СУДОХОДНЫЙ ШЛЮЗ

Полезная модель относится к области гидротехнического строительства, в частности, к судоходным шлюзам, и может быть использовано при строительстве судоходных шлюзов в составе речных низконапорных гидроузлов.
Известен судоходный шлюз (Авторское свидетельство СССР 1723256, МПК E02C 1/00, 1992, бюл. №12) [1], который включает камеру со стенками и днищем, ворота, и дополнительный щит (горизонтальную плиту), установленный в камере. Ворота размещаются в нижней и верхней голове шлюза и удерживают воду в камере.
Известен также судоходный шлюз (Авторское свидетельство СССР 1004521, МПК E02C 1/06, 1983, бюл. №10) [2]. Судоходный шлюз включает камеру со стенками и днищем, ворота, дополнительный щит, установленный в камере, устройство для перемещения дополнительного щита, и изменяемый в объеме резервуар. Суда при шлюзовании располагаются в камере, где швартуются обычным порядком, т.е. при помощи рымов к стенке камеры.
Причины, препятствующие получению технического результата, который обеспечивается полезной моделью - высокая материалоемкость и стоимость известных устройств, а также низкая пропускная способность и низкая эффективность работы известных шлюзов.
Известен также судоходный шлюз (авторское свидетельство СССР 1237742, МПК E02C 1/06, 1986, бюл №22) [3] - принят за прототип. Известный шлюз включает камеру со стенками и днищем, верхнюю и нижнюю головы, ворота, дополнительный щит, установленный в камере, ванну для шлюзуемых судов, устройство для перемещения дополнительного щита, уплотнение, рымы, к которым швартуется судно при шлюзовании, и изменяемый в объеме резервуар. Ворота размещены соответственно в верхней и нижней головах. Обычно стенки камеры сооружаются из высокопрочного бетона, а ворота изготавливаются их дорогостоящего металла. Причем ворота должны перекрывать доступ воды в камеру по всей ширине головы. Судно при шлюзовании в этом устройстве располагается в ванне и швартуется при помощи рымов к дополнительному щиту. Именно в ванне уровень воды при шлюзовании изменяется от уровня нижнего бьефа до уровня верхнего бьефа и обратно в зависимости от направления движения судна. Устройство для перемещения дополнительного щита обеспечивает изменение наклона дополнительного щита, изменение размеров изменяемого в объеме резервуара и, за счет этого, изменение размеров ванны. Размеры ванны изменяются следующим образом: ширина ванны уменьшается (или увеличивается), что вызывает повышение (или понижение) уровня воды в ванне. Использование такой камеры шлюза и ванны с изменяющимися размерами позволит повысить пропускную способность судоходного шлюза, а также обеспечить работу судоходного шлюза с использованием воды, находящейся только в ванне камеры на минимальном судоходном уровне, а, следовательно, практически исключить сброс воды из верхнего бьефа в нижний через шлюз, и, тем самым, повысить эффективность работы шлюза.
Причины, препятствующие получению технического результата, который обеспечивается полезной моделью - высокая материалоемкость известного судоходного шлюза (прототипа) и его стоимость, а также низкая надежность работы судоходного шлюза и низкая технологичность выполнения ремонта его элементов, в частности, устройства для перемещения дополнительного щита.
Высокая материалоемкость и стоимость обусловлена тем, что устройство для перемещения дополнительного щита и изменяемый в объеме резервуар размещаются по всей длине дополнительного щита. На их изготовление потребуется большое количество материала. При этом сам изменяемый в объеме резервуар должен выдерживать большое давление воды, а его стенки изготавливаться из дорогого материала, обладающего высокими прочностными характеристиками. Все это потребует значительных финансовых затрат. Кроме того, ворота, размещенные в верхней и нижней головах и обеспечивающие предотвращение перетока воды из верхнего бьефа в нижний, должны иметь значительную ширину - на всю ширину камеры шлюза, а не только на ширину ванны камеры. Изготовление большепролетных створок ворот также потребует большого количества дорогостоящего материала (металла), обладающего высокими прочностными характеристиками и стоимостью. Все это обусловит высокую стоимость шлюза.
Низкая надежность работы судоходного шлюза обусловлена изменением угла наклона дополнительного щита, к которому швартуется судно, в процессе шлюзования и наличием углубления в дополнительном щите. Дело в том, что обычно судно швартуется к вертикальной стенке при помощи рымов, которые обладают свойствами поплавка и в процессе шлюзования и изменения уровня воды в ванне вместе с уровнем воды перемещаются вертикально в пазах вертикальной стенки, удерживая судно в пришвартованном положении и оберегая его от навала на ворота. В предложенном техническом решении стенка, роль которой выполняет дополнительный щит, имеет ломаную форму из-за углубления и в процессе шлюзования изменяет наклон. В этих условиях, при перемещении рымов в пазах, резко возрастает опасность заклинивания (фиксирование) рыма в пазу на одной высотной отметке из-за увеличения силы трения между опорным элементом рыма и стенкой паза. Это может привести к разрыву швартовых приспособлений (каната), неконтролируемому перемещению судна в ванне, навалу судна на ворота, т.е. к аварийной ситуации. Кроме того, при шлюзовании судна дополнительный щит вместе с судном перемещается в плоскости, перпендикулярной оси камеры, что весьма нежелательно, поскольку будет иметь место постоянное соударение боковой части судна с дополнительным щитом. Особенно большое динамическое воздействие судна на дополнительный щит может происходить в момент начала наклона и завершения опускания дополнительной стенки к нижнему положению. Эти динамические воздействия могут привести к поломке дополнительного щита и устройства для его перемещения. Низкая надежность работы известного судоходного шлюза обусловлена также выполнением изменяемого в объеме резервуара из эластичного материала. В случае потери герметичности такого резервуара или отказа оборудования, нагнетающего воздух или воду в его полость, под действием давления воды в ванне неизбежно произойдет неконтролируемое падение дополнительного щита вместе с судном, т.е. серьезная авария.
Низкая технологичность выполнения ремонта устройства для перемещения дополнительного щита и изменяемого в объеме резервуара обусловлена тем, что дополнительный щит невозможно зафиксировать в вертикальном положении. В период ремонта он может располагаться устойчиво только в опущенном нижнем положении. При этом элементы из эластичного материала изменяемого в объеме резервуара окажутся зажатыми у днища под дополнительным щитом. Использовать подъемно-транспортное оборудование для ремонта устройства для перемещения дополнительного щита будет невозможно. Ручной труд в стесненных условиях будет явно малопроизводительным и нетехнологичным.
Сущность полезной модели состоит в снижении материалоемкости и стоимости судоходного шлюза за счет уменьшения требуемого количества дорогостоящего эластичного материала и уменьшения ширины верхней и нижней голов шлюза, а, следовательно, уменьшения объема необходимого бетона на их возведение и уменьшения ширины (пролета) ворот верхней и нижней голов шлюза, а также в повышении надежности работы шлюза за счет обеспечения швартовки судна не к наклонному, а к вертикальному щиту, что исключает опасность заклинивания рыма в пазу, и в повышении технологичности выполнения ремонта за счет обеспечения хорошей доступности для выполнения ремонта дополнительного щита.
Технический результат полезной модели - снижение материалоемкости и стоимости судоходного шлюза, повышение надежности его работы и повышение технологичности выполнения ремонта устройства для перемещения дополнительного щита и изменяемого в объеме резервуара.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что известный судоходный шлюз, включающий камеру со стенками и днищем, верхнюю и нижнюю головы с воротами, дополнительный щит с устройством для перемещения, ванну, уплотнение, рымы и изменяемый в объеме резервуар, дополнительно снабжен верховой и низовой торцовыми стенками, нишами, опорными рельсами, приямком, насосом, впускным и выпускным донными трубопроводами, при этом стенки камеры выполнены параллельно продольной оси шлюза и имеют внутренние вертикальные плоскости со стороны камеры, причем в одной из них размещены пазы для рымов с возможностью вертикального перемещения по ним, а другая выполнена со смещением в сторону от продольной оси шлюза, кроме того, низовая торцовая стенка размещена перпендикулярно продольной оси камеры и выполнена в примыкании с одной стороны - к нижней голове, а с другой стороны - к смещенной стенке камеры, с высотными отметками верхней кромки и основания, соответствующими отметкам верхней кромки и основания нижней головы, а верховая торцовая стенка размещена перпендикулярно продольной оси камеры и выполнена в примыкании с одной стороны - к верхней голове, а с другой стороны - к смещенной стенке камеры, с высотной отметкой верхней кромки - соответствующей отметке верхней кромки верхней головы и высотной отметкой основания - соответствующей отметке основания нижней головы, при этом дополнительный щит размещен вертикально внутри камеры параллельно ее продольной оси и выполнен в виде вертикального затвора с уплотнением из эластичного материала в виде полосы, размещенной по контуру его нижней и боковых граней, и состоит их вертикальных опорных стоек, горизонтальных ригелей, ребер и обшивки, кроме того, дополнительный щит снабжен катками, размещенными в нижней части вертикальных опорных стоек, опирающимися на опорные рельсы с возможностью горизонтального перемещения по ним относительно продольной оси камеры в сторону смещенной стенки с сохранением своего вертикального положения изменяя при этом ширину ванны и изменяемого в объеме резервуара, при этом устройство для перемещения дополнительного щита выполнено в виде гидросиловых устройств, цилиндры которых размещены в смещенной стенке камеры и в нишах, а подвижные штоки - размещены в изменяемом в объеме резервуаре и соединены с дополнительным щитом, причем ниши выполнены в виде укрепленных прорезей в грунте и размещены с внешней стороны камеры со стороны смещенной стенки камеры; опорные рельсы размещены на днище камеры перпендикулярно продольной оси камеры; приямок выполнен в виде углубления в днище камеры и размещен в изменяемом в объеме резервуаре в примыкании к угловой зоне, образуемой днищем и смещенной стенкой камеры; насос размещен в нише, а впускной и выпускной донные трубопроводы размещены в днище с возможностью откачки воды из изменяемого в объеме резервуара в ванну, при этом впускной донной трубопровод соединен с приямком и насосом, а выпускной донный трубопровод соединен с насосом и ванной.
Эффект от использования предлагаемой конструкции заключается в том, что значительно снижаются материалоемкость судоходного шлюза и его стоимость, а также повышаются надежность работы судоходного шлюза и технологичность выполнения ремонта устройства для перемещения дополнительного щита.
Снижение материалоемкости и стоимости судоходного шлюза обусловлено тем, что для изготовления устройства для перемещения дополнительного щита и изменяемого в объеме резервуара не потребуется использование большого количества дорогостоящего эластичного материала с высокими прочностными характеристиками. Кроме того, не потребуется устройство широких верхней и нижней голов шлюза, а, следовательно, сократится объем необходимого бетона на их возведение. Уменьшится ширина (пролет) ворот верхней и нижней голов шлюза, что повлечет снижение дорогостоящего материала (металла) на из изготовление. Все это обусловит уменьшение стоимости шлюза.
Повышение надежности работы предлагаемой конструкции судоходного шлюза обеспечивается тем, что судно швартуется не к наклонному дополнительному щиту, изменяющему угол наклона при шлюзовании, а к вертикальной стенке при помощи рымов, что исключает опасность заклинивания рыма в пазу, разрыв швартовых приспособлений (каната), неконтролируемое перемещение судна в ванне и навал судна на ворота. Исключается также динамическое воздействие корпуса судна на дополнительный щит и поломка дополнительного щита и устройства для его перемещения от ударов судна. В предлагаемом устройстве исключается также падение и навал судна в поперечном направлении на дополнительный щит в случае потери герметичности изменяемого в объеме резервуара, поскольку судно крепится к стационарной стенке при помощи рымов, а не к дополнительному щиту.
Повышение технологичности выполнения ремонта устройства для перемещения дополнительного щита и изменяемого в объеме резервуара обусловлено тем, что и устройство для перемещения дополнительного щита и изменяемый в объеме резервуар находятся в хорошей доступности для осмотра и выполнения ремонта, поскольку дополнительный щит всегда остается в вертикальном положении и может устойчиво удерживаться при ремонте одним из гидросиловых устройств.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез судоходного шлюза при открытых воротах со стороны нижнего бьефа, на фиг. 2 изображен поперечный разрез судоходного шлюза при наполненной ванне и открытых воротах со стороны верхнего бьефа, на фиг. 3 изображен план судоходного шлюза, на фиг. 4 изображен узел A фиг. 2.
На рисунках обозначены: 1 - камера, 2 - стенка, 3 - рым, 4 - судно, 5 - смещенная стенка, 6 - днище, 7 - верхняя голова, 8 - нижняя голова, 9 - ворота верхней головы, 10 - ворота нижней головы, 11 - дополнительный щит, 12 - ванна, 13 - устройство для перемещения, 14 - уплотнение, 15 - изменяемый в объеме резервуар, 16 - верховая торцовая стенка, 17 - низовая торцовая стенка, 18 - ниша, 19 - опорные рельсы, 20 - приямок, 21 - насос, 22 - впускной донный трубопровод, 23 - выпускной донный трубопровод, 24 - катки.
Судоходный шлюз включает камеру 1, стенку 2, смещенную стенку 5, днище 6, верхнюю голову 7 и нижнюю голову 8 с воротами верхней головы 9 и воротами нижней головы 10, дополнительный щит 11, ванну 12, устройство для перемещения 13 дополнительного щита 11, уплотнение 14, рымы 3 и изменяемый в объеме резервуар 15. Судоходный шлюз снабжен верховой торцовой стенкой 16, низовой торцовой стенкой 17, нишами 18, опорными рельсами 19, приямком 20, насосом 21, впускным донным трубопроводом 22, выпускным донным трубопроводом 23. Стенка 2 и смещенная стенка 5 камеры 1 выполнены параллельными продольной оси шлюза и имеющими внутренние вертикальные плоскости со стороны камеры 1, причем в стенке 2 размещены пазы для рымов 3, а смещенная стенка 5 выполнена со смещением в сторону от продольной оси шлюза. Низовая торцовая стенка 17 размещена перпендикулярно продольной оси камеры 1 и выполнена в примыкании с одной стороны - к нижней голове 8, а с другой стороны - к смещенной стенке 5 камеры 1, с высотными отметками верхней кромки и основания, соответствующими отметкам верхней кромки и основания нижней головы 8, а верховая торцовая стенка 16 размещена перпендикулярно продольной оси камеры 1 и выполнена в примыкании с одной стороны - к верхней голове 7, а с другой стороны - к смещенной стенке 5 камеры 1, с высотной отметкой верхней кромки - соответствующей отметке верхней кромки верхней головы 7 и высотной отметкой основания - соответствующей отметке основания нижней головы 8. Дополнительный щит 11 размещен вертикально внутри камеры 1 параллельно продольной оси камеры 1 и выполнен в виде вертикального затвора с катками 24 с возможностью горизонтального перемещения при помощи катков 24 по опорным рельсам 19 относительно продольной оси камеры 1 в сторону смещенной стенки 5 камеры 1 с сохранением своего вертикального положения, и возможностью изменения ширины ванны 12 и ширины изменяемого в объеме резервуара 15. Устройство для перемещения 13 дополнительного щита 11 выполнено в виде гидросиловых устройств, цилиндры которых размещены в смещенной стенке 5 камеры 1 и в нишах 18, а подвижные штоки размещены в изменяемом в объеме резервуаре 15 и соединены с дополнительным щитом 11. Ниши 18 выполнены в виде укрепленных прорезей в грунте и размещены с внешней стороны камеры 1 со стороны смещенной стенки 5 камеры 1, опорные рельсы 19 выполнены с возможностью опирания на них катков 24 дополнительного щита 11 и размещены на днище камеры 1 перпендикулярно продольной оси камеры 1, приямок 20 выполнен в виде углубления в днище 6 камеры 1 и размещен в изменяемом в объеме резервуаре 15 в примыкании к угловой зоне, образуемой днищем 6 и смещенной стенкой 5 камеры 1, насос 21 размещен в нише 18, а впускной донный трубопровод 22 и выпускной донный трубопровод 23 размещены в днище 6 с возможностью откачки воды из изменяемого в объеме резервуара 15 в ванну 12, при этом впускной донной трубопровод 22 соединен с приямком 20 и насосом 21, а выпускной донный трубопровод 23 соединен с насосом 21 и ванной 12. Уплотнение 14 выполнено в виде удлиненной полосы из эластичного материала и размещено по контуру нижней и боковых граней дополнительного щита 11.
Дополнительный щит 11 выполнен в виде затвора состоящим из вертикальных опорных стоек, горизонтальных ригелей, ребер (не показаны), обшивки и снабжен катками 24, размещенными в нижней части вертикальных опорных стоек дополнительного щита 11 с возможностью опирания на опорные рельсы 19.
Судоходный шлюз работает следующим образом. В исходном положении ворота верхней головы 9 закрыты, ворота нижней головы 10 открыты, дополнительный шит 11 занимает положение ближе к смещенной стенке 5, уровень воды в ванне соответствует УНБ, ванна 12 камеры 1 имеет наибольшую ширину, как показано на фиг. 1.
В этом положении начинается шлюзование, при котором судно 4 проходит из нижнего бьефа в верхний. Поскольку ворота нижней головы 10 открыты, то судно 4 заходит в ванну 12 камеры 1 и при помощи рымов 3 швартуется к стенке 2. Далее ворота нижней головы 10 закрываются и включается в работу устройство для перемещения 13. При этом штоки выдвигаются и перемещают дополнительный щит 11, который на катках 24 передвигается по опорным рельсам 19 в сторону стенки 2, сохраняя вертикальное положение. При этом ширина ванны 12 уменьшается, а уровень воды в ванне 12 поднимается. Судно 4 с рымами 3 также поднимается. При достижении уровня воды в ванне 12 отметки УВБ и ширины ванны соответствующей наименьшему значению, как показано на фиг. 2 выдвижение штоков прекращается. Ворота верхней головы 9 открываются, судно 4 отшвартовывается и выходит из ванны 12 в верхний бьеф. После этого ворота верхней головы 9 закрываются, дополнительный щит 11 посредством штоков устройства для перемещения 13 с помощью катков 24 по опорным рельсам 19 перемещается к смещенной стенке 5 и занимает исходное положение в ванне с уровнем воды соответствующим УНБ, ворота нижней головы 10 открываются. Профильтровавшаяся через уплотнение 14 под действием напора вода из изменяемого в объеме резервуара 15 перекачивается насосом 21 обратно в ванну 12, при этом вода попадает через приямок 20 и впускной донный трубопровод 22 в насос 21 и далее по выпускному донному трубопроводу 23 - в ванну 12.
Если судно 4 проходит из верхнего бьефа в нижний, то шлюз работает аналогичным образом. Ворота нижней головы 10 закрываются, штоки устройства для перемещения 13 выдвигаются и перемещают дополнительный щит 11, который на катках 24 передвигается по опорным рельсам 19 в сторону стенки 2, сохраняя вертикальное положение. Ширина ванны 12 уменьшается, а уровень воды в ванне 12 поднимается. При достижении уровня воды в ванне 12 отметки УВБ и ширины ванны 12 соответствующей ее минимальной ширине выдвижение штоков прекращается. Ворота верхней головы 9 открываются. Далее судно 4 заходит в ванну 12 и швартуется, ворота верхней головы 9 закрываются, дополнительный щит 11 посредством штоков устройства для перемещения 13 перемещается к смещенной стенке 5 и занимает исходное положение в ванне 12 с уровнем воды, соответствующем УНБ, ворота нижней головы 10 открываются, судно 4 выходит из ванны 12 в нижний бьеф.
Таким образом, предлагаемая конструкция судоходного шлюза обеспечит снижение материалоемкости и стоимости за счет изготовления устройства для перемещения дополнительного щита и изменяемого в объеме резервуара из более дешевого материала - металла и бетона, а также уменьшения ширины верхней и нижней голов шлюза и ширины дорогостоящих ворот верхней и нижней голов шлюза по сравнению с известными конструкциями.
Устройство обеспечит также повышение надежности работы судоходного шлюза за счет швартовки судна не к наклонному дополнительному щиту, изменяющему угол наклона при шлюзовании, а к вертикальной стенке при помощи рымов, что исключает опасность заклинивания рыма в пазу, разрыв швартовых приспособлений (каната), неконтролируемое перемещение судна в ванне и навал судна на ворота. Исключается также опасность навала судна в поперечном направлении на дополнительный щит в случае потери герметичности изменяемого в объеме резервуара.
Предлагаемое устройство обеспечит повышение технологичности выполнения ремонта устройства для перемещения дополнительного щита и изменяемого в объеме резервуара из-за хорошей доступности этих элементов для выполнения ремонта.
В результате применения предлагаемой конструкции судоходного шлюза достигается значительный экономический эффект. В частности, только за счет уменьшения ширины верхней и нижней голов и уменьшения ширины ворот снижение затрат может составить более 10 млн. руб.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР 1723256, МПК E02C 1/00 Судоходный шлюз / В.А. Кривошей. - 1992, бюл. №12.
2. Авторское свидетельство СССР 1004521, МПК E02C 1/06 Судоходный шлюз / Н.И. Зюзьгин. - 1983, бюл. №10.
3. Авторское свидетельство СССР 1237742, МПК E02C 1/06, Судоходный шлюз / В.Е. Богданов. - 1986, бюл. №22.