шлюз

Формула изобретения

Шлюз, содержащий шлюзовую камеру с воротами и сберегательный бассейн с вытесняющим воду элементом, отличающийся тем, что сберегательный бассейн выполнен в виде плавучего блока, размещенного в шлюзовой камере и снабженного механизмом его перемещения по высоте относительно шлюзовой камеры, при этом плавучий блок выполнен из трех секций, верхняя и нижняя секции выполнены в виде герметичных воздушных отсеков плавучести, а средняя секция выполнена в виде полой емкости, соединенной со шлюзовой камерой посредством водовода с затвором, вытесняющий воду элемент выполнен в виде поршня, размещенного в полой емкости, уплотненного относительно ее днища, потолка и боковых стенок, причем поршень снабжен механизмом его торможения, сопряженные с поршнем поверхности днища и потолка параллельны и имеют уклон в сторону от водовода с затвором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, в частности шлюзам со сберегательным бассейном.

Известен шлюз со сберегательным бассейном, содержащий камеру с воротами, соединенную со сберегательным бассейном посредством водовода с затвором, и вытесняющий воду элемент, снабженный приводом, перемещающим его по сберегательному бассейну. См. Денерт Г. «Шлюзы и судоподъемники», М. 1961, с.с.381-382.

Недостатком такого шлюза является наличие сложной трособлочной системы, соединяющей вытесняющий воду элемент с противовесами, и весьма большое усилие его привода.

Известен шлюз со сберегательным бассейном, содержащий камеру с воротами, соединенную со сберегательным бассейном посредством водовода с затвором, и вытесняющий воду элемент, выполненный в виде вертикального щита с возможностью его перемещения по дну сберегательного бассейна и снабженный приводом, к которому присоединены противовесы при помощи трособлочной системы; дно сберегательного бассейна выполнено криволинейным в продольном направлении, SU 552386.

В этом шлюзе обеспечивается снижение нагрузки на привод вытесняющего воду элемента, однако сохраняется сложная и материалоемкая трособлочная система, связывающая противовесы с вытесняющим воду элементом. Сами противовесы и их пути также имеют весьма большую материалоемкость.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и эксплуатации сооружения, а также снижение материалоемкости; кроме того, решается задача сокращения времени шлюзования за счет уменьшения времени ввода и вывода судов в камеру и из камеры шлюза.

Согласно изобретению в шлюзе, содержащем шлюзовую камеру с воротами и сберегательный бассейн с вытесняющим воду элементом, сберегательный бассейн выполнен в виде плавучего блока, размещенного в шлюзовой камере и снабженного механизмом его перемещения по высоте относительно шлюзовой камеры, плавучий блок выполнен из трех секций, верхняя и нижняя секция выполнены в виде герметичных воздушных отсеков плавучести, а средняя секция выполнена в виде полой емкости, соединенной со шлюзовой камерой посредством водовода с затвором, вытесняющий воду элемент выполнен в виде поршня, размещенного в полой емкости, уплотненного относительно ее днища, потолка и боковых стенок, поршень снабжен механизмом его торможения, сопряженные с поршнем поверхности днища и потолка параллельны и имеют уклон в сторону от водовода с затвором.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».

В результате реализации отличительных признаков изобретения объект приобретает новое свойство, состоящее в том, что часть воды из камеры (сливная призма) уходит в средний отсек плавучего блока самотеком, при этом поршень движется только за счет давления воды до момента опорожнения камеры шлюза до уровня нижнего бьефа (НБ). Поскольку после открытия нижних ворот шлюза плавучий блок всплывает, создается течение воды из НБ в шлюзовую камеру, которое ускоряет вход судна в камеру и процесс шлюзования в целом. (Наполнение шлюзовой камеры происходит без дополнительных энергозатрат за счет вытеснения поршнем воды из средней секции плавучего блока.) После открытия верхних ворот плавучий блок притапливается с помощью привода, а вытесненная за счет этого вода поступает в верхний бьеф (ВБ); ее течение ускоряет вывод судна из шлюзовой камеры, что дополнительно ускоряет шлюзование. В настоящем изобретении, в отличие от прототипа, отсутствует система механического уравновешивания вытесняющего воду элемента, имеющая большую материалоемкость, сложную конструкцию, значительные эксплуатационные затраты. Эти указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематически изображено:

на фиг.1 - шлюз в плане;

на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1, средняя секция опорожнена;

на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1;

на фиг.4 - разрез по В-В на фиг.1, средняя секция плавучего блока опорожнена;

на фиг.5 - разрез по В-В на фиг.1, средняя секция плавучего блока наполнена;

на фиг.6 - узел Г на фиг.4, поршень в верхнем положении перед началом опорожнения шлюзовой камеры;

на фиг.7 - узел Д на фиг.5, поршень в нижнем положении, шлюзовая камера опорожнена;

на фиг.8 - узел Д на фиг.5, поршень в нижнем положении, шлюзовая камера готова к наполнению;

на фиг.9 - узел Г на фиг.4, поршень в верхнем положении, шлюзовая камера наполнена.

Шлюз содержит шлюзовую камеру 1 с воротами 2 со стороны ВБ и воротами 3 со стороны НБ. Сберегательный бассейн выполнен в виде плавучего блока 4, который размещен в шлюзовой камере 1. Фиксация и передвижение плавучего блока 4 по высоте относительно шлюзовой камеры 1 осуществляется с помощью механизма 5. В конкретном примере это винтовая пара с электрическим или гидравлическим приводом (не показан). В рассматриваемом случае механизм 5 состоит из двух частей (винтовых пар), одна из них расположена со стороны ВБ, а другая - со стороны НБ. Возможно также выполнение механизма 5 в виде совокупности гидроцилиндров. Плавучий блок 4 выполнен из трех секций. Верхняя секция 6 и нижняя секция 7 представляют собой герметичные отсеки плавучести, заполненные воздухом. Средняя секция выполнена в виде полой емкости 8, соединенной с камерой 1 посредством водовода 9 с затвором 10. Механизм 5 осуществляет как перемещение плавучего блока 4 относительно камеры 1, так и выполняют функцию направляющих. Вытесняющий воду элемент выполнен в виде поршня 11, уплотненного валиком 12 относительно днища 13 полой емкости 8, ее потолка 14 и боковых стенок 15. Поршень 11 снабжен механизмом 16 его торможения. Сопряженные с поршнем 11 поверхности днища и потолка параллельны и имеют уклон в сторону от водовода 9 с затвором 10. Для выпуска воздуха из полой емкости 8 за поршнем 11 при ее заполнении водой, а также для предотвращения образования вакуума при опорожнении полой емкости 8, она снабжена аэрационными трубами 17 с аварийными клапанами 18.

Работа шлюза осуществляется следующим образом. В исходном положении (фиг.1) ворота 2 и 3 закрыты, камера 1 заполнена водой до уровня ВБ. Плавучий блок 4 находится в нижнем положении, при этом середина поршня 11 находится ниже уровня ВБ на величину ₁ (фиг.6), часть емкости 8 ниже поршня 11 не заполнена водой (фиг.4 и 6). Затвор 10 открыт, и вода из камеры 1 может поступать в отсек 8 плавучего блока выше поршня 11. На поршень 11 давит вода согласно закону гидростатики с интенсивностью до = _в·h, где _в - удельный вес воды, a h - высота столбца воды в емкости 8 перед поршнем, - суммарное давление воды на поршень 11, равнодействующая которой приложена при прямоугольном очертании поршня 11 на ¹/₃ его высоты. Так как середина поршня 8 находится в этот момент ниже уровня ВБ в камере 1 шлюза на величину ₁, перед поршнем создается гидравлический вакуум, величина которого определяется удельной величиной давления _1вак= _в(0,5h- ₁). Равнодействующая этого давления _1вaк будет направлена в противоположную сторону равнодействующей гидростатического давления воды на поршень 11 и при этом > _1вак, за счет чего и обеспечивается перемещение поршня 11 вдоль емкости 8.

Для снижения уровня воды в камере 1 отключают механизм 16 торможения, и поршень 11 начинает свое движение от водовода 9 вдоль отсека 8 под давлением воды (фиг.6). Так как потолок 14 отсека 8 у поршня 11 во время перемещения всегда находится выше уровня воды в камере 1, в объеме воды выше поршня 11 сохраняется гидравлический вакуум и этот гидравлический вакуум снижает суммарное давление воды на поршень 11 до величины, достаточной только для преодоления механических сил трения поршня 11 и его уплотнения 12 относительно потолка 14, днища 13 и боковых стенок 15 отсека 8, а также гидравлического сопротивления при перетекании воды из камеры 1 через водовод 9 в отсек 8.

Снижение уровня воды в камере 1 соответствует понижению положения поршня 11 при спуске вдоль наклонного днища 13 отсека 8. Благодаря этому сохраняются условия опорожнения камеры 1 за счет перемещения поршня 11 под действием постоянного давления воды на него. Система опорожнения камеры 1 является уравновешенной, при этом роль противовеса играет атмосферное давление. Система опорожнения камеры 1 обладает способностью самоторможения в аварийной ситуации при обрыве связей механизма 16 торможения и фиксации поршня 11. В этом случае поршень 11 при опорожнении камеры 1 продолжит свое движение под уклон вдоль отсека 8 под давлением воды на поршень 11. При этом вытесняемый из пространства отсека 8 за поршнем 11 воздух образует тормозящую воздушную подушку ниже поршня 11. При опорожнении камеры 1 площадь зеркала воды в ней уменьшается как за счет наклона стен, так и осушения порога верхней головы. Это снижает давление воды на поршень 11 в конце опорожнения камеры 1. Опорожнение камеры 1 в любой момент может быть остановлено аварийным клапаном 18 на аэрационной трубе 17. При опорожнении камеры 1 шлюза до уровня НБ (фиг.5; 7) механизм 16 торможения фиксирует положение поршня 11 в крайнем нижнем положении в отсеке 8 при заглублении середины поршня под уровень НБ на ₂ при соответствующих ему _2вак, при этом > _2вак. Затвор 10 на водоводе 9 перекрывает доступ воды в отсек 8. Ворота 3 камеры 1 шлюза со стороны НБ открываются. Судно (не показано) из камеры 1 выходит в НБ. Из НБ в камеру 1 шлюза заходит судно, следующее из НБ в ВБ. Блок 4 благодаря отсекам 6 и 7 плавучести имеет в любом случае положительную плавучесть, а привод 5 разгружен. При подъеме (всплытии) во время входа судна в камеру 1 плавучего блока 4 на освободившееся под ним место перетекает объем воды камеры 1, тем самым компенсируя "поршневой эффект", снижая вытесняемый судном из камеры 1 объем воды. При подъеме плавучего блока 4 в отсеке 8 перед поршнем 11 увеличивается гидравлический вакуум (фиг.8) за счет возвышения середины поршня 11 относительно уровня НБ на величину ₃ в отличие от положения в конце опорожнения ниже уровня НБ на величину ₂ (фиг.7). Давление атмосферного воздуха с нижней стороны поршня 11 превысит давление воды с другой стороны ( _3вак= _в(0,5h+ ₃)> ). Перемещению поршня 11 вверх по уклону отсека 8 под этим давлением препятствует механизм 16 торможения и фиксации. Происходит своего рода "зарядка" устройства наполнения камеры 1. Ворота 3 камеры 1 шлюза со стороны НБ закрываются. Затвор 10 водовода 9 открывается, механизм 16 торможения дает возможность поршню 11 под давлением атмосферного воздуха вытеснять воду из отсека 8 в камеру 1 шлюза.

Условия наполнения камеры 1 шлюза сохраняются до выравнивания уровня воды в камере 1 с уровнем ВБ (фиг.9). После подъема вверх по уклону отсека 8 поршень 11 находится в верхнем положении (фиг.4) и середина поршня 11 возвышается над УВБ на ₄ (фиг.9). В этот момент затвор 10 водовода 9 перекрывают для предотвращения опорожнения пространства выше поршня 11 и срыва гидравлического вакуума перед ним.

Ворота 2 камеры 1 шлюза открываются, и судно выходит в ВБ. Для уменьшения "поршневого эффекта", замедляющего процесс шлюзования, плавучий блок 4 притапливают, перемещая его с помощью привода 5 в нижнее положение (фиг.6). Вода из камеры 1 из-под плавучего блока 4 попадает в ВБ, создавая течение, способствующее более быстрому выходу судна из камеры 1 шлюза. Поршень 11 при перемещении блока 4 вниз занимает положение (фиг.6), когда середина поршня 11 заглублена под УВБ на ₁. Шлюз готов к повторению цикла, при этом обеспечивается практически полное сбережение воды и происходит компенсация протечек через уплотнения, фильтрация через грунт, испарение воды без использования насосов и объема воды в ВБ.

Возможно размещение в шлюзовой камере и двух, и более плавучих блоков. Благодаря реализации изобретения существенно упрощается конструкция и эксплуатация сооружения, снижается его материалоемкость в сравнении с прототипом. Сокращается время шлюзования за счет уменьшения времени ввода-вывода судов из камеры шлюза. Опорожнение камеры шлюза происходит без затрат внешней энергии под действием на вытесняющий воду элемент - поршень гидростатических сил, не изменяющихся по времени и уравновешенных атмосферным давлением. Всплытие плавучего блока бассейна происходит практически также без затрат внешней энергии за счет его положительной плавучести.

Так как "притопление" плавучего блока выполняется на небольшую глубину в течение длительного времени вывода судна из камеры, то мощность привода для изменения высотного положения плавучего блока минимальна для уравновешенной системы сбережения воды.