Затворы глубинных водовыпусков, подающих воду в безнапорные системы
Затворы водовыпусков (хозяйственных водоспусков), перекрывающие или напорную металлическую трубу (или туннель), или входное глубинное отверстие, сообщающее верхний бьеф с той или другой водоприемной камерой, называют глубинными. При закрытом отверстии верхняя часть (гребень) глубинного затвора в отличие от гребня водосливного затвора располагается ниже уровня воды в верхнем бьефе.
Глубинные затворы встречаются двух типов: герметические и открытые. Герметический затвор заключен в соответствующий герметический кожух (металлический корпус) с фланцами, с помощью которых он и присоединяется к напорному трубопроводу. Затвор открытого типа такого кожуха не имеет.
1. Герметические затворы бывают разных типов: водопроводные, дисковые, игольчатые, конусные, цилиндрические, вальцовые, шаровые и т. п. Рассмотрим только некоторые из них.
Затворы (задвижки) водопроводного типа могут иметь различную конструкцию. Чугунный (при большом давлении стальной) корпус задвижки (рис. 11.5) имеет два фланца, к которым присоединяются трубы. Вращая маховик 1, связанный с вертикальным шпинделем 2, имеющим винтовую нарезку, можно опускать или поднимать диски 4, перекрывающие трубопровод. При опускании шпинделя он давит на клин 5, расположенный между дисками, и прижимает их к уплотняющим кольцам 6. Когда шпиндель поднимается, диски 4 и клин 5 тоже поднимаются и располагаются в верхней части задвижки вне габаритов трубопровода.
Такого рода задвижки изготовляют диаметром до 1600 мм. Задвижки диаметром более 600 мм обычно имеют зубчатую коническую передачу от оси маховика, расположенной перпендикулярно оси шпинделя. Открытие и закрытие задвижек большого диаметра вручную требует значительных усилий и времени (более 1 ч). В этих случаях применяют электрифицированные задвижки. Шпиндель задвижки 2 иногда имеет большую длину, причем маховик задвижки 1 (см. рис. 11.4) может быть помещен, например, вверху башни. В некоторых случаях применяют плоские прямоугольные задвижки, устроенные аналогично и перекрывающие прямоугольные отверстия площадью до 5...6 м2. Обычно считают, что такие задвижки могут работать под напором до 50 м.
Чтобы уменьшить диаметр задвижки, иногда устанавливают переходные конические
Дисковый (дроссельный) затвор (рис. 11.7) может перекрывать трубопровод диаметром до 7...8 м. Ось 1 круглого литого диска 2 затвора может быть вертикальной или горизонтальной. Затвор открывают или закрывают путем вращения конца этой оси, выведенного наружу через металлический кожух затвора соответствующим приводом (гидравлического или механического действия). Уплотнение затвора в закрытом его состоянии осуществляют иногда с помощью резинового шланга (надуваемого воздухом), установленного по периметру диска.
За частично открытым дисковым затвором образуется большая водоворотная область 3, в которой может возникать значительный пульсирующий вакуум, способствующий нежелательной, вибрации затвора и его кавитационной эрозии. В некоторых случаях дисковый затвор используют только для полного закрытия и для полного открытия трубопровода; иногда его применяют в качестве аварийного затвора. В большинстве случаев дисковый затвор используют для закрытия водоприемников, подающих воду в напорные системы.
Игольчатый затвор (наиболее совершенный) позволяет легко открывать и закрывать трубопровод и хорошо регулировать расход воды, пропускаемый по трубопроводу. Диаметр трубопровода может доходить до 6...7 м; напор на затворе — до 800 м. Игольчатый затвор устанавливают в конце напорного трубопровода с расчетом получить истечение из отверстия затвора непосредственно в атмосферу. Недостатками этого затвора являются его дороговизна и сравнительно большие потери напора в пределах затвора (при полном его открытии).
Игольчатый затвор (рис. 11.8, а) имеет хорошо обтекаемый неподвижный цилиндр 1, в котором может двигаться (влево или вправо) подвижный цилиндр 2. Если с помощью особых труб соединить пространство 3 с верхним бьефом, а пространство 4 с нижним, то благодаря разности давлений в камерах 3 и 4 цилиндр 2 начнет перемещаться вправо и своим правым (обтекаемым) концом закрывать выходное отверстие затвора 1—1. Если после этого, соединить пространство 4 с верхним бьефом, а пространство 3 с нижним, то цилиндр 2 начнет перемещаться влево и откроет выходное отверстие затвора 1—1 в это отверстие вода будет поступать, обтекая цилиндр 1. Описанный игольчатый затвор имеет гидравлическое действие (существуют игольчатые затворы и механического действия).
Чтобы осуществить частичное открытие затвора, необходимо остановить цилинДр 2 в промежуточном положении. Для этого в точке а цилиндра 2 (рис. 11.8,а) имеется отверстие 6 (рис. 11.8,6), в которое входит коническая игла 5. Перемещая с помощью особого механического устройства иглу 5 влево или вправо, будем изменять отверстие а. В соответствии с этим из верхнего бьефа через область 3 в отверстие 6 будет проходить определенный расход воды, причем в области 3 установится определенное давление воды (меньше давления верхнего бьефа). Очевидно, закрывая или открывая иглой 5 отверстие а, можно установить в камере 3 такое давление, при котором цилиндр 2 будет давать необходимое промежуточное открытие выходного отверстия 1—1.
2. Открытые затворы применяют при устройстве водоспусков.
Плоские глубинные затворы представляют собой металлическую балочную клетку, покрытую металлической обшивкой. Они поднимаются и опускаются, двигаясь в вертикальных пазах. Различают: а) плоские затворы скользящего трения; к опорным частям этих затворов, выполненным в виде крайних (боковых) стоек, прикрепляют отшлифованные бронзовые или стальные полосы, скользящие или по выровненному бетону в пазах, или по специально укрепленным в пазах бронзовым или стальным полосам; с металлическими скользящими опорными частями успешно конкурируют конструкции, опирающиеся на стальные пути через полосы из специального материала, характеризуемого весьма малым коэффициентом трения древеснослоистого пластика (ДСП), масленита и др.; б) плоские колесные затворы (рис. 11.9); к опорным стойкам прикрепляют колеса, которые могут катиться по особым рельсам, закрепленным в пазах. К плоскому затвору вверху прикрепляют соответствующую тягу. Если вес затвора достаточно большой (больше силы трения, образующейся в пазах при опускании затвора), то тягу делают гибкой— в виде троса или цепи Галля; в случае же большой силы трения (в пазах) приходится прибегать к принудительной посадке затвора (при закрытии его); в этом случае тяга должна быть жесткой — в виде штока.
Плоский затвор поднимается (и в соответствующих случаях принудительно опускается) с помощью привода — ручного, электрического или гидравлического.
Затворы скользящего трения перекрывают сравнительно небольшие пролеты и работают при небольших напорах. В случае применения колесных затворов силы трения в пазах уменьшаются, а следовательно, уменьшаются и подъемные усилия. Это позволяет перекрывать такими затворами большие пролеты при напорах, доходящих до 50 м.
Чтобы затвор в закрытом состоянии не давал протечек, по периметру его устраивают особое уплотнение: донное, боковое и верхнее. Существует много различных типов таких уплотнений — в виде деревянных брусьев, стальных или резиновых полос и т. п. Проектируя уплотнения, надо различать два положения плоского затвора: а) затвор располагается перед отверстием; в этом случае давлением воды верхнего бьефа затвор прижимается к отверстию, причем уплотнения (верхнее и боковое) работают в сравнительно хороших условиях; б) затвор располагается за отверстием; в этом случае устройство уплотнений несколько усложняется. На рис. 11.10 показано для примера несколько схем уплотнений.
При частичном открытии глубинного отверстия (рис. 11.11) за плоским затвором 1 образуется водоворотная область 3, которая характеризуется повышенной турбулентностью (повышенными пульсациями скоростей и давлений), а также наличием вакуума. В связи с большими скоростями в сжатом сечении 1—1 пульсирующий вакуум может достигать большого значения. Эти обстоятельства могут порождать: а) опасную вибрацию металлической конструкции затвора; б) кавитационную эрозию бетона и металла; в) увеличение подъемного усилия затворов (в связи с «присасывающим» действием вакуума). Чтобы улучшить условия работы затвора, в некоторых случаях за ним устраивают воздухоподводящую трубу или шахту 2, сообщающую водоворотную область с наружным воздухом. При этом получают следующее: а) значение вакуума снижается, а следовательно, снижается и опасность возникновения кавитационной эрозии; б) вода насыщается пузырьками воздуха, поступающего по воздуховоду в водоворотную область; пузырьки воздуха, являясь как бы демпферами, снижают пульсацию гидродинамического давления, а следовательно, и пуль сационный вакуум, что, в свою очередь, уменьшает опасность возникновения кавитационной эрозии, кроме того, снижается и вибрация затвора.
Устраивая воздухопроводящую шахту, надо учитывать, что при этом расход воды, пропускаемой через отверстие, несколько уменьшается. Диаметр воздуховода следует назначать на основании гидравлического расчета. При этом приходится задаваться расходом воздуха в шахте, обеспечивающим надлежащее снижение пульсации гидродинамического давления, а также соответствующее снижение вакуума в водоворотноп области. При таком расчете воздух допустимо рассматривать как несжимающуюся жидкость.
Сегментные и секторные глубинные затвдры подробно освещены ниже. При глубинном расположении затворов приходится предусматривать только дополнительные горизонтальные уплотнения по верху затвора.
3. Общие замечания о расположении затворов по длине глубинных водопропускных трактов. По назначению следует различать затворы: а) основные и б) ремонтные и аварийные, перекрывающие водопропускной тракт или в определенное запланированное время, или при возникновении какойлибо аварии. Иногда необходимо, чтобы аварийные затворы были быстродействующими и способными перекрывать водопропускной тракт при больших скоростях в нем.
По длине водопропускного тракта, как правило, устанавливают последовательно два затвора: основной и аварийный (или ремонтный). При наличии только одного затвора, если имеющийся рабочий затвор в открытом его состоянии выйдет из строя, водохранилище будет не заполнено, что недопустимо.