Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса об исследованиях гвдродинамическйх явлений в наклонных судоподъемниках 12
1.1. Краткие сведения о типах и конструкциях транспортных судоподъемников 12
1.2. Гидродинамические исследования камерных наклонных судоподъемников 19
1.3. Исследования гидродинамики водоклинового судоподъемника 30
2. Аналитическое решение задачи о движении жидкости в судоподъемнике 37
2.1. Основные расчетные уравнения 37
2.2. Решение задачи о волновых явлениях в водо клиновом судоподъемнике 48
2.3. Определение гидродинамических воздействий при транспортировке судна 50
3. Численное решение задачи о транспортировке судна в судоподъемнике 60
3.1. Постановка задачи 60
3.2. Представление расчетных зависимостей в конечно-разностном виде 68
3.3. Описание реализации расчетного алгоритма для ЭВМ 74
4. Лабораторные исследования водоклинового судоподъемника 77
4.1. Цели и задачи исследований. Моделирование исследуемых процессов 77
4.2. Экспериментальная установка, исследуемая модель, измерительная и регистрирующая аппаратура . 87
4.3. Методика и техника проведения лабораторных исследований.Обработка экспериментальных данных 107
4.4. Результаты лабораторных исследований гидромеханики клина вода при транспортировке. 116
4.5. Определение присоединенной массы жидкости 131
5. Рекомендации для определения основных параметров судоподъемника 138
5.1. Основные параметры водоклинового судоподъемника 138
5.2. Установление профиля волновой поверхности. 141
5.3. Определение условий отстоя судов 145
5.4. Назначение режимов движения передвижного щита при определении параметров водоклинового судоподъемника 152
Основные выводы 154
Список использованной литературы 157
Приложения 165
- Гидродинамические исследования камерных наклонных судоподъемников
- Решение задачи о волновых явлениях в водо клиновом судоподъемнике
- Представление расчетных зависимостей в конечно-разностном виде
- Экспериментальная установка, исследуемая модель, измерительная и регистрирующая аппаратура
Введение к работе
Перспективными планами социального и экономического развития народного хозяйства СССР до 1990 г., постановлениями ХХУТ съезда КПСС предусматривается значительное увеличение строительства крупных гидротехнических объектов (например, больших машинных каналов для регионального перераспределения стока рек, таких, как каналы переброски части стока северных рек в Волгу, сибирских рек в бассейн Аральского моря), создание новых транспортных коммуникации в районах Сибири и Дальнего Востока. В решении этих проблем большое значение придается водному транспорту, эффективность использования которого в существенной мере зависит от судопропускных сооружений, выбор рациональных типов которых является весьма актуальной задачей. Решение этой задачи во многом предопределяется применением более совершенных конструкций, научным обоснованием технических решений и уровнем проектных работ. В настоящее время установлено, что при благоприятных топографических условиях; наиболее эффективным типом судопропускных сооружений, особенно в составе высоконапорных гидроузлов, а также в условиях необходимости сбережения воды, являются водоклиновые судоподъемники /58/.
Отличительной чертой водоклинового судоподъемника является то, что при отсутствии судовозной камеры, применяемой в ранее известных типах судоподъемников, суда в нем транспортируются наплаву в клине воды, толкаемом передвижным щитом.
По сравнению с традиционными техническими решениями вопроса судопропуска через гидроузлы с помощью шлюзов и судоподъемников с камерами, вариант с использованием водоклинового судоподъемника имеет совокупность достоинств, которые позволяют ему по технико-экономическим показателям успешно конкурировать как со шлюзами, так и с судоподъемниками. /73/.
В отличие от всех других типов судопропускных сооружений, водоклиновый судоподъемник может одновременно выполнять функции рыбохода, а в случае необходимости, и водосброса без существенных дополнений к конструкции, что ведет к значительному снижению капитальных затрат на строительство гидроузла в целом.
Обладая важным достоинством наклонных судоподъемников -незначительным удорожанием строительства с увеличением напора на сооружение, - бескамерные водоклиновые судоподъемники лишены тех недостатков, которые ограничивают область применения судоподъемников с движущейся камерой на высоконапорных гидроузлах крупных рек. Действительно, с увеличением напора требуется только удлинение лотка и путей передвижного щита, стоимость которых несущественна. Одним из недостатков судоподъемников с движущейся камерой, который можно ликвидировать, применив водоклиновый судоподъемник, является неблагоприятное распределение нагрузок на грунт, приводящее к усилению конструкций и к увеличению стоимости сооружения. В случае водокли-нового судоподъемника опорноходовые части передвижного щита будут воспринимать и передавать на пути нагрузку в 15-20 раз меньшую, чем опорноходовые части камеры наклонного судоподъемника. Судовозный лоток получается достаточно легким, так как максимальный слой воды в нем не превышает 10-12 м (при полезной длине зеркала клина 300 м), отсюда суммарное давление, передаваемое на грунт от конструкции лотка с учетом веса воды, не превосходит 0,15.Ша. Таким образом, требования к геологическим условиям при. строительстве водоклинового судоподъемника гораздо ниже, чем для остальных типов наклонных судоподъем - 9 ников, что значительно расширяет область его использования. Кроме того, установлено, что удовлетворительные условия эксплуатации: судоподъемника соблюдаются и. в том случае, когда лоток сделан с переменным уклоном, при этом и в плане он может иметь криволинейное очертание. Все это дает возможность, во-первых, значительно снизить стоимость судоподъемника за счет уменьшения объема земляных работ; во-вторых, с одинаковым успехом применять данный тип судоподъемника как на вновь строящихся гидроузлах, так и на уже существующих.
Расчеты, проведенные для определения тяговых усилий привода саїлоходнои камеры и. передвижного щита при. одних и тех же полезных габаритах судоподъемника, показали, что затраты электроэнергии при работе водоклинового судоподъемника несколько ниже. При использовании на высоконапорных гидроузлах шлюзов, значительные объемы воды теряются на шлюзования, что приводит к потерям в выработке электроэнергии, которые в 10-20 раз превышают затраты электроэнергии на эксплуатацию водоклиновых судоподъемников, не имеющих потерь воды (кроме потерь через уплотнения передвижного щита, практически равных потерям через уплотнения ворот шлюза). Таким образом, водоклиновый судоподъемник весьма экономичен при эксплуатации.
Водо-клиновые судоподъемники обладают большой пропускной способностью; объясняется это несколькими причинами. Во-первых, они могут пропускать без расчалки составы большегрузных толкаемых барж и иметь габариты полезной площади, клина, аналогичные шлюзам с длиной камеры 300 м и шириной 18 м. В случае незначительных колебаний уровня воды в верхнем бьефе, благодаря малому уклону дна на участке клина с глубинами меньше гарантированных, могут размещаться суда с осадкой меньше расчетной, при этом полезная длина зеркала воды, занятая транспортируемыми судами, может возрастать до 450 м, что недостижимо ни при каких других типах судопропускных сооружений. Во-вторых, при напорах более 25 м скорость перемещения щита может приниматься равной 2,5 3,0 м/с. Связано это с тем, что треугольная форма клина воды обеспечивает хорошее гашение возникающих при движении волнений и колебаний. Наличие судов на поверхности водяного клина еще больше снижает волновые явления, что позволяет при трогании с места и торможении задавать значительные значения ускорения, шлея при этом удовлетворительные условия отстоя судов. На условия отстоя судов благоприятное влияние оказывает и то, что в водяном клине почти отсутствуют циркуляционные течения.
При определении пропускной способности и стоимостных показателей судоподъемника необходимо учитывать и тот положительный факт, что суда при транспортировке в водоклиновом судоподъемнике преодолевают значительные расстояния по горизонтали, не затрачивая энергии на перемещение, со скоростями даже несколько большими, чем при движении по каналам.
Накопленный в нашей стране опыт проектирования водоклино-вых судоподъемников и уровень научных исследований по ним,позволяют уже сейчас рекомендовать использовать их при решении проблемы водно-транспортного освоения сибирских рек, на которых построено большое количество высоконапорных гидроузлов без судопропускных сооружений. Ленгидропроектом разработан принципиально новый вариант конструкции водоклинового судоподъемника с полезными габаритами 180x36x4 м и доказана эффективность его использования на всех, включая низконапорные, гидроузлах канала переброски части стока сибирских рек в бассейн Аральского моря.
В заключение отметим, что в настоящее время ЛПЙ им.Калинина, Ленгидропроектом и Дрезденским техническшл университетом проводятся совместные исследования с целью разработки рекомендаций по применению водоклиновых судоподъемников на водных путях стран членов СЭВ.
Гидродинамические исследования камерных наклонных судоподъемников
Как в судоподъемниках с наливными камерами, так и в водоклиновых судоподъемниках, процесс транспортировки судна осложняется воздействием на него инерционных сил и вызванных движением щита колебаний уровня воды. При этом могут возникнуть неблагоприятные условия отстоя судна - произойти обрыв швартовых связей, соударение судна с конструкциями. Поэтому, при проектировании данных типов судоподъемников, особо важное значение приобретает определение гидродинамических нагрузок на конструкции и судно.
Следует отметить, что до пятидесятых годов нынешнего столетия этот вопрос практически не исследовался. Обусловлено это тем, что до указанного периода, строительство наклонных транспортных судоподъемников в составе низко- и средне-напорных гидроузлов было нерентабельно. С началом возведения крупных средне- и высоконапорных гидроузлов и использования судов большой грузоподъемности, продольные наклонные судоподъемники становятся основными судопропускными сооружениями, успешно конкурирующими со шлюзами. В этот период проводятся фундаментальные исследования гидродинамических процессов, возникающих в судовозной камере при нестационарных режимах ее движения.
Зарубежные исследования гидродинамики наклонных судоподъемников подробно освещены в статье О.Ф.Васильева / 6 /. Однако, для полноты изложения данной проблемы, ниже приведены основные результаты этих работ.
При проектировании судоподъемника Ронкьер, для определения влияния ускорения камеры на возникновение колебаний поверхности воды, а также находящихся на ней судов и перемещения их относительно стенок камеры производились теоретические / 69 / и экспериментальные исследования /71,78 /. Теоретические исследования были выполнены бельгийским инженером де Рисом ( J с(е Ri.es) /69/. Большая часть его работы посвящена изучению поведения воды в камере без судна. Для решения данной задачи автором предложен так называемый метод "эквивалентных осцилляторов" (колебателен) . При этом делаются следующие допущения: I) жидкость идеальна, а ее движение безвихревое; 2) учитывается только горизонтальная составляющая ускорения. Первоначально рассматривается покоящаяся камера прямоугольного сечения. Используя известное гидромеханическое решение плоской линейной задачи о стоячих волнах в жидкости конечной глубины, автор определяет профиль свободной поверхности и потенциал скорости с помощью метода Фурье.
Затем колебания воды с гармоникой порядка К заменяются "эквивалентным осциллятором", который представляет собой тело массой ГЛ. , соединенное пружиной с камерой и совершающее относительно нее горизонтальные , колебания. К -й осциллятор оказывает на камеру воздействие, аналогичное воздействию колебания воды с частотой СОк . Запас потенциальной энергии осциллятора равняется потенциальной энергии соответствующей гармоники колебаний воды. Параметры каждого осциллятора (его масса и коэффициент упругости пружины) подбираются из условия пропорциональности его колебаний и колебаний уровня свободной поверхности воды у торцевой стенки камеры. Далее в систему осцилляторов вводится жестко связанное с камерой тело, которое дополняет общую массу условных тел до равенства массе воды в камере.
Применение такого искусственного приема позволяет свести изучение движения воды в камере к решению системы бесконечного числа дифференциальных уравнений. Система решается для различных режимов движения с использованием преобразования Лапласа. Оценка сил, действующих со стороны к -го осциллятора, позволяет предположить, что влияние осцилляторов высоко-го порядка незначительно. Отсюда сделан вывод о том, что в практических расчетах достаточно учитывать несколько первых колебаний, т.е. решать конечную систему дифференциальных уравнений.
Сопротивление трения воды о днище и стенки камеры приближенно учитывается поправками в уравнениях движения осцилляторов. Переходя к изучению колебаний воды в камере, содержащей пришвартованное судно, де Рис ограничивается случаем плоскопараллельного движения судна в форме параллелепипеда. Кроме того делается ряд спорных допущений. В частности, профиль поверхности воды в камере с судном и без него принимается одинаковым. В результате этого частоты колебаний, полученных методом эквивалентных осцилляторов, практически не отличаются от соответствующих частот колебания жидкости в камере без судна. Объясняется это тем /6 /, что аппарат эквивалентных осцилляторов является слишком условным при рассмотрении связанных колебаний жидкости и судна. К тому же потенциальная энергия воды определяется весьма приближенно, а сила воздействия осцилляторов на камеру приравнивается силе воздействия воды на камеру и судно, что справедливо только при абсолютно жестком закреплении судна в камере.
Усилия в швартовых де Рис получает, применяя преобразования Лапласа к системе уравнений движения осцилляторов уравнения продольного движения судна и уравнения движения камеры. По результатам теоретических исследований автор предлагает разгонять (замедлять) камеру с ускорением, линейно изменяющимся во времени.
Второй из наиболее значительных работ, выполненных за рубежом по гидродинамике наклонных судоподъемников, являются исследования запроектированного в составе гидроузла Орлик на р.Влтаве в Чехословакии судоподъемника для преодоления напора 70 м. Для перевозки судов водоизмещением 308 т предназначалась камера длиной 33 м, шириной 6 м, с глубиной воды 2,3 м. Угол наклона судовозных путей 22 /67,77/. Теоретические и экспериментальные исследования были выполнены М.Влчеком из Пражского института водного хозяйства. Основная цель исследований заключалась в определении швартовых усилий при различных режимах остановок судоподъемника: остановке с постоянным ускорением и в аварийном режиме.
Решение задачи о волновых явлениях в водо клиновом судоподъемнике
Рассматривается задача о колебаниях жидкости в судоподъемнике, движущемся равноускоренно вверх без судна. Вначале исследуем случай колебательного движения щита. Допустим, что ско-рость движения щита изменяется по заданному закону 2 - tfo Q , где 1Г0 - максимальная амплитуда скорости, со - частота колебаний, t - время. Колебательные процессы жидкости в различных емкостях с горизонтальным дном успешно изучались рядом авторов /43,62/.
Рассматривается задача о совместных колебаниях жидкости и судна в судоподъемнике, движущемся с ускорением вверх. Скорость передвижного щита, как и в п.2.2, принимаем изменяющей - 51 ся по закону #"«, % в . Для решения данной задачи, используем метод разделения переменных (метод Фурье). Искомый потенциал представим в виде
Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что получено аналитическое решение задачи о движении жидкости в водоклиновом судоподъемнике. Действительно, зная потенциал скорости, можно легко получить выражение для скоростей и давлений во всех подобластях клина (с судном и без него), а по ним определить интересующие нас нагрузки на конструкции судоподъемника и усилия в швартовых связях. Решению этого вопроса посвящена заключительная глава данной работы.
Так же, как и в п.2.1, рассмотрим случай движения водоклинового судоподъемника с переменным по времени ускорением. При этом сохраняются основные допущения (2.1): жидкость идеальная несжимаемая, движение жидкости одномерное, передвижной щит и лоток абсолютно жесткие. Однако, ограничений на движение судна при данном решении не накладывается. В ходе решения в качестве неизвестных величин рассматриваются скорости движения частиц жидкости и контуров судна, а также давления в изучаемой области. Движение жидкости в судоподъемнике рассмотрим в неподвижной системе координат ЗСО Перемещения судна будем определять в подвижной системе координат э о , начало которой 04 совпадает с центром тяжести судна, а оси системы xLtt± в начальный момент параллельны соответствующим осям Х,н .
Рассмотрим вопрос об определении, давлений и скоростей в точках, расположенных на погруженной части судна. В данном случае (плоская задача) представляем судно в виде прямоугольника с абсолютно жесткими гранями. В общем случае судно совершает продольные горизонтальные и вертикальные перемещения и при этом имеет возможность поворачиваться на угол у .
Уравнения (3.1.31), решенные совместно с (3.1.10), (3.1.14), (3.1.15), (3.1.17), (3.1.32), (3.1.33) и выполнение условий (3.1.18) и (3.1.36), полностью определяют поле давлений в расчетной области жидкости, по которому легко определить гидродинамические параметры вода и судна.
Представление расчетных зависимостей в конечно-разностном виде
Наложим на рассматриваемую область конечно-разностную сетку (рис.3.2), разделив ось X на отрезки длиной f}e , а ось 2 - на отрезки длиной Ь2 В узлах данной сетки, обозначенных на рис.3.2 точками, будем определять значения неизвестных скоростей жидкости. При этом слабонаклонное дно аппроксимируется ломаной ступенчатой линией. Глубина воды у щита делится на Nt частей длиной hz » соответствующих количеству ступеней, каждая из которых делится, в свою очередь, на N2 частей длиной Пх . Вторую сетку, в узлах которой, обозначенных на рис.3.2 крестиками, вычисляются неизвестные значения давлений, наложим на первую со смещением на половину шага как по X , так и по Z . При этом расширим изучаемую область на половину соответствующего шага во все стороны.
В связи с большим объемом вычислений решение задачи производилось на ЭВМ. Порядок вычислений следующий: каждому узлу сетки присваивается некоторое начальное значение функции Pt-,j (3.1.18), (3.1.36), которое рассматривается как первое приближение, затем прикладывается нагрузка и по зависимостям (3.2.5f3.2.8), (3.2.21), (3.2.22) находятся исправленные значения функции на границах, после чего решается уравнение (3.2.4) для внутренних точек области. Процесс последовательных приближений повторяется до тех пор, пока разность значений функции в каждом узле сетки в двух последовательных приближениях не станет меньше наперед заданной малой величины. Далее, следующий шаг по времени, задается очередная ступень нагрузки, для которой предыдущее состояние поля давлений рассматривается как начальное, и все операции повторяются вновь. Процесс вычислений может быть проведен для любого, интересующего нас, периода времени. Для изложенного алгоритма была составлена программа вычислений на ЭВМ ЕС 1035. Программа написана на алгоритмическом языке Фортран-1У /41,46/. Текст программы приведен в приложении 2, блок схема представлена на рис.3.3. В програм - 75 ме реализован алгоритм вычислений параметров жидкости для случая движения клина воды без судна.
Лабораторные исследования водоклинового судоподъемника проводились с целью экспериментальной проверки выполненных теоретических разработок по определению гидродинамических характеристик воды и судна при транспортировке. В задачу исследований входило определение колебаний поверхности воды, силовых воздействий на судно, его вертикальных и продольных перемещений в зависимости от различных неустановившихся режимов работы судоподъемника.
Для экспериментального изучения условий транспортировки судов в водоклиновых судоподъемниках необходимо соблюдение законов механического подобия, включающего геометрическое, кинематическое и.динамическое подобия, при наличии одинаковых граничных и начальных условий. Представим, основываясь на методе анализа размерностей /37,40,50,55/, процесс движения водоклинового судоподъеглника с судами в виде расширенного критериального уравнения. Для этого, первоначально выделим характерные параметры, отражающие физическую сущность исследуемого процесса, и установим определяющие критерии подобия. Условно будем рассматривать общую задачу моделирования состоящей из трех фрагментов (рис.4.1): исследование движения по наклонной плоскости объема жидкости, имеющего свободную поверхность; исследование взаимодействия свободно плавающего судна с объемом жидкости; исследование взаимодействия водяного клина с ошвартованными судами.
Нарушение спокойного состояния водяного клина происходит за счет передачи давления от перемещающегося щита на жидкость. Движение щита обусловливается приложением тягового усилия, но принятие силы тяги электровозов в качестве характерной величины приводит к существенным затруднениям, связанным с необходимостью моделирования сил трения в опорно-ходовых частях и уплотнениях.
Экспериментальная установка, исследуемая модель, измерительная и регистрирующая аппаратура
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры "Водные пути и порты" Ленинградского политехнического института им.М.И.Калинина на специально построенной установке (рис.4.2, 4.3), включающей: наклонный лоток; пути тележек щита, расположенные по верху лотка; тележки, предназначенные для размещения контрольно-измерительной аппаратуры, крепления щита и швартовых связей судна; щит с уплотнениями; опорные конструкции лотка и устройства для изменения его уклона (винтовые домкраты); механическую систему для передвижения модели судоподъемника и электропривод.
Длина наклонной части лотка, на которой осуществлялось движение щита с водяным клином, составляла 20 м, максимальная равнялась 27 м. На стенах лотка по всей его длине уложены рельсы, высокая точность установки которых (до I мм) контролировалась нивелировкой. Щит выполнен в виде заслонки по форме поперечного сечения лотка, прикрепленной к тележке. По всему контуру соприкосновения с лотком, щит снабжен специальными уплотнениями, имеющими малый коэффициент трения скольжения и обладающими достаточной упругостью для удержания воды в клине. По длине лоток имеет шесть опор, одна из которых шарнирная, остальные разъемные. Изменение уклона лотка производится винтовыми домкратами. Лоток снабжен системой наполнения и опорожнения.
Механическая система для передвижения тележек со щитом и необходимого объема воды состоит из: редуктора, жесткой муфты, соединяющей электродвигатель с редуктором; ведущего и ведомого шкивов; бесконечного стального троса и натяжного устройства. Тележки для КИА и перемещения щита представляют собой стальные сварные рамы из уголков с колесными ходовыми опорами.
Перед включением системы оператор задает на пульте управления (рис.4.б) значения ускорения разгона и торможения (они могут быть различны), величину максимальной линейной скорости, время движения судоподъемника с постоянной скоростью и направление движения. Задатчик напряжения, в соответствии с установленным режимом, вырабатывает задающее напряжение, которое поступает на узел сравнения. Тахогенератор вырабатывает напряжение, пропорциональное угловой скорости вращения двигателя. Это напряжение также поступает на узел сравнения. Таким образом, измерительное устройство сопоставляет заданную скорость вращения двигателя с существующей в данный момент. Сигнал рассогласования поступает на регулирующее устройство. Регулирующее устройство изменяет выходное напряжение тиристорного преобразователя, которое поступает на двигатель постоянного тока. Вследствие этого, скорость вращения двигателя приводится в соответствие с заданной. Узел токоограничения предназначен для защиты цепи управления двигателем от возможных перегрузок. Корректирующее устройство обеспечивает наилучшие динамические характеристики привода. Работа привода полностью автоматизирована, т.е. после нажатия кнопки "пуск", система отрабатывает заданный режим движения и останавливается.
При проведении экспериментальных исследований использовалась следующая измерительная аппаратура: тензометрические датчики усилий и давлений, емкостные волномеры, датчики горизонтальных и вертикальных перемещений, датчики скорости течения воды и скорости движения модели судоподъемника, тензоусилитель 8 АНЧ-7М, прибор реостатных датчиков "Рубин", пульт волномеров, светолучевой осциллограф H-II5. Структурная схема соединений измерительной аппаратуры представлена на рис.4.8.
Величины изменений продольных гидродинамический усилий регистрировались при помощи тензометрических датчиков усилий, разработанных инженером М.В.Немцовым. Датчик (рис.4.9) имеет силовой балочный элемент в виде кольца, на поверхность которого наклеены проволочные тензометры. Собственная частота колебаний датчика в воздухе составляет 80-100 Гц, максимально допустимые измеряемые усилия - 100 Н, погрешность измерения не более 2%.
