автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Экспериментальные лабораторные исследования условий стоянки судов в процессе наполнения камеры при комбинированной системе питания шлюзов

санкт-петербургски!! государствен ш технически! университет

1 " Л п ' ■ тт

. . На правах рукописи-

2/ V- '

кштэ шьвдз

экспшшггадшые лабораторные исследования ' . условий стоянки судов в процессе наполнения . '

М1ЖРЫ ПРИ комбинированной систем питания щшозов

Сб.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1334 год

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете водных коммуникаций.

Научнкв. руководитель - кандидат технических наук, профессор

Баланзн В.В.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Целконян Г.И.,

кандидат технических наук, доцент Гарибин П.А.•

Ведущее предприятие - А.О. "Ленгидропроект".

Защита состоится. и V-О УМ_ Г994 года в А<£ ""

час., в ауд.411 НТК на заседаний специализированного совета. ДОоЗ.Зб.19 по присуждению ученок степени кандидата наук в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете (195251, С-Петербург, ул.Политехническая, доы 29, СПГТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СППУ. Автореферат разослан " 2-Р " _ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета ДОоЗ.ЗзЛу, кандидат технически наук, допзнт

,■ л

чу

1 \ 1,

А

¡.юрозов В.И.

- г.—

Актуальность работы. Для повышения эффек-' тивности использования долота эксплуатируемого на шлюзованных, системах возникает необходимость "выполнить комплекс мероприятий* по ускорению процесса пропуска судов через судоходные шлюзы.

Конструирование и применение различных систем питания, как головных, так и распределительных, свидетельствует о стремлении к постоянному их совершенствованию. Эти поиски велись с целью интенсификации процессов наполнения и опорожнения камер шлюзов. Реальное сокращение времени шлюзования может быть получено за счет ускорения .процессов наполнения и опорожнения камер шлюзов- . о помощью применения комбинированной системы питания.. Эта система, как указывает ее название, состоит из основной слонной распределительной или. эквиннерционной'системы питания и сосредоточенной головной системы. Явное эксплуатационное преимущество этой новой системы заключается -в том, что она использует преимущества той и другой системы .питания. В рассматриваемом случае преобразование-расдределительной системы питания в комбинирован- • ную систему осуществлялось'.наиболее экономичным путем устройства . клинкетов в воротах камеры шлюза.

Комбинированная система оправдывает свое применение не только при сооружении новых гидротехнических объектов, но она успешно и экономично может решать вопросы, связанные с интенсификацией процессов наполнения и опорожнения уже существующих шлюзов. В этом и заключается ее актуальность как технического новшества в настоящее время. В мировой практике отсутствует опыт проектирования, строительства и эксплуатация подобных систем пи-' тания, что предопределило необходимость проведения специальных исследований. В качестве объекта исследований выбраны условия стоянки судов в камере при совместной работе головной и распределительной систем и возникающие при этом гидравлические процессы и явления. В настоящее время имеется методика гидравлического расчета комбинированных систем питания, но требуется разработка достаточно совершенной методики расчета условий стоянки судов в камере шлюзов с такими системами питания. Без проведения указанных исследований внедрение данного предлокения в практику проектирования невозможно. Таким образом необходимость постановки указанных лабораторных исследований, на базе которых могла бы быть детально раскрыта физическая картина происходящих явлений и выработаны соответствующие рекомендации, является актуальной.

Ст. епень нов.изны научных* результатов. Научная новизна диссертационной работы закиси 'чается в следующем: * "

- установление закономерностей влияния различных факторов (глубина "воды в камере, время открытие клинкетов, положения судна в камере) на условия стоянки судов.,при работе комбинированной системы питания; •

- экспериментальное (лабораторное) подтверждение теоретических -зависимостей, описывающих рассматриваемые явления; .

- создание приближенного метода расчета условий стоянки судов в камере при комбинированной системе' питания.

Практическая, значимость; Цель исследований заключается в поисках пути сокращения времени наполнения камеры, оценки целесообразности применения клинкетов комбинированной системы питания для ускорения выхода судна из камеры в. нижний бьеф при малых запасах воды под днищем, выгона льда при отрицательных температурах,-уменьшении гидродинамического, давления на ворота, что приводит к снижению нагрузок на них и улучшению условий работы створок ворот.'

Степень обоснованности научных положений, выводов и методики р а с чета. Научные положения, выводы и методика гидравлического расчета комбинированной системы питания подтверждены проведенными аналитическими и лабораторными исследованиями с применением стандартных методик. Результаты лабораторных исследований доложены и одобрены на 45 даучно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава института водного транспорта в Санкт-Петербурге.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Содержание работы. Важным конструктивным элементом любого шлюза, определяющим его эксплуатационные характеристики, является его система питания.

В первой главе приводится обзор существующих систем питания судоходных шлюзов и рассматривается процесс развития их конструкций. Требования, предъявляемые к любому шлюзу, это:

1. Наполнение и опорожнение камеры шлюза в течение определенного времени, установленного в соответствии с заданной его

-а-—

судопропускной СПОСОбЙОСТЫЭ.

2% Соблюдение нормативных условий стоянки ¿люэ^ющегося суд- .

на.

В Гидротехнике различает две основные, системы питания'шло-зов по способу подачи воды в камеру: сосредоточенную (в частно- . •сти головную) и распределительную. Область применения головных систем питания, как правило, в современной практике шлюзострое-.ния ограничивается шлюзами с напорами до 12-13 м. На шлюзах с напорами в пределах от 13-15 м и более применяют распределительную систему питания.

На первых стадиях развития шлюзостроения, использовались самые простейшие системы питания - такие системы получили широкое распространение в России на малонапорных деревянных судоходных шлюзах в ХУШ и начале XIX веков. • .

Но бурное развитие гидротехнического строительства, требовало преодоления все больших напоров одной ступенью. При таких-условиях, наполнение осуществляется более безопасно и спокойно с применением распределительных систем питания. По своим конструктивным особенностям распределительные системы питания гораздо слокнее, чем головные. Имеется большое разнообразие распределительных систем питания: от самых простых до весьма сложных. В настоящее вре.мя принята следующая классификация распределитель- _ ных систем питания, которую используют многйе авторы, в частности' Михайлов A.B., Кякк В.А.

'1. Место подачи воды в распределительную галерею:

от верхней головы; <

из середины камеры.

2. Протяженность участка выпусков продольной распределительной галереи.

3. Конструкция выпусков, которая определяет инерционные качества системы питания.

4. Количество участков (отсеков) продольной распределительной галереи, каждый из которых осуществляет самостоятельную подачу воды.

5. Место подвода воды к отсеку продольной распределительной галереи.

По этим признакам произведена.классификация распределительных систем питания на простые - в них подача воды осуществляется со стороны верхней головы или в середину камеры, сложные - в этих системах, вода подается из выпусков на определенном уестке камеры. .

При конструировании простых распределительных систем, соб-лодают соответствующее изменение плоиэдей выпусков по длине продольных галерей, которое обеспечивает достаточно равномерную подачу воды В камеру по ее длине.-Однако, дане при этом, простые распределительные системы питания не позволяют избежать сосредоточенного поступления в камеру струй воды, образующих зодяные бугры, которые оказывают давление на корпуса шлюзующихся.судов. Для уменьшения этого воздействия,- И.М.Коновалов предлагает принимать расстояние, мевду донными выпусками:

где - соответственно глубина .воды в камере и осадка

расчетного судна в полном грузу, м;

Км - возвышение уровня воды в камере над начальным в момент, когда Е^*1!} т*У , м, высота выпусков не должна превышать: К^ 4 {>!£.-

Примеры систем питания с простыми распределительными водопроводными галереями и с подачей воды со стороны верхней головы в бывшем СССР, это - Волховский, Запорожский, Никнесвирский,Каховский, Кременчугский шлюзы. За рубежом, такие системы имеются на шлюзах Панамского канала, на американских шлюзах, построенных в начале XX в. Это, например, шлюзн Бертран-СИЫ1. Макартур на р.Св.Марии. В Европе можно отметить шлюз Вюрцбург на р.Майн.

Для уменьшения воздействия потока на шлюзующиеся суда, при простых распределительных системах питания, вода подается не к верхнему концу камеры, а к ее середине - шлюзы Эльзасского канала и шлюз Корриллен в Канаде имеют именно такую систему питания. Существенным шагом в развитии распределительных систем питания стало применение более совершенных, сложных распределительных систем питания.

При таких системах, вода сначала подается во вспомогательные поперечные выпускные галереи, затем из них через выпускные отверстия или решетку - в камеру. При этом достигается ослабле-

- т~

•ние местных гидравлических явлений, благодаря значительному увеличению отношения площади выпусков к площади основных продольных галерей и уменьшению скоростей в выходных.сечениях выпусков.

Сложные распределительные системы питания можно разделить на две большие группы: • .,

1. Системы с несколькими, продольными галереями, имеющими выпуски на определенных участеах камеры, при этом каждая продольная галерея питает' определенный участок камеры. Т&ким образом, имеется раздельное питание камеры. Куйбышевские (Самарские), Рыбинские и Волгоградские шлюзы имеют именно такую систему питания. Американский шлюз Гранат на р.Огайо имеет также раздельное питание участков камеры.'

2. Дальнейшее совершенствование систем питания достигается применением так называемых эквиинерционных.систем. Принцип конструирования таких, систем - это обеспечение для каждой из выпускных галерей одинаковой величины удельной энергии, инерции массы воды, заключенной в подводящем воду к камере водоводе, которую поток должен преодолеть при открытии затворов наполнения:

1'Л

где % ПР - приведенная к расчетному сечению длина водовода;

¿¿¿- соответственно длина и площадь отдельных участков водовода одинакового сечения.

Эквиинерционные системы питания можно разделить на три основных вида, в зависимости от подбора и соотношения ответвлений ог основного трубопровода:

1. Симметричные.

2. Несимметричные.

3. Комбинированные.

Переход к эквиинерционным системам питания позволил значительно улучшить условия стоянки судов в камере шлюзов. Основные недостатки-эквиинерционных систем состоят в том, что при больших напорах, имеются значительные скорости в выходных отверстиях выпусков и возникают тяжелые кавитационные условия работы водопроводных затворов. Для их устранения применяют следующие меры для гашения энергии потока. Системы гашения: местная, когда два

встречных потока гасятся непосредственно перед выходом в- водо- • бойных колодцах и общая, ^когда вода поступает в специальную камеру гашения, расположенную в стенке падения, а затем в водопроводные галереи и.выпуски. Примеры эквиинерционных систем имеются на шлюзах Монтеле-Мар, Мондрагон и Ла-Лоджи-Нёш на р.Роне (франция) и некоторых других.

Применение эквиинерционных Систем обеспечило нормальные условия стоянки шлюзуемых судов при больших напорах,' но в то же время, конструкция самой системы питания резко услонняется и' растет стоимость ее реализации.

Одним из путей интенсификации процессов" наполнения и опорожнения камер шлюзов в сторону уменьшения времени наполнения и опорожнения камеры при обеспечении нормативных условий отстоя-.судов и минимальных капиталовложениях является применение комбинированной системы питания. Эта система, как указывает ее название, состоит из основной распределительной системы и сосредоточенной системы питания. Комбинированная система питания использует преимущества той и другой системы питания. Мокно полагать, что подача дополнительного расхода в камеру в момент поступления максимального расхода, когда глубины воды достаточно значительные, не должна вызывать значительного роста гидродинамических сил, превышающих пиковые. Для дополнительного расхода нужно дополнительное сечение, которое бы не потребовало дополнительных крупных капиталовложений. Очевидными преимуществами дополнительной сосредоточенной системы питания является то, что она позволит снять перепад уровня при расположении водовыпуска вне подходного канала, а также способствует выгону льда при отрицательных температурах воздуха, там, где потребуется продление навигации. Когда имеется малый запас воды под днищем, она ускоряет выход судна из камеры в нижний бьеф. Устройство клинкетов в двухстворчатых воротах уменьшает гидродинамическое сопротивление движению створок ворот и тем самым приводит к снижению нагрузок на ворота и улучшению условий работы створок ворот. При замене существующих ворот на новые с клинкетами, монно добиться увеличения пропускной способности сооружений, с минимальными затратами.

Комбинированная система может применяться не только при строительстве новых шлюзов, но также способствовать совершенст-

вованию эксплуатационных качеств уже существующих шлюзов с рас- • пределительной системой питания.

Имеется очень мало работ, посвященных таким системам.

На кафедре ГТСиК института водного транспорта в С.-Петер-.бурге выполнена работа по гидравлическому расчету таких систем, но нужны систематически поставленные лабораторные исследования условий стоянки судов в камере при работе такой сложной системы питания для отыскания оптимальных конструкций и режимов работы этих систем. .

Во второй главе рассматривается гидравлический расчет различных систем питания и определение сил гидродинамического воздействия на шлюзующиеся суда.

Теория и методы решения многих гидравлических явлений, возникающих в шлюзах в процессе наполнения и опорожнения их каме.р, были рассмотрены в работах советских ученых Б.Д.Качановского, И.М.Коновалова, В.М.Маккаваева, Н.В.Михайлова, Городенского, В.В.Баланина. Пользуясь их методами расчета, можно с достаточной точностью рассчитывать для различных систем питания, основные параметры процессов наполнения и опорокнения камер: наибольший расход воды, наименьшее давление за затворами, значения инерционных колебаний уровней воды в камере и самое главное -гидродинамические силы, воздействующие на судно.

В ходе, гидравлического расчета головных систем питания, рассмотрены гидродинамические явления, возникающие в камере шлюза в процессе ее наполнения. Полная гидродинамическая сила является равнодействующей 2-х взаимно перпендикулярных сил - продольной и поперечной: ^

Рполн е ^ Рщ>ОА+ Рпоп

При головной системе питания, наибольшие значения имеет продольная составляющая гидродинамической силы. Еще в 20-х годах текущего столетия, немецкие ученые Г.Крей, Г.Злазиус, Р.Винкль предложили рассматривать три вида усилий, образующих продольную гидродинамическую силу:

РпРоА=ре+р<и-рм

где Р^- волновые усилия;

^ - скоростные продольные усилия; - местные усилия.

Волновые усилия возникают в результате неустановившегося движения воды в камере-и образования длинной волны, фронт которой продвигается вдоль камеры со скоростью-( Сц ):

где ¿<5к - поперечное сечение камеры, заполненное водой;

е*.

- ширина камеры. Скоростные продольные усилия возникают в результате неравномерного распределения скоростей течения в пределах успокоительного участка - эта неравномерность учитывается Михайловым . коэффициентом:'

ИГ\<

СО т.

х £ ггл^к.

Факторами, способствующими появлению ме'стных гидродинамических усилий являются:

1. Непосредственный удар струй, вытекающих из водопроводного отверстия в судно.

2. Наличие обратного уклона и обратных скоростей течения воды в зоне поверхностного вальца, в случае его возникновения.

. 3. Большая неравномерность распределения скоростей течения воды по живому сечению дамеры.

В настоящей работе ограничивались изучением случая наполнения камеры при непрерывном открытии водопроводных отверстий и определением гидродинамического усилия действующего на судно, расположенное за пределами зоны расширения потока, а также на судно расположенное в этой зоне. Именно последняя схема встречается при устройстве клинкетов в воротах камер распределительных систем питания, когда их преобразуют в комбинированные системы питания. Теоретические расчеты по определению волновой составляющей гидродинамической силы, действующей на судно, расположенное вне пределов обратного вальца, разработаны советскими 'учеными-гидротехниками Коноваловым U.M., Михайловым A.B., Кали-новичем В.Ю., которые предложили формулу волновой составляющей гидродинамической силы в следующем виде:

р. y.fe-Е- Кс JQ ' dt

— -I -л -

где - приращение расхода .

Ь - ширина камеры

^ - объемный вес воды ■ ' , ' fe - ширина судна

I длина судна " • .,

осадка судна

глубина воды в камере шлюза в рассматриваемый момент времени. с/Q Горбденский Н.Б. предложил метод определения .^ц. приращения расхода. Мгновенный расход воды определяется по формуле:

ot s & • у * ^^

где Q-fc, - расход поступающий в камеру в момент времени Í. ;

- площадь зеркала камеры, в ра осматриваемый момент времени ;

'^ьерт~ СКОРОСТЬ вертикального перемещения горизонта воды

в камере в момент времени '. Если иметь ввиду, что - полное время наполнения камеры,

то: л & • ¿V** л

a "to - время полного подъема затворов,-то выражение Горо-денского для времени подъема затворов, - t» , возведенное з квадрат, приобретает следующий вид:

т'к (z-yQС^ПГ - jQS ч №

v'= —. — --

где

Вводим X ^ц1

тогда 2U -1

a Qt принимает вид: Qt* "=р ' ™

Тогда приращение расхода будет:

Наибольшее приращение [всхода в момент ~Ь =.0 при У = 0:

и наибольшее значение волнового усилия:

р 4 & Ц у/ •_—

При определении гидродинамического воздействия на судно, расположенное в пределах зоны расширения потока, местная составляющая гидродинамической силы играет решающую роль. Она состоит из двух компонентов:

егЪ-Ро

где Гн - компонента направленная в сторону нижних ворот; Ро - компонента направленная в обратную сторону. Определяющей является компонента В и поэтому,, можно пренебречь Рн .

Так как верховой валец имеет эллиптическую форму, то:

<2 = * ь Л

ь

к к- - 5

р >гр*

где - высота вальца;

В - длина вальца;

- глубина воды в камере за местом расширения струи воды;

- высота сжатого сечения;

- заглубление верхних кромок водопропускного отверстия под горизонт верхнего бьеша;

- единичный расход по ширине камеры;

Р

V, 4

ПС*

•HlC.'1

?Асм&т\\АЯ схемд 'поье^юслцого %/,ЛььуА

tiQî-epywo с-ткого ЪАЛ^^Л M cxjjtto

15= и

Л - .безразмерный коэффициент, опытное з'начение^ =.3,5 По рисункам можно предложить следующие зависимости (Рис. 1 и 2): принимая 1.2.= О

~17

; -X-

где ^ - понижение уровня воды у водопроводных отверстий. Для его определения решается уравнение И.И.Леви:

к- Ксж) = ^ (2 К К - К V,

где - корректив неравномерного расппеделения скооости

_ 1 • ^ - коэффициент скорости; ^ = 0,95

г

где Я -

Ц - действующий напор на шлюз. Зная длину судна, расположенную в зоне вальца, определяют значение - уклона, приобретенного судном под воздействием поверхностного вальца. Подставляя , можно определить значение составляющей То - гидродинамической силы:

где V/ - водоизмещение судна .

Условия отстоя шлюзующихся судов в камерах, наполняемых через распределительные системы питания определяются различной и переменной во вренени работой выпусков продольных галерей по их длине. Гидродинамическая сила в камерах с распределительными системами питания возникает под влиянием тех не трех основных факторов, что и в головных системах питания. Но в случае распределительных систем, волновая составляющая меньше, чем при применении головных систем питания. Она равняется:

__^

Учитывая, что ^ Ьс * $ получим,

Ъ А О у (?с.(1с-Ье- £

А-Ь

а с учетом коэффициента качественной характеристики :

р & Айу

При определении усилий, возникающих при работе РСП, надо решить прежде всего задачу о переменном по времени распределе- ' нии расхода неустановившегося потока воды, движущегося по про-допьным галереям, между выпусками или поперечными галереями.

3 работе приведено изложение метода Михайлова по установления закона изменения по времени расходов выпусков.

■- 3 диссертационной работе рассмотрен приближенный кетод • определения гидродинамических характеристик шлюзов с комбинированной системой питания. Выделены два принципиальных режима совместной работы распределительной и головной систем;

- работа при незатопленных водопроводных отверстиях. Проведенные лабораторные исследования показали, что возникают такие усилия, которые намного превышают допустимые.

- Наиболее интересный и перспективный путь применения комбинированной системы - режим работы при затопленных отверстиях. Нижний предел затопления соответствует уровню воды в камере, * когда вода находится на высоте 0,5 Г\2>- где К - высота отверстий ГСП.

3 работе рассмотрена методика гидравлического расчета, разработанная на кафедре ГТСиК ЛИЗТз. По этой методике, выделяются четыре этапа совместной работы.

На первой стадии работает только распределительная система

Напор: ^[Р- - где начальный

напор на шлюз. Г» /I) С {т*1 Л*

Расход через .распределительную систему питания:1|=/м ^ где _ компонент расхода РСП; ¿5/* - расчетное попеременное сечение отверстий РСП. >

Уровень воды з камере : = ^КГ

На второй стадии оа бота ют обе зистемы

- 1<Ь —

Напор где

Расход через основную систему:

Расход через головную систему: (]г-4 ЪкД. где ¿52,- расчетная поперечного сечения отверстий ГСП.

Уровень воды-в камере: ^З*».' где - напор воды в'конце первой стадии.

На третьей стадии, когда заканчивается открывание затворов

основной системы, учитывается инерционный напор:

—

где 1»° - приведенная длина• галереи.

ол~ коэффициент расхода при полностью открытых отверстиях РСП.

поперечное сечение полностью открытых отверстий

РСП. ' г

___

Расход через основную систему питания: Ц |Ц<ц 3 ^ Расход через дополнительную систему: [} = А^г^гУ ^ЯЬ*/1 Уровень воды: V}; 2 ^

гдб - напор воды в конце второй стадии.

Четвертый этап характеризуется постоянным коэффициентом расхода обеих систем питания. _

Напор Н

Расход через основную систему пит&ния: Ои* ^

Расход через гопозную систему питания: 0^= Ц|о^ »

Уровень зоды в камере:

где - напор воды в конце третьей стадии.

3 третьей главе приводится описание лабораторных исследований комЗинировьнной системы питания. 3 работе излонекы методика и теория лабораторных гидравлических исследований судоходных ШЛЮЗОЗ.

Неустановившийся характер исследуемых явлений требует использования безинерционных приборов, обеспечивающих высокую

тоЧность. Наилучшие результата получаются при использовании электрических датчиков,^ При проведении гидравлических^исследований судоходных шлюзов, наибольший практический и научный интерес представляют следующие рассматриваемые ниже задачи.

1. Наполнение и опорожнение камеры.',

Наиболее полное представление о них получается из совместных графиков универсальной-гидравлической характеристики:

2. Условия стоянки судов. Наиболее объективный критерий оценки этих условий стоянки - величина гидродинамической силы, действующей на судно.

3. Определение оптикальных соотношений между .параметрами системы питайия шлюза*.

• 4. Исследования системы гашения энергии в камере шлюза. • Изучается силовое воздействие потока воды на отдельные элементы конструкции шлюза или влияния системы гашения на условия стоянки судов в камере. '

5. Лабораторные исследования гидравлических, явлений, происходящих за затворами.

6. Исследования'с самоходными судами.

7. Исследования времени ввода и вывода судов, которое зависит- от величины ^ плопрди поперечного сечения камеры в районе начала расположения судна. Время наполнения и время опорожнения ~|*оТ1ор также зависят от 52 М • ® практике лабораторных исследований судоходных шлюзов, использование приближенных методов, в первую очередь, обусловлено значительной трудоемкостью расчетов, учитывающих влияние усилий инерционного характера .

Исследование гидравлических процессов комбинированной системы питания проводились на общей модели шлюза с распределительной системой питания, изготовленной в масштабе 1 : 40 натуральной величины и установленной в гидротехнической габоратории ЛИВТЬ им. В.В.Тимонова. Лабораторная установка состоит из распределительной системы питания и головной системы питания. Модель шлюза с распределительной системой питания, выполненная из

- -те —

металла-и органического с текла, состояла из камеры, верхней и нижней голов шлюза. Камера шлюза - сварной конструкции,-имеет • длину 10,4 м и ширину 0,925'м она состоит из двух ярусов", соединенных между собой болтами. Водоподводящие и распределительные галереи с выпусками,,изготовлены из металла. Выпуски занимают 75% полной длины камеры, всего по длине камеры имеется 40 выпусков. Размеры выпусков в плане - 0,3125 х 0,00525 м, что* соответствует 12,5 х'0,25 м в натуре. Исследования процессов наполнения камеры шлюза проводились при напоре на камеру 13,8 ми начальной глубине 5,40 м - для натуры. Наполнение осуществлялось при помощи двух плоских затворов, расположенных в водопроводных галереях, приводимых в движение подъемным механизмом-. Подъемные механизмы затворов верхней и нижней голов шлюза одинаковые и состоят из двигателя, редуктора и специально установ- -ленного под затворами червячного вала. Модели барк имели длину 2,8 м и ширину 0,41 м. Водоизмещение каждой-баржи в натуре составляет 5900'т при осадке носа и кормы 3,2 м. Полное водоизмё- • щёние состава из 4-х барж равнялось 23600 т в натуре.'Моделирование гидравлических явлений в камере шлюза производилось с соблюдением критерия подобия Фруда. для выбранного масштаба моделирования М = 40, приняты следующие соотношения параметров модели и натуры:

ЛинеДные размеры »Хм- ), 3 = 40

Сила ^ а . V = 6400

вр«* -и.-иЛЗ^тК, *6'32

Расход Ю120

Для проведения лабораторных опытов модели шлюза и судов были оборудованы необходимой аппаратурой, приборами и датчиками, позволяющими измерять продольную гидродинамическую силу, действующую на судно и фиксировать изменения уровней воды. Все измерения производились в условиях неустановившегося движения воды в системе питания и в камере шлюза.

Рабочая часть головной системы состоит из клинкетов. На верхней голове шлюзного стенда, был установлен макет двухстворчатых ворот. Длина каждой створки на модели составляет 4Э0 мм, что соответствует 19,6 м в натуре. Каждая створка состоит из двух щитов, скрепленных между собой болтами. Высота створки -425 мм, т.е. 17 м в натуре. Затворы в воротах сделаны из сплава

АМГ в виде плоских щитов с острым углом. Их размеры подобраны таким образом, чтобы перекрывать полностью отверстия в створках. На каглой створке вырезано водопропускное отверстие. Размеры отверстия составляют 250 х 50 мм, т.е. 10 х 2,0 м в.натуре. Створки расположены относительно диаметральной плоскости под углом 20°. Они соединены в середине камеры в единый блок металлической планкой, закрепленной к ним болтами. Водопропускные отверстия расположены на высоте 25 мм, т.е. 1,0 м от поверхности стенки падения. Конструкция "головной системы обеспечивала жесткость ее механизма и равномерность работы ее отдельных узлов в процессе открывания и закрывания'отверстий. Подъемный механизм головной системы выполнен по аналогии с подъемны.! механизмом распределительной системы питания.

Для проведения исследований при полностью затопленных водопропускных отверстиях под уровнем нижнего бъе^а, были изготовлены водоподводящие трубы. Трубы представляют собой закругленные на концах трубопроводы. Трубопроводы расположены на 5 см выше уровня пола камеры.

3 работе представлены результаты полученные на базе выполненных расчетов и проведенных опытов на экспериментальной установке. Экспериментальные и теоретические гидравлические характеристики комбинированной системы питания получены при шести различных схемах совместной работы обеих систем. Эти схемы определяются моментами открывания отверстий головной системы питания в различные моменты времени работы распределительной системы питания при соответствующих уровнях воды в камере.

В диссертации ограничивались приближенными теоретическими расчетами условий стоянки судов в камере шлюза при комбинированной системе питания. Рассмотрены два метода определения гидродинамических сил, действующих на судно. Первый метод основан на способе предложенном З.П.Городенскии: основные положения этого способа приведены в разделе П.2.2. диссертации. Такой метод используется для наиболее характерного случая работы комбинированной системы питания, когда часть длины судна расположена в пределах вальца потока воды, поступающего из отверстий клинкетов. 3 момент одновременного открытия отверстий, главным фактором, влияющим на значение гидродинамической силы является высота вальца. В момент включения головной системы, наблюдается резкий пик гидродинамических сил, при незначительном расходе дополни-

тельной системы. Происходит резкое увеличение глубины воды в камере, что приводит к увеличению высоты вальца. Формула для определения гидродинамической силы:

4 J Qr

где '

Расчеты по данному методу не учитывают общий расход обеих систем. Кроме того, в этом методе рассматривается только одиночное судно.

■ Для того, чтобы учитывать волновой фактор возникновения гидродинамических усилий и рассматривать воздействия потока на состав-из четырех судов, можно допустить, что расчетные судна во время первого пробега волной камеры испытывают гидродинамиче-' скне усилия примерно в той же степени как одно судно. Кроме того, расчетный состав испытывает наихудшие состояния при совладении уклонов, вызванных распределительной с одной стороны и головной системой питания с другой стороны.

Такие положения лежат в основе применения второго метода определения гидродинамических сил - метода Михайлова. Этот метод предполагает так же, что определяющим фактором является уклон от работы комбинированной системы питания:

: , Д QoS *___

Lc*-~ дъ

Из этой формулы видно, что let,- уклон от работы комбинированной системы, вызванный изменением общего расхода системы

^^~Значения берутся из гидравлических характеристик.

Порядок расчета следующий:

Сначала рассчитывают приближенное время пробега камеры вол, uik.

&тем находят значение подъема уровня воды в камере .

+ UfbT

находят уточненное врех'я пробега. По уточненному времени пробе. га, находят соответствующий момент времени, когда фронт волны пробегает.камеру с судами: '

. Т» "tftr+'tHt"

Где ~LoS~- момент открытия"отверстий головной системы питания.

По. гидравлическим характеристикам находят значение изменения оощего расхода з момент времени X » которое определяет характер гидродинамических усилий, испытываемых судном при работе комбинированной системы питания, Формула для определения-гидродинамических сил:-

р - _^ чХ/

At '

В работе приведены результаты экспериментальных исследований условий стоянки при кокбинированной'системе питания. Опыты были проведены на экспериментальной установке при шпоре 34,5 см, что в масштабе 1 : 40 соответствует 13,8 в натуре; скорость подъема затворов распределительной системы питания принята ¿F^ = ~ 0,607 см/сек, т.е. 2,31 м/мин в натуре, скорость подъема отверстий ГСП - <5з = 0,14 см/сек, что в натуре соответствует 1/3= 0,56 м/мин.

В четвертой главе диссертации проведен анализ полученных гидравлических характеристик и результатов по исследованиям условий стоянки судов в камере при совместной работе обеих систем.

Сначала рассматриваются гидравлические результаты. Приведены шесть схем совместной работы двух систем и для кавдого случая дан анализ взаимодействия распределительной и головной систем питания. Схемы совместной работы двух систем соответствуют различным моментам времени открытия отверстий головной системы при работе распределительной системы питания. Сравнение основных показателей процесса наполнения камеры при различных схемах совместной работы приведены в та блице 1. Был проведен анализ получении х результатов по исследованиям условий стоянки судов при работе распределительной системы питания отдельно и при работе головной системы питания отдельно. Затеи рассматривались полу-

— ¿.¿L -

ченные результаты опытов при совместной работе двух систем, т.в. . при работе комбинированной системы питания.

Та блица 1

Системы питания • Комбинированная система пита ния Распределительная система питания

Схемы ра боты комбинированной системы питания Время 'наполнения камеры, мин. Максимальное значение расхода' м3/с Время напол-, нения камеры, мин. Максимальное значение расхода' м3/с

1 10'22,5" 720,5

. 2 11'03,6 605,0

3 10'25,7 586,7 . 12' 13 553;3

4 11' 10 573,7'

5 • 10'25,7 553,2

6 10'57,3 561,4

Все проведенные эксперименты разбивались на три основные группы. Первая груша опытов совместной работы ставилась с целью определить моменты времени наступления обратной волны. Задача заключалась в гашении гидродинамических сил, вызванных работой распределительной системы питания.

Вторая группа опытов проводилась с целью определения уровней воды в камере, при которых нужно открыть отверстия ГСП, чтобы положительно повлиять на гидродинамические процессы. Вторая группа в свою очередь разбивалась на четыре серии экспериментов. Третья группа опытов ставилась с неполным напором на шлюзе. Рассматривались две серии опытов - камера наполнялась до уровней КццИ Ььк ; Ьн*. - высота нижних кромок отверстий ГСП; п ЬИ- высота верхних кромок отверстий ГСП. сксперименты проводились при спокойной воде в камере при соответствующих уровнях.

Особое значение имеет анализ результатов опытоз, проводимых по схемам совместной работы, для которых были выполнены теоретические расчеты определения условий стоянки судов в камере. Ре-

зультаты по каждой схеме совместной работы, сопоставлялись и с результатами теоретических расчетов. В итоге анализа полученных" результатов,-выявилось, что чем позднее открываются отверстия головной системы питания, тем лучше происходит гашение гидродинамических сил,-а это имеет свое-объяснений в том, что включение головной системы питания при больших глубинах воды не приводит к появлению больших гидродинамических усилий. В таблице 2 приведены результаты исследований условий стоянки судов.

Таблица 2

№ схемы совместной . работы Головная система. питания Распределительная система питания Комбинированная система питания

прямые гидродинамические силы, кН прямые гидродинамические силы, кН прямые гидродинамические силы, кН

первые вторые нормативные (расчетные ) опытные расчетные опытные '

1 - 66,56 376 80,6

2 - 60,2 54 40,9 108 74,2

3 - 60,2 34,0 53,8

4 66,6 58,9 20,2 51,2

5 55,04 39,7 19,5 46,08

6 46,08 30,7 18,6 8,5

В заключительной части диссертации представлены основные выводы и предложения по проделанной работе.

1. Применение комбинированной системы питания за счет дополнения распределительной системы питания приводит к ускорению процесса шлюзования, при минимальных капиталовложениях и позволяет в ряде случаев отодвинуть срок ввода дополнительной нитки, требующей для ее реализации несравненно больших затрат средств и времени.

- 2-е-

2."На ранних стадиях совместной работы головная система

питания не влияет существенно на характер изменения кривой рас* « »

хода и характер изменения основных гидравлических параметров РСП не изменяется. . .

При открывании отверстий ГСП при полностью поднятых затворах РСП, происходит скачок гидравлических характеристик.

• Эти два положения подтверждают результаты теоретических' расчетов. Принятая в диссертации методика гидравлического расчета комбинированной системы питания может быть использована при проектировании.

'3. Одновременное открытие, затворов РСП и ГСП приводит к увеличению гидродинамических сил, испытываемых судами.в камере, что свидетельствует о наложении волн, вызванных работой двух систем. ' *

4. Из сопоставления гидравлических характеристик и хронограмм гидродинамических усилий различных схем совместной работы этих систем следует, что воздействие двух,систем питания на условия стоянки судов, имеет волновой характер.

5. При работе комбинированной системы питания, именно распределительная система питания воздействует на гидродинамические усилия, возникающие при работе ГСП.

6. Чем позднее открывают отверстия головной системы питания, тем лучше получается гашение ее гидродинамических сил.

7. Предложенная методика определения гидродинамических- сил при комбинированной системе питания, основанная на способе Го-роденского дает наилучшие результаты применения когда:

а) камера шпаза имеет небольшие размеры и местная составляющая гидродинамических сил является определяющей;

б) одиночное судно занимает почти всю площадь зеркала камеры.

8. Предложенная методика определения гидродинамических сил по способу Михайлова может быть применима как для одиночных судов, так и для составов.

9. В случае, когда имеется простая распределительная система, можно достигать более эффективного гашения гидродинамических сил, вызванных работой ГСП. В таком случае более четко вы-

- 2 5--

деляются обратные гидродинамические силы распределительной системы питания, способные гасить'прямые гидродинамические силы ГСП.

10. Кроме устройства клинк.етов на двухстворчатых воротах, могут быть использованы другие способы „как-, например, размещение на стенке падения подводящих труб, которые создают дополнительный донный подвод воды из верхнего бъеща в нижний бъещ.

11. При подборе моментов времени открывания отверстий ГСП во время работы распределительной системы питания, необходимо руководствоваться следующими рекомендациями:

A) При расположении водопроводных отверстий ГСП выше уровня нижнего бъефа, наилучшие результаты по сокращению времени наполнения камеры шлюза й гашению гидродинамических сил при работе комбинированной системы питания получаются:

а - при открывании клинкетов при уровне воды в камере

1ч hb .

А НК

.где Кнк. - отметка' нижних кромок отверстий ГСП;

„ - высота отверстий ГСП. Время наполнения составляет 11'22 , а гидродинамические сипы -- 22 кН. .

б - при открывании клинкетов при уровне воды в камерепик^^Т" . Время наполнения составляет 11'22 - пик гидродинамических сил - 19*, 2 кН. .

в - при открывании клинкетов^при уровне воды в камере л «К. Время наполнения составляет 11»03 , а гидродинамические силы равны 34,3 кН.

г - при открывании клинкетов при уровне воды в камере г\ь<. Время наполнения равняется 11»03 , а пик гидродинамических сил составляет 19,2 кН.

B) Когда водопроводные отверстия находятся под уровнем нижнего бъеоа, наилучшие результаты получаются:

а - при открывании клинкетов при достижении уровня воды соответствующего половине напора. В нашем случае это третья схема совместной работы. Время наполнения составляет Ю'25,7 , а пик гидродинамических сип - 53,3 кН.

б - при открывании клинкетов при достижении уровня воды соответствующего 2/3 напора. В нашем слуще это четвертая схема совместной работы. Время наполнения составляет И'10 , а

гидродинамические силы - 51,2 кН.

В общем случае, не целесообразно открывание отверстий ГСП _ раньше достижения половины напора на шлюз. Раннее открывание * отверстий приводит к сокращению времени наполнения, но при этом появляются очень значительные гидродинамические силы. При . надежных причальных устройствах, не исключена возможность более раннего открывания.клинкетов.

Нужно отметить, что приведенные полученные экспериментальные гидродинамические силы по значению меньше чем нормативные, которые равняются 54 кН для составов ..данного класса судов, а время наполнения камеры при работе одной распределительной системы составляет 12»13

12. При применении достаточно надежных гасительных и причальных устройств в комбинированной1 системе питания можно начи-. нать наполнение камеры с открывания отверстий ГСП, а затем включить РСП. • . - .

Отпечатано на ротапринте С.ТТГУВК Зак.~42 тир.-ТОСТ 2Т703Л4~ бесплатно"