ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЗАТВОРЫ
На поверхностных водосбросах крупных гидроузлов в последние годы наиболее часто устанавливали плоские и сегментные затворы. Плоские колесные и скользящие затворы просты и удобны в эксплуатации, наиболее экономичны, хорошо компонуются в сооружении; их используют в широком диапазоне размеров и напоров в качестве основных, аварийных, ремонтных. При наличии передвижного подъемного механизма (крана) их можно переставлять при необходимости из одного пролета в другой. Недостатки: большие подъемные усилия, из-за которых чаще происходит отказ подъемных механизмов, меньшая скорость подъема и др. [33,47].
На водосливных отверстиях плотин и водосбросов плоскими затворами перекрывают отверстия пролетом до 45 м и высотой до 18 м. Секционные плоские затворы достигают высоты 45 м. Плоские колесные затворы перекрывают отверстия площадью до 300 м2. За рубежом самый крупный колесный затвор установлен на гидроузле Фунагира (Япония), а самый крупный скользящий - на гидроузле Сальто Гранд (Бразилия) (табл. 6.1). На вододелителе в дельте реки Волга два судоходных отверстия пролетом по 110 м перекрыты уникальными плоскими затворами. Масса каждого затвора около 1200т (без закладных частей).
Сегментные затворы хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации в разнообразных условиях [25, 33, 47]. Однако они несколько дороже плоских.
Площадь отверстий, перекрываемых сегментными затворами, достигает 500 м2. Крупные сегментные затворы установлены на гидроузлах Нью Бедфорд (США) и Итайпу (Бразилия) (см. табл. 6.1).
На водосливах, затворы которых не имеют позиционного регулиро-вания уровня верхнего бьефа, применяют в основном клапанные затворы больших пролетов (площадь перекрываемого отверстия до 200 м2), каждый из которых разделен на участки, управляемые гидроподъемниками. На гидроузлах с такими затворами в соответствующих условиях можно не устраивать бычки и верхние строения. Однако их удельная пропускная способность невелика, так как толщина переливающегося через затвор слоя воды допускается до 4...5 м. Кроме того, при маневрировании не исключаются непредвиденные просадки затвора, что может вызвать аварийную ситуацию, как на гидроузле Меадовбанк (Австралия).
Водосливы, на которых пропуск больших расходов сочетается с широким диапазоном регулирования уровня верхнего бьефа и необходимостью пропуска плавающих тел, оснащаются комбинированными затворами (сегментные и плоские затворы с клапаном, Г-образные затворы). Наиболее часто применяют сегментные затворы с клапаном, перекрывающие отверстия площадью до 400 м2 (см. табл. 6.1), реже - плоские затворы с клапаном. Еще более ограниченно используют Г-образные плоские колесные затворы вследствие их низких эксплуатационных качеств (неудовлетворительная работа межсекционных уплотнений, трудности маневрирования и др.).
На водосливах, где высота переливающегося слоя воды не превышает 7...9 м, в регионах с благоприятными климатическими условиями применяют вододействующие сегментные и секторные затворы, в том числе затворы типа Драм (барабанные) (см. табл. 6.1). Последние очень дорогие, поэтому их перестали применять. Сегментные вододействующие затворы (рис. 6.1), установленные на водосливной плотине Хорс- шу (США), имеют оригинальную конструкцию. Все три затвора снабжены противовесами. Ширина каждого затвора составляет 34,2 м, а высота - 7,8 м. С верхней стороны затворов имеется водоприемная башня, соединенная с шестью поплавковыми камерами. Уровень воды в последних все время поддерживается равным уровню воды в водохранилище. Когда отметка воды повышается до 7,8 м над гребнем водослива, шесть поплавковых задвижек открываются автоматически, вода проникает в камеры с грузами и поднимает их. Ремонтные затворы на плотине не предусмотрены.
Достоинства вододействующих затворов: возможность маневрирования без приводных механизмов, независимость от внешних источников энергии, значительная (до 50 м) ширина перекрываемого отверстия. Однако они имеют и ряд существенных недостатков: значительная стоимость, необходимость устройства довольно сложной камеры управления, неудовлетворительная работа при заилении, возможность самопроизвольной просадки при протечках из рабочей камеры. Поэтому в последнее время на ответственных сооружениях их практически не используют.
Вальцовые затворы, а также плоские катковые затворы (Стонея) в настоящее время не применяют вследствие их большой металлоемкости (первых), сложности изготовления и низких эксплуатационных качеств (вторых). По этой же причине не устраивают и крышевидные вододействующие затворы, ранее применяемые, например, во Вьетнаме.
Тип поверхностных затворов выбирают по напору и расходу (рис. 6.2).
Большой интерес представляют плоские скользящие затворы для глубинного водосброса арочной плотины Ингурского гидроузла (Грузия) (табл. 6.2, рис. 6.3). Основной затвор предназначен для регулирования пропуска расходов воды до 750м3/с при напоре 181 м и диаметре перекрываемого отверстия 4,35 м. Нож затвора имеет криволинейное очертание радиусом 2175 мм, формирующее вытекающую из-под затвора струю так, что она не попадает на низовую грань пазов при любых открытиях. Аварийно-ремонтный затвор с сопровождающим кольцом диаметром 5040 мм опускается в текущий поток при максимальном напоре 181 м при полной нагрузке на затвор 35480 кН. Поднимается затвор при выравненных бьефах. При нормальных условиях работы водосброса затвор с сопровождающим кольцом находится в поднятом положении, при котором оси кольца и водовода совмещаются. При этом защищаются опорные части затвора в пазах и устраняется давление воды на камеру затвора. В крайнем нижнем положении затвор перекрывает отверстие водовода. Опорно-ходовые части затвора - полозья из древесно-слоистого пластика. Уплотнения деформатив- но-гидравлического действия, уплотняющий элемент полиэтиленовый. Поднимают и опускают затвор гидроподъемника с подъемной силой 9000 кН. На входе в водосброс предусматрена установка ремонтного прислонного затвора.
На водоприемнике Асуанского гидроузла (АРЕ) в шести туннелях установлены 12 колесных шестисекционных быстродействующих затворов, которые можно перемещать отдельно или в сцепке (рис. 6.4, см. табл. 6.2). Основные опорно-ходовые части, выполненные в виде колес на подшипниках качения, закреплены на консольных осях. При таком положении колес стали более доступными их осмотр и ремонт, уменьшились размеры пазов и сила трения в опорных частях, а, следовательно, и грузоподъемность обслуживающих механизмов. Основным затвором маневрируют с помощью канатного механизма грузоподъемностью 3500 кН. Ремонтными заграждениями водоприемника служат четыре шестисекционных плоских затвора. В затворе предусмотрен байпас.
Колесные аварийно-ремонтные затворы, эксплуатирующиеся при более высоких напорах, например затворы гидроузла Бхакра (Индия), перекрывают отверстия значительно меньшей площади (см. табл. 6.2). Предельные параметры колесных затворов ограничиваются допустимыми нагрузками на ходовые колеса.
При больших нагрузках на затвор и в тех случаях, когда не представляется возможным разместить необходимое число колес, применяют плоские гусеничные затворы с Катковыми цепями (см. табл. 6.2). Их параметры значительно превышают предельные параметры колесных затворов, но силы трения в опорно-ходовых частях невелики, поэтому для маневрирования затворами используют механизмы с меньшей грузоподъемной силой. Значительно меньшие размеры пазов улучшают гидравлические и кавитационные характеристики гусеничных затворов. Японская фирма Мицубиси Седзи Кайся ЛТД выполнила гусеничные затворы размером 3,5 х 8,0 х 68,0 м с удлиненными катками (отношение длины катка к диаметру более двух) и гусеничный секционный затвор (размером 5,34 х 6,99 м) с сопровождающим кольцом на напор 92,7 м.
Гусеничные аварийно-ремонтные затворы стали устанавливать реже из-за разрывов ходовых цепей и разрушения катков.
Во Франции изобретен гусеничный затвор, перемещающийся непосредственно по бетону пазов [33]. Это позволяет исключить дорогостоящие пути с их закладными частями.
Пазы затворов, если они расположены вблизи их напорной грани, вызывают большие деформации потока и гидравлические сопротивления. По мере удаления пролетного строения затвора вверх или вниз по течению потока гидравлические потери уменьшаются. В США разработаны варианты плоских колесных затворов с выносом несущей конструкции в сторону верхнего или нижнего бьефов (рис. 6.5). Такое решение улучшает гидравлические характеристики затворного узла.
При усовершенствовании конструкций высоконапорных ремонтных затворов добиваются жесткой связи затвора с гидроприводом, устанавливаемым на герметическую крышку. При этом сам затвор ремонтируют под прикрытием так называемого отсечного устройства, которое изолирует его шахту от напорного водовода [48]. При компоновке камеры ремонтного затвора с отсечным устройством повышается надежность работы, снижаются капитальные затраты (так как не нужны высокие шахты, башни, штанги, закладные части и пр.), упрощается эксплуатация. Многие специалисты считают, что в качестве регулирующих наиболее перспективны сегментные затворы (рис. 6.6) благодаря двум их главным преимуществам: отсутствию пазов и невысокой грузоподъемности приводов. Отсутствие пазов, более плавное обтекание затвора потоком и жесткость конструкции исключают кавитацию и вибрацию. Кроме того, не менее ценно, что опорные шарниры затворов расположены вне потока. Однако крупные сегментные затворы приме-няют на гидростатическую нагрузку до 25 МН. Большую нагрузку трудно передать на бетон. Чтобы избежать это затруднение, в ряде случаев (гидроузлы Авьемор в Новой Зеландии, Итайпу и Тукури в Бразилии) устанавливают в бычках предварительно-напряженные анкера.
Значительные параметры имеет сегментный затвор, установленный в концевой части водосброса плотины гидроузла Танген (см. табл. 6.2). На рисунке 6.7 показано расположение регулирующего сегментного затвора с эксцентриковой опорой, перекрывающего отверстие сечением 5,0 х 3,36 м, рассчитанное на напор 69 м и пропуск расхода 400м3/с (гидроузел Фютасе, Япония, 1960 г.). Эксцентриковая опора с роликовыми подшипниками и гидравлическим приводом обеспечивает поступательные движения затвора вперед или назад с целью прижатия его. Деформативное уплотнение, выполненное из резины на основе натурального каучука, расположено в раме закладных частей по контуру отверстия в местах, защищенных от воздействия потока. Подъемный механизм состоит из гидроцилиндра (опирающегося на стальную облицовку затворной камеры) и перемещающегося в направ-ляющих ползуна, к которому присоединена головка штока гидроцилиндра и тяга затвора.
На ГЭС Евфратского гидроузла (Сирия) перед турбинами установлены быстродействующие аварийно-ремонтные сегментные затворы (5,5 х 12,0 м) с гидроприводом при расчетном напоре 67 м. Водосбросы Асуанского гидроузла (АРЕ) размещены в блоке гидроэлектростанции и их отверстия (4,2 х 3,15 м) перекрываются 12 сегментными регулирующими затворами, рассчитанными на напор 80 м. Затвор (рис. 6.8) состоит из подвижного строения сварной конструкции, эксцентриковой опоры, гидроприводов и закладных частей с закрепленными на них резиновыми уплотнениями. Посредством эксцентрикового вала, соединенного с одним из гидроподъемников, обеспечивается принудительное прижатие затвора к уплотнениям. Опорные шарниры выполнены на подшипниках качения. Перед подъемом сегментный затвор с помощью гидропривода отводится на 40 мм от уплотнений во избежание их повреждения.
Область применения сегментных затворов на высоконапорных водосбросах можно расширить сдвоенными сегментными затворами (рис. 6.9). В этом случае гидравлическая нагрузка разделяется между двумя пролетными строениями, установленными одно над другим, что позволяет повысить расчетную нагрузку. Маневрирование затворами осуществляется гидроподъемниками и кулисным механизмом, размещенным в боковых нишах затворной камеры.
На туннелях Рогунского гидроузла (Таджикистан) будут применены основные глубинные сегментные затворы (3,9 х 5,6 м) и аварийно-ремонтные плоские скользящие затворы (3,9 х 7,0 м). Эти затворы рассчитаны на напор 200 м, а ремонтные плоские (3,5 х 9,0 м) - на напор 300 м. Для маневрирования ремонтными затворами предполагается применять короткоходовые гидроприводы грузоподъемностью 7000 кН.
Для перекрытия сравнительно небольших круглых отверстий (диаметром до 3 м) за рубежом, как правило, в качестве регулирующих используют конусные и игольчатые затворы, а в качестве аварийных - дисковые и шаровые. Максимальный параметр по напору (244 м) имеет конусный затвор диаметром 0,3 м (гидроузел Лос-Анджелес, США). Конусные затворы экономичны и надежны в эксплуатации. Их широко применяют на мелиоративных гидротехнических сооружениях при средних и высоких напорах.
Игольчатые затворы надежно регулируют расходы при высоких напорах, имеют малые потери при частичных открытиях и гидравлическое управление. Затвор диаметром 2,6 м (напор 101 м) сооружен на плотине Шаста (США) и затвор диаметром 1,83 м (напор 172 м)- на плотине гидроузла Гувер на реке Колорадо (США). На гидроузле Бербенди-Хан (Иран) установлен игольчатый затвор диаметром 2,13 м (напор 145 м). Игольчатые затворы хорошо работают в условиях с резкими колебаниями расходов воды, не поддаваясь вибрации. Однако они имеют большие габариты и массу, а следовательно, и высокую стоимость.
Дисковые затворы [33] надежны в эксплуатации, просты и компактны. Максимальный параметр по напору (820 м) имеет затвор диаметром 3,6 м перед турбиной ГЭС гидроузла Хангри Хорз (США), а по площади перекрываемого отверстия (53,2 м2) - затвор диаметром 8,32 м при напоре 27 м перед турбиной ГЭС гидроузла Коновинго (США). На трубчатом водосбросе ГЭС гидроузла Докан в Ираке применен затвор диаметром 3,6 м (напор 100 м).
Для исключения вибрации, возникающей иногда при частичных открытиях дисковых затворов, используют, например, конфузор на отводящем участке. Его целесообразно применять в том случае, когда большую часть времени затвор находится в открытом положении. При небольших напорах (до 20...30 м) дисковый затвор может работать как регулирующий.
Шаровые затворы [33, 34] применяют при высоких напорах. Например, на гидроузле Преньер (Франция) установлен шаровой затвор диаметром 1,1 м при напоре 1300 м. Максимальный параметр по напору (1772,5 м) имеет затвор ГЭС Рейссек (Австрия), а по площади (8,8 м2) перекрываемого отверстия (диаметром 3,35 м, напор 96,5 м) - затвор
ГЭС гидроузла Кастеллу ду Бодэ (Португалия). Шаровые затворы надежны в эксплуатации, однако их применяют редко, так как они имеют большие габариты, массу и стоимость.
Вертикальные цилиндрические затворы относятся к классу гидравлически уравновешенных затворов [33, 48]. Запорный орган затвора цилиндрической формы перемещается вертикально и перекрывает входные отверстия шахтного водосброса или водоприемника (рис. 6.10). Цилиндрические затворы устраивают на гидроузлах ряда стран. Например: шахтный водосброс гидроузла Хамиз на реке Арбитаж (Алжир) оборудован цилиндрическим затвором диаметром 12 м и высотой 6 м.
В качестве регулирующих глубинных затворов, перекрывающих отверстия площадью 25...200 мг с напором соответственно 120...25м, применяют чаще всего плоские колесные и сегментные затворы [25, 33, 48].
Наиболее распространенные крупные аварийно-ремонтные затворы - плоские [25,33,48].
На глубинных водосбросных отверстиях средних размеров (10... 30 м ) в качестве как регулирующих, так и аварийно-ремонтных чаще всего устанавливают плоские скользящие затворы (бронза по нержавеющей стали) с принудительной смазкой рабочей поверхности опорного полоза перед подъемом. Широко распространены скользящие затворы с опорами из древесно-слоистого пластика (ДСП). Внедряются также опоры из маслянита. ДСП и маслянит оказывают сравнительно небольшое сопротивление движению затвора при высокой несущей способности кавитация.
Считается, что в современных плоских скользящих затворах (рис. 6.11) с плавным очертанием нижней части и минимальными размерами пазов (шириной около 65 мм) почти отсутствует вибрация и
На глубинных водосбросах и водоспусках с небольшими площадями отверстий (до 10 м2) расход воды регулируют при напоре до 100 м плоскими скользящими затворами, а при более высоком напоре - конусным и игольчатым затворами (диаметром до 4 м).
На турбинных водоводах ГЭС устанавливают аварийно-ремонтные затворы: шаровые - при напорах 100...1300 м диаметром до 4,2 м, дисковые - при напорах 50...230 м диаметром до Б...8 м. Применять крупные плоские скользящие затворы в качестве основных при регулировании расхода не рекомендуется из-за сильного износа антифрикционных вкладышей и большой грузоподъемности приводных механизмов. Ряд зарубежных фирм считают, что колесные затворы целесообразно использовать до напора, не превышающего 80...100 м [34,48].
Ориентировочно тип глубинного затвора может быть установлен с помощью графика, приведенного на рисунке 6.12. Окончательно вопрос выбора типа и габаритов затвора для каждого конкретного случая решается путем технико-экономического сравнения возможных вариан-тов. При этом также учитываются особенности компоновки сооружений, условия их эксплуатации, действующие напоры и расчетные расходы, производственные возможности фирм-поставщиков, а также традиции и опыт проектировщиков и строителей [48].
