Использование прямоходных механизмов в затворах гидротехнических сооружений (гидрозатворах)

Гидротехнические затворы перекрывают водопропускные отверстия частично или полностью, при выполнении определенных условий (например, при повышении уровня воды) или под действием источника управления.

К механическому оборудованию гидро-технических сооружений относят устройства и приспособления, перекрывающие водопропускные отверстия и позволяющие регулировать уровень верхнего бьефа и расход воды, пропускать или задерживать плавающие тела.

К ним относятся затворы, фильтрующие решетки, закладные части, арматура трубопробовов, устройства для очистки решеток и т.п.

А также механизмы для подъема и опускания затворов. В качестве подобных приводных устройств для маневрировния затворами мы предлагаем наши прямоходные механизмы МЭП от компании НПП "Сервомеханизмы". Широкий модельный ряд и гибкие технические характерисктии, возможно изготовления под заказ  устройство наиболее точно подходящее необходимым параметрам.

Классификация гидротехнических затворов

Сейчас насчитывают более 100 видов затворов, тем не менее постоянно разрабатываются новые типы и конструкции.

В зависимости от положения отверстия относительно уровня воды:

• поверхностные - дле перекрытия водно-сливных отверстий
• глубинные - для перекрытия отверстий на глубине

По эксплуатационному назначению:

• основные - постоянно использованные при эксплуатации
• ремонтные - используемые во время ремонта
• аварийные - для перекрытия в случае крупной аварии
• строительные - для перекрытия отверстия в период строительства

По материалу:

• стальные
• из алюминиевых сплавов
• железобетонные
• деревянные
• тканевые

По режиму работы бывают:

• регулирующие и способные работать при частичном открытии
• нерегулирующие.

По характеру движения - перемещающиеся поступательно, вращающиеся, перекатывающиеся, плавающие.

Затворы перемещаются с помошью механизмов с электрическим, гидравлическим или иным типом привода (например прямоходных механизмов МЭП) ) или под воздействием давления воды. Основным признаком затвора, определяющим характер его конструкции, является способ передачи давления воды на сооружение.

Условия работы затворов

Основное назначение затворов - пропуск воды и плавающих тел. Для регулирования расхода воды через отверстие поверхностный затвор или поднимается на некоторую высоту (подъемный затвор) (а)или опускается (отпускной затвор) (б).

Глубинные затворы или поднимаются или поворачиваются вокруг своей оси (г,ж,з) или же перемещаются в направлении оси водопровода. ( д,е)

 Для уменьшения подъемного усилия, а также для большей маневренности, применяют поверхностные затворы - плоские и сегментные (в), выполненные из двух элементов, отдельно приводимых в движение и позволяющих пропускать воду поверх затвора., под ним или одновременно сверху и снизу, а также используют затворы с клапанами (г).

Неблагоприятные условия работы создаются при течении из-под затвора под уровень.

Поэтому, подтопление затворов при частичном их открытии нежелательно, а при больших размерах затвора и больших напорах недопустимо.  Подныривание под затвор плавающих тел, в том числе льда, наблюдается при образовании воронок перед затвором и может привести к повреждению уплотнений нижней кромки и обшивки затвора, что также ограничивает величину открытия затвора.

Поэтому свобода маневрирования затворами должна ограничиваться.  Уменьшению воронкообразования способствует удлинение быков и обтекаемая форма оголовков.

Эксплуатационные требования к затворам гидротехнических сооружений

Главные требования к основным затворам -
а) стабильность работы;
б) водонепроницаемость контактов затвора;
в) необходимая быстрота маневрирования;
г) минимальная мощность механизмов для операций с затвором (на случай отказа электрического или пневмопривода);
д) удобство монтажа, ремонта и смены изнашиваемых в процессе эксплуатации деталей и узлов.

Основные нагрузки, действующие на ГТС

1) Гидростатическая нагрузка на затвор при полном закрытии отверстия является главной нагрузкой. Расчет элементов затвора на прочность производится по максимальной нагрузке, которая может быть в диапазоне режима эксплуатации у всех положений затвора.

2) Волновое давление воды на затвор - до 50%  от гидростатического давление. При малой длине волны и незначительном пролете отверстия волновое давление не учитывается.  

3) Давление наносов, как активное или пассивное в соответствии с характером взаимодействия отложившихся перед затвором наносов и затвора. На давление льда расчет не делается.

4) Давление ветра учитывают при полностью поднятом затворе

5) Атмосферное давление - при наличии вакуума

6) Вес затвора

7) Гидродинамическое давление, оказывает меньшую нагрузку, чем гидростатическое, пульсация гидродинамического затвора.

Классификация поверхностных затворов

Различают следующие затворы, передающие давление на быки (промежуточные опоры гидротехнического сооружения) и устои (береговые опоры):

а) плоские затворы и балочные ограждения (шандоры), у них поступательное движение, плоские затворы еще называют "щитовыми затворами" (а,б).

Плоские скользящие затворы, щитовые затворы - самый распространенный тип затворов. Шандорные затворы часто используют при ремонте. Перемещаются в пазах быков и устоев. Выполняются из стали, легких сплавов дерева или железобетона. Затвор состоит из подвижного пролетного строения, опорно-ходовыхосновных и вспомогательных частей, уплотняющих и подвесных устройств. Одиночный затвор - это одна подвижная конструкция, а секционный затвор - состоит из нескольких подвижных конструкций, поочередное маневрирование которыми дает возможность перекрывать высокие отверстия без увеличения грузоподъемности кранов.  В виде двух подвижных конструкций выполняются сдвоенные затворы и затворы с клапаном.

б) сегметные затворы, имеющие вращательное движение (в)
Сегментным называется затвор, имеющий вид четырехугольного сегмента, крепящийся к  двум опорным стойкам - ногам, вращающимся вокруг горизонтальной оси.

 Сегментный затвор - это  изогнуты плоский затвор поворачивающийся относительно оси. Напорная поверхность - цилиндрическая, постоянного радиуса, но может быть плоской и переменного радиуса.  Применяют одиночные сегментные затворы с клапаном и сдвоенные, подъемные или опускные (для перекрытия камер шлюзов). Ось вращения располагают выше самого высокого горизонта воды, это предохраняет ноги и шарниры от повреждения при ледоходе, шарниры - от засорения наносами и обмерзания.

в) вальцовые, перекатывающиеся затворы (г). Выполняются в виде трубчатой двухопорной балки. При подъеме он перекатывается по наклонным путям в пазах быков и устоев.

Затворы, передающее давление воды на порог отверстия сооружения

Затворы, передающие давление воды на порог, не подвергаются изгибу как балки, лежащие на быках, что упрощает их конструкцию., могут перекрывать значительные пролеты, масса затворов зависит главным образом от их высоты, но не от пролета. Затворы открывают отверстие, опускаясь на порог или нишу в нем.

Затворы, передающие давление воды на порог бывают:

а) секторные, вращающиеся вокруг оси, расположенной со стороны верхнего или нижнего бьефа (д,е).

Секторными называют затворы с поперечным сечением в виде сектора собщивкой, и закрепляемые на  пороге плотины на горизонтальной оси, вращаясь вокруг которой они могут частично или полностью опускаться в специальную нишу.  Ось  вращения находится  с низовой или верховой стороны.

Затворы, воздействующие с обшивкой низовой сливной грани (а, б) находятся в равновесии или поворачиваются при опускании и подъеме, благодаря давлению воды, заполняющей нишу, называмую камерой давления. Затвор с низовой гранью, общитой частично является полувододействующим и требует механизма маневрирования. Если обшивка имеется со всех сторон, то затвор называется поплавковым, так как он имеет плавучесть. Затвор с общивкой по двум граням называется тонущим.

В основном секторные затворы выполняются из стали, а затворы поплавкового типа - также из железобетона.

б) крышевиные затворы, состоящие из двих щитовых полотнищ, вращающихся на горизонтальных осях (ж)

Подвижная часть этих затворов состоит из двух полотнищ (клапанов), вращающихся на горизонтальных осях и образующих в приподнятом состоянии крышевидную конструкцию, которая в опущенном состоянии помещается в нише порога плотины. Верховое или ниизовое полотнище имеет на конце короткую надставку, нормальную к плоскости полотнища, низовое - имеет криволинейную плоскость.

Камера, которая образуется "крышей" затвора заполняется водой из верхнего бьефа, который давит на полотнище. Маневрирование затвором производится автоматически или регулированием давления в камере.

в) клапанные затворы, состоящие из одного полотнища, поворачивающегося на горизонтальной оси, (з)

Клапанный затвор состоит из плоских или криволинейных полотнищ, которые поворачиваются на горизонтальной оси, укрепленной на пороге. Для улучшений условий обтекания полотнища в опущенном состоянии оно может быть криволинейным, а для улучшения жесткости сечение затвора делают чечевицеобразной формы.
Различают- клапанные подкосные затворы. В поднятом состоянии полотнища удерживаются подкосами, установленными непосредственно на пороге.  И клапанные уравновешенные затворы, которые уравновешиваются гидравлически или противовесом.

г) откатные затворы, которые для закрытия отверстия выдвигаются из ниши в устое (и)

д) затворы с поворотными фермами, закрепеленными на осях, расположенных вдоль потока и устанавливающиеся для перекрытия отверстия в вертикальное положение, после чего пролеты между фермами, перекрываются щитами или спицами (к).

Ферма — конструкция, основные элементы которой работают на растяжение-сжатие. Затвор с поворотными фермами состоит из ряда металлических статически определимых ферм, устанавливаемых на пороге отверстий плотины на расстоянии 1- 1,5 метра друг от друга, нормально к оси плотины, пролеты между фермами перекрываются щитами, спицами или шторами.

При пропуске воды часть щитов или спиц вынимается. Для полного открытия отверстия, что делается перед ледоставом, удаляются все щиты, фермы поворачиваются в опорных шарнирах и укладываются на порог плотины при помощи лебедки, выбирающей цепь или трос, которыми соединены фермами. К моменту окончания половодья отверстие закрывается. Для закрытия отверстия фермы поднимают при помощи той же лебедки и соединяют легкими элементами служебного мостика, с которого производят закрытие пролетов между фермами, щитами, спицами. Один из устоев плотины с поворотными фермами делается обычного типа, с обратными стенками, с другой - с нишей, в которую укладываются крайние фермы при опускании их за порог.

Поворотные фермы имеют разнообразные решетки: простейшего типа при спитцевых заграждениях, с растянутыми раскосами и сжатыми стойками низового пояса, со сжатыми раскосами - фермы более жесткие и тяжелые, облегченному типа. Недостатком затворов с поворотными фермами являются - невозможность маневрирования ими зимой.

е) поворотные рамы, поворачивающиеся на осях, расположенных вдоль потока, непосредственно закрывающие отверстия при вертикальном положении рам (л).

Затворы с поворотными рамами выполняются из металла и дерева и представляют собой две наклонные ноги, соединенные вверху короткой балкой, по которой прокладывается узкий пешеходный мостик, а внизу - шарнирно закрепленные на пороге без распорки. Маневрирование поворотными рамами аналогично подъему и опусканию поворотных форм. Благодаря значительной толщине рам они перекрывают отверстие плотины без каких-либо щитов. Для уменьшения фильтрации через щели между рамами они перекрываются спицами, брезентом или резиной.

Повортные рамы могут перекрыват значительны отверстия, при их высоте до 6 - 8 метров, и расход металла для них гораздо больше, чем в поворотных фермах,  и затвор этот не может регулировать уровни воды вернего бъефа, рамы долдны быть или все подняты, или все уложены. Для зимних суровых условий данный тип затвора не подходит.

ж) Подкосные затворы в виде стоек с подкосом, пролеты между которыми перекрываются плоскими щитками (м)

з) Тканевые затворы, мягкие оболочка которых выполнена из ткани, заполняющиеся водой воздухом (н).

Затвор из синтетической ткани представляет собой наполняемую жидкостью или воздухом (или одновременно и тем, и тем) мягкую оболочку, заанкеренную в порог плотины. Ткань, однослойная или многослоная, выполняется из синтетических волокон с резиновым покрытием с одной или двух сторон или пленкой из пластмасс (пленочнотканевые оболочки). Прочность ткани в зависимости от качества исходного волокна составляет 100-400 кН/м и более.  Могут перекрывать достаточно широкие пролеты, так на одной из плотин США, подобными затворами перекрыто 4 пролета по 134 метра

Затворы, передающие давление воды на порог и быки (устои):

а) стоечно-плоские (мостовые) в виде спаренных стоек, воспринимающих нагрузку от щитов, перекрывающих пролеты между стойками (о)

Стоечно-плоские мостовые затворы состоят из плоских щитов, перекрывающих пролеты между стойками, шарнирно-закрепленнымина нижнем поясе фермы моста или быка, нижним концом стойки упираются в выступ порога плотины. Стойки выполняются в виде рам, рамы воспринимают на себя давление от щитов и передют его на пороги и мост.

Регулирование уровня воды вернего бьефа производится подъемом щитов по стойкам, а полное открытие отверстия для пропуска судов производится после подъема всех щитов и поворота стоек в горизонтальное положение вместе со щитами вокруг точки опоры стоек на мост.

б) клапанные, вращающиеся (п)

1) Клапанные неуравновешенные затворы

2) Клапанные уравновешенные затворы - затвор уравновешивается противовесом, который шарнирно связан с коромыслами, расположенными на консольной опоре.

в) плавучие (батопорты), подводящиеся к отвертию на плаву и для опускания заполняемые водой (р)

Затворы откатные, плавучие, поворотные рамы, некоторые виды клапанных затворов являются нерегулируемыми. Кольцевые затворы не передают давление воды на сооружение за счет его уравновешивания по всей напорной поверхности и имеют поступательное движения (с)

Поверхностные  затворы, не передающие давление воды на сооружение.

Кольцевые затворы

Затвор, не передающий на сооружение давление  воды, должен быть гидравлически уравновешенной конструкцией , т.е. такой, у которой силы давления воды на затвор, составляющие главную нагрузку, дает равнодействующую, равную нулю. Таким свойство обладает цилиндрический затвор, у которого обшивка, воспринимающая давление, представляет собой кольцо. Таким затвором перекрывают кольцевые водосливы, являющиеся составной частью шахтного водосброса.  Для открытия отверстия кольцевой затвор должен или подниматься и опускать воду под затвор  или опускаться.

Классификация глубинных затворов

Затворы глубинных отверстий в сравнении с поверхностным испытывает при той же площади отвертия большие нагрузки работает в потоке более высоких скоростей, требует применения уплотнений повышенной надежности, механизмов большей грузоподъемности, менее доступен для осмотра и ремонта. При нарушении нормальной работы подобного затвора возможны значительные аварии.

Характерным признаком глубинного затвора является, как у поверхностных затворов, способ передачи давления воды на сооружение.

Затворы, передающие давление на сооружение непосредственно через опорно- ходовые части, бывают:

1) плоские, аналогичные поверхностным
2) сегментные

Затворы, передающие давление через корпус, в котором размещен сам затвор, бывают,

а) в виде плоской задвижки, имеющей поступательное движение (в);

б) дисковые (дроссельные) - движение вращательное на горизонтальной или вертикальной оси (г);

в) игольчатые, имеющие поршень, выдвигающийся из цилиндра (1) и закрывающий иглообразной частью 2 отверстие 3 - движение поступательное (д);

г) конусные (телескопические), при которых поступательно движущийся цилиндр 1 закрывает отверстие между неподвижным цилиндром 2 в конце водопровода и конусом (3);

д) поворотные цилиндрические (х) и шаровые (з);

Дроссельные, поворотные цилиндрические шаровые затворы предназначены для работы только при полном открытии, т.е. относятся к нерегулирующим затворам.

Затворы уравновешенные, непередающие давление на сооружение, бывают:

а) цилиндрические или кольцевые (без торцевой стенки) с уравновешенным давлением воды, движение поступательное (и,к),
б) затворы с камерой противодавления.

Затворы, их механизмы и закладные части в процессе работы испытывают неблагоприятные воздейтствия  воды, наносов, льда, ветра, колебаний температуры, подвергаются ржавчине и коррозии, кавитационной эррозии, истиранию наносами и льдом, соединения металлических элементов расстраиваются в результате динамических воздействий воды (вибрации), удары льда и плавающих тел. Также засоряются вращающиеся части, нарушаются уплотнения, в результате обмерзания.
Зимой работа затворов затруднена в случае намерзания льда на обшивке, обмерзание контактов, уплотнений и ходовых частей.    

Поэтому затворы и сопутствующее им оборудование следует регулярно осматривать и проводить техобслуживание. Не реже 1 раза в 2 года окрашивать части, находящиеся под водой.