專利名稱：減免高水頭船閘突擴(kuò)廊道升坎空化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種減免船間突擴(kuò)廊道體型空化的方法，具體的說是一種減免高水頭船閘突擴(kuò)廊道升坎空化的方法。
背景技術(shù)：
隨著航運事業(yè)的發(fā)展和閥門研究水平的提高，船閘正在邁入高水頭時期，“高水頭、大流量”是現(xiàn)在船閘的主要特點。我國目前已建、在建的水頭超過20m的船閘已超過五十多座。其中，草街船閘的水頭高26. 7m，銀盤的水頭高達(dá)36. 46m，而三峽船閘的最大級水頭更是高達(dá)45. an。就船閘而言，輸水閥門作為它的控制設(shè)備，其閥門段空化一直是船閘單項技術(shù)設(shè)計的焦點。國內(nèi)外已建船閘運行經(jīng)驗表明，與一般水工泄水建筑物不同，當(dāng)船閘水頭超過 20m時，就被稱為高水頭，在閥門開啟過程中，閥門段極易發(fā)生空化現(xiàn)象，直接影響到船閘的安全運行。如美國Litt goose. Lower船閘(水頭均為30. 8m)，Johm-Day船閘(水頭 34.8m)和我國葛洲壩船閘(水頭27.0 m)、萬安船閘(水頭32. 4 m)等在運行過程中均發(fā)生巨大的爆破聲，閘首周圍發(fā)生強烈聲振，反弧門板及輸水閥門后廊道壁面出現(xiàn)了空蝕破壞。閥門段空化的危害主要體現(xiàn)在以下幾點導(dǎo)致閥門面板、門楣及門后廊道邊壁空蝕破壞；空化嚴(yán)重時廊道常出現(xiàn)巨大雷鳴聲，發(fā)生聲振現(xiàn)象；門后廊道產(chǎn)生較大的沖擊壓力，壓力脈動及閥門啟門力脈動增大；閥門及其啟閉系統(tǒng)振動加劇，造成液壓系統(tǒng)元件損壞；閥門支鉸脈動增大，造成支鉸固定螺栓振松和破壞；間首強烈振動影響電站設(shè)備運行。輸水閥門后的廊道體型一般采用不擴(kuò)大、頂擴(kuò)和突擴(kuò)(向上、下)三種類型，頂擴(kuò)和突擴(kuò)(向上、下)型廊道可以增加閥門后過水?dāng)嗝妫瑴p小水流流速，增加廊道壓力，從而改善廊道空化條件。圖1為頂擴(kuò)廊道體型的空化形態(tài)。如圖1所示，空化型式主要有門楣縫隙空化Cal，閥門底緣空化Ca2以及下游檢修門井的門槽空化Ca3。同樣，對于閥門后不擴(kuò)大和只有向上突擴(kuò)的廊道體型空化類型也是如此。模型試驗及原體觀測結(jié)果表明，閥門后廊道采用突擴(kuò)體型能大幅度地提高廊道壓力和閥門底緣空化數(shù)，抗空化性能好，即使出現(xiàn)空化，空泡潰滅遠(yuǎn)離廊道邊界，起到超空穴作用。經(jīng)對向上、下突擴(kuò)體型布置比較，向下突擴(kuò)體型提高廊道壓力和閥門底緣空化數(shù)效果更為顯著，是目前高水頭船間普遍采用的一種體型，但是該體型存在一個新的問題亟待解決，即升坎空化問題。圖2為底部向下突擴(kuò)的廊道體型。其空化型式主要有門楣縫隙空化Cal，閥門底緣空化Ca2，下游檢修門井的門槽空化Ca3，跌坎空化Ca4和升坎空化Ca5。圖3為底部向下突擴(kuò)的廊道摻氣減蝕措施。如圖3所示，目前工程中對于門楣空化通常采用在門楣處設(shè)通氣孔4消除；跌坎空化可采用臺階狀跌坎體型1以及在臺階狀跌坎1的第一級和第二級臺階之間設(shè)置通氣孔4進(jìn)行消除；門槽空化通過優(yōu)化門槽體型消除； 底緣空化采用增大跌坎高度的方法以提高廊道壓力和閥門底緣空化數(shù)，此外，門楣自然通氣也有助于減免底緣空化。為解決升坎空化的問題，通常采用以下工程措施
⑴采取鋼板襯砌。在升坎空化發(fā)生的開度范圍和強度不大時可以考慮，但長期運用將發(fā)生空蝕和振動現(xiàn)象，增加工程維護(hù)費用。⑵增加閥門處廊道埋設(shè)深度。即通過降低廊道底部高程以增加升坎處壓力，此措施勢必增加工程量，提高工程造價。⑶升坎體型優(yōu)化。使用范圍較廣，常見的升坎體型有五次曲線(圖2中升坎2)和臺階式(圖3中升坎2)兩種，但體型設(shè)計過于復(fù)雜，且會增加突擴(kuò)廊道長度和體積，從而增大工程投資和施工難度。此外，升坎體型優(yōu)化也只是針對某種水力條件(恒定流條件)的優(yōu)化， 而船間輸水閥門每天頻繁操作，上下游水位變幅較大加之間門開度的變化造成門后水流流態(tài)十分復(fù)雜，屬于非恒定高速水流條件下的水動力學(xué)問題，要實現(xiàn)整個運行工況下都不發(fā)生空化的升坎體型設(shè)計，幾乎是不可能的。⑷減緩升坎坡度。為了避免底緣空化破壞，跌坎必須有足夠的深度，跌坎后部也必須有足夠長的平直段，因此，減緩升坎坡度將延長輸水廊道，增加工程量。ω在升坎上游設(shè)置摻氣設(shè)施，使升坎空化區(qū)泄流邊界處的水流摻氣濃度不小于臨界減蝕摻氣濃度。申請者在多個工程的研究中發(fā)現(xiàn)
Α.門楣摻氣很難抵達(dá)升坎空化區(qū)Ca5，對防止升坎空化無能為力。B.跌坎1處設(shè)置通氣管4從跌坎底部向水中摻氣，只對防止跌坎空化起到明顯作用，在跌坎下游較短距離內(nèi)水中氣泡由于浮力作用很快逸至水流上部，而升坎空化區(qū)Ca5 處的過流面的摻氣量非常少，尤其在大型輸水閥門中跌坎和升坎距離較遠(yuǎn)的情況下，跌坎處摻氣對防止升坎空化幾乎沒有作用。C.突擴(kuò)廊道內(nèi)通氣量過大會影響船閘安全運行。與溢流壩面不同的是，廊道內(nèi)為四周封閉的有壓流，不宜摻氣量過大。例如，欲通過增大跌坎1處的通氣量來使得跌坎空化區(qū)的底部摻氣濃度達(dá)到減蝕摻氣濃度，跌坎1處的通氣量非常大，氣泡在下游逸出水面后會在廊道內(nèi)形成氣囊來回震蕩，甚至在合適的條件下發(fā)生氣囊爆炸，不但會影響船間的充水，更重要的是會影響船閘的安全運行。綜上，向下突擴(kuò)型廊道是高水頭船間輸水閥門普遍采用的一種體型，但這種體型的升坎空化問題亟待解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在缺點，提出一種減免高水頭船間突擴(kuò)廊道升坎空化的方法，可以顯著減小空化強度，可以對升坎后廊道底板起到一定保護(hù)作用。本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案是
減免高水頭船間突擴(kuò)廊道升坎空化的方法，在升坎曲面上水流發(fā)生分離的位置處設(shè)置升坎摻氣設(shè)施，升坎摻氣設(shè)施為摻氣槽或由摻氣坎和摻氣槽連接而成，在摻氣槽內(nèi)設(shè)有通氣管通往間頂，通氣管頂部還通過連接一根支管至空壓機，支管上設(shè)有閥門；當(dāng)升坎摻氣設(shè)施后低壓區(qū)負(fù)壓足以自動將空氣吸入水中時，將通氣管通往大氣中實現(xiàn)自然通氣，否則，采用空壓機向所述升坎摻氣設(shè)施內(nèi)加氣，達(dá)到減免所述升坎摻氣設(shè)施下游升坎及門槽空化的目的。本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案是
前述的減免高水頭船間突擴(kuò)廊道升坎空化的方法，升坎為五次曲線型升坎或臺階式升坎。 本發(fā)明的優(yōu)點是⑴在升坎曲面上水流發(fā)生分離的位置設(shè)置摻氣坎/槽，可以確保升坎空化區(qū)處的水流(尤其是底部水流)充分摻氣，減免升坎空化；⑵升坎摻氣設(shè)施距離下游門槽更近，有助于減免門槽空化；⑶相比從跌坎處摻氣來防止升坎空化的措施，本發(fā)明的免蝕摻氣量顯著減小，不易在廊道內(nèi)形成氣囊，提高了工程安全性；⑷可以使用較陡的升坎坡度，縮短突擴(kuò)廊道，減少工程量，降低工程造價。


圖1為頂擴(kuò)廊道體型的空化形態(tài)。
圖2為底部突擴(kuò)型閥門段的空化形態(tài)。
圖3為帶有門楣摻氣設(shè)施和跌坎摻氣設(shè)施的底部突擴(kuò)型閥門段體型示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例一的連接示意圖。
圖5為圖4中升坎摻氣設(shè)施的放大圖。
圖6是本發(fā)明的升坎通氣管關(guān)閉的空化噪聲均方根值圖。
圖7是本發(fā)明的升坎通氣的空化噪聲均方根值圖。
圖8為本發(fā)明實施例二的連接示意圖。
圖9為圖8中升坎摻氣設(shè)施的放大圖。
圖10為本發(fā)明實施例三的連接示意圖。
圖11為圖10中升坎摻氣設(shè)施的放大圖。
具體實施例方式實施例1
本實施例是一種減免高水頭船間突擴(kuò)廊道升坎空化的方法，圖4是本實施例的船閘輸水閥門的體型圖，圖5為該實施例的升坎摻氣設(shè)施大樣圖。如圖4所示，升坎2采用五次曲線型升坎，在升坎曲面上水流發(fā)生分離的位置處設(shè)置升坎摻氣設(shè)施5 (為挑坎+摻氣槽型式)，形成穩(wěn)定的低壓區(qū)，通氣管4布置在升坎摻氣設(shè)施5的兩側(cè)，向水流中摻氣。通氣管 4通往閘頂，向水流中通氣的方式取決于摻氣槽5中的壓力情況，如摻氣槽中的負(fù)壓可以吸入足夠多的空氣使得升坎空化區(qū)和下游摻氣槽3過流面處的水流摻氣濃度達(dá)到或超過臨界免蝕摻氣濃度，則調(diào)節(jié)閥門6使其自然通氣。否則，開啟空壓機7，調(diào)節(jié)閥門6使用空壓機將足量的空氣壓入摻氣設(shè)施5，減免下游升坎空化和門槽空化。升坎空化和門槽空化根據(jù)減壓試驗中埋設(shè)在摻氣設(shè)施5和門槽3之間的水聽器信號判斷。減壓試驗結(jié)果表明，當(dāng)不設(shè)置升坎摻氣設(shè)施5時，Ca3和Ca5處存在一定程度的空化，尤以閘門開度為0. 3時空化程度最強。圖6是閘門開度為0. 3，沒有升坎通氣設(shè)施時的水聽器噪聲均方根值圖，從圖中可以看出，噪聲信號中存在大量的尖脈沖信號，表明模型中有空化發(fā)生。圖7是閘門開度為0. 3，有升坎通氣設(shè)施時的水聽器噪聲均方根值圖，從圖中可以看出，噪聲信號中的尖脈沖信號已經(jīng)消失，表明模型中沒有空化發(fā)生。實施例2
圖8是本發(fā)明的第二個實施例，圖9為該實施例的升坎摻氣設(shè)施大樣圖。本實施例的升坎曲線與實施例一相同，也采用五次曲線，不同的是升坎摻氣設(shè)施為摻氣槽的型式。升坎 2采用五次曲線型升坎，在升坎曲面上水流發(fā)生分離的位置處設(shè)置升坎摻氣設(shè)施5 (為摻氣槽型式)，形成穩(wěn)定的低壓區(qū)，通氣管4布置在升坎摻氣設(shè)施5的兩側(cè)，向水流中摻氣。通氣管4通往閘頂，向水流中通氣的方式取決于摻氣槽5中的壓力情況，如摻氣槽中的負(fù)壓可以吸入足夠多的空氣使得升坎空化區(qū)和下游摻氣槽3過流面處的水流摻氣濃度達(dá)到或超過臨界免蝕摻氣濃度，則調(diào)節(jié)閥門6使其自然通氣。否則，開啟空壓機7，調(diào)節(jié)閥門6使用空壓機將足量的空氣壓入摻氣設(shè)施5，減免下游升坎空化和門槽空化。升坎空化和門槽空化根據(jù)減壓試驗中埋設(shè)在摻氣設(shè)施5和門槽3之間的水聽器信號判斷。實施例3
圖10是本發(fā)明的第三個實施例，圖11為該實施例的升坎摻氣設(shè)施大樣圖。本實施例的跌坎和升坎曲線均采用臺階式，升坎摻氣設(shè)施為摻氣槽的型式。升坎2采用臺階式升坎， 在升坎曲面上水流發(fā)生分離的位置處設(shè)置升坎摻氣設(shè)施5 (為摻氣槽型式)，形成穩(wěn)定的低壓區(qū)，通氣管4布置在升坎摻氣設(shè)施5的兩側(cè)，向水流中摻氣。通氣管4通往間頂，向水流中通氣的方式取決于摻氣槽5中的壓力情況，如摻氣槽中的負(fù)壓可以吸入足夠多的空氣使得升坎空化區(qū)和下游摻氣槽3過流面處的水流摻氣濃度達(dá)到或超過臨界免蝕摻氣濃度，則調(diào)節(jié)閥門6使其自然通氣。否則，開啟空壓機7，調(diào)節(jié)閥門6使用空壓機將足量的空氣壓入摻氣設(shè)施5，減免下游升坎空化和門槽空化。升坎空化和門槽空化根據(jù)減壓試驗中埋設(shè)在摻氣設(shè)施5和門槽3之間的水聽器信號判斷。本發(fā)明還可以有其它實施方式，凡采用同等替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.減免高水頭船間突擴(kuò)廊道升坎空化的方法，其特征在于在升坎曲面上水流發(fā)生分離的位置處設(shè)置升坎摻氣設(shè)施，所述升坎摻氣設(shè)施為摻氣槽或由摻氣坎和摻氣槽連接而成，在所述摻氣槽內(nèi)設(shè)有通氣管通往間頂，所述通氣管頂部還通過連接一根支管至空壓機， 所述支管上設(shè)有閥門；當(dāng)所述升坎摻氣設(shè)施后低壓區(qū)負(fù)壓足以自動將空氣吸入水中時，將所述通氣管通往大氣中實現(xiàn)自然通氣，否則，采用所述空壓機向所述升坎摻氣設(shè)施內(nèi)加氣， 達(dá)到減免所述升坎摻氣設(shè)施下游升坎及門槽空化的目的。
2.如權(quán)利要求1所述的減免高水頭船閘突擴(kuò)廊道升坎空化的方法，其特征在于所述升坎為五次曲線型升坎或臺階式升坎。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種減免船閘突擴(kuò)廊道體型空化的方法，是一種減免高水頭船閘突擴(kuò)廊道升坎空化的方法，在升坎曲面上水流發(fā)生分離的位置處設(shè)置升坎摻氣設(shè)施，升坎摻氣設(shè)施為摻氣槽或由摻氣坎和摻氣槽連接而成，在摻氣槽內(nèi)設(shè)有通氣管通往閘頂，通氣管頂部還通過連接一根支管至空壓機，支管上設(shè)有閥門；當(dāng)升坎摻氣設(shè)施后低壓區(qū)負(fù)壓足以自動將空氣吸入水中時，將通氣管通往大氣中實現(xiàn)自然通氣，否則，采用空壓機向所述升坎摻氣設(shè)施內(nèi)加氣，達(dá)到減免所述升坎摻氣設(shè)施下游升坎及門槽空化的目的。
文檔編號E02C1/08GK102409653SQ20111023729
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者嚴(yán)秀俊, 凌國增, 劉本芹, 李中華, 胡亞安, 阮士平 申請人:水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院