Исследование режимов наполнения шлюза с дополнительным переливом поверх опускных ворот

Выпуск 4

ВОДНЫЕ ПУТИ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ И ПОРТЫ

УДК 626.01

Г. Г. Рябов,

ст. преподаватель, СПГУВК

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ НАПОЛНЕНИЯ ШЛЮЗА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПЕРЕЛИВОМ ПОВЕРХ ОПУСКНЫХ ВОРОТ THE STUDY OF MODES OF FILLING THE SHIPPING LOCKWITH ADDITIONAL WATER FLOW OVER THE DROPPING GATE

Дано описание системы наполнения камеры судоходного шлюза с дополнительной подачей воды поверх плоских опускных ворот и обозначены ее основные преимущества по отношению к схеме наполнения из-под плоских подъемно-опускных ворот. Представлены результаты гидравлических исследований условий стоянки одиночного судна в процессе наполнения из-под плоских подъемно-опускных ворот, а также с дополнительной подачей воды поверх ворот. Выполнен сопоставительный анализ двух схем наполнения.

A description of the system offilling the chamber navigation lock with additional water flow over the dropping gate and indication of its major advantages in relation to the scheme offilling just under the flat lifting standpipe gate. The results of hydraulic research for locking of a single ship during filling with additional water flow over the dropping gate are presented. A comparative analysis of two schemes offilling is performed.

Ключевые слова: судоходный шлюз, пропускная способность, ворота, процесс наполнения, гидродинамическая сила.

Key words: navigation lock, the capacity, lock-gate, the process offilling, the hydrodynamic force.

ПЕРИОД интенсивного развития экономики, связанного в основном с ростом мировых цен на газ и не-

Вместе с тем пути увеличения эффективности работы судоходного шлюза не ограничиваются только строительством второго сооружения, когда пропускная способность возрастает скачкообразно с расчетом на отдаленную перспективу. В настоящее время известен ряд менее радикальных мероприятий, позволяющих обеспечивать требуемую эффективность работы сооружения, удовлетворяющую потребностям судопропуска.

фтепродукты, все более актуальным является использование водного транспорта. На современном этапе развития инфраструктуры водного транспорта в первую очередь решаются вопросы реконструкции судопропускных гидротехнических сооружений с целью повышения их пропускной способности. При этом, как правило, под реконструкцией подразумевают строительство второй нитки (модернизация), обеспечивающей как минимум удвоение судопропуска.

На рис. 1 представлена структурная схема, на которой обозначены основные направления повышения пропускной способности судоходного шлюза. Большая часть из представленных на схеме направлений уже прорабатывалась такими известными в отрасли учеными и инженерами, как А. А. Ата-вин, В. В. Баланин, О. Ф. Васильев, А. М. Га-пеев, П. А. Гарибин, Д. А. Зернов, Б. Д. Ка-чановский, С. С. Кирьяков, В. В. Клюев, Б. В. Коленко, М. А. Колосов, В. В. Кононов, В. А. Кривошей, В. А. Кякк, В. М. Мочалов,

За последнее двадцатилетие можно пе-

речислить ряд таких сооружений и новых проектов: это Шекснинский судоходный шлюз № 8 Волго-Балтийского водного пути (вторая нитка), вторая нитка Кочетовского гидроузла на р. Дон, проектируемая вторая нитка Ниж-несвирского шлюза, перспективный план развития Волго-Донского судоходного канала.

Рис. 1. Пути увеличения грузопропускной способности судоходного шлюза

Е. М. Махлин, А. В. Михайлов, Г. Ф. Онип-ченко, Н. А. Семанов, А. П. Яненко, каждый из которых внес существенный вклад в развитие водного транспорта в СССР и современной России.

Данная статья посвящена рассмотрению мероприятия по увеличению пропускной способности судоходного шлюза путем изменения традиционной схемы наполнения камеры шлюза, используемой на сооружениях ВолгоБалтийского и Волго-Донского каналов, Бала-ковском, Городецких шлюзах и др.

Особенностью предлагаемой системы наполнения [1-4] является совмещение процесса наполнения камеры шлюза с опусканием ворот в судоходное положение (рис. 2).

Вода сначала начинает поступать в камеру через нижнее водопропускное отверстие, образуемое между порогом и струенаправляющим козырьком ворот, а в момент опускания верха ворот ниже уровня верхнего бьефа вода дополнительно поступает в камеру поверх ворот.

Превосходство данной схемы перед другими мероприятиями, улучшающими пропускную способность шлюза, заключается в отсутствии потребности в значительных капиталовложениях, поскольку ее внедрение может осуществляться в рамках планового капитального ремонта сооружения при замене ворот.

Система наполнения с дополнительной

Выпуск 4

¡Выпуск 4

Рис. 2. Схема системы наполнения камеры шлюза с дополнительной подачей воды поверх плоских опускных ворот

подачей воды поверх плоских опускных ворот имеет высокую степень научной обоснованности. Исследования проводились с середины 1990-х гг. в СПГУВК и МГАВТ [2; 3]. Задача

Фото 1. Общий вид на экспериментальную установку

по определению характеристик потока, поступающего в камеру шлюза воды, в настоящее время решена. Имеются результаты гидравлических исследований процессов истечений через нижнее водопропускное отверстие, а также перелива поверх ворот [6], разработана методика гидравлического расчета [2; 3; 5].

Для оценки эффективности работы предлагаемой системы наполнения был выбран экспериментальный путь исследования. Работы производились в гидротехнической лаборатории им. проф. В. Е. Тимонова на лабораторной установке, представленной на рис. 3. В качестве прототипа при создании модели использовался шлюз № 8 Волго-Балтийского водного пути, при этом изменение системы наполнения осуществлялось заменой всего одного элемента — ворот.

В состав модели входили: головное устройство подачи воды 2 с регулятором уровня воды 5 (верхний бьеф), верхняя голова 3 и камера шлюза 1. Подача воды в верхний бьеф осуществлялась из

кольцевого трубопровода лаборатории 17. Опорожнение камеры выполнялось путем подъема щита 6, расположенного в конце камеры шлюза и моделирующего нижние ворота шлюза.

Модель камеры шлюза (фото 1) состояла из 7 секций шириной 0,716 м и высотой борта 0,80 м. Голова модели шлюза представляла собой съемную секцию длиной 1,50 м и высотой борта 0,80 м. Общая длина камеры от створа поступления воды до

План

верхний бак с регулятором уровня воды

верхняя голова модели шлюза

водосбросная часть лотка

Рис. 3. Схема экспериментальной установки:

1 — камера шлюза; 2 — бак с регулятором уровня воды 5; 3 — верхняя голова модели шлюза; 4 — модель судна; 6 — щит опорожнения камеры;

7 — датчики уровня; 8 — датчик усилий с направляющей кареткой; 9 — устройство крепления направляющей штанги; 10 — уклономер;

11 — рабочие ворота модели шлюза; 12 — двигатель с редуктором скоростей; 13 — рама механизма маневрирования воротами; 14 — гасительный экран; 15 — балочная решетка; 16 — бычки; 17 — питающий трубопровод с задвижкой; 18 — перфорированные квадратные трубы;

19 — устройство холостого сброса воды регулятора уровня

а

Выпуск 4

щита, перекрывающего лоток, составляла

10,92 м.

Подъемный механизм 12 состоял из двигателя переменного тока мощностью 300 Вт, редуктора, червячного вала и частотного регулятора. Червячный вал был снабжен оптическими датчиками, отслеживающими число оборотов, посредством чего определялась скорость движения ворот.

Лабораторная установка была оснащена тремя ультразвуковыми датчиками уровня 7, которые использовались для определения положения свободной поверхности в верхнем бьефе, а также в камере шлюза у кормы и носа судна. Датчики позволяли определять положение свободной поверхности с точностью до ±0,5 мм.

Модель судна 4 представляла собой копию судна «Волго-Дон» в масштабе 1:30 (фото 2), выполненную из дерева и пенопласта, с соблюдением геометрического и кинематического подобия. Для измерения продольной составляющей гидродинамической силы использовался датчик конструкции ЛИВТ [9]. Результаты измерений дублировались косвенным измерением с использованием высокоточного уклономера.

В состав контрольно-измерительной аппаратуры входили тензометрический датчик Vishay 1030, датчики уровня SICK UM 30-

Фото 2. Вид на модель судна на уровне верхнего бьефа

13113, аналогово-цифровые преобразователи производства фирмы “National Instruments”, уклономер Zerotronic производства фирмы “Wyler”, оптические датчики — счетчики оборотов вала привода ворот.

Информация с датчиков после обработки в аналогово-цифровом преобразователе поступала на панельный компьютер Advan-tech TPC-1570H-B1E (см. фото 1), где представлялась с помощью программного обеспечения, разработанного в среде LabView 7.0, в виде графиков зависимости исследуемой величины от времени. Управление приводом ворот осуществлялось автоматизированно с панельного компьютера по заранее запрограммированному режиму движения.

Экспериментальные лабораторные исследования проводились для решения следующих основных задач:

— выбор оптимального режима наполнения камеры шлюза по условиям обеспечения благоприятного режима стоянки судна при традиционной схеме наполнения и в схеме с дополнительным переливом поверх плоских ворот;

— получение основных характеристик систем наполнения при оптимальном режиме, при котором максимальная гидродинамическая сила, воздействующая на находящееся в камере судно, не превосходила бы допускаемой;

— выполнение сопоставительного анализа двух систем наполнения для оценки эффективности работы предлагаемой схемы наполнения.

В соответствии с поставленными задачами осуществлено планирование эксперимента. Программа исследований включала три серии с традиционной схемой наполнения и три серии с предлагаемой схемой с переливом поверх ворот. Серии опытов отличались друг от друга создаваемыми режимами движения ворот. Каждая серия включала не менее

Рис. 4. График изменения гидродинамического воздействия на одиночное судно в процессе наполнения (традиционная схема наполнения):

1 — и = 0,395 м/мин; 2 — и = 0,329 м/мин; 3 — и = 0,230 м/мин

Рпр,кН

60,0

40,0

20,0

0,00

-20,0

-40,0

1

Л

/ 1 I21 4И\\ 31 )0 4 )0 5! 30 61 )0 7 00 8( )0 Т, с

1( )0 1 ¡Чти/

Рл $ V

Р - ,кН

обр’

Рис. 5. График изменения гидродинамического воздействия на одиночное судно в процессе наполнения

(схема наполнения с переливом):

1 — и = -0,230 м/мин; 2 — и = -0,197 м/мин; 3 — и = -0,164 м/мин

:

:

:

Выпуск 4

Выпуск 4

пяти опытов, оценка погрешностей в которых выполнялась с использованием теории вычисления погрешностей для доверительной вероятности а = 0,95 [7]. В опытах было задано допустимое значение в 5 % от среднеарифметического рассматриваемой величины.

Ниже приведены графики зависимости гидродинамической силы (здесь и далее значения величин приведены для натуры). На рис. 4 изображены результаты трех серий (при различных скоростях движения ворот ив) для традиционной схемы наполнения, а на рис. 5 — для схемы наполнения с переливом.

Как видно из представленных графиков, характер гидродинамического воздействия потока на судно на модели с традиционной системой наполнения отличается от схемы с переливом. Особенно это заметно на завершающем этапе процесса наполнения, который для предлагаемой схемы с переливом, в отличие от традиционной схемы, характеризуется увеличением обратной гидродинамической силы.

Это объясняется тем, что в конце процесса наполнения в схеме с переливом преобладающим является расход, поступающий через

верхнее водопропускное отверстие. В момент подтопления (подъема уровня воды выше верха ворот) расход воды, переливающейся через ворота, начинает интенсивно падать, что вызывает снижение уровня воды у верхней головы шлюза и, как следствие, возникновение обратной волны. В традиционной схеме наполнения только из-под ворот процессы в конце наполнения протекают плавно, поэтому появление обратной силы в этот момент не наблюдается.

Для выполнения сравнительного анализа двух систем наполнения необходимо было определить оптимальный режим движения ворот, при котором максимальная гидродинамическая сила, воздействующая на судно в процессе наполнения, не превышала бы допустимое усилие в швартовной связи. Такой режим определялся с помощью графиков Р тах = / (ив) (рис. 6). Для определения допустимого усилия использовалась формула

А. В. Михайлова [10]:

Р = 1,4 ЪЛ/Т.

доп ’ *

где Ж — водоизмещение расчетного судна в грузу, кН; Ж = 73 813,89 кН;

Рис. 6. Графическое определение оптимальной скорости движения ворот в процессе наполнения камеры судоходного шлюза

Рис. 7. Графическое определение времени наполнения судоходного шлюза при оптимальном режиме движения ворот

Отсюда Рдоп = 1,4 •^73 813,89 = 58,72 кН.

С помощью графиков, представленных на рис. 6 и 7, было определено время наполнения камеры шлюза с традиционной системой наполнения и с переливом через ворота, из которых видно, что время наполнения камеры шлюза с использованием системы с переливом меньше аналогичного у традиционной схемы на 1 мин 15 с.

Кроме того, необходимо также учесть, что в момент окончания процесса наполнения ворота в традиционной схеме возвышаются над начальным положением на а^рх = 2,2 м, а в системе наполнения с переливом опущены ниже начального положения на величину аввнз = 1,92 м. При средней скорости движения ворот в режиме открытия и ввнз = 4,2 м/мин со-

кращение времени составит г2=(аввнз + авврх)/и3внз = (2,2 + 1,92)/4,2 = = 0,98 мин = 59 с.

Таким образом внедрение системы наполнения с переливом через ворота позволяет сэкономить в процессе шлюзования из нижнего бьефа в верхний в соответствии с проведенным лабораторными исследования 2 мин 14 с для судов типа «Волго-Дон».

Пример шлюзов Волго-Балтийского водного пути показывает, что внедрение системы наполнения камеры шлюза может увеличить его пропускную способность более чем на 500 тыс. т груза в год, при этом не учитывается экономический эффект от уменьшения простоев судов, ожидающих шлюзования.

Выпуск 4

Выпуск 4

Список литературы

1. Пат. 2044828. Головная система питания судоходного шлюза / Кривошей В. А.

2. Кривошей В. А. Увеличение пропускной способности судоходных шлюзов с головной системой питания: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / В. А. Кривошей; С.-Петерб. гос. ун-т водных коммуникаций. — М.: МГАВТ, 2000.

3. Гапеев А. М. Совершенствование эксплуатационных качеств судоходных шлюзов с головной системой питания: дис. ... д-ра техн. наук / А. М. Гапеев. — СПб.: ИТЦ СПГУВК, 1998.

4. Рябов Г. Г. Обоснование целесообразности применения головной комбинированной системы наполнения камер судоходных шлюзов / Г. Г. Рябов // Тр. науч.-практ. конф. молодых науч. сотр. СПГУВК, 1-7 июня 2005 г. — СПб.: ИПЦ СПГУВК, 2005. — Т. III: Водные пути, гидротехнические сооружения, портовая техника, электромеханика, судостроение и судоремонт. — 311 с.

5. Рябов Г. Г. О гидравлическом расчете головной комбинированной системы наполнения судоходного шлюза / Г. Г. Рябов // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100-летию гидротехнической лаборатории им. проф. В. Е. Тимонова. — СПб.: ИПЦ СПГУВК, 2008.

6. Рябов Г. Г. Гидравлические исследования головной системы наполнения камеры судоходного шлюза с дополнительной подачей воды поверх опускных ворот / Г. Г. Рябов // Речной транспорт. — М., 2011.

7. Чепуренко В. Г. Вычисление погрешностей измерений / В. Г. Чепуренко, В. Г. Нижник, Н. И. Соколова. — Киев: Издат. объединение «Вища школа», 1978. — 40 с.

8. Киселев П. Г. Справочник по гидравлическим расчетам / П. Г. Киселев. — М.: Госэнерго-издат, 1957.

9. Инструкция по исследованию гидравлического режима и условий стоянки судов при шлюзовании. — Л.: ЛИВТ, 1963.

10. СНиП 2.06.07-87*. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения.

УДК 517.958:539.3 Д. П. Голоскоков,

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАМЕРЫ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА С ПОМОЩЬЮ ПОЛИНОМОВ MODELLING OF THE INTENSE-DEFORMED CONDITION OF THE NAVIGABLE SLUICE CHAMBER BY MEANS OF POLYNOMS

В статье построено численно-аналитическое решение плоской задачи теории упругости с использованием метода взвешенных невязок в форме метода граничного решения [1]. В отличие от известных подходов, решение строится в виде разложения по полиномам, априори удовлетворяющим однородным уравнениям плоской задачи теории упругости в перемещениях внутри области. Коэффициенты разложения находятся из условия минимума невязки в выполнении граничных условий методом наименьших квадратов.

д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;

В. А. Данилюк,

ст. преподаватель, СПГУВК