автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Совершенствование процесса судопропуска через шлюзы (на примере Городецкого района гидросооружений)

Санкт-Петербургский Государственный Университет водных коммуникаций

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУДОПРОПУСКА ЧЕРЕЗ ШЛЮЗЫ (НА ПРИМЕРЕ ГОРОДЕЦКОГО РАЙОНА ГИДРОСООРУЖЕНИЙ)

Специальность 05.22.19 Эксплуатация годного транспорта

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург 1995

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель - профессор, член-корреспондент академии водохозяйственных наук РФ,кандидат технических наук Р.Д. Фролов.

Научный консультант - доцент, кандидат технических

наук В.А. Кривошей.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Михаил Александрович Колосов;

кандидат технических наук, доцент Павел Андреевич Гарибин.

Ведущее прздприятие - Волжское государственное бассейновое

управление водных путей и судоходства

Зздита_ростсится ?,-(л ¿У^ТФ 1995 г. в ДЗ час.

в ауд.с/ОА на заседании диссертационного совета Д. 116.01.02. в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникации (193035 г. С.-Петербург ул.Двинская, 5/7).

С диссертацией можно ознакомиться в" библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученье"! секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

доцент Г'Л" Гладков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пшзы являются неотъемлемой часть» внутренних водных путей Единой глубоководной системы. Способствуя комплексному использовании водных ресурсов и стимулируя развитие судоходства , плюзы стали одним из факторов, сдерживающих интенсификацию судоходства . В связи с этим вопрос ускорения пропуска судов через шлюзованные участки рек является актуальным . Время прохождения флота через шлюзованные участки складызается из собственно времени судопропуска и времени ожидания возможности подхода к шлвзу с рейда ( как это имеет место на Городецком и Чайковском шлюзах).

Из практики известно, что при степени загруженности системы, близкой к предельной, непроизводительные простои флота в ожидании шлюзования возрастают весьма быстро. Судопропускная способность большей части современных шлюзов в конце 80-х г. по тоннажу использовалась на 70 - 75 * от их полной пропускной способности, а з ряде пунктов и превышала ее. Например, имея проектную пропускную способность 15.4 млн. т, шлюзы Еолго-Балткйского водного пути (ЕЕЕП) в середине 80-х г. пропускали не менее 20 млн. т. в навигацию. Аналогичная ситуация с грузопотоками сложилась и на Волжских шлкзах . При проектной пропускной способности Самарскяс шлюзов 44.S мак.т. з 1987 г пропущено 48 млн.т., на EasaKC'SCrSSi при проектной 42.5 млн.т. пропущено 50 шт.т., на Городецких- Еместо 40 млн.т. проектных,пропущено 48 млн.т. и т.д. • Помимо грузовых потеков, довольно динамично рос обьем пассажирских перевозок - удваивался каждые 8-10 лет. Таким образом, вопрос ускорения движения флота по шлюзованным участкам несомненно актуален к в настоящее время .

Рост грузо- и пассажиропотоков потребовал ускорения судооборота и применения глубоко сидящих крупнотоннажных судов типа "Еолго-Дсн" пр. 1565 и 507А(Б) и "Волго-Нефть" пр. 558 и 550 грузоподъемностью 5000 т. Такая тенденция развития отрасли резко обострила проблему движения флота на участках с лимитированными глубинами. Так, например , простои крупнотоннажного судна в ожидании судоходных глубин в нижнем бьефе Городецкого района гидротехнических сооружений (ГРГ'С) в среднем составляют 13.2 ч/сут.

Это приводит к тому, что фактические сверхнормативные простои флота в навигацию 1994 г. составили 1574 тыс. тоннаже-сут. и вызвали потерю доходов от перевозок в навигацию 1994 г. в объеме 1.8 млн. руб в ценах 1990 г.-

Одним из способов радикального решения данной проблемы является строительство шлюзов в дополнение к существующим с соответствующими глубинами на подходах к ним. Следует отметить, что такое строительство потребует огромных капитальных вложений (2.3 млр. руб по ГРГС , до 1.8 млр. руб по ВБВП в ценах 1990 г.),а также длительного срока строительства.

В данной работе для снятия напряженности в транспортном процессе предлагаются пути сокращения машинной составляющей времени шлюзования и наиболее эффективное использование "проходных" судоходных глубин. Достигнуть это можно применением опускных ворот, пропускающих воду при наполнении камеры из-под ворот со стороны напорной поверхности ,с одновременным переливом через верхнюю часть конструкции , что сокращает время наполнения и исключает из цикла маневрирования операцию подъема ворот . Помимо этого, для ослабления напряженности в судоходстве в нижнем бьефе Нижегородской ГЭС предлагается эффективное использование провозной способности флота на базе более достоверного прогноза суточного графика глубин.

Для реализации данных предложений требуется : создать и апробировать методику обоснования оптимальной конфигурации напорной поверхности рабочих ворот для комбинированного доступа воды в камеру шлюза, с последующей реализацией ее в практических расчетах ;

разработать математическую модель гидродинамического воздействия потока на опускные ворота, базирующуюся на системе гидродинамических уравнений с соответствующими краевыми, граничными и начальными условиями ;

для замыкания системы гидродинамических уравнений необходимо аналитически установить закономерность изменения коэффициента турбулентного обмена потока ;

провести лабораторные исследования для определения необходимых составляющих формулы коэффициента турбулентного обмена с последующей проверкой адекватности полученной математической модели ;

провести лабораторные испытания условий отстоя судов в камере шлюза в процессе ее комбинированного наполнения ;

провести аналитический обзор существующих методов расчета неустановившегося движения воды с целью создания методики максимально оперативного прогнозирования графика изменения глубин в нижнем бьефе ;

апробировать применение многофакторного анализа для создания алгоритма прогнозирования суточного графика глубин в нижнем бьефе ГЭС;

создать алгоритм расчета суточнсго графика хода глубин в нижнем бьефе ГРГС для последующей разработки программы, и ее использования при оптимизации процесса судспропуска .

Научная новизна.

1. Создана методика расчета и получены координаты напорной поверхности опускных ворот,оптимально обтекаемые зодкым потоком.

2. Разработана математическая модель для определения величины гидродинамического давления потока зоды на рабочие спускные зорота, базирующаяся на системе гидродинамических уравнений, учктьпззющих турбулентный характер течения потока.

2. Получена расчетная зависимость для определения коэффициента турбулентного обмена в потоке, обтекающего опускные ворота.

4. При проверке корректности постановки граничных условий по скорости потока использован метод экспертных систем с обратной сзязью.

5. На математической модели проанализирована кинематическая структура потока, обтекающего спускные ворота, и установлен характер ее влияния на пульсационкую составляющую гидродинамической нагрузки на ворота .

6. На базе систекнсгс эксперимента кз математической мсделе установлена зависимость влияния различных фачторсв на величину гидродинамического усилия, действующего на опускные ворота.

7. Подтверждена целесообразность использования математического аппарата мкогсфак-орнсй статистики для поиска потенциальных факторов-аргументоз эмпирического показателя степени интенсивности спада глубин К в емкостном методе А.П.Браслазского.

8. Разработана и поставлена на ЭВМ методика прогнозирования

суточного графика изменения глубин в нижнем бьефе Нижегородской ГЭС для ее использования при оптимизации транспортного процесса.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на первой межвузовской конференции студентов и аспирантов (в 1992 г.), научно-технической конференции, посвященной 150-летию Волжского пароходства " (1993 г.) , межвузовском семинаре молодых ученых по эрозионным и русловым процессам, семинаре молодых ученых вузов, объединенных межвузовским научно-координационным советом по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ (1994 г.) , четвертой конференции "Динамика и термика рек,водохранилищ,внутренних и окраинных морей" в ИБП (Институт водных проблем) РАН (Российской академии наук), совместном заседании кафедр ПСГШ и ГТСиК в СПГУВК.

Публикации . Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах.

Реализация выполненных исследований. Начиная с 1991 г., на нижнем шлюзе ГРГС для расчетов графиков колебании уровня воды используется программа, разработанная в рамках данной диссертации. В результате ее внедрения среднесуточные простои крупнотоннажного флота сократились в среднем на 12 X. Отделом водных путей Волжского государственного бассейнового управления водных путей и судоходства применяется программа подбора графиков нагрузок на агрегаты Нижегородской ГЭС с целью обеспечения необходимого графика изменения глубин в нижнем бьефе. В рамках реализации договора N 32/94 от 23 марта 1994 г., между СПКГБ "Ленгидросталь" и Волжским государственным бассейновым управлением водных путей и судоходства основные положения диссертации учтены при разработке новой конструкции рабочих ворот Городецких шлюзов.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения , 6 глаз, заключения, списка использованной литературы ( 142 наименования) , 2 приложений. Общий объем диссертации 210 страниц, в том числе 38 рисунков, 21 таблица.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе изложен анализ современного состоя-

h;ih проблемы повышения пропускной способности шлюзов. Продолжительность периода прохождения судном шлюзованного участка складывается из машинной и движенческой составляющей времени шлюзования. Эти величины различны для каждого шлюза и зависят от многих факторов.

Путям сокращения продолжительности движенческой и машинной составляющей времени шлюзования были посвящены работы Б.Ю. Кали-конкча , А.Е. Михайлова , H.A. Семанова ,М.А. Колосова , H.H. Варламова , В.В. Еаланина ,В.Е. Садовенкова , Н.К. Чуприкова, М.А. Хейфица, Б. Георгиевского ,А. Чернышева ,Д.А. Зэряога ,С.С. Кирьякоза ,Е.П. Бутина ,Е. Тимошиной ,В. Махниной ,В. Станисла-вюка ,В. Мочалова ,Е. Ширяева , Н.К. Юдина ,В.В. Кононова , Д.С. Терепкина , С.А. Попона ,В.Л. Шведова и других исследователей.

Анализ ссноеных периодов времени судопропускз показызает, что достаточно перспективным способом ускорения пропуска судов через шлюзы о головной системой питания является сокращение времени наполнения камеры шлюза и периода маневрирования рабочими воротами , определяющиеся их конструктивным решением . На возможность сокращения времени наполнения указьшает тот факт, что оно носит техногенный характер. Расчеты лаборатории судопропуска МГАЕТ показывают, что сокращение машинного времени на 2 мин. увеличивает пропускную способность шлюза примерно на 7 7,, а на PFTC позволяет произвести, как минимум, 2 дополнительных шлюзования а сутки, что весьма актуально в условиях лимита судоходных глубин для крупнотоннажного флота.

В главе рассматривается вопрос о судопропусккой способности участка нижкеп бьефа ГРГС, лимитирующего судоходство на всем протяжении ETC. Исследованию этого вопроса посвящены работы учены:'; ЖПЕТ.МЖЕТ, ЦНИИЭВТ ,ВГАВТ, Гипроречтрзнса и ряда других институтов . Основная идея этого обширного круга работ заключается в создании лскальнсго подпора на порогах нижних шлюзов и обеспечении требуемых глубин. Однако реализация предлагаемых ме-рспркяткй требует значительных капитальных вложений и времени .

В диссертации для решения данной проблемы диспетчерскому персоналу по заблаговременному суточному графику глубин предлагается оптимизировать использование глубины, повышая пропускную способность участка и шлюза. Для получения таких прзгнозоз разработать алгоритм оперативного расчета глубин з никнем бьефе Ни-

жегородского гидроузда. Помимо этого , его использование может стать ключевым моментом в обосновании режимов работы ГЭС в случае ее перехода на транспортно-энергетические иди чисто транспортные попуски.

Вторая глава посвящена обоснованию очертаний напорной поверхности ворот и условиям их эксплуатации . Проведен анализ существующих технических решений конструкций рабочих ворот, осуществляющих доступ воды в камеру. Большинство шлюзов с головной системой питания имеют плоские подъемно-опускные ворота. Такой тип ворот, поднимаясь вверх, осуществляет доступ воды в камеру гашения, а затем опускается в нишу головы ( рис. 1,а).

Более рациональным о позиции сокращения времени маневрирования воротами является использование опускных ворот. Доступ воды в камеру в этом случая производится из-под ворот со стороны напорной грани( рис. 1,6) или переливом через их верх ( рио. 1,в). Тгкая идея предложена в работах Р.Куна и Г. Денерта. Дальнейшее свое развитие она получила в работах В.Б. Обвивальнева ,А.Д. Халтурина ,Г.Ф. Онипченко , Н. Дмитрова, ученых Института водного строительства (БАМ) и др. Идея наполнения камеры шлюза переливом через верх ворот впервые предложена И.К. Чуприковым , и впоследствии развивалась в работах В.С .Истоминой , С.П. Бело-бородского , М. Моквы . Однако, такой тип плоских рабочих ворот на крупных шлюзах не реализован из-за отсутствия методоз расчета , надлежащего обоснования конструкции и др.

Для обеспечения приемлемых условий шлюзования и ускорения наполнения камеры шлюза в диссертации разрабатывается идея комбинированной подачи веды в кашру шлюза, т.е. посредством одновременной педачи воды из-под ворот и над ними (рис. 1, г). Подобный принцип наполнения камеры использован только для низкокапор-ных шлюзов с клапанными рабочими воротами Я.Чабелькой. В диссертации детально рассмотрены основные положения работы шлюза с опускными рабочими воротами. Основной акцент сделан на исследование гидродинамического воздействия потока на предлагаемую конструкцию ворот, составлющих основу надежной эксплуатации шлюза.

Следующим направлением изучения литературы явился анализ путей и подходов к решению именно этой проблемы .рассмотренной в работах Г.Кулько, А.Коха, А.Ф.Буркова, Л.А.Гончарова, Б.Ю.Кали-новича, П.К.Лысенко, Б.А.Палюноса, А.А.Шмидта, Г.Виккерта,

г \ i

б)

IL,

О р

11

о "D Р

Рис. 1. Плоские рабочие ворота

а - подьемко-спускные ворота ; б - спускные ворота с доступом воды из-под всрст; в - спускные Борота с доступом зсды с Пскове перелива; г - спускные ворота с комбинированным ДОСТУПОМ ногы 2 K3J.Kpy.

И.Е.Хзмалозз, Е.Парппгна, А.Д.Халтурина, Г.Ф.Онипченко, А. 5.Буркова, Ю.Е.Кпнда, A.C. Абелева, В.Е.Еалакина, В.Н. Василевского, Н.Н.Гирпкоксго, Б.В.Дорофеева, Н. И. Жарена, Г.И.Мелконяна, Г.А.Полонского и других. К настоящему времени для рещения зтой задачи сформировались два основных подхода : теоретический, ксс-ледуЕзшй процесс истечения потока на основе решения уравнений механики жидкости, и экспериментальный, базирующийся на натурных данных с последующим подбором эмпирических зависимостей.

Сба эти подхода ке позволяют в полней мере проанализировать гидродинамические процессы и кинематическую структуру потока. Поэтому целесообразно дальнейшее теоретическое изучение гкдроди-гк:гс воздействия потока на горста , базирующегося ка ре-

шэнпи системы гидродинамических уравнений Навье-Стокса.

Третья глава посвящена решению задачи оптимизации конфигурации напорной поверхности ворот и разработке математической модели расчета г;:дгсдлка\{ичес:-".::х сгл от всгдсйсаг^я потока на .-.•онструкц'.зо.

При о'текажл: епускнчх soj-cr (рис.?) нз напорной гран:: выделяется аска сгсгс*ка С£3, ргбстакг^я кг:-: зодс-слиг , к нижняя чз::г налеper;: гргк;: =cper CLD , вь.текзн:те потека

через Д;-.

Р перго:,: расдоле главы для кожей ча."и калорией грачи CLD получены форкулы хека Ci) :: , обеспечивайте

по:^упл;>.кг расхода . Есда са:с!.:згр::галась как аде-алгкзд л^.чссть с г-гаргктгро« теченнк .

Е рогуле таге конформно:о отображения "гсдогрофа" скоростей на пелубгоко^ечкуг плоскость получены формулы

у _

о

/

У -i

/ + 1 + V 2 * ccc(V/2; —— * in---

Di--"2 + 1 - у 2 * ccs(V/2)

( 1 î

/ y + 1 + / £ * cosfV/2) I

/ - * In --j + Ci ;

/ i - .—

l'" Us/2 + 1 - (/ 2 * cos(V/2) !

Y = ——*|/î7i - 2 * arct^|sïn(V/2> * /----+

У UL - 2 /

./ 2 - Z7S

* Jn

/ 1- LV2 + / 2 * sir.(Y/2)

V

+ Cy

( 2 )

Da--2 - y 2 * sin(Y/2) здесь L'i = z'z + 1 / £2 ; £ » * a'b ; Î7e = 2*CES(2*5) ; ( 3 )

Й. - 0 ;

a

Cfc- —-* TtA'/i

- /la - 2 * aretg-f /-----— î +

PL - P '

+

2 - Z7„ / 1- üt/Z + /

+ /-* In

V

/ l- !V2 - /Т"

где : а - величина открытия ворот (высота вертикального сечения); t - ширина открытия (ширина горизонталь ноге- сечения) ; S - угол вытекания струи (принимается по данным Р.Мизеса); ? - степень сжатия вытекающей струи (принимается по данным Р.Мизеса).

Подобный подход к решению гидравлических задач использован з работа:-: Гельмгсльца, Кирхгофа, Р.Мизеса, Н.Е. Жуковского, С.А.Чаплыгина, и применялся В.Е.Еаланикым, H.A. Панчурпным, Г.И. Трофимовым, S.A. Кризошеем, В.Е.Пахомовым для решения ряда гидравлических задач, показав свою надежность и приемлемость. Как следует из анализа результатов расчетов по формулам (1) и (2), наилучшим для пропуска максимального расхода воды будет реализация напорной поверхности по координатам крайней линии тока, соответствующим степени открытия а/Ь =1:1 (рис.2). Верхняя водос-л:твная часть ворот CEZ выполняется по координатам Кригера - Офи-церова ориентированных на максимальную величину напора, действующую на оголсвек.

Величина нормальной составляющей давления в произвольной течке напорной поверхности рассматривалась как сумма гидростатической и гидродинамической составляющих. Последнее моделировалось скстгксп гидродинамических уравнений Навье-Стокса в осесим-метрпчной постановке. Границы области течения ADLCEWFNM (рис.3) определялись размера:.:*! порога камеры и ворот. Для решения системы дифференциальны:-: уравнений принимались следующие граничные

УСЛОВИЯ ПС -KZZZC-ТИ I

по rr/inne потока на пороге (сечение FN) - условие раззито-

на сг:.:ет:-:~ верхнего бьефа вертикальная составляющая скорости разяа :

г случае перелива через водослив (сечение WE) эпюра скоростей прняииаласг; по данным Еазена ;

на граница:: контакта потека воды с бетоном порога или металлом затвега (линии NM,MA,DLCE ) - условие непротекания ;

Р-.— ? ПТТУ,-.

'СКНЫ9 ворота С КОМбИНИрОВЗККОК подачей воды в камеру шлюза

<1п

Рис. 2 К решению задачи гидродинамического воздействия потока на ворота

в выходном сечении АО функцию распределения скорости по высоте выходного сечения находили из графиков обеспеченности расхода по высоте сечения, который получен методом ЭГДА в предположении, что жидкость з выходном сечении несжимаема и имеет потенциальный характер течения.

Правомерность такого подхода подтверждена математическим моделированием . Алгоритм модели основывается на итерационной процедуре,построенной по принципу экспертных систем с обратной связью , т. е. корректировкой граничных условий с помощью двух последовательных итераций. Критерием сходимости являлось условие малости приращения нормальной составляющей скорости между двумя контрольными сечениями , близлежащая! к выходному сечекрзо на л и

(

I —

1.

а/ \

71 К

<- е. ( 6 )

где : с. - наперед заданная точность итерационного процесса.

Начальные условия ( в ¿=0 ) для скоростей и давлений принимались разными куля, кроме точек, принадлежащих выходным сечениям АО и ЕС.

Для определения величины расхода,вытекающего через нижнее сечение АС. использовалась формула истечения из гидравлически Сольного отверстия. Коэффициент расхода нижней части ворот рассчитывался по формуле гидравлически короткого водовода.

Для замыкания системы гидродинамических уравнений на базе гипотезы Прандтля аналитически получен закон изменения коэффициента турбулентного обмена. Установлено, что величина коэффициента турбулентного обмена прямо пропорциональна средней скорости вытекания потока через нижнее отверстие и некоторой функции , зависящей от степени открытия затвора.Эта функция определялась "хтперикентальным путем.

Четвертая глава посвящена лабораторным исследованиям работы шлюза с опускными воротами. Цель исследований -сбор спорны:-: данных для доработки формулы коэффициента турбулентного обмена, полученной в третьей главе, сбор данных для ве-

рпфикационных расчетов и проверка условий отстоя шлюзующегося судка.

Эксперименты проводились на модели Городецкого нивоза, выполненной в масштабе 1:25 с соблюдением подобия по критерию Фру-да. Еыбор такого масштаба продиктован сохранением автсмсдельнос-ти критерия Рейнолъ.т.-а и адекватности воспроизведения качественной картины турбулентных процессов, имеющих место при обтекании опускных ворот. Аналогичный подход к нахождению коэффициента турбулентного обмена и замыкания гидродинамических уравнении движения судна в стесненном форватере уже использовался в работа-: Е.Г.Павленко, Т.Е.Горнушкиной, С.Н.Коротксаа и показал свою надежность при моделировании в масштабе V. "1:52.

На первом этапе исследований поставлен ряд опытоз для выяснения влияния пазов ворот на эпюру давлений, действующих на ворота.

Етсрси этап посвящен выяснению характера эпюр гидродинамического воздействия потока на опускные ворота при переливе воды череэ их зерх.

Третья серил лабораторных исследований посвящена сбору данных для доработки формулы коэффициента турбулентного обмена. Исследовалась конструкция опускных ворот с напорной поверхностью, выполненной по координатам крайней линии тока, соответствующей степени открытия 1:1 . Согласно теоретическим выкладкам третьей главы исследовалось влияние на характер эпюр давления, глубин на пороге камеры шлюза и степени открытия ворот. Впоследствии по эпюре давления на ворота определялся коэффициент турбулентного обмена Исследования велись по трехуровневому полкофактсрному плану. Глубина порога варьировалась на уровнях 14,19,24 см. Степень открытия ворот принималась 1:4, 3:4 и 5:4. Е результате обработки лабораторных данных формула для определения коэффициента турбулентного обмена приобрела следующий вид :

= Увьж. С 9.654 - 19.85а/Ь + 9.^55(а/Ь)2 ] ( 7 )

Четвертая серия лабораторных исследований посвящена сбору данных для верификационных расчетов. Для этого получены эпюры дазлек;п! на ворота при глубине на пороге б 22 см ( 5.5 м в натуре). Затем в лаборатории выполнены замеры эпюры давлении на

спускные рабочие ворота с полигональным очертанием напорной грани . Нихняя часть напорной обшивки располагалась соответственно под углами 1С,15 и 20 град к вертикали. Глубина на пороге камеры ESS8S принималась 2G,25,20 см, а степень отбытия 2:3, 4:3, 6:2.

Пятая серил опытов посьащека исследованиям пульсзцискксй гсстагля-сггй гпдрсдина^г^ескг.:: кагругзг: на гороха. Как показали прсгеленные нсгледггап:^, величина пульсапионксй состжязакй дл- кснструки;:::, выполн-кзсй по координатам крайней лисп; ггкз, составляет 3 хПа . а для полигонзль- 3.1 кПа. 5 то время для дейстзугщпх всрст sca нел;гчпка составляет 14.3 кПа, что з 4 - 5 ггг Фольге, чем на предлагаемой .^кстг-укцки.

На пестс-м -тале лз^рзтсг-яых ксследсга-пз; проверялис-ь услс-s;r стстся гглкгучлегр" судна в канесе хлзга. '£ качестве песлс-луехсго кгподьзочалосъ судно типа "5ол?о-Доя" с укороченной вставкой. При этом начальный запас под днищем судна принимался 2,3 и 4 с s;, s скорость подьема затвора 0.08,0.138 и 0.196 см-с (лабораторных величкк). Плановое судна определялось

расстоянием от фсрзтезкя судка дс 1-:л~л распределительной ресет-кл Lr. По stci.^' трехуровневому полкофахтсрнону плану испытаны как опускная, так и подъемно-опускная конструкция рабочих ворог. Опыты "кагалн, что Н9л:гч:-:ка максимального гидродинамического усилия при кскСик::рсзаннсм наполнен;": камеры на 30-35 X меньше, при каполягктш иг-под рабочих не рот (рис.4).

Пятая глава диссертации пссзяцена анализу и сбсб-лабораторных и теоретических исследований работы опускных вгрст с >: ::.!бик;:р"ва5>чсй нопа-'.ей поды в камеру .

Первый раздел поезяшен численной реализации и приведению rpcsspc-чкак расчетов по данным, полученным в лаборатории .В результате расчетов для конструкции ворст, выполненной по крайней лин;ги тока, максимальная среднекэадратическая погрешность составила 7-10 X, а для педагенатьной конструкции 7-9 X (см. рис. 5).

Второй раздел пс-свящек ксследоваша: на математической модели кинематической структуры потока, обтекающего опускные ворота при различных глубинах на пороге и различных местоположениях рабочих ворот в процессе маневрирования. Вследствие того, что максимальные градиенты скоростей и зон турбулентной активности с поверхности гатзора' смещены на Сетскную поверхность порога , пульс-ациокная составляющая гидродинамического усилия на ворота

''Mt О ~ !'Г|,,Г|.ПТ H1!',' r.rjrtrv

уменьшается . По данном лабораторных исследований эта величина в 4-5 раз меньше аналогичного параметра .действующего на подъемно- опускные ворота.

Завершающи раздел посвящен математическому моделированию гвдродшашкёСлого воздействия потока на опускные ворота и влиянию на эту величину различных факторов. В качестве плана ".пленного эксперимента использовался центральный кемпозхлюнный план эксперимента. Результаты численного моделирования аппроксимировались полиномами второй степени. Таким образом, для подсчета горизонтальнеге л вертикального гидродинамического усилия,действующего на погонный метр полигональной конструкта! опускных ворот, получены следующие аппроксимациснные выражения :

для горизонтальной составляющей

Fx = -101.95 - 17.27Я* + 20.4^+21.02Яр + ( 8 )

+ 44.6а/Ь - 22-'ic.22(a/t5z + 9.847KgH-.

для вертикальной составляющей нагрузки

Fv = -S.55 + 0.657% + 2.49*6+ 5.545ЯР + 20.С2а/Ь -

- Q.GQHga/b - 1.25а/Ы- 1.86ЯРа/Ь ( 9 )

Для поиска направлении оптимизации величины гидрсдинамичес-ксго усилия в диссертации проводился канонический знализ полученных математических моделей. Анализ показал, что главным путем уменьшения г^родннзгдгческсгс усилия на ворота с полигональным очертанием наперзей грани является увеличение угла наклона напорной грани дс- 10-20 град, а для конструкции, выполненной по крайни:-! линиям тока, - увеличение длины тыловой части порога.

Е шестой главе рассматривается вопрос об оперативном прогнозировании суточного графика изменения глубин в нижнем бьефе ГРТС. Отправной течкой решения проблемы является интегрирование системы уравнений Сен-Венана. которое осуществляется "точными" и "инженерными" методами.

"Точные" методы расчета,давая высокую надежность результатов, для своей реализаций: требузет большого обьема исходной информации и периода времени расчета, что неприемлемо s условиях производства. Е связи с этим основное внимание уделено "инженерным" методам расчета.

"Инженерные" методы разрабатывались в исследованиях Б.В. Славгород;кого,Л.С. Кускова, И.С. Гелета, М.С. Грушевского, Е.Е.

- 1У -

Полякова, П.А. Ляпичева, С.Н. Крицкого, М.Ф. Менкеля, Л.И. Ро-зенберга, А.П. Жидиковз, А.Г. Левина, E.H. Борщевского, И.Л. Розовского, Е.Б. Еременко, H.H. Федорова, A.C. Гофштейна, Г.П. Калинина, П.И. Милюкова, Б.Т. Поляка, A.A. Иванова, Б.М. Лося и других. Как показал анализ рекомендаций ряда институтов (ГГИ, УКрНИИГМа и др.) и пробные расчеты, выполненные автором , наиболее перспективным является разработка алгоритма расчета глубин, базирующегося на "экспоненциальной" гипотезе почасового приращения глубин в створе гидроузла ( метод Браславского). Этот подход уже использов,'злея рядом авторов, в частности, в работах Е.Б.Полякова представлены два показателя интенсивности приращения глубин К для "спада" к "подъема" уровня воды. Но как показали предварительные расчеты, проведенные автором, расчетные и фактические величины для Нижегородской ГЭС различаются на 13-15 X (40-50 см в натуральном выражении), что является совершенно неприемлемым для производства в условиях недостаточности глубин.

Поэтому в работе был апробирован и выполнен более тонкий анализ потенциальных факторов-аргументов для величины эмпирического коэффициента К с помощью многофакторного статистического анализа. Список потенциальных факторов-аргументов составлен исходя из рекомендаций литературы, логических соображений и результатов корелляционного анализа. Результаты факторного анализа потенциальны-: Факторов-аргументов показали , что величина коэффициента К определяется временем работы ГЭС в кьазиустакозившем-ся режиме, почасовой динамикой попусков и наполненностью бьефа водой . В связи с этим в формулах коэффициента К обязательно учитывать не только время знакопостоянства приращения глубин, но и величин:/ начального расчетного уровня поверхности воды и попуски в нижнем бьефе. Для подбора эмпирических формул применялся метод наименьших квадратов с использованием по мере необходимости функциональных преобразований аргументов. Так. например, в случае отрицательных приращений глубин ( спад уровня) для первого часа работа з квазиустаяовизшемся режиме используется формула

К =55.7 + 0.03Q - 0.93Hr + 89.72^ HR ( 10 )

а для работы в квазиустановившемся режиме з течении 2-3 часов -

К =11.2 + 0.14log(Q) + 0.512log(HR) - 1.7-И/ Hz ( 11 )

Яайс..М

И

47.5

(7

u.s

It

1 3 5 7 * 11 13 15 i? 19 21 23 t ч.

Рис. 6 Суточные графики изменения отметки поверхности воды : ---— наг,ур.-ав - тзсрепвеские

и так далее.

Полученные таким образом формулы стали базой алгоритма расчета суточного графика глубин , на Сазе которого затем разработана программа для ПЭВМ типа IBM PC. Программа не только рассчитывает график колебания отметки поверхности воды, но вычерчивав: его и на дисплее, и на бумаге (рис. 6) .

Как показали проверочные расчеты, выполненные по данной про: рамме, средне суточноэ расхождение расчетной и натурной величин непревышаег РХ.Опыт эксплуатации этой программы на ГРГС позволив сократить время простоев крупнотоннажного флота в среднем на 123

Основные выводы.-

1.Несмотря на временный спад интенсивности судоходства, вопрос об ускорении процесса оудопропуока является актуальным i в настоящее гремя .При этом весьма перспективным способом ere сокращения является ускорение времени наполнения камеры шлюза i совершенствование технологии маневрирования рабочими воротами , что е первую очередь определяется конструкцией рабочих ворот.

2. На основании проведенного анализа существующих к настоя-

jmmm0 • • )■ • г " I» ■ «V " г «¿ir ■

... i ...¡ ..Ф1. . .i. ..i...

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

- ¿г -

щему времени конструктивных решений плоских рабочих ворот для шлюзов с головной системой питания можно предположить, что использование опускных ворот с комбинированным поступлением воды в камеру будет более эффективным.

3. Применение опускных рабочих ворот приводит к ускорению наполнения камеры шлюза и сокращен™ цикла маневрирования воротами. В конечном итоге это сокращает цикл шлюзования на 3-4 мин и позволит на Городецких шлюзах выполнить 3-4 дополнительных шлюзования в сутки.

4. Ввиду отсутствия необходимости в подъеме ворот над порогом сокращается длина штока и необходимые размеры голов шлюза. Повышается сохранность уплотнительного контура и надежность эксплуатации ворот за счет снижения пульсаций нагрузки в 4-5 раз.

5. 51з существующих подходов к определения гидродинамической нагрузки наиболее полно картину гидродинамического воздействия потока на опускные ворота описывает система гидродинамических уравнений Навье-Стокса. Она позволяет оценить кинематическую структуру потока и ее влияние на пульсационную составляющую гидродинамической нагрузки.

6. Величина коэффициента расхода опускных ворот зависит от степени открытия живых сечений и описывается формулой гидравлически длинного водовода.

7. Замыкание системы гидродинамических уравнений выполнялось на крупномасштабной ( 1 : 25 ) модели с использованием современной теории планирования эксперимента. В результате полученная математическая модель позволяет рассчитывать усилия со сред-неквадратической погрешностью 6-10 X.

8. Ввиду смещения зон турбулентной активности с поверхности затвора на тыловую грань порога камеры шлюза пульсация гидродинамического усилия на конструкцию по данным лабораторных экспериментов снижается в 4-5 раза.

9. По результатам математического моделирования гидродинамического воздействия потока на опускные ворота как с полигональным очертанием напорной поверхности, так и конфигурацией, выполненной по крайним линиям тока, получены аппроксимационные формулы для расчета вертикальной и горизонтальной величины гидродинамического воздействия потока. В качестве плана эксперимента использовался композиционный центральный ортогональный план.

10. Канонический анализ аппроксимационных формул показал, что глазным фактором,определяющим усилие на ворота с напорной гранью, выполненной по крайним линиям тока,является высота порога и степень открытия сечений. Для полигональной конструкции этими величинами являются угол наклона напорной поверхности, степень- открытия и высота тыловой поверхности порога.

11. Для условий массовых , оперативных прогнозов графиков глубин .на производстве наиболее приемлемым является использование алгоритмов .базирующихся на экспоненциала ной гипотезе А.П. Ераолавского.

12. При определении основных величин влияющих на интенсивность приращения глубин в методе Ераолавского, целесообразно применять факторный анализ для исследования потенциальных факторов-аргументов. Это позволяет создать алгоритм прогнозирования хода глубин в нижнем бьефе со среднесуточной ошибкой до 2 X.

13. Помимо величины времени знакопостоянстза приращения глубин для показателя интенсивности приращения глубин, в формуле Ераолавского необходимо учитывать величину наполненности нижнего бьефа водой и почасовую динамику ее изменения.

14. Несмотря на сравнительно небольшой объем исходной информации и относительную простоту "инженерных" подходов , их практическая реализация требует определенной квалификации. Е связи с этим при организации оперативных массовых расчетов в условиях производства предпочтительна разработка математического обеспечения для ПЭЕМ на базе разрабатываемых алгоритмов. Применительно к Городецкому району гидросооружений это позволило сократить простои крупнотоннажного флота в ожидании судоходных глубин в среднем на 12 X.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работав :

1. Липатов И.Е. Прогноз уровнен можно уточнить. - Речной транспорт, 1993, N 4, с. 23-29.

2. Кривошей В.А, Липатов И.Е. Совершенствование процесса судспропуска через Городецкие шлюзы. - Е информац. сб-ке : "Наука и техника на речном транспорте", N 5. - М.: ЦБНТИ, 1994, с.17-22.

3. Липатов И.Е. Гидродинамические нагрузки на подъем-

но-опускные ворота шлюзоз. - В икформац. сб-ке : "Наука и техника на речном транспорте", N 12. - М.: ЦБНТИ, 1994, с. 24-29.

4. Липатов И. В. Алгоритм расчетз почасового приращения глубин в нижнем бьефе Нижегородской ГЭС. - Тр. / ВГАВТ, 1993, вып. 268, с. 124 - 129.

5. Липатов И.В. Пути сокращения простоев судов в НБ Городецкого района гидросооружений вызванных провалами в суточном графике работы ГЭС : Материалы научно-технической конференции, посвященной 150 - летию Волжского пароходствз. - Н.Новгород, ВГАВТ, 1993, с. 134-135.

6. Липатов И.В. О некотором ослаблении а процессе судопро-пуска в НЕ Нижегородского гидроузла на р. Волге. - Тезисы докладов . Девятое межвузовское координационное совещание по проблеме эрозиэльных, русловых и устьевых процессов. - Брянск 1994 , с. 143-149.

7. Липатов И.В. Комплекс предложений по снятию напряженности процесса судопропуска в НБ нижегородского гидроузла на р.Волге : Материалы четвертой конференции -'Динамика и термика рек , водохранилищ, внутренних и окраинных морей". Тезисы докладов, Т.1. - М.: КЕП РАН, 1994, стр. 103-104.

С результатах исследований доложено на следующих конференциях и совещаниях :

1. Первая межвузовская конференция студентов и аспирантов. Н.Новгород, 1S92 г.

2. Научно-техническая конференция,посзященная 150-летию Волжского пароходства. ЕГАЕТ, 1993 г.

3. Девятое межвузовское координационное совещание по проблеме зрозиальных, русловых и устьевых процессов. Брянск, 1994 г.

4.Межвузовский семинар молодых ученых, объединенных межвузовским научно-координационным советом по проблемзм эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ, 1994 г.

5. Четвертая конференция "Динамика и термика рек , водохранилищ, внутренних и окраинных морей". Москва, ИБП РАН: 1994 г.

JjuViVOOfY^o^)

СЛПУ6С luU Зги- fС /rvsf Л О