями:
максимальный расход для выпуска воздуха (при заполнении на­порного трубопровода) с некоторым запасом принимают равным подаче одного насоса, определяемой по его характеристике Н~ Qпри нулевом напоре (#= 0); это касается главным образом осевых насосов;
максимальный сбросной расход Qc6p для впуска воздуха (при опорожнении трубопровода) можно принять равным сумме сброс­ных расходов всех насосов, подключенных к напорному трубопро­воду, если на напорных коммуникациях нет обратных клапанов; сбросные расходы, м3/с, в этом случае рассчитывают приближенно

где к — коэффициент (данные Б. Н. Находкина), зависящий от коэффициента быс­троходности насоса ns:

Обычно максимальный сбросной расход для центробежных на­сосов соответствует нулевой частоте вращения, а для диагональных и осевых — максимальной обратной частоте вращения;

максимальный сбросной расход Qc6p, м3/с, для впуска воздуха (при наличии обратных клапанов на напорных коммуникациях) принимают равным сумме сбросного расхода одного основного на­соса и расходов сбросных устройств:

Расчет гидравлического клапана срыва вакуума (ГКСВ). Условие применимости ГКСВ (см. рис. 8.7) определяется соотношением

где ДЯпр и Д#обр — обозначения см. рис. 8.7; лЦ, —диаметр скоростной трубки, м; АН — амплитуда колебаний уровней воды в отводящем канале, м.
Диапазон работы ГКСВ определяется величинами ДЯпр и Д#обр — перепадами уровней воды, которые устанавливаются в стакане кла­пана и в колодце водовыпускного сооружения при прямом и обрат­ном движении воды в сифонном оголовке (см. рис. 8.7).
ДЯпр и Л-йобр вычисляют по формулам, предложенным А. А. Ни-бергом (МГУП):

при прямом движении воды в сифоне

при обратном движении воды

где 1^пр и 1(Цр — сумма коэффициентов гидравлических сопротивлений в нисходя­щей ветви сифона от горлового сечения до выходного соответственно при прямом и обратном токах воды; vrс и vrco — средние скорости течения воды в горле сифона при прямом и обратном токе, м/с; рпр — коэффициент использования скоростного напора входным отверстием скоростной трубки ГКСВ, принимают 0,7…0,9; к2у— коэффициент (табл. 8.1), зависящий от принятых значений у; г’о— относительный радиус закругления горлового сечения, r‘Q= го/ Ягс (при круглом горловом сече­нии Итя= А-с); Р„бр — коэффициент использования отсасывающего эффекта на конце скоростной трубки ГКСВ при обратном токе воды, принимают 0,4…0,6.

Для получения наибольшего диапазона работы ГКСВ входное отверстие скоростной трубки располагают выше гребня сифона на расстоянии .у = 0,25#гс(поданнымВ. Н. Драгунова).
Ориентировочно ЛЯпр и Л#обр можно найти по графику (пред­ложение Н. А. Палишкина) зависимости Д#=/(угс) (рис. 8.9), полученному на основании обработки опытных данных по сифо­нам ряда действующих насосных станций, где по оси абсцисс от­ложены значения средней скорости потока v в горле сифона, а по оси ординат — значения АЯпри прямом Д#пр и обратном Л#обр токе воды в сифоне. Этим графиком можно пользоваться для предварительных расчетов, поскольку ДЯпр и ДЯобр зависят от значений ^пр и С,обр, которые, в свою очередь, зависят от принятой формы сифона.

При определении размеров ГКСВ придерживаются следую­щих рекомендаций:

1. Минимальную площадь сечения скоростной (воздуш­ной) трубки вычисляют по фор­муле, м%

где Q— расход выпускаемого черезотверстие воздуха, равный расчетному расходу трубопровода, м3/с; \i— коэф­фициент расхода: отверстия — 0,6, ГКСВ —0,5; /гзаг — заглубление выход­ного отверстия под минимальный уро­вень воды в водовыпуске, м.

Рис. 8.9. График зависимости

При малых заглублениях выходных отверстий (сифоны круглого сечения) допускается выброс воздуха через выходное отверстие си­фона при пуске насоса. В этом случае сечение скоростной трубки принимают 1,5…2 % от сечения горла сифона, что достаточно для срыва вакуума в сифоне и предотвращения обратного тока воды че­рез сифон в напорный трубопровод и насос. Однако эта рекоменда­ция не совсем точна, так как не учитывает зависимость сбросного расхода от коэффициента быстроходности насоса и наличия обрат­ных клапанов. Поэтому определять сечение воздушной трубы луч­ше по формулам (8.4) и (8.9).
Для предварительных расчетов площадь сечения скоростной трубки находят по графику oo^/tOr c =/(Ар/Ар, vo6p) (рис. 8.10) (предложение Н. А. Палишкина).
При диаметре воздушной трубы более 400 мм вместо одной целе­сообразно установить две или три эквивалентной площади, объеди­нив их перемычкой того же диаметра, чтобы исключить возмож­ность раскачки уровней воды в стаканах.

1.  
   • Диаметр стакана принимают в 2…3 раза больше диаметра ско­
     ростной трубки (по наружному ее диаметру).
   • Отметку дна стакана определяют из условий монтажа, но в лю­
     бом случае дно стакана располагают не менее чем на {\…2)d^ ниже
     минимального уровня воды в колодце водовыпускного сооруже­
     ния. Верх стакана должен превышать максимальный уровень воды в
     канале и быть защищен колпаком или повернут в сторону верхнего
     бьефа (см. рис. 8.7). На входе в стакан предусматривают защитную
     решетку.

Рис. 8.10. График зависимости

МклМ.с =/(£п>/Ар. Vo6P): 1 — скорость обратного тока воды в горле сифона, равная 1 м/с; 2, 3, 4, 5— то же, со­ответственно 2; 2,87; 3,2; 3,8 м/с; шш, юг с — соответственно площади клапана и горла сифона; L^, DTp— длина и диаметр трубо­провода.

Рис. 8.11. График зависимости

Скоростную трубку устанавливают входным отверстием на­встречу потоку в горловом сечении сифона, а ось ее располагают на расстоянии (0,7…0,8)/гкр от гребня водослива сифона так, что­бы входное отверстие трубки в любых случаях было затоплено во­дой.
Критическую глубину потока, которая устанавливается при пря­мом движении воды на гребне незаряженного сифона при свобод­ном доступе воздуха в него и зависит от формы горлового сечения, определяют по формулам:

где k— критическая глубина круглого сечения при D= 1 м, находят по модель­ному удельному расходу (рис. 8.11)

здесь Q— расчетный расход сифона, м3/с; DTC— диаметр горлового сечения, м;

для круглого сечения
где q— удельный расход (на 1 м ширины) горлового сечения сифона, м2/с; Ь — ши­рина горлового сечения, м.
Заглубление нижней кромки скоростной трубки, опущенной в стакан, определяется значением Д#пр и Л#обр. Для нормальной ра­боты клапана срыва вакуума необходимо, чтобы принятое заглубле­ние Шод расчетный уровень воды удовлетворяло условию

Если неравенство не соблюдается, скорость потока в горле сифо­на увеличивают или устанавливает другой тип клапана.
Расчет аэрационной трубы. Диапазон работы аэрационной трубы можно рассчитать тем же способом, что и обычные ГКСВ. Для уп­рощенных расчетов при Qnp= Qo6p

где v — скорость в сечении сифона, где установлена аэрационная труба, м/с; £ пр и Собр коэффициенты сопротивления сифона при прямом и обратном движении воды.

Аэрационную трубу, площадь сечения которой рекомендуется принимать 5…8 % площади сечения напорного трубопровода, врезают в восходящую ветвь сифона несколько ниже минимального уровня воды в водоприемнике (устье трубы должно быть не менее чем на v2/2,g- затоплено под уровень воды).