автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Улучшение эксплуатации судоходных шлюзов с распределительными системами питания

ВВЕДЕНИЕ. /

I. АНАЖЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И СУЩЕСТВУЮЩИХ

МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА НАПОЛНЕНИЯ КАМЕР СУДОХОДНЫХ шлюзов . . . . .№

1.1. Обзор существующих систем питания и их эксплуатационных качеств . . . /¿)

1.2. Краткое рассмотрение гидр©механических явлений, наблюдающихся в камере шлюза с головной системой питания.М

1.3. Отличие гидромеханических процесс©!, происходящих в камерах шлюзов с распределительными системами питания от аналогичных явлений в случае применения головных систем питания.

1.4. Обзор существующих методов расчета волновых явлений в камерах шлюзов с распределительными системами питания и предложения по их совершенствованию 2. РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДОВ ПО ВЫПУСКАМ. И РЕЗУЛЬТАТЫ,

ПОЛУЧЕННЫЕ В ПРОЦЕССЕ СЧЕТА НА ЭВМ . Я?

2.1. Существующие способы расчета выпусков продольных галерей

2.2. Система уравнений неустановившегося движения воды в выпусках продольных галерей

2.3. Алгоритм расчета распределения расхода п© выпускам .?&

2.4. Реализация алгоритма на ЭВМ. <?/

2.5. Результаты расчета распределения расходов п© выпускам . 8*/

3. РАСЧЕТ ВОЛНШШ СОСТАВЛЯЩЕЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ

МЕТОДОМ ХАРЖТЕРИСТИК В ТЕЧЕНИЕ ВСЕГО ПРОЦЕССА НАПОЛНЕНИЯ КАМЕРЫ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ И ЭКВШШРЦИСННЫХ

СИСТЕМ ПИТАНИЯ . М

3.1. Исходные уравнения неустановившегося движения воды в камере шлюза.

3.2. Построение сетки характеристик. до

3.3. Вывод фор!цул для характерных групп течек.

3.4» Алгоритм расчета. ^

3.5. Результаты решения уравнений неустановившегося движения воды в камере шлюза, полученные в цроцессе счета на ЭВМ

4. УТОЧНЕНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДР ОДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ С

УЧЕТОМ МЕСТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ, ВЫЗВАННОЙ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

БУГРОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ .^

4.1. Общие положения . . /

4.2. Обоснование выбора метода оцределения высоты водяного бугра.

4.3. Расчет гидродинамической силы, вызванной воздействием водяных бугров. . . . о

4.4. ¡¡©строение и порядок расчета суммарной гидродинамической силы

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НЕКОТОРЫХ СХЕМ

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ И ШВИШЕРЦИСШЫХ СИСТЕМ ПИТАНИЯ . . . , Мв

5.1. Описание лабораторной установки

5.2. Методика проведения исследований и применяемая аппаратура ./5*

5.3. Данные измерения скоростей истечения воды из выпускных отверстий.

5.4. Результаты замеров гидродинамических сил, действующих на суда в различных условиях шлюзования

5.5. Экспериментальное исследование влияния местных гидромеханических явлений на шлюзующиеся суда, . Ш

6. СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ С РЕЗУЛЬТАТАМ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

6.1. Сопоставление величин расходов воды, вытекающих из выпускных отверстий» подученных расчетом и в процессе экспериментальных исследований . . №

6.2. Сопоставление результатов теоретического определения гидродинамических сил с экспериментальными замерами

7. ОПТИМИЗАЦИЯ ОСНФНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАШРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

ПИТАНИЯ.2Н

Основные результаты выполненной диссертационной работы сводятся к следующему.

I. В ходе выполнения работы рассмотрены все основные типы существующих распределительных систем питания, проанализированы их эксплуатационные качества в соответствии с их конструктивными параметрами и волновыми явлениями в камерах.

2. На основании анализа экспериментальных и натурных исследований распределительных систем питания выявлено в большинстве случаев наступление максимальных гидродинамических сил в период поступления максимальных расходов, а не в начальный момент времени наполнения, как было принято ранее, что объясняется в работе проявляющимися факторами местных гидромеханических воздействий на шлюзующиеся суда.

3. Анализ существующих методов расчета для распределительных систем питания показал их несоответствие данным экспериментальных и натурных исследований по определению максимальных гидродинамических сил; обоснована целесообразность уточнения методики расчетов неустановившегося движения вода в камере шлюзов с распределительными системами питания на весь процесс наполнения с учетом местных гидромеханических воздействий.

4. В работе выполнены: расчет неустановившегося движения воды в выпусках по методу А.В.Михайлова и получены с использованием ЭВМ: распределение расходов по выпускным отверстиям для всего цроцесса наполнения камеры шлюза; расчет неустановившегося движения воды в камере шлюза методом характеристик; изменение волновой составляющей гидродинамической силы для всего цроцесса наполнения камеры.

5. Предложена методика уточнения расчетов гидродинамической силы введением местной составляющей, воздействующей на шлюзуемое судно при определенных условиях стоянки судна относительно выпускных отверстий, вскрыт механизм проявления последней и представлен метод расчета.

Получена суммарная гидродинамическая сила, действующая на судно , обусловленная волновыми и местными гидроиеханическими явлениями 1 камере.

6. Выполненное сопоставление результатов расчета и экспериментальных данных, позволило дать удовлетворительную оценку рекомендуемой методике определения гидродинамической силы, причем учет местной составляющей позволил сблизить результаты расчета с экспериментальными данными.

7. Результаты расчетных и экспериментальных исследований четко показали, что изменение чисто волновой составляющей имеет вид затухающих колебаний с четко выраженным максимумом в начальный момент наполнения камеры.

В то же время максимум местной составляющей наблюдается в момент поступления максимального расхода. Общая суммарная гидродинамическая сила в большинстве вариантов тоже имеет максимум силы при максимальном расходе.

8. На ©сновании выполненных исследований предложена методика установления оптимального соотношения основных параметров выпускных отверстий, сформулирована рекомендуемая последовательность рационального проектирования распределительных систем питания.

Эта методика позволит осуществить целесообразный выбор системы раздачи воды в камере шлюза, исходя из использования возможно более простых водопроводных устройств, требующих наименьших капитальных вложений при строительстве судоходных сооружений и в то же время обеспечивающих уровень действующей на судно гидродинамической силы в пределах установленной нормы. Так, если для устранения первого пика волновой составляющей, который считался лимитирующим, предлагались усложненные системы питания, то в диссертационной работе предлагается подбором размеров отверстий выпусков получить оптимизированные параметры, дающие уменьшение усилий в середине процесса наполнения до нормативных значений.

9. В работе предложены рекомендации эксплуатационникам, позволяющие ускорить процесс наполнения с обязательным соблюдением благоприятных условий стоянки судов в камере, которые заключаются в предложении рассмотреть для каждой конкретной системы питания схемы расстановки и учалки судов относительно выпускных отверстий в камере таким образом, чтобы избежать нежелательных воздействий местных гидромеханических факторов на суда. Благодаря правильной постановке судна относительно водяных бугров можно уменьшить число кризисных ситуаций, возникающих в случае обрывов швартовых на судах, уменьшив тем самым средства вложенные в эксплуатацию, затраченные на ремонт.

Необходимо иметь в виду, что даже при идеальном равномерном распределении расходов по выпускам, нельзя избежать возникновения существенных гидродинамических сил, вызванных местными гидромеханическими факторами. Как показали исследования, установка гасительных экранов над выпускными отверстиями позволяет несколько уменьшить размеры водяных бугров, но полностью не ликвидирует, так как происходит их смещение уже относительно экранов.

10. Разработанная методика рационального выбора системы питания может быть применена и проектировщиками цри проектировании судоходных шлюзов, при этом повышается достоверность полученных результатов и тем самым обеспечивается большая надежность эксплуатации шлюзов, кроме того применение более простых систем питания с подобранными оптимальными режимами наполнения при учете схем расстановки судов дает существенный технико-экономический эффект в сокращении размеров, капитальных вложений.

Выполненная работа нуждается в дальнейшем ее развитии в следующих направлениях :

1. Совершенствование измерительной аппаратуры и методики вы-^по.лнения лабораторных и натурных исследований судоходных шлюзов с целью получения надежных и достоверных результатов,

2. Выявление, теоретическое и экспериментальное изучение дополнительных факторов, влияющих на гидромеханические процессы, со

4х провожающие шлюзование судов, с целью уточнения теоретических методов определения гидродинамических сил.

3. Дальнейшее улучшение конструктивных элементов различных систем питания шлюзов, способствующее наиболее .„эффективному снижению активного воздействия потоков воды на шлюзуемые суда.

4. Дальнейшее развитие работ по оптимизации распределительных систем питания, распространение методики на разнообразные типы систем питания.

5. Дальнейшее изучение и разработка вопросов, связанных с улучшением эксплуатационных качеств существующих систем питания, выявление новых возможностей сокращения времени наполнения камер, улучшения условий стоянки судов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. -М.: Госиздат физико-математической литературы, 1960, -715 с.

2. Агранов А.С., Вовкушевский В.И, Проектирование судоходных сооружений. В кн.: Труды Лвнгидропроекта. Сб.8 , -Л.: 1968, 204 221 с.

3. Архангельский В.А. Расчеты неустановившегося движения в открытых водотоках. -М.: Изд.АН СССР, 1947, -134 с.

4. Валанин В.В., Карасин М.А. Натурные исследования гидравлического режима в камере Усть-Каменогорского шлюза и условий стоянки в ней судов. Труды. ЛИВТа. Вып.52. 1963 . -117 с.

5. Баланин В.В. Приближенный способ построения кинематической, картины потока в нижнем бьефе совмещенных ГЭС. В кн.: Известия ВУЗОВ МВ и ССО СССР. "Строительство и архитектура" № II. 1964 .15-18 с.

6. Бурков А.Ф. К расчету выпусков в шлюзной камере, В кн.: Известия ВНИЙГ им.Б.Е.Веденеева. Том ХХХУШ. -М. :Госэнергои@дат. 1948. 45 47 с.

7. Васильев О.Ф.О приближенном анализе колебаний поверхности воды и условий отстоя судов в шлюзах. В кн.:. Известия АН СССР ОТН Энергетика и Автоматика. № I. -М.: Изд.АН СССР. 1959.78 90 с.

8. Васильев О Л,. Вопросы гидродинамики судоходных сооружений. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. -Новосибирск : АН СССР. 1960. 13 с.

9. Васильев О.Ф. Приближенные уравнения связных колебаний воды и судна в камерах транспортных судоподъемник©» и шлюзов.В кн.: Доклады АН СССР. т.138 № б. -М.:ИЗД.АН СССР.1961. 1309 1313 с.

10. Городенский Н.В. Приближенный расчет гидродинамического усилия, действующего на судно в процессе наполнения шлюзной камеры через головные системы питания. В кн.: Труды ЛИИБТа. Вып.ХХУ. -Л.: Транспорт. 1958. 86 93 с.

11. Городенский Н.В. Установление рациональных значений основных параметров процесса наполнения шлюзной камеры. 3 кн.: Труды ДИВТа, вып.ХШ. -Л.: Транспорт. 1961. II 16 с.

12. Городенский Н.Б., Комарова Н.Р. Обоснование выбора систем питания высоконашрных шлюзов. В кн.: Материалы ХХУ научно-технической конференции, ч.1. -Л.: ЛИВТ. 1971. 139 146 с.

13. Городенский Н.Б., Коленко Б.В., Комарова Н.Р. Экспериментально-теоретические исследования систем питания: высоконашрных шлюзов. В кн.: Материалы XXX научно-технической конференции.-Л.:. ЛИВТ. 1976. 44 45 с. . . .

14. Егиазаров И.В, Неустановившееся движение в длинных бьефах. В кн.: Известия:ВНИИГа, т,21, -М.: Госэнергоиздат. 1937.- 57 132 с.

15. Егиазаров И.В. Исследование волновых явлений в сооружениях, В кн.: Известия АН СССР. -М.: Издательство АН СССР. 1253. 37 45 с.

16. Железняков Г.В. Исследование работы гидрометрических цриборов. -М.: Изд.АН СССР. 1952. 164 с.

17. Исследования на модели основной системы питания однокамерного шлюза с напором до 70 м. Тема 0,01.287-г. ОнипченкоТ.(6. НИС Гидропроекта. Москва, 1974, 57с,.

18. Исследования высоконапорного шлюза с применением сберегательных бассейнов и дополнительной системой питания. О,01.287-6.г. Онипченко Г.ф., НИС Гидеопроекта. Москва. 1975 г.

19. Исследование гидравлического режима и условий стоянки судов в камере Усть-Каменогорского шлюза. Научно-технический отчет по теме №. 428. -Л.: ЛИВТ. Валанин В.В. 1960. 32 с.

20. Исследования на модели основной системы питания однокамерного шлюза. Отчет НИСа Гидропроекта. Халтурин Л. Москва. 1974.75 с, . . .

21. Исследовать распределительные системы питания в условиях . ускоренного процесса наполнения камер высоконапорных шлюзов.у ту п 7Научно-технический отчет по теме ' (заключительный).72,8Городенский Н.Б. ЛИВТ. 1974. 98 с.

22. Исследование эквйинерционных систем распределения воды вкамере шгоза. Научно-технический отчет о задании Х1У-5-673.714пром.). Городенский Н.Б. ЛИВТ. 1974. 56 с.

23. Исследование волновых колебаний в канале № 185 ЕБК и улучшение работы двустворчатых ворот. Отчет по теме Л 74-858. Раев В.А. Л. ЛИВТ. 1975 . 131 с.

24. Исследование эквиинерционных систем распределения воды в камере шлюза. Научно-технический отчет о задании (заключ.). Городенский Н.Б. ЛИВТ. 1975. 63 с.

25. Калинович Б.Ю. Шлюзование водных путей. М. :Речиздат. 1948. 516 с.

26. Качановский Б.Д. К вопросу о расчете продольных водопроводов шдазных камер с выпусками по их длине. В кн.: Сборник Гидростройцроекта "Гидротехнический выпуск" Jfc I. 1936. 89- 113 с.

27. Качановский БД. Гидравлика судоходных шлюзов. -М. : Речиз-дат. 1951. 270 с.

28. Комарова Н.Р. Расчетное определение местных гидромеханических явлений для шоозов с распределительными системами питания, В кн.: Сборник научных трудов: Путевые работы и гидротехнические сооружения на реках. -Д. :ЛИВТ. 1981. НО 117 с.

29. Коновалов И.М. Свободные турбулннтные струи жидкости.В кн.: Труды ЛИИВТа, вып.Х1У. М.Л.: Изд.МРФ СССР. 1947. 251 263 с.

30. Коновалов И.М. Турбулентные струи. В кн.: Труды Академии Речного транспорта, вып.1. М.Л.: йзд.МРФ СССР. 1952. 125 140 с.

31. Кононов ВВ., Раев В.А. Методика подбора режима наполнения и опорожнения камеры шлюза по заданной величине гидродинамической силы с использованием ЭЦВМ. В кн.: Тезисы докладов к I конференции молодых научных работников ЛИВТа. -Л.: ЛИВТ. 1967. 32 35 с.

32. Кононов В.В. Теоретические и экспериментальные исследования условий стоянки судов в шлюзах с головной системой питания и выбор оптимальных режимов наполнения. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -тД.: ЛИВТ. 1975. 254 с.

33. Кононов В.В. Расчет оптимальных режимов наполнения и опорожнения шлюзов путем решения уравнений неустановившегося движения. В кн.: Труды ЛИВТа, вып.158. -Л.:Транспорт. 1977. 86- 93 с.

34. Кякк В.А. Сравнительные показатели различных типов распределительных систем питания судоходных шлюзов по условиямотстоя шлюзующихся судов. Диссертация на соискание ученойстепени к.т.н. 133 с.f

35. Кякк B.Ä. Распределительные системы питания судоходных шлюзов. -Я.: Госэнергоиэдат, 1963. 51 с.

36. Лабораторные гидравлические исследования судоходного шлюза Каховского гидроузла. ТеЙтельман В.Ф., -Я.: ДИВТ. 1954 . 351 с.

37. Маккавеев В.М. Гидромеханические цроцессы, соцроюждающие шлюзование судов и методология лабораторных исследований. В кн.; Труды гидротехнической лаборатории Ленинградского института инженеров путей сообщения. -Л.: ЛИМВТ. 1930. вып.Х. 79-117 с.

38. Маккавеев В.М., Коновалов И.М, Гидравлика. Л.М.: Речиздат. 1940., 643 с.

39. Мелещенко Н.Г,Якубов М.С. Методика расчетов.неустановившегося движения в открытых руслах по методу акад.С.А.Христиановича.В кн.: Известия ВНййГа, т. 38. 1948. 71 94 с.

40. Методика и результаты гидравлических.исследований наполнения и опорожнения камер Днепровского шлюза и.отстоя судов в нем. Темы № 71/22 и II0/623-6, .ЦНИНВТ, Михайлов, A.B.Ленинград, 1935 г

41. Михайлов ".А. В. Головные системы питания судоходных шлюзов и их расчет. -М.: Изд.МНФ СССР, 1.951,. .171 с.

42. Михайлов-A.B.О скорости движения положительных волн в камерахшлюзов при наличии в. них .судов. В кн. : Труды ЦНИИ Речного Флота.Московское отделение. Сборник "Речная гидравлика и гидротехни-. ка", -М.: Изд.ИР& СССР. 1951,, 25 30 с.

43. Михайлов А.В, Теория и методика гидравлического, расчета шлюзов4 учетом неустановившегося движения воды в камерах и, подходах. Автореферат, диссертации на.соискание ученой степени д.т.н. МЙСК им.Б.В.Куйбышева. ~М. 1957. 24 с,, .

44. Михайлов A.B. Определение гидродинамических усилий испытываемых судами в камерах шлюзов, путем решения уравнений неустановившегося движения воды. В кн.: Труды Гидропроекта. № 2. -М. 1969.- Зо с.

45. Михайлов А.В. О неустановившемся движении вода в камерах шлюзов и его влияние на условия отстоя судов. В кн.: Гидравлика сооружений и динамика речных русел. -М.: Изд.АН СССР. 1959. I 25.с.

46. Михайлов А.В. О гидравлическом расчете распределительных систем питания шлюзов большого напора. В кн.: Труды Гидроцроекта, сб.В, -М. 1963. 9-60 с.

47. Михайлов А.В. Судоходные шлюзы. -М.: Изд.Транспорт. 1966. 528с.

48. Натурные гидравлические исследования шлюзов №№.21 и 23 Во ж- . ской ГЭС им.В.й.Ленина, и волновые явления в межшлюзовом бьефе. Тема №. 129. НЙС Гидропроекта. Тушино. 1956 г. 45 с.

49. Натурные исследования гидравлического режима и условий стоянки судов в камере и подходных каналах Запорожского шлюза. Научно-технический отчет по теме № 487. Баланин В.В. -Л.: ЛИВТ, 1960. 94 с . .

50. Натурные обследования гидравлического режима и условий стоянки судов в камере Павловского,шлюза. Научно-технический.отчет по теме № 44 438. Баланин В.В. -Л.:. ЛИВТ. 1962., 147 с,.

51. Обработка и. анализ результатов, натурных наблюдений, аа условиями отстоя судов в камере Верхне-Свирского шлюза. Научно-технический.отчет по теме №. 432. Баланин В.В. -Л.: ЛИВТ. 1959., 64 с.

52. Обследование гидравлического режима и. условий, стоянки судов вкамерах и подходных каналаж Каховского и Кременчугского щлю-зов* Приложение к научно-техническому отчету по теме № 487, т.З.,.Баланин В.В. -Л.:. .ЛИВТ,. 1960. 62 с, .

53. Определение условий стоянки судов в камерах высоконапорных шлюзов с распределительными системами питания. Научно-техническийотчет по теме . Городенский Н.Б. -Л.: ЛйЗТ. 1970. 76 о.1149 v

54. Раев В.А., Кононов В.В., Черноморская Л.В. Расчет гидродинамических сил, действующих на суда, в шлюзах с головной системой питания, В кн.: Труды ЛИВТа: Водные пути и гидротехнические сооружения, вып.151, -Л.: Транспорт. 1975,-23 25 с.

55. Семанов H.A. Колебания уровня воды в подходных.каналах. и опорожнений камер шлюзов, В кн.: Труды ЛИВТа, вып.15, -Л.: ЛМВТ.1949. 33 56 с.

56. Семанов Е.А., .Баланин. В.В., Варламов.H.H. Судоходные каналы, . шлюзы и судоподъемники, -М.,:.Транспорт. 1970. 352 с.

57. ШШ. П-55-79. Подпорные, стены, судоходные шлюзы, рыбопропуек-. ные и рыбозащитные. сооружения. -М.: Стройиздат. 1979., 40 с.

58. Совершенствование методики и измерительной аппаратуры для лабораторных и натурных исследований, гидротехнических, .сооружеТД А ОТний., Научно-технический, отчет по теме . Шлявко Е.А.56Коленко Б.В. -Л.: ЛИВТ. 1972. 131 с.

59. Технический отчет о натурных гидравлических исследованиях шлюзов №№ 23 24 Куйбышевского гидроузла на р.Волга и волновых явлений в подходных каналах, примыкающих к ним. Тема № 143. НИС Гидропроекта. Тушино. 1957. 94 с.

60. Указания по проектированию судоходных шлюзов. СН 303-65. -М,:. Стройиздат. 1966. 135 с.