[發(fā)明專利]減免高水頭船閘突擴(kuò)廊道升坎空化的方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110237297.X
• 申請(qǐng)日: 2011-08-18
• 公開（公告）號(hào): CN102409653A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡亞安;凌國增;嚴(yán)秀俊;劉本芹;阮士平;李中華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): E02C1/08
• 分類號(hào): E02C1/08
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責(zé)任公司 32102
• 代理人: 任立;姚姣陽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種減免船閘突擴(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(yùn)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(shí)期，“高水頭、大流量”是現(xiàn)在船閘的主要特點(diǎn)。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(jí)水頭更是高達(dá)45.2m。

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(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)。國內(nèi)外已建船閘運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，與一般水工泄水建筑物不同，當(dāng)船閘水頭超過20m時(shí)，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(yùn)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(yùn)行過程中均發(fā)生巨大的爆破聲,閘首周圍發(fā)生強(qiáng)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(diǎn)：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(shí)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(dòng)及閥門啟門力脈動(dòng)增大；閥門及其啟閉系統(tǒng)振動(dòng)加劇，造成液壓系統(tǒng)元件損壞；閥門支鉸脈動(dòng)增大，造成支鉸固定螺栓振松和破壞；閘首強(qiáng)烈振動(dòng)影響電站設(shè)備運(yùn)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Ca1，閥門底緣空化Ca2以及下游檢修門井的門槽空化Ca3。同樣，對(duì)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(yàn)及原體觀測(cè)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(duì)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，是目前高水頭船閘普遍采用的一種體型，但是該體型存在一個(gè)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Ca1，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(duì)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(tái)階狀跌坎體型1以及在臺(tái)階狀跌坎1的第一級(jí)和第二級(jí)臺(tái)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(qiáng)度不大時(shí)可以考慮，但長期運(yùn)用將發(fā)生空蝕和振動(dòng)現(xiàn)象，增加工程維護(hù)費(fèi)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(shì)必增加工程量，提高工程造價(jià)。

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(tái)階式（圖3中升坎2）兩種，但體型設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，且會(huì)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(duì)某種水力條件（恒定流條件）的優(yōu)化，而船閘輸水閥門每天頻繁操作，上下游水位變幅較大加之閘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(dòng)力學(xué)問題，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)行工況下都不發(fā)生空化的升坎體型設(shè)計(jì)，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。

⑸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(qǐng)者在多個(gè)工程的研究中發(fā)現(xiàn)：

A.門楣摻氣很難抵達(dá)升坎空化區(qū)Ca5，對(duì)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(duì)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(duì)防止升坎空化幾乎沒有作用。