Аварийное затворное устройство напорного водовода

 

Изобретение относится к оборудованию гидротехнических сооружений, в частности плоским аварийным затворам высоконапорных водоводов. Цель изобретения - сокращение времени перекрытия глубинных водопропускных отверстий. Предлагаемое затворное устройство содержит плоский затвор, помещенный в пазах с опорно-ходовыми частями и механизмом маневрирования, пригрузочные пластины, горизонтально закрепленные к затвору с напорной стороны и направленные вниз, при этом затвор может быть выполнен наклонным, и его плоскость должна составлять со стенами водовода верхнего бьефа острый угол, причем сумма его с углом между затвором и пригрузочной пластиной должна быть больше 90^o. Пластины на затворе лучше устанавливать таким образом, чтобы плоскость верхних пластин не перекрывала плоскость нижних в проекции пластин на вертикальную плоскость. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к оборудованию гидротехнических сооружений и может быть использовано для перекрытия глубинных водопропускных отверстий судоходных шлюзов и других гидротехнических сооружений, оборудованных плоскими скользящими затворами, в частности для аварийных затворов высоконапорных водоводов.

Известно затворное устройство глубинного водовода, включающее шахту с пазами, плоский затвор, систему аэрационных труб по а. с. СССР N 675122.

Известен также плоский глубинный затвор водовода по а. с. N 673695, содержащий грузонесущую решетку с напорной обшивкой и размещенный в пазах водовода, а также механизм маневрирования.

Известно аварийно-ремонтное затворное устройство напорного водовода, принятое за прототип, по а. с. N 1756456, включающее плоский затвор, установленный в пазах шахты и водовода, привод затвора, при этом к затворному пространству примыкает открытая емкость, соединенная каналом с верхним бьефом.

В таких устройствах скорость опускания затворов ограничивается массой затвора, что в ряде случаев недостаточно, например в аварийных условиях, когда перекрытие глубинных отверстий должно быть осуществлено мгновенно.

Целью изобретения является сокращение времени перекрытий глубинных водопропускных отверстий гидротехнических сооружений.

Это достигается тем, что предлагаемое затворное устройство напорного водовода, содержащее, как и прототип, плоский затвор, установленный в пазах водовода и шахты, выполненной в верхней части водовода, и механизм маневрирования затвором.

В отличие от прототипа и согласно изобретению затвор выполнен с поперечными пригрузочными пластинами, прикрепленными к напорной грани затвора и направленными вниз с образованием между ними и нижней частью напорной грани острого угла.

Эти пластины воспринимают нормальную составляющую силы давления потока, которая направлена вниз и способствует скорейшему опусканию затвора.

Этот же эффект можно усилить, если выполнить шахту с пазами, наклонную в сторону верхнего бьефа таким образом, что плоскость затвора и стены водовода верхнего бьефа образуют острый угол, т.е. уклон затвора совпадает с направлением потока, который выполняет полезную работу, увлекая за собой затвор. В наклонном затворе, скользящем по опорно-ходовым частям, находящимся в пазах шахты, при опускании возникают дополнительные инерционные силы, сокращающие время перекрытия отверстия.

Пригрузочные пластины, прикрепленные к наклонному затвору, выполняют такую же функцию, т.е. обеспечивают дополнительное усилие от потока для скорейшего опускания затвора. Однако не при всех значениях угла α между затвором и пластиной возникает полезная работа. При малых углах a, если затвор и пригрузочная пластина попадают в зону справа от вертикали (зона II) - (фиг. 5), то нормальная составляющая силы потока будет направлена вверх и будет препятствовать опусканию затвора. В этом случае (фиг.6) сумма угла наклона затвора к стенке водовода b и угла a будет меньше 90^o. Только, если затвор и ребро находятся по разные стороны от вертикали, возможен полезный эффект, а это возможно при условии, если α + β > 90⁰.

Пригрузочные пластины на затворе установлены на таком расстоянии друг от друга, чтобы плоскость верхних пластин не перекрывала плоскость нижних в проекции пластин на вертикальную плоскость, иначе уменьшается плоскость воздействия нормальной составляющей силы движения потока.

На фиг. 1 а,б дана схема устройства с вертикальным затвором в разрезе, вид сбоку и вид сверху, на фиг. 2 схема устройства с наклонным затвором, вид сбоку, на фиг.3 а,б схема действия сил при различных положениях затвора, на фиг. 4 схема действия сил на пластину затвора, на фиг. 5 динамика изменения нормальной составляющей потока в зависимости от угла наклона пригрузочной пластины к затвору, на фиг. 6 схема возможных вариантов установки пластин на затворе.

Устройство имеет плоский затвор 1 с опорно-ходовыми частями 2 с механизмом маневрирования 3, осуществляющим подъем и опускание ворот. Затвор расположен в пазах 4, выполненных в стенах водовода 5 и шахты 7. С напорной стороны на затворе предусмотрены поперечные пригрузочные пластины 6.

Работа устройства заключается в следующем.

При возникновении аварийной ситуации на шлюзе необходимо мгновенное перекрытие отверстия водовода, для чего предусмотрен аварийный затвор 1 (фиг. 1), расположенный в пазах 4. Для этого включается механизм маневрирования 3 в режиме опускания, и затвор, скользя по опорно-ходовым частям 2, опускается, перекрывая водовод по поперечному сечению. На фиг.1 показано, что нормальная составляющая силы потока P_N, действуя на пластины 6, направлена вниз в сторону движения затвора, помогая осуществить перекрытие быстрее.

Возможен иной пример конкретного выполнения данного устройства. Затвор можно установить наклонным по отношению к вертикали (фиг.2). На фиг.3 показано воздействие силы потока при уклоне затвора навстречу потока (а) и совпадающем с направлением потока (б). При разложении силы потока P на нормальную P_N становится очевидным, что полезную работу будет выполнять P_N в затворе, совпадающая с направлением потока (б), т.к. P_N в позиции (б) совпадает с движением затвора.

На фиг. 4 продемонстрировано, что нормальная составляющая силы P действует на пластины, выполняя полезную работу и способствуя движению затвора вниз. Однако не при всех значениях угла наклона пластин к затвору α гарантирована полезная работа. На фиг.5 показана динамика изменения нормальной составляющей P_N в зависимости от изменения угла a. Из этой схемы видно, что в зоне II справа от вертикали сила P_N не выполняет полезную работу, т.к. она направлена вверх, стремясь деформировать затвор. В зоне же I вероятно наиболее оптимальным вариантом наклона пластин будет угол a₂ в 45^o к вертикали, т.к. и направление силы P_N совпадает с движением затвора вниз, и модуль этой силы уже значителен. При углах наклона пластин больше 45^o модуль силы P_N убывает, а при совпадении ребра с направлением потока, т.е. при угле к вертикали α₄ 90^o совсем пропадает. Из этих соображений предложено всегда ребра устанавливать направленными вниз. Таким образом, с увеличением угла α уменьшается модуль силы P_N, но направление этой силы в большей степени совпадает с движением затвора. При уменьшении же угла a наблюдается увеличение модуля силы P_N, но направление ее в меньшей степени выполняет полезную работу, т.к. все более приближается к горизонтальной, т.е. к деформирующей затвор силе.

Таким образом, наиболее оптимальным вариантом изготовления устройства будет такое устройство, в котором затвор наклонен в сторону, совпадающую с направлением потока, т.е. угол наклона его к стенкам водовода верхнего бьефа будет составлять острый угол b, а ребро к затвору установлено таким образом, что угол между ними a должен попасть в зону I. Такое условие соблюдается в случае, если ∠ α + ∠ β > 90⁰. Это видно из фиг. 6, для чего можно последовательно рассмотреть треугольники Δ ABC, D ABD и D ABE. В треугольнике ABC угол С тупой угол, значит ∠ α + ∠ β > 90⁰. В треугольнике ABD угол D прямой угол, значит ∠ α₂+ ∠ β = 90⁰. В Δ ABE ∠ α₃+ ∠ β > 90⁰, т.к. угол E острый угол.

При этом, учитывая площадь пластин и расстояние между ними, предложено их устанавливать таким образом, чтобы плоскость верхних пластин не перекрывала плоскость нижних, если смотреть на них со стороны верхнего бьефа по направлению силы потока, т.е. в проекции пластин на вертикальную плоскость. Иначе не вся площадь пластин будет воспринимать полезную нормальную составляющую силы потока P_N, и работа устройства будет осуществляться с более низким КПД.

Формула изобретения

1. Аварийное затворное устройство напорного водовода, включающее выполненную в верхней части водовода шахту, плоский затвор, установленный в пазах шахты и водовода, и механизм маневрирования затвором, отличающееся тем, что затвор выполнен с поперечными пригрузочными пластинами, прикрепленными к напорной грани затвора с образованием между ними и нижней частью напорной грани острого угла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шахта и пазы выполнены наклонными в сторону верхнего бьефа, причем сумма величин острых углов между пазами и осью водовода и между пригрузочными пластинами и напорной гранью затвора составляет более 90°.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пригрузочные пластины прикреплены к напорной грани затвора с обеспечением неперекрытия между собой проекций пластин на напорную грань затвора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6