ГОЛОВНАЯ СИСТЕМА ОПОРОЖНЕНИЯ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА

Предлагаемая полезная модель относится к области гидротехнических сооружений, а именно к судоходным шлюзам, и касается устройства головных безгалерейных систем опорожнения шлюзов. Устройство позволяет создать благоприятные условия шлюзования судов и защитить от разрушений дно нижнего подходного канала.
Головные системы опорожнения 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 опорожнение 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 опорожнение камер производится через водоводы, размещаемые в днищах или стенах голов шлюза.
Безгалерейные системы опорожнения камер через отверстия в воротах (клинкеты) применяются, в основном, на шлюзах малого напора и в гидравлическом отношении являются несовершенными из-за отсутствия в них эффективных гасительных устройств.
В гидротехническом строительстве для гашения энергии водного потока используются устройства, выполненные, как в изобретении по пат. RU №2048645, в виде гасительного экрана, или, как в изобретении по пат. RU №2409725 - в виде рассекающей сетки из сборных распорных армированных элементов.
К недостатком первого устройства относится значительная неравномерность скоростей потока воды, оказывающая негативное воздействие на условия стоянки судов в процессе шлюзования, а также судов, ожидающих шлюзования у пришлюзовых причалов в нижнем подходном канале. Значительная неравномерность скоростей потока воды на выходе из водопропускных отверстий также оказывает неблагоприятное воздействие на состояние крепления дна в нижнем подходном канале, что, в конечном счете, приводит к уменьшению сроков между капитальными ремонтами сооружений.
Недостатком второй конструкции является ее стационарное размещение в пределах поперечного сечения канала, создающее препятствия для судоходства и невозможность обеспечения габаритов судового хода без изменения полезных свойств такой конструкции.
Более широкое использование для опорожнения камер судоходных шлюзов с головными системами опорожнения получили системы с короткими обходными галереями. Нижняя голова шлюза таких систем предусматривает опорожнение камеры через обходные галереи посредством затворов, которые поднимаются на заданную высоту для пропуска воды из камеры в подходной канал. Гашение энергии потока на входе в подходной канал обеспечивается за счет соударения встречных потоков или посредством разделительного устоя, расположенного по оси шлюза.
Системы опорожнения камер с обходными галереями являются более сложными в конструктивном отношении, чем безгалерейные системы, и требуют увеличения размеров голов шлюза - их длины и толщины стен. Кроме того при больших расходах воды, в нижнем подходном канале могут наблюдаться значительные скорости, вызывающие размыв дна.
Среди известных аналогов наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и назначению является устройство, описанное в книге «Водные пути и гидротехнические сооружения: авт. Г.Л. Гладков и др.; ФГБОУ ВПО СПб ГУВК, 2011, с. 366. Устройство-прототип представляет собой головную систему опорожнения камеры судоходного шлюза, включающую ворота, расположенные в нижней голове шлюза, с клинкетами, выполненными в нижней части ворот и перекрываемыми затворами, и механизмы, регулирующие переток воды из камеры в подходной канал.
Недостатком системы является отсутствие в ней эффективных гасительных устройств, что негативно влияет на состояние дна в нижнем подходном канале. Кроме того, это сказывается на условиях стоянки судов, находящихся в нижнем подходном канале и испытывающих при опорожнении камеры гидродинамическое воздействие потоков воды.
Заявляемая полезная модель позволяет решить проблему обеспечения эффективного гашения энергии потока воды в нижнем подходном канале при опорожнении камеры шлюза за счет выравнивания скоростей потока воды на входе в канал. При этом система не препятствует прохождению судов после опорожнения камеры.
Для разрешения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: головная система опорожнения судоходного шлюза, (так же как и прототип, включающая ворота, расположенные в нижней голове шлюза, в нижней части которых выполнены водовыпускные отверстия, перекрываемые регулируемыми затворами) в отличие от прототипа, дополнительно снабжена горизонтальной балочной решеткой, размещенной в нише, выполненной в днище нижней головы с возможностью регулируемого подъема и установки напротив водовыпускных отверстий при открытии последних. Балочная решетка устанавливается в нише на вертикальных направляющих, обеспечивающих возможность ее перемещения в вертикальной плоскости и фиксации в горизонтальной плоскости. При этом механизм подъема выполнен в виде регулируемых гидроцилиндров, размещенных на стенках нижней головы судоходного шлюза по обеим сторонам от балочной решетки. Для синхронизации движения гидравлических цилиндров, а также своевременной установки балочной решетки в рабочее положение перед открытием водовыпускных отверстий в воротах шлюза, управляющие входы гидроцилиндров подключены к автоматической системе управления процессом шлюзования.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в системе опорожнения подъемно-опускная балочная решетка, устанавливаемая напротив водовыпускных отверстий в воротах нижней головы судоходного шлюза, создает условия эффективного выравнивания скоростей потока воды за счет того, что на пути потока появляются локальные гидравлические сопротивления. Величина сопротивлений зависит от длины, ширины и взаимного расположения балок в решетке, и подбирается так, чтобы в выходном сечении устройства спектр скоростей потока имел значения, близкие к средней скорости движения потока воды. Тем самым, обеспечивается возможность эффективного гашения энергии потока воды на входе в подходной канал, что в конечном итоге позволят обеспечить защиту дна канала от разрушений и, кроме того, улучшить условия стоянки судов на подходе в камеру шлюза при ее опорожнении.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача обеспечения эффективного гашения энергии потока воды в нижнем подходном канале при опорожнении камеры шлюза решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где
на фиг. 1 - дано схематическое изображение нижней головы шлюза с двухстворчатыми воротами;
на фиг. 2 - изображение нижней головы шлюза с откатными воротами.
Предлагаемая система опорожнения расположена в нижней голове шлюза и состоит из ворот 1 с водопропускными отверстиями 2, закрываемыми затворами, и горизонтальной балочной решетки 3. Решетка размещена в нише 4 с возможностью подъема и установки напротив отверстий 2 при их открытии. Горизонтальные балки решетки расположены с неравномерным по высоте шагом так, чтобы обеспечить выравнивание скоростей потока воды на выходе из водопропускных отверстий нижней головы. Для обеспечения возможности перемещения балочной решетки 3 в вертикальном направлении в стене нижней головы шлюза установлены два гидроцилиндра 5, управляемые от автоматической системы управления процессом шлюзования (на чертеже не показана), в свою очередь, в нише 4 выполнены вертикальные направляющие 6.
Предлагаемая система работает следующим образом.
Перед открытием отверстий 2 в воротах 1 на управляющие входы гидроцилиндров 5 поступает сигнал от автоматической системы управления процессом шлюзования. Гидроцилиндры поднимают балочную решетку 3 из ниши 4, которая, перемещаясь по вертикальным направляющим 6, устанавливается напротив водовыпускных отверстий. Через отверстия 2 в воротах 1 вода из камеры шлюза поступает в нижний подходной канал. После выравнивания уровней воды в камере шлюза и в нижнем подходном канале по сигналу от автоматической системы управления процессом шлюзования балочная решетка 3 по вертикальным направляющим 6 опускается в нишу 4, освобождая пространство для прохода судов.
Подъемно-опускная балочная решетка 3 может быть установлена на нижней голове шлюза с двухстворчатыми воротами, как показано на фиг. 1, а также на нижней голове шлюза с откатными воротами (см. фиг. 2.)
По сравнению с известными аналогами предложенное техническое решение позволяет обеспечить эффективное гашение энергии потока воды на входе в подходной канал при опорожнении камеры шлюза за счет более равномерного распределения скоростей потока воды. Это, в свою очередь, положительно влияет на состояние дна нижнего подходного канала и создает благоприятные условия стоянки судов во время шлюзования.
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 предложенной безгалерейной системы опорожнения в составе низконапорных и средненапорных шлюзов.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «промышленная применимость».