Затвор гидропневматический

Затвор гидропневматический

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области фортификации, предназначается для зашиты входа и внутреннего объема полузатопленного туннеля большого сечения специального назначения от воздушной ударной и гравитационной волн ядерного взрыва и может быть использовано, например, в подземных базах-укрытиях кораблей Военно-морского флота.

В настоящее время известны следующие устройства для защиты входов в полузатопленные туннели больших сечений подобного назначения:

1. Шандорные.

2. Одиночные батопорты неподвижные с жестким опиранием на обделку туннеля.

3. Откатные, навесные плоские и секторные затворы.

4. Катучие массивные дисковые затворы.

5. Пневматические с искусственной принудительной подачей встречного потока сжатого воздуха.

6. Встречного направленного взрыва.

7. Пузырьковые и водяные завесы.

8. Разрушающиеся преграды (экраны, мембраны).

9. Различные сочетания некоторых из перечисленных выше устройств.

10. Гидромеханический затвор с поршневой преградой по представленной в ГК СМ СССР по делам изобретений и открытий Np-14786c ГИУ ВМФ от 31.12. 1958 года заявке (№994695/23-14) на «Способ защиты входов в полузатопленные туннели большого сечения», отклоненной за отсутствием признаков «способа» с рекомендацией оформить заявку по данному предложению на «защитное устройство».

Однако все указанные (п.п.1-10) типы устройств, кроме батопорта по п.2, существуют в форме теоретических предложений, неприемлемых для практической реализации в силу своих недостатков. Сведениями по ним располагают в/ч 13016 - г.Москва, 13073 и 54034 - г.Санкт-Петербург. Батопорт по п.2 был изготовлен по проекту в/ч 54034, но не был фактически использован и в последующем уничтожен.

Комплексную защиту от воздушной ударной и гравитационной волн ядерного взрыва обеспечивают лишь устройства по п.п.1-4 и 10. Однако по техническим причинам, в т.ч. в связи с жесткостью конструкций и их опирания (п.1-3) при ограниченной прочности известных строительных и конструкционных материалов эти устройства могут быть применимы только при небольших давлениях во фронте ударной волны ядерного взрыва - Р_ф до 2-3 кГ/см² (давление отраженной ударной волны 10-15 кГ/см²).

Многотысячетонный дисковый катучий затвор (п.4) неприемлем по своей громоздкости и связанными с этим сложностями его изготовления и перемещения.

Гидромеханический затвор по п.10 имеет ряд недоработок как в части конструкции самих преград, так и в части возможности создания и использования высокого противодавления воздуха за передней преградой затвора.

Сущность защиты с помощью устройств по п.п.5 и 6 состоит в гашении воздушной ударной волны в момент ее подхода к устью туннеля мощным встречным потоком сжатого воздуха (п.5) или встречной ударной волной направленного взрыва обычных ВВ (п.6). Но эти устройства не обеспечивают защиту от гравитационной волны. Кроме того, предел эффективного противодействия искусственным потоком сжатого воздуха ударной волне ядерного взрыва крайне ограничен.

Принципиальной основой защиты с помощью пузырьковой завесы (п.7) является насыщение живого сечения массы воды, заполняющей туннель на входном участке пузырьками воздуха, меняющими плотность воды и превращающими ее в сжимаемую среду, частично гасящую ударную волну, распространяющуюся в воде. Сущность защиты с помощью водяной завесы состоит в создании в воздушном пространстве входа в туннель над зеркалом воды завесы из струй и капель воды, которые частично разрушают структуру воздушной ударной волны ядерного взрыва и поглощают часть ее энергии. Даже сочетание этих устройств дает эффект весьма ограниченный. От гравитационной же волны защита не обеспечивается.

Сущность защиты с помощью разрушающихся преград (п.8) состоит в гашении энергии воздушной ударной волны ядерного взрыва за счет работы по разрушению ею преград. Недостатком этих устройств является невысокая степень защиты и засорение туннеля остатками разрушенных конструкций преград, исключающих до их удаления вывод из туннеля укрываемых объектов, а также невозможность повторного использования самой преграды.

Наиболее сложной задачей является защита входа и внутреннего пространства туннеля от ударной волны ядерного взрыва. Наиболее перспективным для ее решения является устройство по п.10, обеспечивающее комплексную защиту входов и внутреннего пространства туннелей от всех поражающих факторов ядерного взрыва, принимаемое за прототип представляемого устройства с более высокими тактико-техническими характеристиками.

Целью настоящего изобретения является обеспечение комплексной защиты внутреннего объема полузатопленного туннеля большого сечения специального назначения от поражающего воздействия ударной воздушной и гравитационной волн ядерного взрыва за счет использования физических свойств воды и газовой среды, заполняющих изменяющееся по объему пространство между подвижной и неподвижной преградами, размещаемыми во входной части туннеля. При этом поглощение и гашение энергии внешнего воздействия происходит за счет возмущения массы воды, а также компрессии объема воздуха, заполняющих пространство между преградами, с растягиванием процесса гашения, утилизацией части внешней энергии на самогашение, сбросом части возмущенной массы воды в резервные буферные полости с возможностью самостоятельного возвращения элементов устройства в исходное положение для повторного использования по предназначению.

Для достижения этой цели предлагается защитное устройство в виде системы, состоящей из двух последовательно расположенных обособленных или сблокированных на общих телескопических балках плавучих полостных преград (подвижной и неподвижной), размещаемой во входной части туннеля, именуемой в комплексе «Затвор гидропневматический». При этом первая подвижная преграда с внутренней полостью и амортизирующим оголовком выполняет роль поршня. Перемещаясь под действием воздушной ударной и гравитационной волн, она включает в работу по гашению их энергии потенциал покоя некоторой присоединенной массы воды и сжимаемого между преградами объема воздуха. Вторая неподвижная преграда ограждает защищаемую часть туннеля от напора возмущенной массы воды, приведенной в движение поршневым действием первой преграды, от повышения уровня воды и избыточного давления воздуха вследствие его компрессии в замкнутом пространстве между преградами.

В целях уменьшения нагрузки на переднюю стенку подвижной преграды и преграду в целом ее надводная часть выполняется транспарантной для пропуска в полость преграды части избыточного давления ударной волны с пропорциональным уменьшением нагрузки от отраженной ударной волны. Коэффициент транспарантности Кт=S_П/S_БН, где S_П - площадь перфорации надводной части передней стенки преграды, а S_БН - площадь надводной части стенки преграды без учета (при отсутствии) перфорации.

Для уменьшения динамического напора возмущенной массы воды избыточного давления воздуха на вторую - неподвижную преграду, с обеих сторон туннеля между преградами размещены сообщающиеся с туннелем резервные буферные полости для сброса в них части возмущенной массы воды и уменьшения компрессии воздуха.

На приведенных чертежах представлены: общий вид «Затвора гидропневматического» в статическом исходном и конечном положениях; промежуточные положения элементов затвора и сред, заполняющих пространство между преградами; схемы нагрузок на преграды по фазам и периодам динамического цикла работы затвора при воздействии ударной волны ядерного взрыва; схемы приведенных к расчетным профилей и габаритов поперечных сечений туннеля и батопорта 1 (Б1); график изменения давления воздуха в полости Б1.

В качестве варианта конструкции преград приняты сблокированные на общих направляющих телескопических балках плавучие титановые батопорты. В качестве амортизирующего оголовка первого батопорта - как вариант - принято мощное микропористое покрытие внешней стороны его передней стенки.

Фигура 1

На чертеже дан продольный разрез А-А по вертикальной осевой плоскости входа, имеющего высоту в замке обделки Н, заполненного водой на глубину hi, с воздушным пространством над зеркалом воды h₂.

Во входе в туннель на расстоянии L друг от друга расположены два батопорта: передний подвижный батопорт 1 (Б1) и задний неподвижный батопорт 2 (Б2), соединенные между собой телескопическими балками коробчатого сечения 3, именуемые далее в совокупности для краткости «затвором».

В стенки (обделку) туннеля заделаны направляющие желоба 4 для фиксирования положения затвора в поперечном сечении при его вводе в туннель и при перемещении подвижного батопорта 1 в процессе работы затвора. Кроме того, в обделку туннеля встроено опорное металлическое кольцо 5 с уплотнительной кольцевой прокладкой 6 для фиксации положения батопорта 2 в продольном направлении и передачи через него нагрузок - давления массы возмущенной воды и сжатого воздуха на обделку туннеля.

Батопорты 1 и 2 имеют высоту Н_Б, торцевые стенки 7 двоякой кривизны - по вертикальной оси 1/R₁ и по горизонтальной плоскости на уровне наибольшей ширины батопортов 1/R₂ (см. фиг.2). Общая длина затвора с учетом размеров батопортов составляет где b₁ b₃ - ширина обечаек и - высота сегментов выпуклых стенок Б1 и Б2. Передняя стенка 7 батопорта 1 имеет амортизирующее покрытие 8. Ее надводная часть перфорирована проемами 9 для пропуска части избыточного давления ударной волны в полость батопорта. Торцевые стенки каждого батопорта соединены между собой боковыми стенками - обечайками 10, горизонтальными диафрагмами-палубами 11 и вертикальными переборками 12 (см. фиг.3) для жесткости конструкции батопортов. Палубы и переборки используются также для размещения на них оборудования - автономных ходовых силовых установок 13 с рулевым управлением, перемещающих затвор на акватории и при вводе его в туннель (при выводе из туннеля), установок 14 для регулирования заполнения балластных цистерн (нижние части полостей батопортов), емкостей 15 запаса топлива и масел, вентиляционного и другого оборудования и коммуникаций для обслуживания батопортов и оборудования.

В боковых стенках 10 батопортов 1 и 2 размещены амортизированные роликовые блоки-тележки 16, обеспечивающие качение батопортов по направляющим желобам 4. С батопортами жестко соединены примыкающие к ним концы телескопических балок 3. Свободные концы телескопических балок, входящие в охватывающие их средние короба 17, и концы этих коробов оснащены роликовыми блоками 18 со стопорными ограничителями наибольшего допустимого расхождения батопортов и минимального их схождения, а также тросовыми устройствами со шкивами 19, синхронизирующими взаимное перемещение телескопических балок. Для обеспечения свободы перемещения затвора при его вводе в туннель и работе между обделкой туннеля и обечайками батопортов предусмотрен зазор δ. Ширина обечаек b₁ b₂, b₃ должна исключать возможность перекосов с заклиниванием батопортов при их перемещении с учетом асимметричности и изменяемости величин вероятных нагрузок на батопорты. Для доступа в батопорты и их отсеки в торцевых стенках, палубахдиафрагмах и переборках предусмотрены проемы с прочными задраиваемыми люками на торцевых стенках и решетчатыми люками в остальных местах (на чертеже не показаны).

На стенках туннеля между батопортами показаны проемы 20, соединяющие туннель с резервными буферными полостями 21, расположенными за его пределами (см. фиг.2).

Фигура 2

На чертеже дан горизонтальный разрез (Б-Б) входной части туннеля - план на уровне его наибольшей ширины В с размещенным в ней затвором и подключенными резервными буферными полостями 21. Наименование и назначение показанных на чертеже элементов см. в описании к фиг.1; ширина батопортов - В_Б.

Фигура 3

На чертеже дан поперечный разрез (В-В) входной части туннеля с размещенным в ней затвором и подключенными резервными буферными полостями 21. Наименование и назначение показанных на чертеже элементов см. в описании к фиг.1, 2.

Фигура 4

На фигуре 4 приведено статическое положение затвора в момент t_o - до начала воздействия на батопорт 1 воздушной ударной волны с давлением во фронте, равным Р_ф, с расстоянием между батопортами

где - пробеги батопорта за первый, второй, третий периоды (см. ниже) 1-й фазы работы затвора во время действия ударной волны;

- инерционный пробег батопорта 1 после прекращения воздействия ударной волны;

l - остаточное расстояние от батопорта 1 до батопорта 2 по прекращении перемещения батопорта 1 в направлении X; (здесь и далее штрихиндекс «i'» означает величины при отсчете их значения от начала данного периода, фазы работы затвора- см. ниже).

Давление воздуха между батопортами, снаружи затвора и в полостях батопортов Р_o, атмосферное, водоизмещение батопортов и нижних телескопических балок соответствуют весу конструкций затвора с балластом и обеспечивают его «нулевую плавучесть» - осадку, равную h₁-δ.

Фигура 5

На фигуре 5 дано положение затвора, заключенных между батопортами масс воды и воздуха при перемещении батопорта 1 под действием отраженной ударной волны с давлением во фронте Р_ф0 за время t₁, на расстоянии l₁. Показано образование всплеска со свободной поверхностью С, условно принимаемой за плоскую, под углом (к зеркалу воды с высотой гребня h₂ (до начала его воздействия на верхнюю обделку туннеля) и массой воды m_вl, перемещаемой со скоростями V_Xl и V_Yl. Положение центра тяжести возмущенной массы воды изменяется от Ц_mвt0 до Ц_mвt1. Давление воздуха, заключенного между батопортами и в резервных буферных полостях, возрастает до Р_6-l в полости Б1 - до P₇-l. Внешняя расчетная нагрузка на батопорт 1 составляет величину Р_рl.

Фигура 6

На фигуре 6 показано положение затвора, заключенных между батопортами масс воды и воздуха при перемещении батопорта 1 под действием Р_фо за время t₂ на расстояние с потенциальной высотой гребня всплеска 1,5 h₂. Фактически гребень всплеска при встрече с обделкой свода туннеля разрушается до высоты h₂, заполняя часть пространства под сводом туннеля. Скорость движения совокупной массы Б1 и воды всплеска достигает величин V_X2 и V_Y2. Положение центра возмущенной массы воды изменяется от Ц_mвt1 до Ц_mвt2. Давление воздуха между батопортами и в резервных буферных полостях достигает значения Р_6-2, в полости Б1 - до Р_7-2 За период t₁-1₂, вследствие встречи всплеска с обделкой свода туннеля возникает его силовое противодействие движению батопорта 1. Внешняя расчетная нагрузка на батопорт 1 составляет величину Р_Р2.

Фигура 7

На фигуре 7 показано положение затвора и заключенных между батопортами сред на время t - момент прекращения воздействия на батопорт 1 давления отраженной ударной волны Р_ф0 при его перемещении на расстояние , потенциальной высоте подъема гребня всплеска перемещаемой массы воды m_вt на высоту h_вt со скоростями V_Xt и V_Yt, а под сводом туннеля V_Xt+V_Yt. Центр возмущенной массы воды всплеска смещается до Ц_mвt3. Давление воздуха между батопортами и в резервных буферных полостях возрастает до Р_6-3, в полости Б1 - до Р_7-3=Р_ф. Внешняя расчетная нагрузка на батопорт 1 составляет величину Р_P3.

Фигура 8

На фигуре 8 показано положение затвора и заключенных между батопортами сред на время t+Δt - окончания перемещения батопорта 1 под действием сил инерции на дополнительное расстояние Δl с возникновением в остающемся между батопортами пространстве l циркуляции в вертикальной плоскости Х-У по часовой стрелке остаточной массы воды m_вост (за вычетом сброшенной в резервные полости) со скоростью V_ц. Центр возмущенной массы воды Ц_mвt4 смещается до h_mвt4. Давление воздуха в замкнутых демпфирующих объемах между батопортами и в резервных буферных полостях составляет Р_6-4 Внешняя расчетная нагрузка на батопорт 1-Р_в (вакуум).

Фигура 9

На фигуре 9 дано положение затвора и заключенных между батопортами сред на время ≈13(t+Δt) - по возвращении батопорта 1 под действием избыточного давления Р_6-4, возмущенной массы воды m_вост и гидростатического давления из пространства между батопортами в первоначальное положение.

Схемы нагрузок на батопорты.

Для простоты изображения нагрузок стенки батопортов на схемах условно приняты плоскими и некоторые нагрузки - равномерно распределенными по высоте; масштаб эпюр нагрузок - условный. Силы сопротивления трению и упругих деформаций конструкций батопортов и туннеля, а также термогидродинамические потери энергии в приближенных расчетах параметров работы затвора не учитываются и на схемах нагрузок не указываются.

Таким образом, на схемах показаны только 10 основных видов нагрузок:

+Р_Ф0 - отраженной ударной волны ядерного взрыва на батопорт 1;

-Р_В - вакуума, возникающего перед Б1 вслед за прекращением воздействия силы Р_Ф;

-P₁ - силы инерции массы батопорта 1 с присоединенными к нему телескопическими балками, получающей ускорение α_х;

-Р₂ - давление скоростного V_X напора присоединенной массы воды всплеска m_в на батопорт 1;

-Р₃ - гидродинамическое сопротивление присоединенной массы воды всплеска m_в ускорениям -α_х и -α_у перемещения батопорта 1;

-Р₄ - гидродинамическое давление на батопорт 1 присоединенной массы воды всплеска m_в при его встрече со сводом обделки туннеля;

±Р₅ - гидростатическое давление на батопорты 1 и 2;

-Р₆ - давление воздуха на Б1 и Б2 из пространства между батопортами вследствие компрессии от перемещения батопорта 1;

±Р₇ - давление воздуха в полости батопорта 1 вследствие проскока ударной волны через перфорацию надводной части передней стенки батопорта 1;

±P₈ - гидродинамическое давление на батопорты 1, 2 вследствие возникающей в конце процесса работы затвора циркуляции в вертикальной плоскости Х-У остающейся в туннеле между батопортами массы воды m_вост.

На чертежах даны схемы нагрузок по фазам и периодам работы затвора со знаками их действия.

Фигура 10

На фигуре 10 показаны нагрузки на батопорты в момент времени t₀ - до начала воздействия на батопорт 1 подошедшей ударной волны ядерного взрыва с избыточным давлением во фронте Р_Ф. Эти нагрузки ограничены гидростатическим давлением h₁ на днища батопортов, уравновешивающим их вес, и h₁ ²/2 - на торцевые и боковые стенки. Давление воздуха между батопортами, в их полостях, снаружи и в защищаемом туннеле Р₀ - атмосферное.

Фигура 11

На фигуре 11 показаны нагрузки на батопорты в первый период 1-й фазы работы затвора - в момент истечения времени t₁ действия отраженной ударной волны Р_Ф0, с достижением гребнем всплеска присоединенной массы воды, возникающего под действием перемещающегося батопорта 1, свода обделки туннеля, в том числе

на батопорт 1:

+Р_Ф0 - внешнее воздействие отраженной ударной волны ядерного взрыва;

-P_1-1 - инерция массы батопорта и присоединенных телескопических балок m_Б1 ускорению -α_х1;

-Р_2-1 - давление скоростного -V_X1 напора присоединенной массы всплеска воды m_в1;

-Р_3-1 - давление гидродинамического сопротивления перемещающейся присоединенной массы воды m_в1 горизонтальному -α_х1 и вертикальному -α_у1 ускорениям;

-P_5-1 - гидростатическое давление столба воды всплеска;

-P_6-1 - давление воздуха из пространства между батопортами вследствие его компрессии от перемещения батопорта 1 и частичного проскока ударной волны через зазор δ;

±P_7-1 - давление воздуха в полости батопорта 1. (Гидродинамическое давление от встречи всплеска со сводом туннеля -Р₄ на отрезке времени t₀-t₁ - отсутствует);

на батопорт 2:

+P_6-1 - давление воздуха из пространства между батопортами;

+Р₅ - гидростатическое давление на нижнюю часть обечайки - днище батопорта h₁, на торцевые и боковые стенки батопорт ±h₁ ²/12.

Фигура 12

На фигуре 12 показаны нагрузки на батопорты во втором периоде 1-й фазы работы затвора в момент времени t₂ - достижения гребнем всплеска потенциальной высоты 1,5h₂.

На батопорт 1 действуют те же нагрузки, что и в момент t₁, но при соответствующих t₂ значениях m_в2, -V_X2, -α_x2, -α_У2, то есть:

+P_Ф0, -P_1-2, -P_2-2, -Р_3-2, -Р_5-2, -Р_6-2, ±Р_7-2.

Добавляется нагрузка -Р_4-2 - гидродинамического давления на батопорт 1 всплеска присоединенной массы воды m_в2, при его встрече с обделкой свода туннеля.

На батопорт 2 возрастает нагрузка от давления воздуха из пространства между батопортами до значения +Р_6-2. Остальные нагрузки - без изменений.

Фигура 13

На фигуре 13 показаны нагрузки на батопорты в третьем периоде 1-й фазы работы затвора на время t - прекращения действия на батопорт 1 отраженной ударной волны.

В этот момент на батопорт 1 действуют нагрузки:

+P_1-3 - инерция массы батопорта 1 с присоединенными телескопическими балками m_Б1 и остающейся в туннеле массы возмущенной воды всплеска m_ввт;

-Р_2-3 - давление скоростного -V_X-3 напора присоединенной массы воды всплеска m_в3;

-Р_3-3 - гидродинамическое сопротивление перемещаемой присоединенной массы воды всплеска m_в3 ускорениям -α_x3 и -α_у3.

-Р_4-3 - гидродинамическое давление присоединенной массы воды всплеска m_в3 при его встрече со сводом обделки туннеля;

-Р_5-3 - гидростатическое давление;

-Р_6-3 - давление воздуха из пространства между батопортами;

±Р₇ ^_ ₃ - давление воздуха в полости батопорта Б1;

На батопорт 2 действуют нагрузки ±Р_5-3, Р_6-3 и Р_8-3 - гидродинамическое давление возникающей циркуляции, остающееся между батопортами присоединенной массы воды.

Фигура 14

На фигуре 14 показаны нагрузки на батопорты в момент времени t+Δt во 2-й фазе работы затвора - его перемещения под действием сил инерции батопорта 1, присоединенной массы возмущенной воды и давления воздуха.

В этот период на батопорт 1, обладающий вместе с остающейся в туннеле массой возмущенной воды кинетической энергией W_Kt, действуют нагрузки:

-Р_В - вакуум, возникший снаружи батопорта 1;

+Р_1-4 - инерция массы батопорта 1 с присоединенными телескопическими балками;

-Р_2-4 - давление скоростного напора дополнительной присоединенной массы воды m'_в4(Δm_в):

-Р_3-4 - гидродинамическое сопротивление ускорениям -α_х3 и α_у3 дополнительной присоединенной массы воды всплеска m'_в4(Δ/m_в);

-Р_4-4 - гидродинамическое давление дополнительной присоединенной массы воды всплеска m'_в4(Δ/m_в) при ее встрече с обделкой свода туннеля;

-Р_5-4 - гидростатическое давление столба воды всплеска;

-Р_6-4 - давление воздуха между батопортами при конечном перемещении батопорта 1 на дополнительное расстояние Δl;

±Р_7-4 - давление воздуха в полости батопорта Б1;

-P_8-4 - гидродинамическая нагрузка центробежной силы сформировавшегося потока циркуляции в X-Y плоскости остающейся в габаритах туннеля массы воды m_вост;

На батопорт 2 в этот период действуют силы: Р_4-4, Р_5-4, Р_6-4 и Р_8-4, на которые и должен рассчитываться батопорт 2.

Фигура 15

На фигуре 15 показаны положение затвора и нагрузки на время ≈13(t+Δt) - по завершении полного цикла его работы, соответствующие возвращению затвора в исходное положение.

Фигура 16

На чертеже приведены:

Форма поперечного сечения туннеля практического профиля I с высотой Н (30 м), шириной В (15 м), радиусами свода и сопряжения стен туннеля с его днищем R_T (5 м); глубина наполнения туннеля водой h₁ составляет 12 м, высота воздушного пространства над зеркалом воды h₂ - 18 м.

Форма поперечного сечения туннеля, приведенного к расчетному прямоугольному профилю II с приведенными высотой Н_П (28 м), шириной В_П (13,1 м), наполнением туннеля водой до глубины h_1п (12,9 м), и воздушным пространством над зеркалом воды h_2п (15,1 м).

Форма поперечного сечения туннеля, приведенного к расчетному круглому профилю III, с приведенными диаметром по обделке в чистоте D_ПС 21,6 м (радиус R_ПС 10,8 м), глубиной наполнения водой h_1пс 9,14 м и воздушным пространством над зеркалом воды h_2пс 12,46 м.

Фигура 17

На фигуре 17 показан продольный разрез по вертикальной осевой плоскости входной части туннеля и батопорта 1 (Б1), приведенных к расчетному прямоугольному профилю поперечного сечения с приведенными высотой туннеля Н_П, наполнением водой на глубину h_1п и воздушным пространством над зеркалом воды h_2п; длина батопорта l_Б1, ширина обечайки по верху - в₁, по низу - в₂, радиус кривизны торцевых стенок батопорта по вертикали R_1ПП и высота сегмента торцевых стенок h_∩; зазор между обечайкой батопорта и обделкой туннеля - δ.

Фигура 18

На фигуре 18 показан горизонтальный разрез Б_П-Б_П входной части туннеля и батопорта 1 (Б1), приведенных к расчетному прямоугольному профилю поперечного сечения с приведенной шириной туннеля - В_П, длиной батопорта l_Б1, шириной обечайки по верху - в₁, по низу - в₂ и высотой сегмента торцевых стенок h_∩; радиус горизонтальной кривизны торцевых стенок R₂пп, зазор между обечайкой батопорта и обделкой туннеля - δ.

Фигура 19

На фигуре 19 показан разрез входа в туннель и батопорта 1 (Б1), приведенных к расчетному круглому профилю поперечного сечения с приведенным диаметром по обделке в чистоте D_ПС, радиусом туннеля и кривизны торцевых стенок R_ПС, глубиной наполнения туннеля водой h_1пс и высотой воздушного пространства над зеркалом воды h_2пс; зазор между обечайкой батопорта и обделкой туннеля - δ; приведенный диаметр туннеля D_ПС соответствует приведенной высоте туннеля Н_ПC.

Фигура 20

На графике показано нарастание по линейной зависимости от t_i избыточного давления P_7tiизб в полости Б1 за время t=0,7 сек от «0» до 5 кГ/см² с указанием его величин по первому и второму периодам 1-й фазы работы затвора.

Работа устройства (ЗГП)

Параметры устройства, его элементов и действующих факторов отнесены к вертикальной полосе затвора шириной Z, равной 1 м, которая в ряде математических выражений не прописывается. Сечение туннеля приведено по площади к прямоугольному.

В первоначальном статическом плавучем положении затвора (фиг.1, 4) между батопортами 1 и 2 заключена масса воды m_в=L·h₁·γ/q+Δm_в и объем воздуха ϑ₀=L·h₂+Δϑ+ϑ_рп,

где γ - плотность воды, принимаемая равной 1;

Δm_в, ϑΔ - поправки на кривизну торцевых стенок батопортов;

ϑ_рп - объем резервных буферных полостей.

На батопорты действуют силы:

собственной тяжести, уравновешиваемой водоизмещением батопортов;

гидростатического давления h₁ ²/2 (фиг.10).

Давление воздуха между батопортами, в их полостях и снаружи Р₀=1 - атмосферное.

Все остальные переменные величины имеют нулевое значение.

Динамический процесс работы затвора протекает в трех фазах:

1-я фаза - время действия на батопорт 1 ударной волны ядерного взрыва t;

2-я фаза - время действия сил инерции Δt - после прекращения воздействия на батопорт 1 ударной волны ядерного взрыва до прекращения его перемещения в направлении X (момент времени t₄);

3-я фаза - самостоятельное возвращение батопорта 1 в первоначальное положение за пределами времени t+Δt, под действием гидростатического и гидродинамического воздействия возмущенной массы воды, а также избыточного давления воздуха из пространства между батопортами.

Первая фаза работы затвора

При встрече с преградой - батопортом 1 - набегающая ударная волна ядерного взрыва с избыточным давлением во фронте Р_Ф трансформируется в отраженную ударную волну с избыточным давлением во фронте Р_Ф0, достигающим значения 5Р_Ф и создающую расчетную нагрузку

P_pti=(P_pнti·h₂+P_pпti·h₁)/(h₁+h₂),

где P_pнti - расчетная нагрузка на надводную часть передней стенки батопорта 1, равная Р_Ф0·(1-К_Т)+Р_7ИЗБ.·К_Т;

P_pпti - расчетная нагрузка на подводную часть передней стенки батопорта 1, равная (Р_Ф+P_Ф0)/2;

P_7tiизб. - избыточное давление в полости батопорта 1, равное P_7ti -Р₀=(ϑ_Б1+ϑ_оП·n_оп)/ϑ_Б1-Р₀;

ϑ_Б1 - объем полости батопорта 1;

ϑ_оП - объем свободного воздуха, затекающего в полость батопорта 1 через отверстие перфорации за время t₁;

n_оп - количество отверстий перфорации надводной части передней стенки батопорта 1;

(Агроскин, Дмитриев, Пикалов, «Гидравлика», «Энергия», Москва, 1964 г.),

где ω_оп - живое сечение отверстия перфорации;

^_ среднее гидростатическое давление, под действием которого происходит затекание воздуха в полость батопорта, равное Р_Ф0-Р_7tизб/2.

Батопорт 1 под действием силы F_ti=P_pti·Н перемещается за время t_i на расстояние l_ti=а_xti·t_i ²/2, образуя всплеск воды высотой h_вti=а_yti·t_i ²/2,

где а_xti - горизонтальное ускорение, сообщаемое совокупной массе батопорта и присоединенного объема воды всплеска;

а_yti - вертикальное ускорение, сообщаемое массе воды всплеска m_вti.

Высота всплеска h_вti соответствует разности первоначального и расчетного положения центра массы перемещаемого объема воды.

а_yti=2а_xti-q: при встрече струи жидкости с преградой под углом 90° давление струи на преграду составляет Р=2mV или Р=2mat («Гидравлика» … - см. выше), откуда следует, что создающее всплеск давление P_xti=2m_вti·а_xti·t_i ^·=m_вti·a_yti·t_i, то есть а_yti=2а_xti.

Свободная поверхность всплеска «С», условно принимаемая для последующих расчетов за плоскую, располагается под углом α к зеркалу воды (см. фиг.5). Угол α определяется соотношением ускорений, формирующих всплеск (2а_xti-q)/а_xti, соответствующим tgα. При значениях а_xti в пределах 50-100 м/сек² tgα=1,8÷1,9. При tgα=1,9 угол α=62°20'.

Высота, потенциальная высота гребня всплеска (разрушается при встрече с обделкой свода туннеля) составляет

Масса перемещаемой воды всплеска составляет m_вti=а_xti·t_i ²·h_i/2q.

В связи с зависимостью величины гидродинамического давления на батопорт 1 присоединенной массы воды всплеска при его встрече с обделкой свода туннеля от количества массы и высоты гребня всплеска работа затвора в 1-й фазе разделяется на три периода:

1-й период - от t₀ до t₁ - образования всплеска с высотой гребня над зеркалом воды, равной h₂;

2-й период - от t₁ до t₂ - увеличение потенциальной высоты гребня всплеска от h₂ до 1,5h₂;

3-й период - от t₂ до t - при потенциальной высоте гребня всплеска более 1,5h₂.

Первый период 1-й фазы работы затвора

В первом периоде 1-й фазы работы затвора силе F₁=P_P1·H и перемещению батопорта 1 противодействуют:

F_1-1 - инерция массы батопорта 1, равная -m_Б1·а_х1,

где m_Б1 - масса батопорта с учетом балласта и соединенных с ним частей телескопических балок;

а_x1 - горизонтальное ускорение совокупной массы батопорта 1 и всплеска воды;

- F_2-1 - гидродинамическое сопротивление присоединенной массы воды всплеска m_в1 скоростному напору V_X1 батопорта 1, равное для нижней половины слоя присоединенной массы воды -m_в1·V_X1 и для верхней половины слоя присоединенной массы воды -m_в1·V_X1/2, в сумме -1,5m_в1·V_X1.

-F_3-1 - гидродинамическое инерционное противодействие присоединенной массы воды ускорениям а_х1 и а_у1, равное

-(m_в1·а_X1+m_B1·а_y1)=m_В1(3а_X1-q)

F_5-1 - гидростатическое давление на батопорт 1 столба воды с учетом высоты гребня всплеска -(h₁ ²+Н²)/4;

-F_6-1 - избыточное давление воздуха между батопортами, равное -Р_6-1·Н, где

-Р_6-1 - избыточное давление от компрессии воздуха за счет перемещения батопорта 1 на расстояние, l₁ равное -(Lh₂+ϑ_PП)/(Lh₂+ϑ_РП-l₁H)-P₀, где ϑ_РП - объем резервных буферных полостей.

Проскок избыточного давления ударной волны через зазор δ за время t₁ составляет тысячные доли объемов воздуха, заключенного в пространстве между батопортами, и поэтому не учитывается.

Баланс сил, действующих на батопорт l в конце первого периода t₁ и пробега батопорта t₁, выражается равенством:

F₁=F_1-1+F_2-1+F_3-1+F_5-1+F_6-1 или

из которого следует, что ускорение горизонтального перемещения совокупной массы Б1 и всплеска в первом периоде 1-й фазы работы затвора составляет:

Среднее ускорение горизонтального перемещения батопорта Б1 и присоединенной массы возмущенной воды всплеска m_в1 в первом периоде 1-й фазы работы затвора:

Расстояние горизонтального перемещения совокупной массы Б1 и всплеска в первом периоде 1-й фазы работы затвора:

Расстояние горизонтального перемещения батопорта 1 l₁=l_m1-Δl_m1, где

- поправка на смещение центра совокупной массы Б1 и всплеска относительно батопорта;

R_mBt0 и R_mBt1 - плечи центров массы всплеска относительно единой вертикали отсчета на время t₀ и t₁.

Продолжительность первого периода 1-й фазы работы затвора

Максимальная горизонтальная скорость перемещения совокупной массы Б1 и m_B1: ;

Средняя скорость горизонтального перемещения Б1 и m_B1: ;

Масса воды всплеска: m_в1=l_x1·h₁/q;

Ускорение вертикального перемещения m_в1: а_yl=2а_x1-q;

Скорость вертикального перемещения m_в1: V_У1=(2а_x1-q)·t₁ или 2V_X1-q·t₁.

Здесь и далее для приближенного определения вертикальных ускорений и скоростей масс воды всплеска m_в1(2,3,4) - а_у1(2,3,4), V_у1(2,3,4) допущено использование величин горизонтальных ускорений совокупных масс Б1 и m_в1(2,3,4) - а_x1.

Второй период 1-й фазы работы затвора

Во втором периоде 1-й фазы работы затвора к силам противодействия перемещению батопорта 1, действовавшим в первом периоде, добавляется гидродинамическое воздействие присоединенной массы воды всплеска при его встрече с обделкой свода туннеля, составляющее величину -F_4-2.

-F_4-2(Р_4-2)=-2m_в2·V_у2=-2m_в2·(2а_x2-q)·t₂

Величина силы -F_4-2 от 0 на момент времени t₁ возрастает по мере увеличения массы всплеска и достигает максимума в конце второго периода 1-й фазы работы затвора при t₂ и потенциальной высоте гребня всплеска от зеркала воды h_гв2=1,5h₂. Ширина живого сечения восходящего потока воды на уровне свода туннеля с учетом разрушения гребня всплеска достигает