7. Конструкция и основные размеры верхней головы шлюза с подъемно-опускными воротами

Схема верхней головы шлюза с подъемно-опускными воротами, относящаяся к незатопленным системам питания, приведена на рис. 9 (рекомендуется к применению в курсовом проекте при напорах на камеру от 10 до 17 м).

Конструктивно по гидравлическим условиям она разделена на четыре основных участка:

– участок направления потока в водопроводное отверстие, включающий наклонный неразрезной порог, очертания ножа (козырька) плоского затвора, верхней и нижней консолей экрана, выполненных под углом α;

– участок гашения скоростей потока (основной), в котором происходит непосредственное соударение струй о твердые стенки (экран, стенка падения и дно колодца);

Рис. 9. Схема верхней головы шлюза с подъемно-опускными воротами

а – продольный разрез; б – план

– участок распределения потока (отражение от днища колодца до балочной решетки). На этом участке наблюдается образование двух вихревых зон (за экраном и в гасительном колодце), в которых сосредоточена значительная часть энергии потока;

– успокоительный участок , отсчитываемый от распределительной решетки, которая также способствует частичному гашению скорости потока, в сторону камеры. На этом участке происходит выравнивание скоростей потока по глубине и его конец считается началом полезной длины камеры шлюза, в пределах которой располагаются шлюзуемые суда. Размеры элементов системы питания и их взаимное расположение рекомендуется определять в следующей последовательности:

Находится максимально допустимая площадь водопропускного отверстия , при которой обеспечиваются нормативные условия стоянки расчетного судна

, м² (5)

где – допустимая величина продольной составляющей гидродинамической силы, определяемая по формуле

, кН (6)

– минимально допустимое время наполнения камеры при постоянной скорости подъема затвора

, с (7)

– площадь живого сечения камеры при уровне нижнего бьефа, равная , м²;

, м² – площадь погруженной части одного судна при последовательном расположении судов (в кильватер); суммарная площадь поперечных сечений погруженных частей судов, стоящих параллельно друг другу в камере. При одинаковых размерах шлюзуемых судов в камере в зависимостях (5) и (7) следует принимать ;

– площадь зеркала камеры шлюза, равная , м²;

, м – напор на пороге верхней головы;

– коэффициент расхода системы питания при подъеме затвора на полную высоту ;

– относительное время открытия затвора наполнения;

– коэффициент, учитывающий увеличение волновой составляющей гидродинамической силы при приближении к верхней голове. При расположении судна посередине длины камеры коэффициент (принимается при ), а у верхней головы – (принимается при ).

При известной величине определяют высоту водопропускного отверстия по нормали к плоскости ножа затвора

, м

и полную высоту подъема затвора наполнения по вертикали

, м

где – угол при нижней кромке рабочего затвора, принимаемый равным от 30° до 40°.

Длину ниши рабочих и аварийно-ремонтных ворот, выполненных в виде плоских затворов, приближенно принимают равной

, м

а длину входной части головы , равной

, м

Для плавного направления потока воды в камеру гашения рекомендуется устраивать наклонный неразрезной порог, высота скоса которого определится, если графически от верхней кромки ножа ворот отложить к порогу полную высоту подъема .

Определение высоты водопропускного отверстия под экраном производится по зависимости

, м

где и – коэффициенты, учитывающие потери энергии в водопропускных отверстиях верхней головы: – для отверстия, образуемого при подъеме ворот; – для отверстия под экраном (как для затопленного водоспуска);

– допустимая по условиям стоянки в камере шлюза постоянная скорость подъема затвора наполнения

, м/с

Здесь – напор на пороге верхней головы, отсчитываемый от НПУ верхнего бьефа до нижней точки скоса консоли;

– ширина водопропускного отверстия под экраном без учета толщины опорных бычков ( рекомендуется принимать в пределах 1,5–2,0 м)

, м

– наибольшее значение угла направления потока на балочную решетку;

– продолжительность наполнения камеры шлюза в первом промежутке (подъем уровня воды до нижней точки скоса порога)

, с

Длина участка камеры гашения (от стенки падения до экрана) определяется выражением:

, м (11)

где – коэффициент, характеризующий качество гасительных устройств;

, м – высота стенки падения, отсчитываемая от порога верхней головы до дна гасительного колодца: здесь , м – возвышение порога над уровнем нижнего бьефа, а – глубина гасительного колодца, принимаемая равной , но не более 4,0 м.

Толщину гасительного экрана рекомендуется принимать в пределах 1,0–2,0 м, высоту нижней консоли – 1,0 м и верхней – 0,5 м. Высота консоли порога принимается равной 1,0 м, а угол сопряжения дна колодца с днищем камеры – в пределах 70‒75°.

Длина участка распределения потока , отсчитываемая от внутренней грани экрана до балочной решетки, определяется по зависимости

, м (12)

При конструировании балочной решетки сначала находят суммарную высоту отверстий между балками

, м (13)

где – среднее значение коэффициента, учитывающего потери энергии в отверстиях балочной решетки.

Высота i-го отверстия решетки при неравномерном расположении балок вычисляется по формуле:

, м (14)

Здесь – средняя высота отверстия при расположении балок с равномерным шагом

, м,

– число отверстий, равное числу балок решетки

,

– суммарная высота балок распределительной решетки, равная

, м

– установленная толщина балки на входе потока ( = 0,75; 1,0; 1,5; 2,0 м, а длину балки рекомендуется принимать равной, соответ-ственно: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 м; толщина и длина верхней плиты перекрытия может отличаться от размеров балки: длина, как правило, больше, а толщина не менее 0,5 м).

Определение высоты каждого отверстия балочной решетки, шаг которой увеличивается снизу вверх, рекомендуется осуществлять графоаналитическим способом.

Зная угол распределения потока от дна камеры гашения до дна камеры шлюза,

,

определяют высоту первого отверстия

, м

Здесь – коэффициент, учитывающий потери энергии в первом от днища камеры отверстии балочной решетки; – приращение коэффициента, равное для любого отверстия

,

а и – значения коэффициентов, соответственно, у дна камеры и над плитой перекрытия: ; .

По условиям незасорения первого отверстия топлой древесиной и мусором должна быть не принята не менее 0,40 м.

Далее определяют угол направления потока на второе отверстие

,

и высоту второго отверстия

, м

где .

Аналогичным образом определяются углы направления потока и высоты последующих отверстий:

,

, м

где .

Поперечное сечение балок распределительной решетки может быть принято любой формы: прямоугольным, трапецеидальным, со скошенной нижней или верхней гранью и др. Наилучшей по гидравлическим условиям считается трапецеидальная форма.

Длину успокоительного участка камеры от низовой грани балок решетки до створа начала полезной длины камеры определяют по формуле

(15)

Полная длина верхней головы шлюза при устройстве плоских рабочих и аварийно-ремонтных ворот по условиям устойчивости на сдвиг должна соответствовать требованию

, м (16)

Ширину устоя головы принимают равной в пределах 6–8 м.

По вычисленным размерам отдельных участков системы наполнения камеры вычерчиваются продольный разрез верхней головы в масштабе 1:100 или 1:200 (см. рис. 9).

При составлении схемы верхней головы может оказаться, что расчетная длина участка камеры гашения близко сопоставима с принятой длиной ниши рабочего затвора . В этом случае можно отказаться от устройства гасительного экрана, заменяя его на сплошную плиту перекрытия над камерой гашения (рис. 10).

Рис. 10. Схема верхней головы шлюза с плитой перекрытия над камерой гашения