Детальная информация

Объект исследования: затвор водосбросного сооружения гидроэлектростанции как элемент гидромеханического оборудования, предназначенный для перекрытия водосбросного отверстия, восприятия гидростатического давления и регулирования пропуска воды в нижний бьеф. Предмет исследования: конструктивные и расчетные параметры плоского и сегментного затворов водосброса, влияющие на прочность, жесткость, массу металлоконструкции, напряженное состояние элементов и требуемое подъемное усилие. Цель работы: обосновать вариант конструкции затвора водосброса на основе анализа существующих конструктивных решений и выполнения сравнительного расчета плоского и сегментного затворов по основным инженерным критериям: прочности, жесткости, напряжениям в ригелях и обшивке, массе металлоконструкции и подъемному усилию. В магистерской диссертации рассмотрены существующие типы гидротехнических затворов, их назначение, классификация, конструктивные особенности, преимущества и недостатки. Особое внимание уделено плоским колесным и сегментным затворам, применяемым на водосбросных сооружениях гидроэлектростанций. В расчетной части работы выполнена разработка конструкции сегментного затвора. Определены исходные данные, нагрузки от гидростатического давления, выполнена постановка ригелей графическим и графоаналитическим способами, произведен расчет сечения ригеля, определены напряжения в поясе ригеля, стенке ригеля у обшивки и пластинах обшивки. Также рассчитано требуемое подъемное усилие и параметры элементов подвеса. Аналогично выполнен расчет плоского затвора при тех же исходных условиях. На основании выполненных расчетов произведен сравнительный анализ двух вариантов конструкции. Сравнение выполнено по массе затворов, подъемным усилиям, прогибам ригелей, напряжениям в ригелях и обшивке, а также по ориентировочной стоимости сварных металлоконструкций с учетом массы конструкции и стоимости изготовления одной тонны металла. По результатам сравнения установлено, что плоский затвор имеет преимущество по массе металлоконструкции, компактности и ориентировочной стоимости изготовления. При этом сегментный затвор обладает большей жесткостью, обеспечивает меньший прогиб ригеля, более плавное маневрирование и более благоприятные эксплуатационные условия при регулировании расхода воды через водосброс. С учетом условий работы водосбросного сооружения и требований к надежности регулирования в качестве основного варианта принят сегментный затвор. Дополнительно выполнена проверка расчетных результатов в программном комплексе COSMOS M. По результатам численного моделирования получен прогиб ригеля, близкий к значению, определенному вручную, что подтверждает корректность принятой расчетной схемы и достоверность выполненных инженерных расчетов. Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов при предварительном выборе типа затвора водосбросного сооружения, сравнительной оценке плоских и сегментных конструкций, определении металлоемкости, подъемных усилий и расчетного обоснования основных несущих элементов гидротехнических затворов.

Object of the study: the spillway gate of a hydroelectric power plant as an element of hydromechanical equipment designed to close the spillway opening, withstand hydrostatic pressure and regulate water discharge to the tailwater.  Subject of the study: design and calculation parameters of a vertical lift gate and a radial gate for the spillway, affecting the strength, stiffness, metal structure weight, stress state of elements and the required hoisting force.  Purpose of the work: to justify the spillway gate design variant based on the analysis of existing design solutions and a comparative calculation of the vertical lift gate and the radial gate according to the main engineering criteria: strength, stiffness, stresses in crossbars and skin plate, metal structure weight and hoisting force.  The masters thesis examines existing types of hydraulic gates, their purpose, classification, design features, advantages and disadvantages. Special attention is paid to vertical roller gates and radial gates used at spillway structures of hydroelectric power plants.  In the calculation part of the work, the design of the radial gate is developed. The initial data, loads from hydrostatic pressure are determined, the crossbars are positioned using graphical and graph-analytical methods, the crossbar section is calculated, and the stresses in the crossbar flange, the crossbar web near the skin plate and the skin plate panels are determined. The required hoisting force and the parameters of the suspension elements are also calculated.  The vertical lift gate is calculated similarly under the same initial conditions.  Based on the performed calculations, a comparative analysis of the two design variants is carried out. The comparison is made in terms of gate weight, hoisting forces, crossbar deflections, stresses in crossbars and skin plate, as well as the approximate cost of welded metal structures taking into account the structure weight and the cost of manufacturing one ton of metal.  According to the comparison results, it is established that the vertical lift gate has an advantage in terms of metal structure weight, compactness and approximate manufacturing cost. At the same time, the radial gate has greater stiffness, provides smaller crossbar deflection, smoother manoeuvrability and more favourable operating conditions when regulating water discharge through the spillway. Considering the operating conditions of the spillway structure and the requirements for regulation reliability, the radial gate is adopted as the primary variant.  Additionally, the calculation results are verified in the COSMOS M software package. Based on the numerical simulation results, a crossbar deflection close to the manually determined value is obtained, which confirms the correctness of the adopted design scheme and the reliability of the performed engineering calculations.  The practical significance of the work lies in the possibility of using the obtained results in the preliminary selection of the spillway gate type, comparative assessment of vertical and radial designs, determination of metal consumption, hoisting forces and design justification of the main load‑bearing elements of hydraulic gates.