Hydraulisk effektivitet i helix-stegschakt

Av: Jörgen Haneus

Spiralstegbrunnar (helical-step dropshafts) kan vara intressanta komponenter när det gäller att dämpa energin i höga flöden till dränerande tunnlar utan att riskabel kavitation uppstår. Hydrauliken i dessa schakt har undersökts vid olika flödesförhållanden och tre flödesregimer har konstaterats: 

Överfallande flöde (nappeflow), blandat flöde och glatt flöde.

Luftinstängning kan förhindra kavitation och med den aktuella konstruktionen har en luftkoncentration av som lägst 1,6 % uppmätts, med en god fördelning över stegytan, vilket bedöms vara kavitationshämmande.

Bakgrund

Global klimatförändring och snabb urbanisering har lett till fler extrema regnhändelser med risk för översvämningar, så även i Kina varifrån denna studie kommer. En strategi för att hantera översvämningar är att bygga djupa tunnelsystem, vilket praktiserats bl a i USA, Kanada och Japan, intresset ökar också i Kina.

Viktiga komponenter för djupa tunnelsystem i tätorter är de öppningar som leder ner vattenflödet. Dessutom må luften i tunneln ledas ut. Vanligt är stora nivåskillnader och ofta höga flöden. Färska projekt i Shanghai och Wuhan medför schakt med fallhöjder om 40-80 m och flöden över 45 m³/s. Det innebär mycket energirika flöden in i tunneln och hög risk för erosion genom kavitation. Erfarenheter från det djupa tunnelsystemet i Guangzho (Kinas första) ger att energidissipation och kavitationshinder är de två största utmaningarna för den komponent som leder ner vattnet i tunneln. 

De konstruktioner som provats historiskt kan delas in i fyra huvudtyper fördelade på två kategorier. Den första kategorin omfattar dykartyp och vortex typ. Den förstnämnda typen är den äldsta och enklaste där vattnet faller i ett vertikalt schakt med en kvadratisk, rektangulär eller cirkulär sektion. Det medför också att långa schakt av den typen drar med sig stora luftmängder; hundra gånger vattenflödet har uppmätts, och t o m givit geyserliknande, farliga, effekter i tunneln.

Vortextypen leder ner vattnet i spiralform i ett vertikalt schakt där vattnet främst följer schaktväggarna och luften rör sig centralt i schaktet.

Återstående två typer är uppgradering av föregångare och innehåller separata ventilationsrör. De benämns helikoidalt ramp-schakt resp bafflat schakt. Det helikoidala schaktet är baserat på vortexschaktet där en glatt helixramp adderats till den ursprungliga rampen för att öka friktionsförlusten och minska behovet av avluftningskammare i botten av schaktet. En populär teknik i Japan, men inte i andra länder. Ett bafflat schakt har också förverkligats i Donghaoyongs tunnelsystem, med flödesmax 32 m³/s. Det ger effektiv energidissipation, men erforderlig diameter är betydligt större än för andra schakttyper.

Trappformade spillways har använts i vattenkraftprojekt pga hög energidissipation och låg kavitationsrisk och en del utvecklingsarbete har utförts där. De ska därför provas i Shanghais djuptunnelsystem. Modeller med storvinklade steg och bladformade steg har provats.

Material och metod

Ett helix-stegsschakt med pump, flödesmätare, bassäng, schakt och återföring byggdes. Modellen byggdes i transparent plast och inkluderade en inmatningskanal och en utmatningskanal och var en nerskalad prototyp (1:20) till den som avses bli byggd i Shanghai. 

Schaktets diameter var 0,5 m, den centrala luftledningen var 0,2 m. Bredden på glidbanan var 0,15 m. Trappan bestod av 36 steg i 6 varv, varför varje steg motsvarade en vinkel av 60º. Steghöjden var 0,055 m, så för varje varv var sjunkningen 6*0,055 = 0,33 m. Parallellt byggdes ett 2 m högt helixschakt utan steg för jämförelse. Lika in- och utanordningar användes. Vattenflödet varierades mellan 5 och 25 L/s. Den dimensionslösa parametern Q₁= Q/(gR⁵)^0,5 användes i utvärderingen (R= schaktradien). Energiförlusten (värme) mellan inlopp  (1) och utlopp (2) beräknades η = (E₁-E₂)/E₂.

Resultat 

Luften hade i stort lämnat vattnet vid utloppet varför flödet där var stabilare och lättare att nivåmäta. Felmarginalen i hastighetshöjden bedömdes vara ca 6 %. Steg nummer 19 och 36 valdes för mätningar; de första stegen gav mycket lika resultat och valdes bort.

Med ökande flöden ändrades flödesformen på stegen och tre former identifierades: nappe-flöde, blandat flöde och glatt flöde. Vid låga flöden, Q₁< 0,069, syntes en frifallande nappe, men vid Q₁< 0,077 observerades glatt flöde. Stabilt recirkulerande virvlar fanns mellan stegen och vattnet flöt med en jämn ström. Steghörnen, som rymt mindre mängder luft, var då  vattenfyllda. Dessa två flödesformer är kända från stegvisa spillways. Här fanns dock en variant mellan dessa, här kallad blandat flöde som troddes framkallat av den speciella geometrin för steg-helixen.

De helikoidala och helikala systemen jämfördes avseende energidissipationen η vid de olika flödena.η avtog linjärt med flödet, för den helikoidala (step) från 0,95 till 0,87 ; för den helikala från 0,91 till 0,76 och den step-försedda varianten var alltså mer framgångsrik.

Kavitation uppstår när flera små luftblåsor bildas pga högt ångtryck och när trycket sjunker igen imploderar gasblåsorna; ett smattrande ljud uppstår. Problemet minskar när luftkoncentrationen i vattnet ökar och när ett värde mellan 1 och 2% uppnås förefaller kavitationen bli avsevärt reducerad för den aktuella konstruktionen. I de aktuella försöken blev koncentrationen alltid > 1,6 %.

Slutsatser

Ett helix-stegschakt har provats med goda effekter avseende energidissipation (hög) och kavitation (låg) och sådana komponenter kan bli viktiga om djuptunnelbyggandet ökar i avsikt att avleda dagvatten vid höga flöden. Ett samarbete mellan vattenkraftkompetens och VA-tekniker förefaller värdefullt för sådana problem.

Källa: Ren, Weichen^1,2), Wu, Jianhua¹⁾, Ma, Fei¹⁾& Quian, Shangtuo ³⁾ (2020): Hydraulic performance of helical-step dropshaft. Water Science & Technology 84.4 pp 954-965.

Författarna från:

1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China.

1. Department of Hydraulics, State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Bejing 100038 China.

1. College of Agricultural Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China.

Kontakt: jhwu [a] hhu.edu.cn