DE102010017524A1 - Shut-off system for a fluid - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Absperrsystem (1) für ein Fluid (3), insbesondere eine Wasserstraßenschleusenanlage, mit einem Sperrkörper (2), welcher zumindest zeitweilig wenigstens einseitig mit einem Fluiddruck beaufschlagt ist, und einem Fluid (3). Dieses Absperrsystem (1) zeichnet sich dabei dadurch aus, dass am Sperrkörper (2) auf wenigstens einer dem Fluid (3) zugewandten Seite wenigstens ein Dämpfungselement (4) für Fluidbewegungen angeordnet ist. Damit lässt sich ein Absperrsystem (1) erzielen, welches hydrodynamischen Fluiddrücken, wie sie beispielsweise durch Erdbeben verursacht werden, besser standhält.The invention relates to a shut-off system (1) for a fluid (3), in particular a waterway lock system, with a blocking body (2), which is at least temporarily subjected to a fluid pressure on at least one side, and a fluid (3). This shut-off system (1) is characterized in that at least one damping element (4) for fluid movements is arranged on the blocking body (2) on at least one side facing the fluid (3). This enables a shut-off system (1) to be achieved which better withstands hydrodynamic fluid pressures such as those caused by earthquakes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Absperrsystem für ein Fluid, insbesondere eine Wasserstraßenschleusenanlage, mit einem Sperrkörper, welcher zumindest zeitweilig wenigstens einseitig mit einem Fluiddruck beaufschlagt ist, und einem Fluid.The invention relates to a shut-off system for a fluid, in particular a waterway lock system, with a blocking body, which is at least temporarily acted upon at least on one side with a fluid pressure, and a fluid.
Bei derartigen Absperrsystemen sind die Sperrkörper bei gefülltem Staubecken einem Fluiddruck ausgesetzt, welcher im Ruhezustand aus dem Eigengewicht des Fluides, zumeist Wasser, resultiert und sich als hydrostatischer Druck ausprägt. Es ist bekannt, Schleusenanlagen, Staudämme und dergleichen so zu dimensionieren, dass sie diesen Fluiddrücken standhalten.In the case of such shut-off systems, the blocking bodies are exposed to a fluid pressure when the reservoir is filled, which at rest results from the weight of the fluid, usually water, and is expressed as hydrostatic pressure. It is known to dimension lock systems, dams and the like so that they withstand these fluid pressures.
Darüber hinaus unterliegen derartige Sperrkörper für Absperrsysteme jedoch auch hydrodynamischen Druckeinflüssen, wenn das Fluid in Bewegung gerät. Dies kann beispielsweise bei Schleusenanlagen durch die Fahrbewegung großer Schiffskörper oder auch durch Erdbeben vorkommen. Gerade im letzteren Falle wird das Fluid durch die seismischen Kräfte erheblich in Bewegung gesetzt und es entsteht ein alternierender hydrodynamischer Druck, der auf den Sperrkörper beträchtliche Kräfte ausübt und diesen beschädigen oder gar zerstören kann. Hierbei spielt die Trägheit des mit dem Sperrkörper in Kontakt stehenden Fluides eine wesentliche Rolle.In addition, however, such blocking body for shut-off systems are subject to hydrodynamic pressure influences when the fluid is in motion. This can occur, for example, in lock systems by the movement of large hull or by earthquakes. Especially in the latter case, the fluid is set in motion by the seismic forces considerably and there is an alternating hydrodynamic pressure that exerts considerable forces on the locking body and can damage or even destroy it. In this case, the inertia of the fluid in contact with the blocking body plays an essential role.
Die sich aus dieser strukturellen Wechselwirkung ergebenden Probleme lassen sich durch eine Zusammenschau der Fluidmasse mit der Masse veranschaulichen, welche die Trägheit der betrachteten Sperrkörperstruktur repräsentiert. Diese zusätzliche Massenbeaufschlagung führt zu einer Verschiebung der Grundschwingungsfrequenz des Aufbaus hin zu niedrigeren Frequenzwerten. Wenn das Fluid eine niedrige Viskosität aufweist, wie dies beispielweise bei Wasser der Fall ist, erhöht dieses jedoch die Energieaufnahmekapazität der Struktur nicht wesentlich. Obwohl die Frequenzverschiebung vorteilhaft sein kann hinsichtlich einer Verringerung der Reaktionsbeschleunigung und damit auf die seismischen Kräfte, können die insgesamt wirkenden seismischen Kräfte im Vergleich zu einer nicht mit Fluid beaufschlagten Sperrkörperstruktur aufgrund der Vergrößerung von Trägheitseffekten wesentlich ansteigen. Diese resultieren aus der durch die Trägheit des Fluides zum Sperrkörper hinzu zu addierenden Masse.The resulting from this structural interaction problems can be illustrated by a comparison of the mass of fluid with the mass, which represents the inertia of the considered blocking body structure. This additional mass loading results in a shift of the fundamental frequency of the structure towards lower frequency values. However, if the fluid has a low viscosity, as is the case with water, for example, this does not significantly increase the energy absorption capacity of the structure. Although the frequency shift may be advantageous in reducing reaction acceleration and thus seismic forces, the overall seismic forces may increase substantially as compared to a non-fluid barrier structure due to the increase in inertial effects. These result from the mass to be added by the inertia of the fluid to the blocking body.
Gerade bei größeren Absperrsystemen, wie beispielweise bei wirtschaftlich genutzten Wasserstraßen wie einem Kanal für die Durchfahrt von Seeschiffen führt dies zu einem nicht unerheblichen Risiko für den Betrieb dieser Anlagen.Especially with larger shut-off systems, such as in economically used waterways such as a channel for the passage of seagoing vessels, this leads to a significant risk for the operation of these facilities.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Absperrsystem für ein Fluid derart weiter zu bilden, dass es hydrodynamischen Fluiddrücken, wie sie beispielsweise durch Erdbeben verursacht werden, besser standhält.The invention is therefore based on the object to form a shut-off system for a fluid such that it hydrodynamic fluid pressures, such as those caused by earthquakes, withstand better.
Diese Aufgabe wird durch ein Absperrsystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Dieses zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass am Sperrkörper auf wenigstens einer dem Fluid zugewandten Seite wenigstens ein Dämpfungselement für Fluidbewegungen angeordnet ist.This object is achieved by a shut-off system with the features of claim 1. This is characterized in particular by the fact that at least one damping element for fluid movements is arranged on the blocking body on at least one side facing the fluid.
Die Erfindung schlägt somit erstmals vor, den aufgrund von Fluidbewegungen auftretenden hydrodynamischen Druck durch ein geeignetes Dämpfungselement abzufedern. Das Dämpfungselement wirkt dabei als eine Art „Federelement”, mittels dessen ein wesentlicher Teil des durch die Fluidbewegung hervorgerufenen hydrodynamischen Drucks aufgenommen und abgeschwächt wird, bevor dieser tatsächlich auf den Sperrkörper trifft. Es kann jedoch auch einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand gegen die Strömung des Fluides bewirken und so die Fluidbewegung dämpfen.The invention thus proposes for the first time to cushion the hydrodynamic pressure occurring due to fluid movements by means of a suitable damping element. The damping element acts as a kind of "spring element" by means of which a substantial part of the fluid movement caused by the hydrodynamic pressure is absorbed and attenuated before it actually hits the locking body. However, it may also cause a velocity-dependent resistance to the flow of the fluid and thus dampen the fluid movement.
Somit tritt durch die Erfindung eine sanfte Kopplung der zur Sperrkörpermasse hinzutretenden zusätzlichen Fluidmasse auf, was zu einer zusätzlichen Verschiebung der Frequenzen führt. Hierdurch wird eine Verringerung der spektralen Beschleunigung erzielt. Damit wird durch die Erfindung eine erhebliche Verbesserung der Energieaufnahmekapazität des Absperrsystems erreicht.Thus, by the invention, a gentle coupling of the additional mass of fluid to the blocking body mass occurs, which leads to an additional shift of the frequencies. This achieves a reduction of the spectral acceleration. Thus, a significant improvement in the energy absorption capacity of the shut-off system is achieved by the invention.
Hierdurch lässt sich zudem eine wesentliche Reduzierung der auf den Sperrkörper wirkenden Belastungen erreichen. Dies wirkt sich vorteilhaft in Hinblick auf dessen Lebensdauer und Zuverlässigkeit aus.This can also achieve a significant reduction of the forces acting on the locking body loads. This has an advantageous effect in terms of its life and reliability.
Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, den konstruktiven Aufwand für die Bereitstellung des Speerkörpers zu reduzieren, da dieser weniger stabil als im Stand der Technik ausgebildet werden kann. Dies ist insbesondere auch bei beweglichen Sperrkörpern, wie Schleusentoren, von Vorteil, da hier dann eine geringere Masse im Zuge des Schleusenvorgangs bewegt werden muss.In addition, however, it is also possible to reduce the design effort for the provision of the spear body, since this can be made less stable than in the prior art. This is particularly advantageous in the case of movable barrier bodies, such as lock gates, since a smaller mass must then be moved in the course of the lock operation.
Das erfindungsgemäße Absperrsystem zeichnet sich somit durch eine wesentlich verbesserte Standfestigkeit gegenüber hydrodynamischen Belastungen aus, wobei dies durch vergleichsweise einfache technologische Mittel erreicht wird. Gerade in erdbebengefährdeten Gebieten kann somit durch die Erfindung eine Gefahr für Personen oder den Warenverkehr deutlich reduziert werden.The shut-off system according to the invention is thus characterized by a significantly improved stability against hydrodynamic loads, this being achieved by comparatively simple technological means. Especially in earthquake-prone areas can thus be significantly reduced by the invention, a risk to persons or goods traffic.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Absperrsystems sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Advantageous developments of the shut-off system according to the invention are the subject of the dependent claims.
So kann das Dämpfungselement einen Behälter mit einer Kammer zur Aufnahme eines Gaspolsters aufweisen. Dann lässt sich das Dämpfungselement mit geringem konstruktiven Aufwand bereitstellen. Zudem ist durch den Einsatz von Gas in der Kammer ein besonders geeignetes „Federelement” vorgesehen, da Gase im Gegensatz zu Flüssigkeiten in hohem Maße kompressibel sind und daher dementsprechend dynamische Lasten abfedern können. Durch den hydrostatischen Druck des Fluides wird das Gaspolster dabei um ein gewisses Maß komprimiert und wirkt dann als eine Art „Airbag”. Hierbei wird bevorzugt Luft als Gas eingesetzt, da diese überall verfügbar ist und keinerlei Gefährdungen hiervon ausgehen.Thus, the damping element may comprise a container having a chamber for receiving a gas cushion. Then, the damping element can be provided with little design effort. In addition, a particularly suitable "spring element" is provided by the use of gas in the chamber, since gases, in contrast to liquids are highly compressible and therefore can absorb dynamic loads accordingly. Due to the hydrostatic pressure of the fluid, the gas cushion is compressed to a certain extent and then acts as a kind of "airbag". In this case, preference is given to using air as gas, since it is available everywhere and poses no endangerment thereof.
Wenn die Kammer auf ihrer einer Basis des Absperrsystems zugewandten Seite fluiddurchlässig ist, kann das Kompressionsvermögen des Gases besonders günstig genutzt werden, da es unmittelbar mit dem Fluid zusammenwirkt. Durch eine Bewegung des Fluides z. B. im Zuge eines Erdbebens verändert sich der Kompressionsgrad des Gases und damit auch das Gasvolumen in der Kammer. Dementsprechend strömt das Fluid in den Behälter alternierend hinein und heraus, wodurch ein zusätzlicher Dämpfungseffekt erzielt wird. Zudem bieten derart ausgebildete Kammern den Vorteil, dass sie sich automatisch bei leerem Staubecken mit Luft füllen und diese Luft dann im Zuge der Füllung des Staubeckens zwangsweise in den Behälter eingeschlossen wird. So ergibt sich eine automatische Bereitstellung des Dämpfungselements, ohne dass aktiv hierzu Gase bewegt werden müssten. Dies ist insbesondere bei Schleusensystemen von Vorteil, da sich hier automatisch mit jedem Schleusenvorgang das Gaspolster neu ausbildet. Der technologische Aufwand zur Bereitstellung dieses Dämpfungselements ist dann besonders gering.If the chamber is fluid-permeable on its side facing a shut-off system, the compressibility of the gas can be used particularly favorably, because it interacts directly with the fluid. By a movement of the fluid z. B. in the course of an earthquake, the degree of compression of the gas and thus the gas volume in the chamber changed. Accordingly, the fluid flows into and out of the container alternately, thereby providing an additional cushioning effect. In addition, such trained chambers have the advantage that they automatically fill with empty reservoirs with air and this air is then forcibly included in the container in the course of filling the reservoir. This results in an automatic provision of the damping element, without active gases would have to be moved for this purpose. This is particularly advantageous in lock systems, since the gas cushion re-forms automatically with each lock operation. The technological effort to provide this damping element is then particularly low.
Hierbei kann der Behälter auf seiner der Basis des Absperrsystems zugewandten Seite eine Strömungsbegrenzungseinrichtung für den Fluiddurchtritt in die Kammer aufweisen. Durch diese Strömungsbegrenzungseinrichtung wird eine noch bessere Dämpfungswirkung für die hydrodynamischen Lasten erzielt, da durch enge Öffnungen strömende Fluide mit geschwindigkeitsabhängigen Kräften belegt sind, welche einer Bewegung des Fluides entgegenwirken. Hierdurch kommt es sozusagen zu einem zweistufigen Dämpfungsvorgang am Dämpfungselement, was die Fähigkeit zur Aufnahme eines insbesondere alternierenden hydrodynamischen Fluiddrucks weiter verbessert und somit das Absperrsystem insgesamt noch erdbebensicherer macht.In this case, the container may have, on its side facing the base of the shut-off system, a flow-limiting device for the passage of fluid into the chamber. By this flow-limiting device, an even better damping effect is achieved for the hydrodynamic loads, since fluids flowing through narrow openings are occupied by speed-dependent forces which counteract a movement of the fluid. This results, so to speak, in a two-stage damping process on the damping element, which further improves the ability to absorb an in particular alternating hydrodynamic fluid pressure and thus makes the shut-off system as a whole even more earthquake-proof.
Dabei kann die Strömungsbegrenzungseinrichtung wenigstens ein Lochblech, ein Gitterrost oder eine sonstige, einen Strömungswiderstand hervorrufende Vorrichtung sein. Dann lässt sich diese mit geringem konstruktiven Aufwand bereitstellen und zeichnet sich zudem durch eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aus.In this case, the flow-limiting device may be at least one perforated plate, a grid or another, a flow resistance causing device. Then this can be provided with little design effort and is also characterized by a high reliability and durability.
Von weiterem Vorteil ist es, wenn das wenigstens eine Dämpfungselement im Wesentlichen über die Breite des Sperrkörpers hinweg verläuft. Dann kann es seine Dämpfungswirkung auch zuverlässig über einen wesentlichen Teil oder auch über die gesamte Breite des Sperrkörpers hinweg bereitstellen. Darüber hinaus ist es zugleich auch möglich, dieses wenigstens eine Dämpfungselement dann als versteifendes Element für den Sperrkörper einzusetzen, so dass dieser selbst filigraner ausgebildet werden kann.It is a further advantage if the at least one damping element extends substantially over the width of the blocking body. Then it can also reliably provide its damping effect over a substantial part or over the entire width of the blocking body away. In addition, it is also possible at the same time to use this at least one damping element as a stiffening element for the locking body, so that it can be made even filigree.
Der Sperrkörper kann ein Schleusentor sein. Gerade in diesem Einsatzfalle kommen die erfindungsgemäßen Vorteile besonders gut zur Geltung, da ein derartiges Schleusentor bei jedem Schleusenvorgang bewegt werden muss, weshalb dessen Masse mit Blick auf den erforderlichen Energiebedarf möglichst gering sein soll. Gleichzeitig ist ein derartiges Schleusentor als an sich beweglich gestaltetes Element besonders anfällig für einen alternierenden hydrodynamischen Druck. Durch das erfindungsgemäß nun vorgesehene Dämpfungselement am Sperrkörper können die Belastungen für ein solches Schleusentor ganz erheblich reduziert werden.The blocking body may be a lock gate. Especially in this case, the advantages of the invention are particularly well, since such a lock gate must be moved at each lock process, which is why its mass should be as low as possible with regard to the required energy consumption. At the same time, such a lock gate as a movably designed element is particularly susceptible to an alternating hydrodynamic pressure. By now provided according to the invention damping element on the locking body, the burden on such a lock gate can be significantly reduced.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nach Anspruch 8 ein Sperrkörper für ein erfindungsgemäßes Absperrsystem bereitgestellt. Ein solcher Sperrkörper stellt ein selbstständig ausbildbares wie auch handelbares Element dar, wie dies am Beispiel eines Schleusentores besonders deutlich wird. Insofern ist ein derartiger Sperrkörper als Nachrüst- oder Austauschteil für ein erfindungsgemäßes Absperrsystem geeignet und erlaubt es, ein solches in der erfindungsgemäßen Weise zu konditionieren. Damit werden die oben erläuterten Vorteile erzielt.According to a further aspect of the present invention, a blocking body for a shut-off system according to the invention is provided according to claim 8. Such a blocking body is an independently formable as well as tradable element, as is particularly clear from the example of a sluice gate. In this respect, such a blocking body is suitable as a retrofit or replacement part for an inventive shut-off system and allows it to be conditioned in the manner according to the invention. This achieves the advantages explained above.
Hierbei kann der Sperrkörper anhand der oben dargelegten Merkmale aus den abhängigen Ansprüchen weitergebildet werden, wobei die entsprechenden Vorteile erzielt werden.In this case, the locking body can be developed on the basis of the features set out above from the dependent claims, wherein the corresponding advantages are achieved.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nach Anspruch 10 ein Dämpfungselement für ein erfindungsgemäßes Absperrsystem bzw. einen erfindungsgemäßen Sperrkörper bereitgestellt. Dieses Dämpfungselement kann die oben dargelegten Merkmale aufweisen, ist als Nachrüst- oder Austauschteil für ein erfindungsgemäßes Absperrsystem geeignet und erlaubt es, die entsprechenden Vorteile zu erzielen.According to yet another aspect of the present invention, according to claim 10, a damping element for a shut-off system according to the invention or a blocking body according to the invention is provided. This damping element may have the features set out above, is as a retrofit or replacement part of a according to the invention suitable shut-off system and allows to achieve the corresponding advantages.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail in exemplary embodiments with reference to the figures of the drawing. It shows:
In
Im gezeigten Beispiel ist die Wasserschleuse auf einer Seite bis zu einem oberen Wasserstand
Am Sperrkörper
In
Diese Luft gelangt im Zuge des Schleusenvorgangs in die Kammer
Kommt es nun zu einer Bewegung des Fluides
Der durch die Bewegung des Fluides
Die
Während
Gemäß der Darstellung in
In den
Gemäß der Darstellung in
Gemäß der Darstellung in
Gemäß der Darstellung in
Wie aus den
In den
Die Erfindung lässt neben den erläuterten Ausführungsformen weitere Gestaltungsansätze zu.The invention allows, in addition to the illustrated embodiments, further design approaches.
So kann es sich beim Sperrkörper
Der Sperrkörper
So wie anstelle von Wasser auch ein anderes Fluid
Dabei ist es generell nicht erforderlich, ein Luftpolster zur Abfederung bzw. Dämpfung der Fluidbewegung einzusetzen. Vielmehr kann das Dämpfungselement
Andererseits ist es unter Umständen auch nicht erforderlich, ein Luftpolster im Behälter
Andererseits kann es für manche Anwendungsfälle auch hinreichend sein, das Dämpfungselement mit einem geschlossenen Behälter
Die Dämpfungselemente
Ferner kann es in manchen Anwendungsfällen hinreichend sein, nur auf einer Seite eines Speerkörpers Dämpfungselemente anzuordnen.Furthermore, in some applications it may be sufficient to arrange damping elements only on one side of a spear body.
Beim Absperrkörper
Claims (10)
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