Спосіб зниження втрат напору на тертя потоку у тунелях

1. Спосіб зниження втрат напору на тертя потоку у необлицьованих тунелях або інших тунелях з шорсткими поверхнями стінки і/або неправильним поперечним перерізом, який відрізняється тим, що в тунель уводять гнучку або жорстку трубу, яка має поперечний переріз, що пасує до поперечного перерізу тунелю по всій його довжині, прикріплюють трубу до стінки тунелю безперервно чи у певних точках і встановлюють засоби для створення надлишкового тиску потоку в трубі порівняно з тиском ззовні, які вибирають з групи, до якої входять постійно звужена ділянка труби, помпа, невеликі патрубки та невелика трубка. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що матеріал для труби вибирають серед гнучких, бажано синтетичних тканин з гладкою поверхнею. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що трубу складають із жорстких тонкостінних трубних секцій відносно малої маси, утворюючи суттєво жорстку конструкцію. C2 2 (11) 1 3 70980 4 втрат енергії приносить значну користь довкіллю і виготовлення труби можна використати пластичну, суспільству. бажано, зміцнену тканину, подібну до такої, яку Багато тунелів, наприклад у Норвегії, проклавикористовують для нафтоутримуючих бонів. дають без кріплення бетоном або без інших подібПроблему надмірної маси можна вирішити у них заходів за винятком кріплення бетоном посладеяких випадках складанням труби із секцій, заблених ділянок. Коли вода тече по дуже шорсткій здалегідь виготовлених з гнучкого матеріалу. Ці поверхні стінок тунелю, втрати напору на тертя секції можуть бути циліндричними і їх можна з'єдпотоку значно більші за втрати потоку по гладеньнувати одн у за одною, наприклад зварюванням, до ких стінках. досягнення бажаної довжини. У іншому варіанті Старі тунелі з відносно малим поперечним песекції можуть бути прямокутними, і одну або більрерізом характеризуються більшими втратами ше таких секцій можна спочатку зварюванням принапору, ніж нові. Причиною цього може бути те, що єднувати до циліндричної секції з подальшим пораніше розміри тунелів визначали за старими крислідовним з'єднанням циліндричних секцій. теріями (вищі процентні прибутки, вищі витрати на Розміри обирають такими, що коли готова будівництво і нижча вартість енергії) на відміну від труба під надлишковим тиском набирає бажаної сьогоднішньої ситуації. майже циліндричної форми, вона майже повністю Мало того, у деяких випадках бажано збільшизаповнює правильну (циліндричну) частину тунети пропуск води по тунелю, наприклад, для підвилю. Зрозуміло, що між трубою і стінкою тунелю щення продуктивності електростанції та/або для існуватимуть порожнини різної форми і розмірів збільшення подачі води до електростанції, що залежно від стану шорсткої поверхні стінок тунепризводить до непропорційно великих втрат наполю. Згідно із переважним втіленням винаходу, ці ру. порожнини також використовуються для пропуску Під час прокладання нових тунелів зниження обмеженого водного потоку з підтриманням налевтрат напору забезпечують виконанням поперечжного надлишкового тиску в трубі, через що тр уба ного перерізу достатньо великим і максимальним у нормальних робочих умовах знаходиться у назгладжуванням стінок. Іноді для зменшення втрат пруженому (має циліндричну форму) стані. ґрунт виробки тунелю згладжують асфальтом або Із засобів для створення надлишкового тиску іншим матеріалом. Такі заходи, однак, мають техпотоку в трубі порівняно з тиском зовні доцільно нічні і економічні обмеження, внаслідок чого втрапостійно звужену ділянку тр уби виконувати поблити у більшості тунелі залишаються досить значнизу впускної частини труби. Поперечний переріз ми. Досі практичним рішенням для значного ділянки має поступово збільшуватись до повного підвищення подачі води до електростанції було поперечного перерізу труби, через що швидкість прокладання нового паралельного тунелю або потоку поступово знижується і кінетична енергія розширення існуючого. Обидва варіанти пов'язані частково перетворюється на енергію тиску, а розіз значними витратами. міри звуженої ділянки мають бути такими, що виМета винаходу полягає у зниженні втрат напоключають динамічні напруження, які виникають ру на тертя потоку води по неукріплених тунелях через коливання тиску. У звуженій ділянці бажано або тунелях з шорсткими стінками і у досягненні виконати отвори для пропуску обмеженої кількості цього економічними засобами, які легко встановводи із зони звуженої ділянки назовні труби. лювати і такими, що потребують мінімального обТакож доцільно поблизу випускної частини слуговування. Отже, винахід полягає у способі, труби виконувати звужену ділянку труби, яка є який може сприяти підвищенню продуктивності відповідною звуженій ділянці поблизу впускної існуючих електростанцій до їх максимальної теочастини труби, через що за нормальних робочих ретичної продуктивності, через що масштабне умов зовні труби підтримується незначний потік будівництво нових гідроелектростанцій стає неповоди. трібним. Навантаження на трубу під час роботи є значПоставленої мети досягнуто способом зниним і тому необхідно запобігати поздовжньому ження втрат напору на тертя потоку в нефутерозміщенню труби, прикріплюючи її до стінки тунелю ваних тунелях або інших тунелях з шорсткими стібезперервно або з певними інтервалами. Напрунками та/або неправильним поперечним жень, викликаних коливаннями тиску, не буде, перерізом, в якому згідно з винаходом в тунель оскільки внутрішній (надлишковий) тиск завжди уводять гнучк у або жорстку трубу, яка має поперебуде перевищувати зовнішній. чний переріз, що пасує до поперечного перерізу Прикріплювати трубу до стінки тунелю доцільтунелю на всій його довжині, прикріплюють трубу но за допомоги рейки чи подібного пристрою, задо стінки тунелю безперервно чи у певних точках і кріпленого на верхній частині стінки тунелю, у певвстановлюють засоби, вибрані з групи, яка скланих точках або майже безперервно вздовж дається з постійно звуженої ділянки труби, помп, верхньої частини стінки тунелю кріпильними приневеликих патрубків та невеликої трубки, для строями, виконаними на трубі. створення надлишкового тиску потоку в трубі поріКріпильні пристрої можна пересувати вздовж вняно з тиском зовні. рейки під час монтажу та демонтажу, або прикріпЗгідно з переважним втіленням винаходу, з лювати їх до рейки у визначених місцях постійно гнучкого матеріалу можна заздалегідь виготовити чи тимчасово. довгу трубу як одну суцільну циліндричну деталь, Далі наведено опис винаходу з посиланнями припасовану для певного тунелю. Це дозволяє на креслення, на яких: уникнути з'єднання/складання окремих елементів. фіг.1 - поздовжній переріз тунелю і зображенМожливою вадою може бути надмірна вага. Для ня з'єднання/складання циліндричних секцій згідно 5 70980 6 з винаходом, Кріплення 2 на тканині або трубі можуть бути фіг.2 - поперечний переріз тунелю, зображенобудь-якого типу, здатного витримувати необхідне го на фіг.1, навантаження. З цієї точки зору бажано викорисфіг.3 - кріпильний пристрій для закріплення товувати кріпильні вушка, сформовані як єдине труби згідно з переважним втіленням винаходу, ціле з конструкцією або трубою. фіг.4 - варіант зображення на фіг.2 з додаткоХоча використання рейки є особливо зручним вими точками кріплення на "лінії стелі" тунелю, способом закріплення труби у тунелі завдяки зруфіг.5 та 6 - втілення винаходу, які передбачачності процедури встановлення, винахід не обмеють складання жорсткої труби із секцій більшої жується будь-яким конкретним способом закріпжорсткості, лення. Будь-які відомі кріпильні засоби, фіг.7 - поздовжній переріз труби згідно з перевключаючи жорсткі болти і гнучкі хомути, або комважним втіленням винаходу у випадку, коли попебінації таких засобів входять в об'єм винаходу. Не речний переріз труби дещо зменшується поблизу є також обов'язковим розташування точок закріпкінців тунелю для забезпечення надлишкового лення на одній лінії, хоча це часто є найзручнішим. тиску у трубі 1, Зрозуміло, що використання гнучкої тканини фіг.8-10 - ілюстрація різних засобів підтриманробить складання зручним, вимагає небагато місня надлишкового тиску у тр убі 1. ця для її транспортування і у процесі закріплення На Фіг.1 зображено поздовжній переріз тунезавжди забезпечує для робітника місце між тканилю, в який уведено суцільну циліндричну гнучку ною і стінкою тунелю, оскільки тканину можна легтрубу 1. За допомоги кріпильних елементів 2 трубу ко відігнути, якщо проміжок між стінкою і трубою є 1 по її периферії через рівні інтервали закріплено недостатнім. по прямій лінії до рейки (стрижня) 3, що простягаЯкщо тунель має відхилення від загальної циється уздовж "стелі" тунелю, тобто через найвищу ліндричної форми, до них легше пристосувати точку поперечного перерізу 5 тунелю або поблизу гнучк у, а не жорстку трубу, і завдяки цьому за націєї точки. Рейку 3 прикріплено до стінки 6 тунелю явності у тунелі одного вузького місця не обов'язболтами 4 або іншими подібними засобами. ково звужувати всю тр убу. Перевагою такого кріплення є те, що рейка 3 У інших випадках краще використовувати тр унесе більшу частин у ваги конструкції з самого побу, складену з більш жорстких трубни х секцій, чатку складання, оскільки кріпильні елементи 2 одержуючи жорстку трубн у конструкцію, зображеконструкції 1 (або труби) у отворі тунелю насувану на фіг.4. Її перевагою є менша рухомість, внають уздовж рейки і звідси пересувають у належні слідок чого вона вимагає меншої кількості місць положення у тунелі без значних зусиль, які довезакріплення до стінки тунелю і не зминається при лося б прикладати для піднімання у тунелі. випорожнюванні. З іншого боку вона не має згадаНа фіг.2 зображено поперечний переріз тунених ви ще переваг гнучкої тр уби. Закріплення жорлю фіг.1. Як уже відзначалось, кріплення такого сткої труби у тунелі здійснюється, по суті, у той же типу можна використовувати з трубами, складеспосіб, що і гнучкої. ними з більш жорстких трубних секцій, тобто труба Секції 1' гнучкої труби є циліндричними (фіг.5), 1 фіг.2 може бути як гнучкою, так і жорсткою. але часто більш зручно, коли вони становлять Після належного уведення конструкції, чи трулише частину, наприклад, половину циліндричної би, в тунель, її можна прикріпити до стінки тунелю, стінки (фіг.6). Це зумовлюється вимогами трансщоб зменшити можливе пересування вздовж тупортування і введення секцій у тунель, їх з'єднаннелю. На Фіг.3 докладно зображено переважне ня і закріплення в належних місцях в умовах обвиконання кріпильних елементів 2 і рейки 3. Кріпмеженості місця. Інші втілення передбачають лення 2 має щонайменше одне колесо 8, пристовикористання листів, що становлять лише частину соване котитись уздовж нижньої частини рейки 3, циліндричної стінки. Такі елементи можуть мати а також запірну шпильку 9 або болт, пристосовані форму зігнутих листів дуже жорсткої структури, яка для просування через отвори у першому вертикадозволяє дуже обмежені зміни форми. Ці елеменльному фланці кріплення 2 і через отвір у рейці 3 з ти можуть також мати форму тонкостінних листів, подальшим угвинчуванням у різьбовий отвір у друякі можна згинати щонайменше у одному напрямку гому вертикальному фланці кріплення 2. Завдяки і які у ненапруженому стані є плоскими і мають цьому після позиціонування і запирання кріплення форму прямокутника. Після надання такому листу 2 вже не може пересуватись уздовж рейки. бажаної циліндричності і скріплення з обох боків з Зрозуміло, що за необхідності утримання трусуміжними листами, його рухливість стає дуже би можна використовувати кілька рейок. Фіг.4 ілюобмеженою, оскільки він утворює частину жорсткої струє використання трьох рейок, встановлених з стінної конструкції. кутовим інтервалом 120° у поперечному перерізі. Проблемою, пов'язаною з використанням у туЦе дає особливо надійне остаточне закріплення нелі таких труб, особливо виготовлених з гнучкої труби, але потребує додаткових трудовитрат і витканини, є можливість піків тиску у тр убі час від користовується лише за нагальної потреби. Можна часу. Тр уба має бути здатною витримувати такі також використовувати рейку, встановлену уздовж піки без руйнування. У подальшому описано кілька верхньої лінії тунелю, і інше, більш гнучке кріпленшляхів розв'язання цієї проблеми, але всі вони ня у інших точках 2'. Отже система 3' кріплення передбачають підтримання у тр убі певного надможе включати рейку і також кріпильні хомути толишкового тиску порівняно з зовнішнім. що, не обов'язково розташовані рівномірно або Для створення надлишкового тиску (фіг.7) допоблизу одна одної, як кріплення 2 уздовж стелі цільно поблизу вхідного кінця труби 1 утворити з тунелю. металу або бетону постійно звужену ділянку 10. 7 70980 8 Гладкий рівномірне конусоподібне розширення 12 розташовані з належним інтервалом між ними, для поперечного перерізу труби забезпечує нетурбуконтролю надлишкового тиску на різних ділянках лентне протікання води по цьому вузькому прохотунелю. Для підтримання надлишкового тиску у ду. Отвори 13 у стінці вузького проходу дозволятруба х обмеженої довжини можна використовувають протікання певної кількості води зсередини ти лише один вузький прохід. У цьому випадку назовні і подальше протікання цієї води уздовж позатрубного потоку не буде. зовнішньої поверхні труби у проміжку між трубою і Якщо водний потік завжди має один напрямок, стінкою тунелю. Головна маса води, однак, тече порожнина поза трубою може бути з'єднана невепо вузький прохід 10 трубою 1, і швидкість потоку у ликою трубою 16 з точкою низького тиску нижче за вузькому проході буде ви щою, ніж утр убі. течією (фіг.10, де потік йде зліва направо). Цим Коли вода проходить через звужений поперестворюється відносний надлишок тиску у тр убі. чний переріз і конічну частину 12 вузького проходу Незалежно від того, з яких листів виго товлена і входить у трубу, її швидкість дещо зменшується і труба - жорстких чи гнучких, поверхня труби, осочастина її кінетичної енергії перетворюється у бливо внутрішня, має бути якомога гладкішою і енергію тиску, що призводить до деякого підвистворювати мінімальне тертя. Цим визначається щення внутрішнього тиску порівняно з зовнішнім. вибір матеріалу і спосіб обробки його поверхні Степінь звуження визначає, наскільки вищим буде перед введенням конструкції у тунель. Бажано тиск. Таку конструкцію можна адаптувати згідно з також піддавати матеріал спеціальній обробці, потребою у кожному випадку. Слід відзначити, що наприклад, щоб запобігти розвитку грибка тощо. надлишковий тиск можна підтримувати незалежно Однак, це є другорядним міркуванням по відновід напрямку потоку, що дає переваги на стадії шенню до винаходу, який полягає в використанні у налагодження турбін. Надлишковий тиск можна тунелі трубоподібної конструкції стійкої постійної забезпечити для різних швидкостей води, аж до форми, переважно з круглим поперечним перерішвидкості прогону турбін (яка приблизно вдвічі зом. Хоча цей поперечний переріз завжди буде перевищує нормальну). меншим за поперечний переріз тунелю, зниження Для підтримання надлишкового тиску при звовтрат на тертя дасть значне збереження енергії. ротному потоці, вузький прохід 11, подібний до Приклад проходу 12 може бути передбачений нижче за У цьому прикладі наведено обчислення, які потоком. Швидкість води назовні труби автоматичдають економічну оцінку способу, наведеному у но пристосується і втрати усередині і назовні бувинаході. У прикладі розглянуто тунель з 50м 2, дуть однаковими. Це означає, що швидкість назоякий проводить 150м 3/с. Можна бачити, що застовні буде меншою, ніж усередині, але зовнішній сування винаходу дає зниження втрат на тертя на потік принаймні дасть певний внесок у загальний 3/4, а у випадку, коли необхідно збільшити потік у потік. існуючому тунелі, зниження втрат є ще більшим. Винахід передбачає також інші способи ствоЯкщо водний потік становить 100м 3/с, додаткова рення надлишкового тиску у тр убі. Одним з таких енергія становитиме 2,7ГВт·год. на км тунелю, а способів є встановлення помп 14 нижче і вище для потоку 120м 3/с - 4,7ГВт·год. на км (1ГВт·год. труби за течією (фіг.8). Обидві помпи накачують відповідає споживанню енергії приблизно 40 звиводу у трубу (п унктирні лінії на фіг.), причому помчайними окремими будинками у Норвегії). па, розташована нижче, накачує проти течії голоТунель з поперечним перерізом 50м і різні пропувного потоку. Цим створюється надлишковий тиск ски води на ділянці між помпами. Вадою цього способу є Максимальний пропуск води, 100 120 150 використання рухомих компонентів, що вимагає м 3/с постачання енергії. Тунель у початковому стані Інше втілення (фіг.9) передбачає встановленПоперечний переріз 50 50 50 ня невеликих патрубків 15 на вхідному і вихідному Гідравлічний діаметр 7,5 7,5 7,5 кінцях труби. Один кінець кожного з патрубків 15 Швидкість 2 2,4 3 проходить перпендикулярно через стінку труби 1 з Шорсткість 250 250 250 можливістю обертання. Якщо нема потреби оберВтрати напору на тертя потоку 0,06 0,06 0,06 тання напрямку потоку, патрубки не повертають. Втрати напору на км 1,6 1,6 1,6 Згідно з винаходом, патрубки мають поперечний Тунель з гладеньким кріпленням переріз, значно менший за поперечний переріз Поперечний переріз 38,4 38,4 38,4 труби 1, і зігнуті під кутом 90°, завдяки чому їх віГідравлічний діаметр 7 7 7 льні кінці розташовуються паралельно напрямку Швидкість 2,6 3,12 3,9 потоку у тр убі 1. Силою водного потоку вони спряШорсткість 0,01 0,01 0,01 мовуються у напрямку потоку. Безпосередньо ниВтрати напору на тертя потоку 0,0080,008 0,008 жче за потоком від патрубків створиться відносне Втрати напору на км 0,4 0,6 0,9 зниження тиску, яке буде передане назовні труби Зменшення втрат напору 1,2 1,8 2,8 через патрубок 15. Економічні дані для обладнання згідно з винахоНайбільш надійним способом створення наддом лишкового тиску є застосування описаного вище Час утилізації втрат напору, 2500 2500 2500 вузького проходу (фіг.7). Залежно від обставин год./рік можна модифікувати цей спосіб. У описаному втіКкд 0,9 0,9 0,9 ленні передбачено наявність невеликого водного Вартість енергії, крон/кВт·год. 0,2 0,2 0,2 потоку поза трубою. У довгих тунелях може виявиПрибуток (розрахунк.) 7% 7% 7% тись бажаним мати більш, ніж два вузькі проходи, Обліковий час рік 40 40 40 9 70980 10 Зворотний річний коефіцієнт пеРічна економія, млн. крон на км 7,3 12,5 13,3 13,3 13,3 реоцінки Річна економія, крон на м 2 труби 330 570 Економія Витрати на встановлення, 1,62 0,94 Річний приріст виробництва енекрон/кВтгод. 2,7 4,7 9,2 ргії, ГВт/км Вартість енергії, крон/кВтгод. 0,14 0,08 Комп’ютерна в ерстка О. Гапоненко Підписне Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 24,5 1100 0,48 0,04