ГОЛОВНАЯ СИСТЕМА НАПОЛНЕНИЯ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА

Предлагаемая полезная модель относится к области гидротехнических сооружений, а именно к судоходным шлюзам, и касается устройства головных безгалерейных систем наполнения судоходных шлюзов. Устройство позволяет создать благоприятные условия стоянки судов в камере шлюза во время шлюзования.
Головные системы наполнения шлюзов условно разделены на две основные группы: безгалерейные и с короткими обходными галереями (см. Водные пути и гидротехнические сооружения: учебник для вузов / Г.Л. Гладков и др.; ФГБОУ ВПО СПб ГУВК, 2011, с. 366). В безгалерейных системах наполнение камер может производиться через отверстия в воротах (клинкеты), или из-под ворот различной конструкции (плоских подъемных или опускных, сегментных, секторных, поворотных и т.п.). В системах с короткими обходными галереями наполнение производится через водоводы, располагаемые в днищах или стенах голов шлюза.
Недостатком безгалерейных систем наполнения является отсутствие в них эффективных устройств гашения энергии потока, из-за чего указанные системы применяются, в основном, на шлюзах малого напора (до 5 м).
В системах с короткими обходными галереями гашение обеспечивается за счет соударения встречных потоков или посредством разделительного устоя, расположенного по оси шлюза. Недостатком систем является сложность конструкции, требующей увеличения размеров голов шлюза, длины и толщины стенок камеры.
Известен шлюз с головной системой наполнения по SU №1723256 А1, опубл. 30.03.1992, E02C 1/00, включающей подъемно-опускные ворота и камеру гашения, в которой гашение энергии потока достигается за счет двух горизонтальных балочных решеток, расположенных в пределах камеры гашения, при этом часть потока воды направляется по водопроводным галереям в камеру шлюза.
Недостатком данной системы является большой объем бетонных работ, связанных с выполнением водопроводной галереи в днище камеры шлюза.
Известна головная система питания судоходного шлюза с подъемно-опускными воротами по заявке на патент RU №92009449 А, опубл. 27.02.1995, E02C 1/06, в которой гашение энергии потока достигается за счет балок распределительной решетки, опирающихся на бычки, ниши, образованной стенкой падения и гасительным экраном, а также за счет соударения со струей потока, переливающегося через верховую грань подъемно опускных ворот.
Недостатком конструкции является невозможность эффективного гашения энергии потока воды, поступающего в камеру шлюза без перелива через верховую грань подъемно-опускных ворот. Кроме того часть полезного объема камеры используется в качестве успокоительного участка.
Среди известных аналогов наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и назначению является головная система наполнения, содержащая стенку падения, гасительный экран, горизонтальные балки, образующие в вертикальной плоскости распределительную решетку, и подьемно-опускные ворота верхней головы, размещенные в нише (см. Водные пути и гидротехнические сооружения: учебник для вузов / Г.Л. Гладков и др.; ФГБОУ ВПО СПб ГУВК, 2011, с. 366).
Устройство-прототип позволяет обеспечить гашение энергии поступающего в камеру шлюза потока воды в нижней части камеры, однако в ее верховой части необходимо предусматривать успокоительный участок, на котором происходит окончательное выравнивание эпюры скоростей потока.
Заявляемая полезная модель позволяет решить проблему обеспечения эффективного гашения энергии потока воды в верхней и нижней частях камеры шлюза при ее наполнении за счет более равномерного распределения скоростей потока воды по поперечному сечению камеры.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в головной системе наполнения судоходного шлюза, включающей, так же как и прототип, подъемно-опускные ворота, размещенные в нише камеры гашения верхней головы шлюза, гасительный экран, горизонтальные элементы, опирающиеся на бычки и образующие в вертикальной плоскости распределительную решетку, при этом бычки установлены в днище камеры шлюза по ее продольной оси, в отличие от прототипа горизонтальные элементы распределительной решетки выполнены в виде плит, при этом верхняя плита свободным концом закреплена на стенках ниши верхней головы шлюза.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что удлиненная в направлении оси шлюза распределительная решетка, перекрытая сверху горизонтальной плитой, создает условия более эффективного выравнивания скоростей потока воды, поступающего в камеру шлюза, и позволяет тем самым уменьшить величину успокоительного участка, необходимого для окончательного выравнивания скоростей потока. Кроме того, предлагаемое техническое решение при напорах до 8,0 м позволяет отказаться от гасительного экрана. Указанная конструкция обеспечивает детерминированное гидравлическое сопротивление в проточном тракте системы наполнения, которое формирует в выходном сечении спектр скоростей со значениями, близкими к средней скорости движения потока воды, поступающего в камеру, при этом величина гидродинамической силы, действующей на судно, находящееся в камере шлюза, уменьшается. Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет улучшить условия стоянки судов в камере при ее наполнении, за счет уменьшения величины гидродинамической силы, действующей на него, а также увеличить полезный объем камеры шлюза за счет уменьшения длины успокоительного участка.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что проблема обеспечения эффективного гашения энергии потока воды по всему объему камеры шлюза при ее наполнении решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1), на котором дано схематическое изображение предлагаемой головной системы наполнения шлюза с подъемно-опускными воротами.
Предлагаемая головная система питания судоходного шлюза состоит из подьемно-опускных ворот 1, расположенных в нише камеры гашения 2 верхней головы шлюза, горизонтальных плит 3, опирающихся на бычки 4 и образующих в вертикальной плоскости распределительную решетку. Верхняя горизонтальная плита 5 одним концом прикреплена к стенке ниши камеры гашения 2, а другим опирается на бычки 4. В результате плита 5 перекрывает часть камеры шлюза с распределительной решеткой, создавая гидравлическое сопротивление в проточном тракте системы наполнения. При величине напора воды более 8,0 м конструкция системы питания дополняется гасительным экраном 6, который служит для направления потока воды в камеру гашения. Плиты распределительной решетки располагаются с неравномерным шагом по высоте (0,3-1,2 м). Размеры плит (высота: 0,5-1,5 м; длина: 3-8 м; ширина - в соответствии с шириной камеры шлюза) и их взаимное расположение зависят от величины действующего напора, а также от расчетной скорости маневрирования подъемно-опускными воротами при наполнении камеры. Прямоугольный профиль поперечного сечения плит обеспечивает наибольшую величину гидравлического сопротивления распределительной решетки.
Наполнение камеры шлюза производится следующим образом: после подъема подъемно-опускных ворот 1 верхней головы шлюза в образовавшуюся под ними щель поступает вода под действием напора со стороны верхнего бьефа. Далее поток воды попадает в камеру гашения 2, в которой, отразившись от дна (или от гасительного экрана 6, в судоходных шлюзах с напорами более 8,0 м), проходит через систему плит 3 распределительной решетки. При проходе через отверстия, образованные распределительной решеткой, днищем камеры шлюза и верхней плитой 5, в потоке воды, под воздействием гидравлических сопротивлений происходит перераспределение его скоростей таким образом, что на выходе из распределительной решетки эпюра скоростей потока воды выравнивается, при этом скорости во всех точках оказываются близки к среднему значению скорости потока. Предлагаемая система также может быть использована в шлюзе с сегментным или клапанным затвором.
По сравнению с известными аналогами предложенное техническое решение позволяет обеспечить эффективное гашение энергии потока воды по всему объему камеры шлюза при ее наполнении за счет более равномерного распределения скоростей потока воды по поперечному сечению камеры. Это, в свою очередь, создает благоприятные условия стоянки судов во время шлюзования и увеличивает полезный объем камеры, за счет уменьшения длины успокоительного участка.
Описанное устройство разработано специалистами Испытательного центра гидротехнических сооружений и кафедры гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» при выполнении научно-исследовательской работы. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования устройства в составе низконапорных и средненапорных шлюзов.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «промышленная применимость».