بخشی از مقاله
چکیده
شیرهای هاول بانگر از جمله سازه های کنترل جریان در سدها می باشند که از میان انواع دیگر شـیرها کـاربرد فـراوان تری یافته اند. در این مقاله مطالعاتی بر روی نمونه هائی از شیرهای فوق شامل شیر هاول-بانگر سد کوثر، کارون III و سد جره که در مرکز تحقیقات آب وزارت نیرو ساخته شده اند انجام گرفته و نتایج این مطالعه شامل ضریب دبی، توزیـع فشـار و عملکـرد هیدرولیکی آنها ارائه گردیده است. این شیرها جزﺀاولیننمونهشیرهایهاول-بانگربودهکهدرایرانموردآزمایشقرارگرفتـهاند. امیداستاطلاعاتحاصلازاینتحقیقباتوجهبهویژگیمنحصربفردآنوعدموجوداطلاعاتگزارش شده دیگر در این زمینه بتواند راهنمای مناسبی برای طراحان این سازه ها باشد، اگرچه به دلیل محدودیت تنها بخشی از اطلاعات ارائه می گردد.
واﮊههای کلیدی
شیر هاول – بانگر، ضریب دبی، توزیع فشار. عملکرد هیدرولیکی، افت فشار، کاویتاسیون
مقدمه
سازه های کنترل در تخلیه کننده های تحتانی یکی از مهمترین قسمت های سدها را تشکیل می دهد. ایـن سـازه هـا شامل دریچه های کشوئی و قائم و انواع شیرهای تحت فشار مانند شیرهای سوزنی (Needle)، شـیر هـاول-بـانگر (Howell Bunger)، شیر فواره توخالی (Hollow Jet)، پروانه ای (Butterfly) و شیر پیستونی (Tube) می باشـند. شـیرهای فـوق بـه صورت آزاد و یا در خط لوله مورد استفاده قرار گرفته و طراحی آنها به دلیل سـرعت و فشـار قابـل توجـه آب در آنهـا از اهمیـت خاصی برخوردار است. شیرها معمولا" در تونلهای تخلیه تحتانی، آبگیرهای تـونلی آب شـرب و کشـاورزی و نیروگـاه هـا مـورد استفاده قرار می گیرند و از آنجا که هریک از آنها دارای ویژگی خاصی می باشند، لذا در موقعیت های مختلـف و شـرایط خـاص مورد استفاده قرار می گیرند.
در شیر هاول-بانگر جریان خروجی به مخروطی با زاویه ٩٠ درجه برخـورد نمـوده و در نتیجـه جریـان آب تحـت زاویـه مخروط (٤٥ درجه) منحرف و فواره ای واگرا و تو خالی را که در مساحت بزرگ پخش می گردد، ایجاد می نماید. بده جریـان بـه وسیله یک استوانه متحرک در پوسته بیرونی تنظیم می شود، که خود یکی از محاسن این نوع شیر (مکـانیزم کنتـرل جریـان دربیرون مجرا) می باشد. شیر فوق ساده، ارزان و نسبتا ایمن از وقوع کاویتاسیون می باشد و لذا در هدهای بالا تا ٢٠٠ متـر مـورد استفاده قرار می گیرد. در شیرهای مذکور چون فواره در سطح گسترده ای پخش می شود، لذا انرﮊی ذرات آب به دلیـل پراکنـده شدن در هوا کاهش می یابد. این روش باعث اتلاف شدید انرﮊی آب شده، ولی از طرف دیگر پاشش آب نسبت به انـواع دیگـر شیرها افزایش می یابد و در عوض نیاز به تاسیسات استهلاک انرﮊی ندارد ]١و٢.[ در شرایطی که این شـیر در داخـل حوضـچه قرار داده شود، به کمک هود از میزان پاشش آب کاسته شده که در نتیجه ضریب عبوری جریان کاهش خواهد یافت. از آنجا که این شیرها معمولا" در انتهای مجرا نصب می شود،. لذا کل تونل بالادست شیر برای فشاری معادل ارتفـاع مخـزن طراحـی مـی گردد. بدین علت طول قابل توجهی از بالادست شیر باید پوشش فولادی داشته تا در برابر فشار ذکر شده مقاومت نماید.
این سازه ها با ضریب بده حدود ٨٥/٠ (حدود ٧٨/٠ با هود) در اندازه های mm٢٠٠ تا mm٢٥٠٠ سـاخته مـی شـوند. شیرهای بزرگ برای ارتفاعات معادل انرﮊی حدود m١٤٠ و شیرهای کوچک برای ارتفاعات تا m٣٠٠ استفاده مـی گردنـد ]٣.[ از جمله مسائل مطرح در طراحی این سازه ها میزان ضریب عبور جریان، تغییرات فشار در داخل شیر، وقوع کاویتاسیون و ارتعاش سازه می باشد. لذا در مقاله حاضر به بررسی پاره ای از نتایج حاصل از مطالعات مدلی شیرها پرداخته که امید اسـت مـورد توجـه طراحان قرار گیرد.
مشخصات مدل های مورد استفاده
مدل های هیدرولیکی مورد استفاده در این تحقیق شامل شیر هاول بانگر سد کوثر (١٣٧٨)، مجـرای جبـران کننـده سـد کارون ΙΙΙ (١٣٧٦) و شیر هاول بانگر سد جره (١٣٧٩) می باشند. سد کوثر بر روی رودخانه خیرآباد قرار گرفته که وظیفه تامین آب زراعی سطوح پائین دست و آشامیدنی شهر بوشهر را دارا می باشد. حجم کل دریاچه ٥/٥٧٧ میلیون متر مکعب و تراز معمولی آب از سطح مرجع ٦٢٥ متر می باشد. یکی از اهداف آزمایش اطمینان از عدم وجود ارتعاشات مخرب و تعیـین موقعیـت مناسـب هود و شیر نسبت به یکدیگر می باشد. لازم به ذکر است که در مناطقی که فضا محدود می باشد، جهت محـدود سـاختن فـواره خروجی، شیر در داخل یک استوانه با قطر بزرگتر مستقر می گردد. لذا جریان پس از برخورد به ایـن اسـتوانه از حالـت مخـروط پخش شونده به محوری تبدیل می شود. به همین منظور طرح مدل هیدرولیکی شیر هاول بانگر سد کوثر در مرکز تحقیقات آب وزارت نیرو با مقیاس ١٠:١ ساخته شد تا عملکرد هود جهت کنترل فواره خروجی مورد بررسـی و تحقیـق قـرار گرفتـه و میـزان ضریب آبگذری شیر و تغییرات فشار و اندیس کاویتاسیون بررسی گردد. بر اساس ایـن تحقیـق زاویـه ٥/٢٢ درجـه بـرای هـود پیشنهاد گردید. که در این زاویه، میزان پس زدگی آب به حداقل می رسید ]٤.[
دومین مدل مربوط به کارون III می باشد که بر روی رودخانه کارون، بالاتر از سد شهید عباسپور(کارون یک) قرار گرفته و از نوع بتنی دو قوسی نازک با حجم مفید ١٥٠٠ میلیون متر مکعب و ظرفیت نیروگاه ٢٠٠٠ مگاوات (٨ واحد ٢٥٠ مگاواتی قابل توسعه به ٣٠٠٠ مگاوات) می باشد. مدل فیزیکی شیر این سد با مقیاس ٥/١٢ :١ ساخته و مورد آزمایش قرار گرفت. مـدل تحـت هدهای ٨٠ و ١١٠متر و در بازشدگی های مختلف شیر مورد آزمایش قرار گرفت تا دبی عبوری، مناطق کم فشار، وجود ارتعاشات مخرب و فواره خروجی بررسی گردد ]٥.[ اما سومین مدل مربوط به سد جره می باشد که جهت تامین نیازهای آبی و زیـر کشـت اراضی دشت رامهرمز، بر روی زرد رود از نوع خاکی با هسته رسی احداث می گردد. مدل فیزیکی شیر و هود بـا مقیـاس ٥/٧ :١ ساخته و مورد آزمایش قرار گرفت. مدل تحت هدهای ٢٠، ٤٠، ٦٠، ٨٠ و١٠٠ متر (هدهای نمونه واقعی) قرار گرفته و در هر هـد در بازشدگی های مختلف شیر با فاصله ٥/٣٧ میلی متر تا حداکثر ٣٧٥ میلی متر (١٠ بازشدگی) اندازه گیری دبی عبوری، بررسی مناطق کم فشار، پدیده کاویتاسیون، وجود ارتعاشات مخرب و تعیین موقعیت مناسب شیر نسبت به ابتدای هود صورت گرفت ]٦.[
بررسی و تفسیر نتایج آزمایشها
شکل ١ نمای جزئیات شیر کوثر را نشان می دهد. همانگونه که مشاهده می گردد، شـیر فـوق بـا قطـر m٦/١ دارای یـک محور میانی بوده که در ابتدا جهت تقسیم جریان و ممانعت از افت فشار و کاویتاسیون با ورودی نوک تیز در جریان قرار گرفته است.
در انتها جهت اتصال به مخروط پخش کننده جریان و جلوگیری از ایجاد جریان های ثانویه، محور فوق با شعاع انحنای مناسـب بـه مخروط متصل می گردد. مجموعه محور میانی و مخروط توسط شش پره به استوانه بیرونی متصل و در داخل جریان قرار می گیرد. آزمایشها در دو هد بالا دست ٥/٦٣ و ٥٢ متر ارتفاع آب تکرار گردیده و در هر هد بـا تنظـیم شـیر در بازشـدگیهای ١٠% تـا ١٠٠%، مقادیر مربوط به دبی عبوری از شیر و فشار استاتیکی مربوط به نقاط روی محور میانی، مخروط و پره ها اندازه گیری تا تغییرات افت فشار و اندیس کاویتاسیون برآورد گردد. شکل ٢ معرف شیر کارون III با قطر m٢ می باشد. مـدل ایـن شـیر بـا مقیـاس ٥/١٢:١ جهت تعیین ضریب آبگذری و بررسی نقاط کم فشار مستعد وقوع کاویتاسیون ساخته و در دو هد ٨٠ و ١١٠ متر مورد آزمـایش قـرار گرفت. شکل ٣ نیز معرف مدل شیر جره می باشد. این شیر جهت بررسی ضریب دبی و عملکرد هیدرولیکی آن در مرکز تحقیقـات آب وزارت نیرو ساخته و در هد ها و بازشدگی های مختلف مورد آزمایش قرار گرفت. شکل ٤ معرف تغیرات ضریب دبی Cd نسـبت به بازشدگی شیر کوثر و کارون III در هدهای مختلف می باشد که بر حسب نتایج جدول های ١ و ٢ بدسـت آمـده اسـت. ضـریب فوق از رابطه زیر باتوجه به سطح مقطع شیر مبتنی بر قطر داخلی بدنه شیر (A)، هد خالص آب در ورودی (H) و دبی انـدازه گیـری شده (Q) بدست آمده است. همانگونه که مشاهده می گردد ضریب دبی با افزایش بازشدگی افزایش می یابد. مقادیر این ضریب در بازشدگی کامل حداکثر بوده و بین ٦٣/٠ در مدل کارون تا ٧٤/٠ در مدل کوثر متغیر می باشد. این بررسی نشان می دهد که مقـادیر ارائه شده در مراجع دیگر ]٧[ حدود ٢٠% بزرگتر از نتایج این تحقیق می باشد.
در این تحقیق ضریب فشار Cp با توجه به فشار اندازه گیری شده در نقاط مختلف شیر (P) در بازشدگی هـای مختلـف نسبت به سرعت (U) و فشار (PO) بالادست به فرم زیـر محاسـبه گردیـده اسـت. تغییـرات انـدیس کاویتاسـیون (σ) نیـز در بازشدگی ها و نقاط مختلف شیر با توجه به فشارهای اندازه گیری شده (P)، فشار بخار آب (Pv) و سرعت جریان در داخـل شـیر (U) به فرم زیر محاسبه گردیده است.
شکل ٥ نشان دهنده تغییرات ضریب فشار در هد m٥٢ شیر کوثر می باشد. همانگونه که مشـاهده مـی گـردد، ضـریب تغییرات فشار در روی محور میانی و امتداد آن در قسمت مخروطی کاهش یافته که مقـدار آن در قسـمت انتهـائی مخـروط (بـه سمت پیزومتر ٢٠) قابل توجه می باشد. در روی استوانه (پیزومترهای ١٥ تا ٢٠) نیز ضریب فشار کـاهش نشـان مـی دهـد کـه نسبت به نقاط دیگر شیر مشهود می باشد. در روی پره ها (پیزومتر ١٠ تا ١٣) نیز ضریب فوق کـاهش نشـان مـی دهـد. رونـد مشابه تغییرات فشار در هد ٥/٦٣ متر نیز مشاهده گردید. شکل ٦ نیز تغییرات اندیس کاویتاسیون در نقاط مختلف شـیر را نشـان می دهد. همانگونه که مشاهده می گردد، حداقل اندیس کاویتاسیون تا حدود ٦٠% بازشـدگی در محـدوده پیزومتـر ١ تـا ٩ روی مخروط (حداقل ٥٧/٠ در انتهای مخروط) اتفاق می افتد که البته در محدوده مجاز می باشد ]٧.[ در بازشدگی های بزرگتـر از ٦٠% کاهش اندیس در محدوده پیزومترهای ١٠ تا ١٣ روی پره شیر (در انتهای شیر) قابل توجه می باشد. لازم به ذکر است که مقادیر اندیس روی پوسته خارجی استوانه بسیار بزرگ بوده و لذا در این ترسیم وارد نگردید.
شکل ٧ نشان دهنده تغییرات ضریب فشار در روی محور میانی، مخروط انتهائی و پوسته بیرونی شیر کـارون III در هـد m٨٠ می باشد. در شکل فوق پیزومترهای ٣١ تا ٣٤ روی پوسته بیرونی و پیزومترهای ٣٩ تـا ٤١ روی ابتـدای محـور میـانی و پیزومترهای ٤٢ تا ٥٠ روی مخروط قرار دارند. همانگونه که مشاهده می گردد ضـریب فشـار در روی محـور میـانی تـا انتهـای مخروط کاهش می یابد. همچنین بررسی مقادیر فوق روی پوسته بیرونی نشان دهنده کاهش ضریب فشـار در روی پوسـته بـه سمت مخروط می باشد و لذا مقادیر بحرانی آن در حدود انتهای مخروط برآورد می گردد. بررسی مقادیر ضریب فوق کاهش قابل ملاحظه ای را در ابتدای محور میانی نشان نمی دهد. شکل ٨ معرف تغییرات اندیس کاویتاسیون در نقاط مختلف شیر می باشد. همانگونه که مشاهده می گردد، حداقل اندیس کاویتاسیون در محـدوده ابتـدای محـور میـانی و انتهـای مخـروط بخصـوص دربازشدگی های بالاتر از ٥٠% اتفاق می افتد که نزدیک به نتایج شیر کوثر می باشد.
