Вальцовый затвор
1. Общие сведения. Вальцовый, или цилиндрический, затвор представляет собой трубу большого диаметра, перекрывающую водосливное отверстие. Эта труба может выкатываться по наклонным зубчатым рельсам, укрепленным в пазах быков (см. рис. 20.1, г)
В настоящее время можно различать три схемы поперечного сечения обычного вальцового затвора: а) в виде круглоцилиндрической трубы (рис. 21.37, а); б) трубы с нижним щитком (рис. 21.37,в). В последнем случае гидростатическое давление непосред ственно воспринимает обшивка 1 переднего козырька б; сама же труба, образованная обшивкой 5, играет роль несущей конструкции. .
На концах затвора укреплены бандажи 3 с зубчатым зацеплением (рис. 21.38, а, б), в пазах быков (или устоев) укреплены рельсы 4, наклоненные к горизонту под углом 55...70° (эти рельсы имеют зубчатую рейку). Один конец затвора охватывает рабочая цепь (или трос) 1 (рис. 21.39), нижний конец этой гибкой, тяги прикреплен к затвору, а верхний идет к лебедке; другой конец, затвора охватывает холостая тяга 2, причем верхний конец этой тяги.наглухоприкреплен к бетонной конструкции, а нижний — к затвору. Хвостовая тяга намотана на затвор в противоположном направлении по сравнению с рабочей тягой.
Подъемное усилие Sf, приложенное к рабочей тяге (рис. 21.38,а), заставляет катиться затвор по рельсам. При этом рабочая тяга сматывается с затвора, а холостая наматывается на него. Вальцовые затворы обслуживаются только стационарными лебедками.
2. Основные силы, действующие на затвор. Гидростатическое давление определяется по известным правилам гидростатики. Наличие вертикальной составляющей Ру (рис. 21.40) гидростатического давления, направленной вверх (и выражаемой площадью ABC — телом давления), уменьшает подъемное усилие Sf. Иногда момент силы Ру относительно мгновенного центра качения О может оказаться даже больше момента собственного веса затвора относительно упомянутой точки О, причем затвор автоматически будет выкатываться из воды (при Sf = 0). Чтобы добиться автоматического открытия отверстия, необходимо: а) подобрать соответствующее очертание обшивки переднего козырька и зубчатой рейки; б) выбрать определенное положение точки А; в) назначить угол ф наклона рельсов к горизонту. .
Массу затвора т (в т) в первом приближении можно определять, например, по эмпирической формуле А. Р. Березинского m = 0,5A+0,02/7* F, где F — площадь отверстия, перекрываемого затвором, м.
Трение в боковых уплотнениях затвора (см. рис. 21.38,6) рассчитывают так же, как и в случае плоских и сегментных затворов. Подъемное усилие Sf определяют из уравнения моментов всех сил, действующих на затвор, составленного относительно точки О—центра качения затвора (рис. 21.40).
3. Замечания о конструкции обычных вальцовых затворов. Вальцовые затворы изготовляют из металла; дерево применяют только для их уплотнения.
Пролетное строение затвора.
Несущую часть затвора в виде тру бы конструируют следующим обра .юм: поперек трубы на расстоянии друг от друга, например, 1,5...2,0 м располагают поперечные диафрагмы 2(рис. 21.41); вдоль затвора по нерху диафрагм пролагают горизонтальные балки 3, называемые иногда обрешетинами; по внешнему кон туру трубы располагают обшивку /, выполненную из стальных листов (толщиной 10...15 мм). Конструкция диафрагм может быть самая различная (рис. 21.41 и 21.42).
Передний козырек и нижний щиток показаны на рис. 21.42 и 21.43.
Очертание обшивки переднего козырька часто проектируют так, чтобы при открытии отверстия (при поднятии затвора) она отходила от наносов, отложившихся перед затвором, или от ледяного поля, образовавшегося в верхнем бьефе.
Опорные диафрагмы. Концы затвора опираются на рельсы, расположенные в пазах быков (или устоев). Опорные поперечные диафрагмы 4 (см. рис. 21.41), устраиваемые в этих местах, усиливают, причем в конце затвора располагают рядом, например, две диафрагмы.
Опорные части. Ходовые (движущиеся) опорные части, укрепленные снаружи на концах круглоцилиндрической поверхности затвора, представляют собой ободы (бандажи); эти ободы снабжены зубчатым зацеплением (см. поз. 1 на рис. 21.42). Неподвижная опорная часть одного конца затвора представляет собой наклонный рельс, сбоку которого устроена зубчатая рейка,,представляющая собой одно целое с рельсом (см. поз. 2 на рис. 21.42). На рис. 21.44 показана схема поперечного сечения опорных частей затвора: рельс 7 (неподвижный) и бандаж 3 (подвижный). При маневрировании затвором гладкая поверхность а бандажа катится по гладкой поверхности b рельса, причем происходит зацепление зубьев бандажа и рельса.
Крепление гибких тяг к затвору. К затвору прикрепляют две гибкие тяги в виде, например, цепей Галля (см. рис. 21.39) —рабочую и холостую. Концы этих тяг укрепляют на поверхности обшивки затвора (рис. 21.38, а и 21.42). Взаимное расположение тяг и бандажей на концах затвора показано на рис. 21.44.
Уплотнение затвора. Конструкция уплотнений вальцовых затворов не отличается от конструкции уплотнений плоских и сегментных затворов. При конструировании боковых уплотнений приходится предусматривать устройство боковых пружинящих стальных листов, закрывающих пазы со стороны верхнего бьефа (см. поз. 5 на рис. 21.45); к этим листам и прикрепляют деревянное или резиновое уплотнение.
4. Условия работы вальцового затвора и замечания о его расчете. Несущая часть вальцового затвора в виде круглоцилиндрической трубы работает как балка на двух опорах. Напряжение на изгиб воспринимается гроизонтальными балками (обрешетинами) и обшивкой трубы. В тех местах, где эта обшивка непосредственно соприкасается с водой, она воспринимает еще дополнительные места напряжения, обусловленные местным гидростатическим давлением. В связи с подъемом затвора за один конец вся конструкция затвора подвергается также скручиванию.
При различных открытиях отверстия на затвор действуют разные силы. Например, в самом начале открытия отверстия (когда, оно еще практически закрыто) на затвор действует относительно большая сила Ру гидростатического взвешивания и относительно малая сила Sf; при полном же открытии отверстия на затвор действует большая сила 5,сила же Ру — 0. Поэтому при расчете элементов затвора приходится рассматривать различные его высотные положения.
Иногда в первом приближении диаметр D круглоцилиндрической трубы, образующей несущую часть затвора, задают равным. В случае затвора с передним козырьком можно рассматривать ряд вариантов диаметра трубы: D2, D3,..., причем среди этих диаметров выбираем экономически иаивыгоднейший, учитывая следующее: при малом диаметре D трубы, воспринимающей заданную нагрузку, получаем‘согласно расчету трубчатой балки на изгиб большую толщину б ее стенок; при большом же диаметре D трубы получаем (при той же нагрузке, действующей на трубу) малую толщину б ее стенок. Поскольку пес 1 м длины трубы равен yMfmD (где ум — удельный вес металла), то существует некоторый экономически наивыгоднейший диаметр D, стоимость трубчатой балки приобретают минимальное значение.
5. Основные размеры вальцового затвора. Диаметр D кругло цилиндрической части затвора редко бывает более 5,0 м. Пролеты, перекрываемые вальцовым затвором, доходят до 45...60 м. Высота же Д затвора достигает 9...13 м. Высота нижнего щитка затвора равна обычно (0,4...0,5) Н. При больших Н, как правило, делают затвор с передним козырьком. Поскольку концы затвора должны входить в пазы быков, то эти пазы в быках получаются относительно широкими и имеют большую глубину (до 1,0...2,0 м); общая длина затвора получается на 1...3 м больше, чем пролет отверстия в свету. Разумеется, быки в случае вальцовых затворов получаются относительно большей толщины — не менее, например, 5...6 м.
6. Пример обычного вальцового затвора. На рис. 21.45 для примера показана конструктивная схема вальцового затвора с нижним щитком.
7. Особые конструкции вальцовых затворов. Помимо описанного выше обычного вальцового затвора встречаются еще вальцовые затворы особого типа: а) опускающиеся (рис. 21.46, а); б) с верхним водосбросным клапаном (рис. 21.46, б); в) с пролетной несущей частью в виде трубы, отличной от круглоцилиндрической, имеющей в поперечном сечении вид чечевицы или вид, показанный на рис. 21.46,s, эти затворы обладают большей жесткостью; на опорах таким затворам (их опорным диафрагмам) придают круглоци линдрическую форму, чтобы они могли катиться, по прямолинейному рельсу, заделанному в пазу; г) автоматического действия (предложенного В. Г. Гебелем); обшивке переднего козырька этого затвора и зубчатой рейке придают такое очертание, при котором в случае поднятия уровня воды верхнего бьефа выше определенной отметки затвор начинает «всплывать» и выкатываться по рельсам.
8. Общая характеристика вальцовых затворов. Площадь F, перекатываемая этим затвором (см. рис. 21.21), достигает 300... 450 м2, т. е. больше, чем в случае плоских и сегментных затворов.
Преимущества вальцовых затворов: 1) простота опорных частей; 2) недорогие подъемноопускные механизмы, так как подъемные усилия Sf в случае вальцового затвора получаются сравнительно малые: начальное Sf*0,3G; конечное Sf*siO,5G; промежуточное Sf»0,8 G; 3) весьма большая жесткость затвора, в связи с чем эти затворы могут не только воспринимать удары и навалы льда и других плавающих тел, но и без повреждений отрываться (в случае необходимости) от порога плотины, к которому они примерзли; 4) вальцовые затворы не требуют устройства служебных мостов; служебное сообщение можно осуществлять по самому затвору; подъемные же механизмы располагают на быках, причем один бык используют для размещения лебедок, обслуживающих два соседних пролета.
Недостатки вальцовых затворов: 1) высокая стоимость (они имеют большой вес); 2) сложный монтаж затворов; 3) быки получаются толще, чем в случае плоских и сегментных затворов; высота и длина быков также получается относительно большой; 4) в случае обычных вальцовых затворов сброс шуги и льда в нижний бьеф оказывается затруднительным; 5) уровень верхнего бьефа в случае обычного вальцового затвора относительно трудно регулировать.
В случае самовыкатывающихся (автоматически действующих) затворов и при наличии льда в верхнем бьефе переход «скачком» от открытия затвора, равного (0,15...0;25), к полному открытию ошсрстия (во избежание подныривания льда под затвор) осуществляется механическим способом — с помощью лебедок.
Вальцовые затворы просты и удобны в эксплуатации. Считают, что эти затворы особенно удобны в условиях суровой зимы и обильных наносов. Однако в связи с большой их стоимостью в последнее время они используются весьма редко. В СССР вальцовые затворы нашли лишь единичное применение.