Результаты научно-исследовательских работ и их внедрение в гидроэнергостроительстве

За период с 1931 г. институт выполнил свыше 4 000 научно-исследовательских работ. Была оказана всесторонняя непосредственная помощь свыше 250 крупным и средним гидротехническим объектам, в том числе и зарубежным.

Отметим отдельные узловые вопросы, изученные в результате тематических исследований, в части же производственных работ ограничимся лишь приведением отдельных примеров.

Гидравлика как наука достигла в СССР весьма большого развития. В широкий круг гидравлических исследований, выполненных в институте, вошли гидравлика сооружений и в особенности сопряжение бьефов и гашение энергии в гидротехнических сооружениях; неравномерное и неустановившееся движение воды в реках и каналах, плановая задача речной гидравлики; неустановившееся движение воды в напорных водоводах гидростанций; гидравлика производства работ; теория наносов и ее практические приложения к расчетам размывов русел, отстойников и гидротранспортных установок.

При рассмотрении вопросов сопряжения бьефов ранее обычно ограничивались установлением взаимных глубин донного прыжка и определением глубины водобойного колодца или высоты водобойной стенки. Донный прыжок считался единственным видом сопряжения бьефов; задача исследователей сводилась к подбору конструктивных решений, позволявших уменьшить глубину размыва русла и ослабить опасность подмыва сооружений.

Исследования института, однако, показали, что формы сопряжения бьефов могут быть различными.

А. А. Сабанеевым было открыто явление поверхностного прыжка и выявлены формы сопряжения бьефов при значительных глубинах нижнего бьефа. Созданный на основе этих исследований новый тип водосливной плотины с низовым уступом, обеспечивающим поверхностный режим сопряжения, оказался весьма рациональным и получил широкое распространение в практике гидротехнического строительства в СССР.

В дальнейшем в институте были проведены обширные исследования, позволившие разработать всестороннюю теорию поверхностного режима сопряжения бьефов, которая с успехом применяется сейчас на практике.

Теория донного прыжка применительно к условиям плоской задачи была разработана еще в дореволюционное время. Однако в практике всегда возникает вопрос об установлении сопряженных глубин в пространственных условиях. Н. Н. Павловским была поставлена задача о рациональной эксплуатации многопролетных плотин, которая обеспечивала бы затопление прыжка при заданных условиях работы гидроузла.

К настоящему времени эта задача разрешена благодаря успешно проведенным исследованиям по определению сопряженных глубин в пространственных условиях, маневрированию затворами многопролетных плотин, выяснения причин образования сбойных течений в нижних бьефах гидроузлов и мер борьбы с ними, теории растекания потока в нижних бьефах гидротехнических сооружений.

Соответствующие методы расчета, изложенные в монографиях и руководящих указаниях, выпущенных институтом, находят широкое применение в практике проектирования.

Строительство волжских и других плотин на легко размываемых песчаных грунтах при значительных напорах потребовало скорейшего решения вопросов размыва русла нижних бьефов гидроузлов и разработки рациональных мер защиты сооружений от подмыва в подобных сложных условиях.

В работах института было показано, что основной причиной глубоких вымоин за сооружениями является повышенная пульсация скоростей и давлений, наблюдаемая непосредственно за прыжком; впервые была разработана приближенная теория затухания этих пульсаций, были установлены приближенные закономерности для определения амплитуды пульсации давлений и скоростей на рисберме при различных гасителях энергии.

В результате этих исследований теперь можно более обоснованно выбирать гасители энергии в различных условиях сопряжения бьефов и назначать длину креплений и крупность применяемых каменных материалов.

Теория неравномерного движения воды в открытых каналах была разработана достаточно полно еще в дореволюционное время и в первые годы после Великой Октябрьской революции, причем работы русских ученых сыграли значительную роль в решении этой проблемы.

В дальнейшем главное внимание уделялось институтом вопросам расчета кривых свободной поверхности в естественных руслах. Эта задача, имеющая важное практическое значение для проектирования гидростанций, была успешно решена, и разработанные методы широко используются при проектировании гидростанций.

Институтом были проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования в лабораториях и натурных условиях неустановившегося движения воды в верхних и нижних бьефах гидростанций, возникающего при суточном регулировании расходов, быстрых сбросах нагрузки, попусках для судоходства, наполнении и опорожнении судоходных шлюзов. В результате были разработаны методы расчета неустановившегося движения в открытых руслах.

В институте разработан также метод построения плана течения речного потока, имеющий большое значение во многих практических случаях, например для течения на участке реки, стесненном перемычками на подходе потока к сооружениям, в прудах-охладителях тепловых электрических станций и нижних бьефах гидроузлов, где образуются значительные водоворотные зоны и др.

Таким образом, в институте были поставлены и решены с достаточной полнотой основные проблемы речной гидравлики, возникшие при проектировании русловых гидростанций и водоснабжения тепловых станций.

Большое внимание в работах института уделялось вопросам расчета неустановившегося движения в напорных системах с уравнительными резервуарами деривационных ГЭС. Были выполнены экспериментальные и теоретические исследования, позволившие существенно улучшить и развить полученные ранее решения.

В 1930 г. Н. Н. Павловским был поставлен вопрос о разработке гидравлики производства работ в связи со сложностью условий пропуска паводков в период сооружения речных гидроузлов, а также в связи с новым методом перекрытия русел рек путем наброски камня в текущую воду, успешно осуществленным при строительстве Пало-Коргской плотины Беломорско-Балтийского водного пути.

С тех пор этот метод стал основным в практике гидротехнического строительства в СССР и был весьма успешно применен при перекрытии Свири, Туломы, Волги, Камы, Днепра, Сыр-Дарьи и других рек. Этому в значительной мере способствовали выполненные в институте экспериментальные и теоретические исследования, позволившие разработать методы расчета наброски в текущую воду, обосновать условия ее устойчивости и правильно назначать крупность камней и массивов, применяемых при преграждении реки.

Большое место в работах института уделялось проблемам наносов и гидротранспорта.

На основе исследований института были разработаны методы расчета неразмывающих и незаиляющих скоростей и гидротранспортньтх установок, проектирования водоприемников и отстойников гидроэлектрических станций. Были также выполнены исследования, позволившие разработать теорию деформаций русел и дать практические методы расчета общего размыва дна и понижения уровня нижнего бьефа гидроузлов, а также осветить проблему заиления водохранилищ.

В работе института значительное место занимает моделирование гидравлических явлений, наблюдаемых в каналах и трубах, в гидросооружениях и бьефах. Естественно поэтому, что во всех гидравлических и гидротехнических лабораториях института разрабатывались разнообразные вопросы теории моделирования.

В 1952 г. в институте был разработан новый метод гидравлических модельных испытаний, основанный на применении воздушных установок. Этот метод, значительно облегчающий моделирование крупных речных установок, (рис. 2), дает вполне надежные результаты для русловых моделей и успешно применяется сейчас во многих гидротехнических лабораториях. Существенное значение имеет также разработанная в институте методика исследования гидротурбинных блоков гидростанций с действующими моделями турбин.

Рис. 2. Гидравлические исследования Сталинградского гидроузла на воздушной модели

На подобных установках (рис. 3) был изучен вопрос об энергетическом эффекте эжекции в совмещенных гидростанциях и разработаны новые типы отсасывающих труб турбин, характеризуемые меньшей высотой при одинаковом к. п. д. агрегата.

Рис. 3. Гидравлические исследования гидротурбинных блоков. 1 — гидравлический тормоз; 2—импульсный счетчик: 3—геометрический эффект эжекци и; 4— порог водоприемника; 5 — отсасывающая труба

Большое значение для развития теории движения грунтовых вод и фильтрационных расчетов имеют работы, выполненные в институте под руководством акад. Н. Н. Павловского, а позднее (с 1937 г.) — его учеников.

Исследуя основные закономерности фильтрации, Н. Н. Павловский заменил реальную 'пористую среду и фильтрующую в ней жидкость оплошным потоком особой, фиктивной жидкости. Такая новая модель фильтрации позволила представить задачу о фильтрации в пористой среде как задачу математической физики.