СИСТЕМА ПИТАНИЯ КАМЕРЫ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА
POWER SYSTEM OF THE SHIPPING LOCK CHAMBER

Предлагаемое изобретение относится к судоходным шлюзам, а именно, к системам наполнения и опорожнения камер шлюзов. Устройство решает проблему увеличения полезной длины камеры шлюза при одновременном улучшении условий ее наполнения водой во время шлюзования судов.
Головные системы питания шлюзов условно разделены на две основные группы: безгалерейные и с короткими обходными галереями. В системах с обходными галереями питание камер производится через водоводы, располагаемые в днищах или стенах голов шлюза. При этом гашение энергии потока в этих системах обеспечивается за счет соударения встречных потоков или посредством разделительного устоя, расположенного внутри камеры по оси шлюза.
Основным недостатком таких систем является сложная конструкция днища камеры судоходного шлюза, обусловленная необходимостью размещения в нем водопроводных галерей, а также значительные объемы грунтовых и бетонных работ, необходимых для возведения этих сооружений. Кроме того, система обеспечивает только частичное гашение энергии потока воды в камере.
Более близкими аналогами по достигаемому техническому результату к заявляемому устройству являются головные безгалерейные системы питания, обладающие более эффективным гашением энергии поступающего в камеру потока воды за счет размещения в камере специальных устройств гашения и распределения.
Известна головная система питания судоходного шлюза, (патент RU № 2044828, опубл. 27.09.1995 г.), которая состоит из основных подъемно-опускных ворот, воспринимающих действие статического напора воды и отделяющих верхний бьеф от судовой камеры, порога, гасительного экрана, балки гашения, горизонтальных балок распределительной решетки, удерживающихся бычками, ниши, расположенной между стенкой падения и гасительным экраном, и уплотнения. При этом, балка гашения выполнена в виде вертикальной стенки, установленной на бычках над балками распределительной решетки, и служит не только для гашения энергии потока, но и для исключения прямого выхода струи в судовую камеру.
Известны головная система опорожнения судоходного шлюза, (патент РФ № 176758, опубл. 29.01.2018) и головная система наполнения судоходного шлюза, (патент РФ № 176759, опубл. 29.01.2018 г.), в конструкциях которых отсутствуют водопропускные галереи для наполнения и опорожнения шлюза, но присутствуют гасительные экраны или камеры гашение энергии потока воды, которая поступает через подъемно-опускные ворота.
Недостатком приведенных конструкций является размещение устройств впуска воды и устройств гашения внутри камеры судоходного шлюза, что существенно сокращает рабочую длину шлюза и соответственно длину расчетного судна.
Среди известных аналогов наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и назначению (прототипом) является система питания камеры шлюза по патенту РФ № 2048645, опубл. 20.11.1995 г.  Система содержит: поворотные заслонки, каждая из которых шарнирно закреплена у верхней кромки соответствующего ей водопропускного отверстия со стороны камеры, приводные механизмы и отражатели, и шарнирно установленные на нижних кромках соответствующих водопропускных отверстий в воротах шлюза стержни, поддерживающие отражатели поворотных заслонок.
При наполнении камеры шлюза в верхних воротах гидроподъемником поднимается затвор и одновременно поворачивается заслонка.  При этом отражатель отходит от отверстия и струя воды, поступающая в отверстие, направляется заслонкой и отражателем вниз. За счет поступления струи вниз происходит гашение энергии потока.
Изобретение позволяет уменьшить величину гидродинамического давления на судно и уменьшить длину успокоительного участка за воротами. Однако размещение системы питания непосредственно в воротах шлюза сокращает полезную длину камеры и приводит к волнообразованию по всей длине камеры шлюза до момента полного заполнения водой, что негативно сказывается на условия шлюзования и стоянки судна в камере.
Предлагаемое изобретение решает проблему увеличения полезной длины камеры судоходного шлюза при одновременном улучшении условий наполнения ее водой, за счет вынесения за ее пределы устройств гашения энергии поступающего потока воды, подвода воды в днище средней секции камеры шлюза для ее последующего распределения в обе стороны по длине камеры.
Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в системе питания камеры судоходного шлюза, содержащей так же, как и прототип затворы, перекрывающие пуск воды в камеру из водоема, с механизмами их открытия и закрытия, и устройства гашения, в отличие от прототипа, пуск воды в камеру осуществляется через набор труб, установленных с двух сторон камеры шлюза, при этом устройства гашения и затворы расположены внутри труб, выходы которых размещены в днище средней секции камеры шлюза. При этом устройства гашения энергии могут быть выполнены в виде ступенчатого перепада сечения трубопроводов, или в виде лабиринтного канала, или в виде гофрированного профиля, или в виде жалюзийной решетки, или в виде сеточного рассекателя. В свою очередь затворы могут быть выполнены в виде плоских подъемных затворов, или в виде дроссельных заслонок, или в виде откатных или игольчатых затворов.
Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от прототипа вода в камеру шлюза подается в середину, а не у порога ворот верхней головы. При этом, за счет прохождения воды по длинному участку трубопроводов и размещения в них устройств гашения осуществляется эффективное гашение энергии потока воды. Таким образом в результате отсутствия в самой камере шлюза устройств гашения и успокоения воды увеличивается полезная длина камеры, что позволяет осуществлять шлюзование более длинных судов. При этом выход воды происходит равномерно в обе стороны камеры, что обеспечивает плавное наполнение камеры.
Сопоставление предлагаемого устройства с прототипом показало, что поставленная задача – увеличение полезной длины камеры судоходного шлюза и снижение волнообразования внутри нее – решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие заявленного изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области гидротехнических сооружений не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность системы питания камеры судоходного шлюза поясняется чертежом (фиг. 1).
Устройство содержит: набор труб 1, установленных в дамбе 2, отделяющей камеру 3 шлюза от водоема 4. Внутри труб 1 расположены затворы 5 и устройства гашения энергии потока воды 6. Через устройство подачи 7 в днище камеры шлюза вода заполняет камеру 3. Суда заходят в камеру шлюза и выходят из нее соответственно через ворота верхнего бьефа 8 и ворота нижнего бьефа 9.
Работа системы питания камеры судоходного шлюза происходит следующим образом.
В исходном состоянии трубы 1 перекрыты затворами 5, а ворота 8 и 9 закрывают проход судов в камеру шлюза, судно (на фиг.1 не показано) подходит к шлюзу, после чего открываются затворы 5 в трубах 1, обеспечивая подачу воды через устройства гашения воды 6 и распределительное устройство 7 в камеру шлюза, ворота 8 открываются, пропуская судно в камеру 3, судно швартуется, ворота 8 закрываются. Наполнение водой камеры шлюза происходит до выравнивания уровня воды в камере и верхнем бьефе, после чего, открываются ворота 9, закрываются затворы 5, судно выходит из шлюза.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает использование всей длины камеры судоходного шлюза от ворот до ворот и снижение волнообразования внутри камеры шлюза при заполнении его водой.
В дальнейшем, предполагается использовать предлагаемое устройство для наполнения камеры шлюза при реконструкции существующих судоходных шлюзов с целью увеличения их полезной длины и при строительстве новых шлюзов.
Так, проведенный анализ конструкций и габаритных размеров судоходных шлюзов Вытегорского района гидросооружений и судоходства показал следующее: полезная длина камер Вытегорского гидроузла (шлюз № 1), Белоусовского гидроузла (шлюз № 2) и Новинкинского гидроузла (шлюз № 3) составляет 268÷269 метров, длина камеры гашения и успокоительного участка в данных шлюзах составляет 20 метров, тогда полная длина камер составляет 288÷289 метров. В настоящее время, в камерах данных шлюзов можно разместить два судна типа Волго-Нефть (проект 1577) с длиной в 132,6 метров (два судна ≈ 266÷268 метров). При этом, новые суда проектов RSD44, RSD49, RST25, RST27 имеют длину от 137 до 141 метра, два судна – от 275 до 283 метров, и не помещаются в камеру судоходных шлюзов при наличии камеры гашения и успокоительного участка в данных шлюзах. При использовании предлагаемого изобретения - устройства питания камеры шлюза с водопроводной системой в виде труб и подводом воды в днище средней секции, полезная длина камеры шлюза увеличивается, и суда современных проектов RSD44, RSD49, RST25, RST27 могут размещаться по два для шлюзования.
Предлагаемое изобретение было разработано сотрудниками ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательских работ. Были выполнены необходимые расчеты и математическое моделирование работы устройства, которые дали положительные результаты, что позволило сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».