14-6

ЛЕКЦИЯ 14

СЕГМЕНТНЫЕ ЗАТВОРЫ

Устройство сегментных затворов и их разновидности

Сегментный затвор состоит из пролетного строения (в виде сегмента круга) и опорной части (ног), передающих давление на сооружение (быки). Пролетное строение представляет собой изогнутый плоский затвор, поворачивающийся вокруг оси вращения.

Применяют одиночные затворы, с клапаном и сдвоенные (рис. 14.1).

а	б	в
г	д	е

Рис. 14.1. Разновидности пролетного строения сегментного затвора: одиночные затворы: а — со сквозными стрингерами и продольной системой балочной клетки; б — с длинной стороной панелей обшивки, перпендикулярной ригелям ― поперечная система балочной клетки; в — с неразрезными поперечными балками; г — с пролетным строением чечевицеобразной формы; составные: д — с клапаном; е — сдвоенный; 1 ― балочная клетка; 2 ― горизонтальные балки; 3 ― криволинейные стойки; 4 ― ригели; 5 ― поперечные диафрагмы; 6 ― продольные связи между ригелями, образующие подъемно-весовые фермы; 7 ― нога; 8 — неподвижные опорные шарниры

Сдвоенный затвор позволяет увеличить напор на гребне Н₀, а также облегчить маневрирование при требуемых небольших сбросах расхода воды. При сдвоенном затворе допускается перелив воды через нижний затвор при подъеме верхнего. Верх нижнего затвора в этом случае покрывается обшивкой.

Чечевицеобразные овальные сегментные затворы применяются при тяжелых ледовых условиях, такие затворы обладают повышенной жесткостью.

Пролетное строения сегментных затворов обычно состоит из двух ригелей, горизонтальных промежуточных балок (стрингеров), криволинейных стоек и обшивки. Различают два варианта пролетного строения:

• с продольной системой балочной решетки, в которой стрингеры являются неразрезными балками по всей ширине пролета;

• с неразрезными стойками — поперечная система балочной решетки, где несущие элементы расположены вертикально.

Поперечные диафрагмы обычно выполняют сплошными или в виде ферм.

Обшивка затвора, как правило, изогнута по дуге окружности радиусом R=(1,0…2,5) Н₀ (обычно R=(1,2…1,5) Н₀) с геометрическим центром, расположенным на оси вращения затвора. В этом случае равнодействующая гидростатического давления будет проходить через центр вращения (центр опорного шарнира).

а	б

Рис. 14.2. Схемы расположения пролетного строения сегментного затвора: а — затвор в пазах (безвакуумный профиль плотины); б — беспазовый затвор (вакуумный профиль плотины); 1 ― пролетное строение; 2 ― опорные ноги; 3 ― опорные шарниры; 4 ― уплотнение

Действующие силы (в момент отрыва от порога)

На рис. 14.3. схематично показаны действующие на сегментный затвор силы, при этом на рис. 14.3, а гидростатическое давление представлено в виде действительной эпюры, направленной по нормали к обшивке затвора, а на рис. 14.3,б гидростатическое давление разложено на две составляющие: вертикальную и горизонтальную.

а	б

Рис. 14.3. Схема нагрузок на сегментный затвор: а — с отображением действительной эпюры гидростатического давления; б — с разложенной эпюрой гидростатического давления на горизонтальную и вертикальную составляющие

К нагрузкам, действующим на сегментный затвор в момент отрыва от порога относятся следующие.

Гидростатическое давление является основной нагрузкой, действующей на затвор. Опорный шарнир должен быть расположен таким образом, чтобы линия действия равнодействующей гидростатического давления проходила через его центр. Направление равнодействующей гидростатического давления можно определить по схеме 14.3,б, для чего необходимо вычислить значения его составляющих и выполнить их векторное сложение:

; ,

где — площадь заштрихованной зоны на рис. 14.3,б — площадь эпюры вертикальной составляющей гидростатического давления, выраженной в метрах водяного столба.

Вес затвора G_з предварительно можно определить по приближенной зависимости А.Р. Березинского:

,

где — площадь перекрываемого затвором пролета, м²; .

Сила трения в уплотнениях:

,

где — ширина уплотнения;

— коэффициент трения, .

Сила трения в опорных шарнирах:

,

где — сила, приходящаяся на опору и определяемая векторным сложением двух сил: вес затвора , приходящегося на рассматриваемую опору, и равнодействующей гидростатического давления воды.

определяется из уравнения равновесия (суммы моментов всех сил и реакций относительно точки А приложения подъемного усилия):

.

Гидродинамическое давление W_г. Определяется по той же формуле, что и для плоского затвора:

,

где — давление, вызванное разрежением потока воды, МПа;

h_в — величина вакуума, м в. ст., h_в = 6 м в. ст.;

— ширина стрингера.

Подъемное усилие и мощность привода

Подъемное усилие определяется из уравнения равновесия — суммы моментов всех сил и реакций относительно оси вращения, точки О:

,

где k₁, k₂ — коэффициент запаса, , .

— плечо сил трения в уплотнениях, ;

— плечо сил трения в шарнирах.

.

Плечо силы меняется в зависимости от положения затвора, поэтому меняется и само усилие.

Подъемное усилие обычно меньше веса затвора, что является безусловным преимуществом по сравнению с плоским затвором.

Мощность привода определяется по зависимости:

, кВт,

где — скорость движения затвора, = 0,3÷0,5 м/мин;

— коэффициент полезного действия привода, = 0,6÷0,8.

Основы расчета затвора

В расчетном отношении сегментный затвор представляет собой две рамы, образуемые ригелями и опорными ногами (рис. 14.5) и имеющие, как правило, шарнирно-неподвижные связи. Верхняя и нижняя рамы (порталы) связаны между собой расположенной в вертикальной плоскости балочной решеткой.

Порталы могут быть плоскими (при малых пролетах ) и пространственным, с жестким или шарнирным соединением ригелей и ног (рис. 14.6).

Рис. 14.5. Расчетная схема сегментного затвора

а	б	в	г

Рис. 14.6. Схемы конструкций несущей части затвора и его опорных ног: а — пролетное строение и опорные ноги в виде жесткой решетчатой конструкции; б — затвор с гибкими (деформирующимися) опорными ногами; в — затвор с вертикальными опорными шарнирами; г — затвор с наклонными опорными ногами

При жестком соединении пролета и ног в опорах и шарнирах появляются горизонтальные силы S (рис. 14.7).

Рис. 13.17. Эпюра моментов для портала с пространственной конструкцией ног

Для определения усилий в элементах пространственной конструкции необходимо, в первую очередь, определить реакции в опорах, а затем собрав нагрузку q_р в узлы фермы выполнить ее расчет (например, построением диаграммы Максвелла-Кремоны или посредством САПР).

При больших пролетах для уменьшения изгибающего момента используют наклонные ноги, которые уменьшают пролетный момент (рис. 14.8)

а	б

Рис. 14.8. Эпюра моментов для портала двухконсольного сегментного затвора: а — двухконсольный сегментный затвор; б — эпюра моментов в ригеле

Опорные шарниры

Различают шаровые, цилиндрические и конические опорные шарниры.

Шаровые шарниры (рис. 14.9, г), позволяющие деформироваться опорным ногам во всех направлениях, не получили широкого распространения в виду сложности их изготовления.

Цилиндрические шарниры могут иметь одну (рис. 14.9, а) и две (рис. 14.9, б) проушину в подвижной части.

Конические шарниры применяют в затворах с наклонными ногами средних и больших пролетов и напоров (рис. 14.9, в).

Рис. 14.9. Опорные шарниры сегментных затворов (а—г) и их заделка в быках (д—ж):

1 ― подвижная часть; 2 ― неподвижная часть

а	б

Рис. 14.10. Статическая работа затвора при различных опорных шарнирах: а — при цилиндрической опоре; б — при шаровой опоре