CN101096845A - 桨轮堰通航河道船闸升降系统 - Google Patents

Abstract

一种“桨轮堰通航河道船闸升降系统”，其由“船舶进出与升降系统装置”，“平衡升降水箱与其调控系统装置”和使上述两个系统装置连接配合调控的系统装置三大功能部分组成；其与现有的“水位升降船闸”比较，建设结构大幅简化，材料强度与面积要求大幅减小，工程面积小、成本很低，升降快，控制简单，配合下降的水量很小；其可使桨轮堰水电站(提水机)的连续梯级建设形成的大量串联水库实现整体通航，从而使其形成“蓄水、养鱼、灌溉、航运、发电、减洪消洪、旅游景观与生态恢复”八大综合效益效用的共同实现，其是桨轮堰水电站建设发展更高阶段的理想景象产物，需要前瞻性的通盘建设目标规划，其在全球范围具有巨大的前景效益。

Description

桨轮堰通航河道船闸升降系统

技术领域

本发明提出的“桨轮堰通航河道船闸升降系统”属适用于桨轮堰通航河流采用的全新类型升降船闸设备设施及升降方法创新技术开发领域。

背景技术

①何为桨轮堰？

桨轮堰水电站发明专利技术(专利名称：桨轮堰水电站及其设备设施；中国发明专利号：200510064669.8)开创了水力发电全新形式与类型，也就是说：从该项发明技术产生后，人们日后在提出建设水电站时就要进行区分与询问了，您是要建设哪种类型的水电站？

与现有类型水电站比较，桨轮堰水电站性能优势独特，建设方式简单、灵活、多样，可建设地域广泛，可形成效益十分巨大，其可充分利用全世界广泛存在的各种流量、流速、地貌条件下的水流，使其形成发电能力。

②桨轮堰水电站的结构与原理

堰：较低的挡水建筑物，桨轮堰水电站的挡水堰体一般设置在3-10米的高度范围为宜。

桨轮堰水电站是由横置的超长桨轮式水轮机(桨轮转轮)和由挡水堰体、冲压桨轮口、冲压口闸门、溢流顶板等组成的桨轮机座结合并使其并列设置构成，桨轮堰同时具有挡水蓄能和使水能转换形成最大机械出力的双重作用(见示意图1)。

同一较长的桨轮堰可由1-多个单独运行的桨轮机组构成，多个机组并列设置方式适合在很宽阔的河流上采用；而在一个长距离的坡度水流流段上可由上游到下游连续分布梯级设置多个桨轮堰，使经过该流段的同一股水流水能实现多次出力利用(见示意图3)。

③桨轮堰水轮机的出力方法

通过其冲压桨轮口将桨轮堰聚集的水能从堰的下部切向冲压桨轮转轮的最大力矩处形成最大水能转换出力，超长桨轮可形成巨大的整体压强合力，因此即使是在超低水头的情况下其也可形成巨大的单机水能转换出力能力，并可通过调控冲压口闸门开闭数量等方式进行桨轮堰水电站出力能力、转动速度的大幅度调控，实现电力的调频控制。

桨轮堰水电站的出力过程与水流冲沙过程相同，因此桨轮堰不会产生泥沙淤积问题。在丰水季节可通过桨轮堰溢流顶板或另外专门设置的泻洪闸通道进行河流多余水流量的自溢下泻。

④桨轮堰水电站的性能优势

依现有技术要进行水电开发需要建设较高的电站水坝，但是建设高坝的投资巨大，而在有些地区建设高坝或是广建高坝会带来地质、环境、景观、生态、移民安置等诸多问题的发生；

另外，在自然界有许多河流在局部地段有诸多个“小流段”有地理坡度，有长期稳定的中高速水流产生，或有一般流速的水流产生，但是在多数情况下其并不具备建设现有类型水轮机组所需高坝的地貌条件或是建设的经济性要求，而分段分布建设低坝低堰就可有效消除上述不足，但是现有水轮机组在低水头条件下运行的出力效率不高；

此外，依现有形式的水轮形态如建设单个或少量机组，其所能形成的设备单机过流能力极低、一个低水头机组所能形成的出力能力也极低，而排列建设多个机组投资巨大又极不经济，致使大量有效水能流失，无法开发利用，……

而桨轮堰水电站采用的卧式桨轮式水轮机(桨轮转轮)具有强大的单机过流能力、桨轮堰具有多种排列设置方式、堰体设计高度和不同的建设规模选择，因此其可充分利用任何有地理坡度条件下的自然水流进行发电，并且调控方便，其出现将使水利水电获得更为简单、广泛、高效、方便、廉价、多样的开发利用。

⑤桨轮堰水电站与桨轮堰自动提水机一体化建设

桨轮堰水电站可以单独建设；还可与“桨轮堰水能转换自动提水机”(专利名称：桨轮堰型水能转换自动提水机(见示意图2)；中国发明专利号：200510064594.3)实现一同一体化建设，从而形成提水与发电的双效用效益工程；“桨轮堰水能转换自动提水机”也可单独建设，其也是利用与桨轮堰水电站相同的建设结构、出力方式形成水能转换提水动力，进行无外来能耗消耗的提水、调水作业，桨轮堰水能转换自动提水机属于水利机械设备与设施。

⑥建设桨轮堰水电站(提水机)的河道可形成综合效用

在不具备优质通航能力与最基本通航条件的一个坡度河流上，连续不间断地进行桨轮堰水电站的梯级建设，可以使该建设河流具有优质通航能力或具有完全有效通航条件，这对于公路建设十分困难与建设费用昂贵、运输十分困难的广大山区来讲，更加具有另外附加的社会、经济效益形成，该类型的河流全球范围存在数量十分庞大，占现有河流的绝大多数。

此外，桨轮堰水电站的梯级建设可以形成大量串联水库，可大量蓄水，实现减洪消洪，从而使桨轮堰水电站建设河道形成“蓄水、养鱼、灌溉、航运、发电、减洪消洪、旅游景观与生态恢复”八大综合效益效用的共同实现。

依上所述，桨轮堰水电站梯级建设尤其适合运输能力与运输条件十分困乏的山区，尤其适合个体中小轻型船舶。但是在由桨轮堰形成的串联水库河道中通航的船舶，“由上而下——由下而上”翻越桨轮堰是其常规的必要需求，这就需要建设“桨轮堰船闸升降系统”，而且其需要与桨轮堰实现一体化一同建设(当然，在没有或无需形成桨轮堰通航河道的桨轮堰水电站，无需配合建设该船闸升降系统)；

对于以中小船舶为主的上述常规使用船舶的特点和应用需求，其一般不宜采用现通常采用的“水位升降船闸”的升降方式和建设结构类型，因为“水位升降船闸”的建设结构与控制方式复杂，对闸门的材料强度、面积要求高(尤其是较高的水坝)，工程的面积大、建设的成本高，升降的速度低，升降过程配合下降的水量(耗水量)很大……。

发明内容

本发明的目的是提出的一种适合于以中小船舶为主，并且适用于与上述桨轮堰高度和配合建设的，可消除水位升降船闸升降方式功效与能力不足的全新类型船舶船闸升降方式与设备设施，即——桨轮堰通航河道船闸升降系统，其具有结构与建设方式简单，对闸门的强度要求较低，建设面积与工程量很小、建设成本低，升降速度快，升降耗水量极小，调控操作十分简单方便等诸多优点，其可使桨轮堰水电站形成的通航河道发挥出最佳航运效益与效用。

本发明提出的“桨轮堰通航河道船闸升降系统”是由(1)船舶进出与升降系统装置，(2)平衡升降水箱与其调控系统装置和(3)使上述两个系统装置连接配合调控的系统装置三大功能部分组成；对其的具体描述是：

(1)船舶进出与升降系统装置——其主要是由：①船舶进出水库闸门装置、②升降船坞与其水下凹槽、③船坞升降滑道等主要功能部件构成，对其具体的描述是：

①船舶进出水库闸门装置：船舶进出水库闸门装置建设在桨轮堰一体化水坝的上部适当位置处，其长度以可通过设计规格的船舶规格为标准，其可通过上部调控装置实现其一侧的上下移动，实现闸门水平与直立状态的变化，其开启直立后可使桨轮堰水库水流进入升降船坞，使准备下降的船舶方便行入升降船坞内(见示意图4)；通过闸门下行横向状态封闭，可使水坝的进出开口封闭，使水流封闭截断。

②升降船坞与其水下凹槽：升降船坞为三面有边，一面无边的簸箕状，其无边一边与水坝上部墙面形成紧密配合，还可用卡槽或其它结构方式进行方便开启调控的临时卡定，使其位置临时固定；

升降船坞的作用之一是：盛载船舶实现稳定提升与下降；作用之二是：通过在上部的水库水流进水过程和在水坝下部沉入水下凹槽的过程，使其承载船舶能顺利地进入与行出升降船坞。

③船坞升降滑道：其使升降船坞升降过程稳定。

(2)平衡升降水箱与其调控系统装置

平衡升降水箱与其调控系统装置主要是由：①平衡升降水箱、②平衡升降水箱运行通道、③水箱运行通道上面设置的泻水口与平衡升降水箱下部设置的可开启与封闭的调控塞等主要功能部件构成(见示意图6)，对其具体的描述是：

①平衡升降水箱：通过平衡升降水箱的注水水满加重与其卸水减重过程操作，实现与提升、下降船舶重量的平衡配合与重量差距引起的驱动，从而实现船舶的升降。

②平衡升降水箱运行通道：其作用之一是使平衡升降水箱稳定规范滑动升降；其作用之二是通过其上面设置的泻水口方便地使下泻水注入平衡升降水箱中；作用之三可使系统装置美观。

③水箱运行通道上面的泻水口与平衡升降水箱下的开启、封闭调控塞：通过泻水口闸门的上下移动开闭调控，可实现对平衡升降水箱的注水加重的操作调控；

通过平衡升降水箱下部设置的开启、封闭调控塞，可实现平衡升降水箱的卸水减重与其封闭注水增重操作调控。(见示意图4、5、6)。

(3)使上述两个系统装置连接配合调控的系统装置

实现对上述“船舶进出水库闸门装置”、“水箱运行通道上面的泻水口闸门升降装置”、“平衡升降水箱下的开启、封闭调控塞”的调控、与实现上述两个系统装置连接配合运行的系统装置均属连接配合调控系统装置，其动力可采用电动机实现全自动化或半自动化调控控制，也可采用手动力人工操作完成上述运行程序，其系统组成部件包括：使两系统装置连接实现配合平衡上下运行的钢丝绳、滑轮、滑轮架、电动机、控制电器系统和手动轮等、其结构形态与设置位置可依不同工程的具体设计分别进行设计；

此外，同一河道运行的船舶建议采用统一的规格尺寸，这样船闸升降系统结构可按照统一的船舶规格实现全领域船闸升降系统的统一设计。

对本发明提出的桨轮堰通航河道船闸升降系统及其设备设施基本运行方法的描述是：

下降过程(见示意图4)：当处于上游桨轮堰水库的船舶需要向下游桨轮堰水库运行时，首先通过载水状态的平衡升降水箱(26)的满水重力将升降船坞(22)提升到水坝上部并且卡定，然后开启进出水库闸门与其调控装置(20)使水库水进入升降船坞中，再使船舶前行进入升降船坞中后关闭进出水库闸门(20)截断水库水流，开启载水状态的平衡升降水箱(26)下部的卸水塞使其中的载水下泻，使平衡升降水箱(26)逐步减轻，同时通过缝隙使簸箕形态的升降船坞中的水快速卸空使其变轻，当平衡升降水箱(26)卸空重量低于预备下行的船舶(19)与升降船坞(22)的合重时，升降船坞承载船舶逐步下降运行，当升降船坞运行进入升降船坞水下凹槽(30)后，船舶通过下游水库水面的浮力脱离升降船坞(22)，即可继续前行。

提升过程(见示意图5)：完成下降的船闸升降系统状态可立刻进行下游船舶的提升作业，其步骤是，首先使准备提升的船舶进入处于水下凹槽内的升降船坞上面(36)，使平衡升降水箱的下部卸水塞自动恢复封闭状态，开启泻水口调控闸门(39)，使水库水从平衡升降水箱运行通道上面的泻水口(38)下泻，通过平衡升降水箱运行(灌水)通道(41)的封闭聚集，使下泻的水流全部注入空水状态的平衡升降水箱(40)，使其逐步水满加重，当平衡升降水箱(40)的重量大于升降船坞与船舶的合重后，船坞携带船舶一同提升，在上行的初期就将船坞中的水卸出，当船坞提升到顶部位置自动卡定后，开启直立进出水库闸门(20)，使水库水流进入船坞，使船坞中的船舶漂浮后前行，完成提升过程。

完成提升作业的船闸升降系统状态，可立刻进行上游其它船舶的下降运行作业，周而复始，循环往复。

形成优势

本发明提出的桨轮堰水电站及其设备设施由于采用可自动卸水升降船坞与平衡升降水箱的注水、卸水的简单操纵和进出水库闸门与其调控装置的简单控制，使其与“水位升降船闸”比较，建设结构与控制方式大幅度简化，对闸门的材料强度与面积要求大幅度减少(尤其对于较高的水坝来讲)，工程的面积很小、建设的成本很低，升降的速度很快，升降过程配合下降的水量(耗水量)很小……，从而完美实现发明目的。

此外也可以明显看出，本发明提出的“桨轮堰通航河道船闸升降系统”是桨轮堰水电站建设发展实现更高目标阶段的理想目标产物，其也是需要通过一个长久的建设时期完成的巨大工程，其在全球范围具有巨大长久的效益前景。

但是在一个现有的基本原始状态的河道规划初期时刻，就应该进行上述目标前瞻性的通盘长久规划设计，以免在一个可实现未来优质桨轮堰通航河道中，初期另外建设1-几个没有船闸升降系统的桨轮堰水电站(其还可以方便进行改造，或预留建设位置与结构，但是排列位置设计也应该通盘规划)，如果建设其它类型的水电站，将使日后的桨轮堰串联水库通航前景设计理想目标更难于最佳实现。

附图说明

下面结合示意图说明桨轮堰水电站及其设备设施的主要功能结构。

图1为桨轮堰水电站的桨轮堰的横向剖面结构示意图。

图2为桨轮堰水能转换提水机的桨轮堰提水机结构部分的横向剖面结构示意图。

图3为在一个河道水流流程内连续不间断地进行桨轮堰水电站的梯级建设，使该河流流段具有优质通航能力或具有完全通航条件，图示为设置的若干个桨轮堰形成的串联通航水道的侧视宏观示意图。

图4为桨轮堰通航河道船闸升降系统侧视示意图，其为船舶下降的过程演示。

图5为桨轮堰通航河道船闸升降系统侧视示意图，其为船舶上升的过程演示。

图6为桨轮堰通航河道船闸升降系统主视示意图，其为船舶下降的过程演示。

图1中：1.桨轮堰蓄积水  2.桨轮堰挡水堰体及其加强体  3.冲压口调控闸门4.冲压口水流  5.溢流顶板  6.桨轮板  7.桨轮轴  8.桨轮堰基础。

图2中：9.提水水箱  10.挡水堰体及其加强体  11.蓄积水  12.提水链条13.提水链轮  14.提水箱载水。

图3中：15.河道两边的山体  16.桨轮堰  17.桨轮堰形成的蓄积水水库回水水面18.地理坡度。

图4中：19.预备下行的船舶  20.进出水库闸门与其调控装置  21.平衡升降水箱运行通道  22.升降船坞  23.空水状态的平衡升降水箱(运行初)  24.可开启与封闭的调控塞  25.无水升降船坞载船下降  26.载水状态的平衡升降水箱(运行后)  27.下降到水面漂浮后继续前行的船舶  28.桨轮堰水库  29.与桨轮堰一体化建设的水坝30.升降船坞水下凹槽。

图5中：31.提升后向桨轮堰上游水库方向行进的船舶  32.空水状态的平衡升降水箱(运行后)  33.水坝(水堰)  34.提升的船舶  35.载水状态的平衡升降水箱(运行初)36.准备提升的船舶进入处于水下凹槽内的升降船坞上面  37.下游桨轮堰水库水面。

图6中：38.平衡升降水箱运行通道上面的泻水口  39.泻水口调控闸门  40.空水状态的平衡升降水箱(运行初)  41.平衡升降水箱运行(灌水)通道  42.载水状态的平衡升降水箱(运行后)  43.下游桨轮堰水库水面  44.链轮安装结构  45.通过进出水库闸门进入进水船坞的船舶  46.船坞升降滑道  47.空水船坞  48.桨轮堰一体化水坝  49.下降到下游水面的漂浮船舶  50.下降到水下凹槽内的升降船坞。

Claims (2)

1、一种“桨轮堰通航河道船闸升降系统”，其特征在于：其是由(1)船舶进出与升降系统装置，(2)平衡升降水箱与其调控系统装置和(3)使上述两个系统装置连接配合调控的系统装置三大功能部分组成；对其的具体描述是：

(1)船舶进出与升降系统装置——其主要是由：①船舶进出水库闸门装置、②升降船坞与其水下凹槽、③船坞升降滑道等主要功能部件构成，对其具体的描述是：

①船舶进出水库闸门装置：船舶进出水库闸门装置建设在桨轮堰一体化水坝的上部适当位置处，其长度以可通过设计规格的船舶为标准，其可通过上部调控装置实现其一侧的上下移动，实现闸门水平与直立状态，其开启直立后可使桨轮堰水库水流进入升降船坞，使准备下降的船舶方便行入升降船坞内；通过闸门下行横向状态封闭，可使水坝的进出开口封闭，使水流封闭截断；

②升降船坞与其水下凹槽：升降船坞为三面有边，一面无边的簸箕状，其无边一边与水坝上部墙面形成紧密配合，还可用卡槽或其它结构进行方便开启调控的临时卡定固定；

升降船坞的作用之一是：盛载船舶实现稳定提升与下降；作用之二是：通过在上部的水库水流进水过程和在水坝下部沉入水下凹槽的过程，使其承载船舶能顺利地进入与行出升降船坞；

③船坞升降滑道：其使升降船坞升降过程稳定；

(2)平衡升降水箱与其调控系统装置

平衡升降水箱与其调控系统装置主要是由：①平衡升降水箱、②平衡升降水箱运行通道、③水箱运行通道上面设置的泻水口与平衡升降水箱下部设置的可开启与封闭的调控塞等主要功能部件构成：

①平衡升降水箱：通过平衡升降水箱的注水水满加重与其卸水减重过程操作，实现与提升、下降船舶重量的配合平衡与重量差距引起的驱动，从而实现船舶的升降；

②平衡升降水箱运行通道：其作用之一是使平衡升降水箱稳定规范滑动升降；其作用之二是通过其上面设置的泻水口方便地使下泻水注入平衡升降水箱中；作用之三是使系统装置美观；

③水箱运行通道上面的泻水口与平衡升降水箱下的开启、封闭调控塞：通过泻水口闸门的上下移动开闭调控，可实现对平衡升降水箱的注水加重的操作调控；

通过平衡升降水箱下部设置的开启、封闭调控塞，可实现平衡升降水箱的卸水减重与其封闭注水增重操作调控；

(3)使上述两个系统装置连接配合调控的系统装置

实现对上述“船舶进出水库闸门装置”、“水箱运行通道上面的泻水口闸门升降装置”、“平衡升降水箱下的开启、封闭调控塞”的调控、与实现上述两个系统装置连接配合运行的系统装置均属连接配合调控系统装置，其动力可采用电动机实现全自动化或半自动化调控控制，也可采用手动力人工操作完成上述运行程序，其系统组成部件包括：上下运行钢丝绳、滑轮、滑轮架、电动机、控制电器系统和手动轮等、其结构与设置可依不同工程的具体设计分别进行设计。

2、一种桨轮堰通航河道船闸升降系统及其设备设施基本运行方法，其特征在于：其下降过程方法是，当处于上游桨轮堰水库的船舶需要向下游桨轮堰水库运行时，首先通过载水状态的平衡升降水箱(26)的满水重力将升降船坞(22)提升到水坝上部并且卡定，然后开启进出水库闸门与其调控装置(20)使水库水进入升降船坞中，再使船舶前行进入升降船坞中后关闭进出水库闸门(20)截断水库水流，开启载水状态的平衡升降水箱(26)下部的卸水塞使其中的载水下泻，使平衡升降水箱(26)逐步减轻，同时通过缝隙使簸箕形态的升降船坞中的水快速卸空使其变轻，当平衡升降水箱(26)卸空重量低于预备下行的船舶(19)与升降船坞(22)的合重时，升降船坞承载船舶逐步下降运行，当升降船坞运行进入升降船坞水下凹槽(30)后，船舶通过下游水库水面的浮力脱离升降船坞(22)，即可继续前行。

其提升过程方法是，完成下降的船闸升降系统状态可立刻进行下游船舶的提升作业，其步骤是，首先使准备提升的船舶进入处于水下凹槽内的升降船坞上面(36)，使平衡升降水箱的下部卸水塞自动恢复封闭状态，开启泻水口调控闸门(39)，使水库水从平衡升降水箱运行通道上面的泻水口(38)下泻，通过平衡升降水箱运行(灌水)通道(41)的封闭聚集，使下泻的水流全部注入空水状态的平衡升降水箱(40)，使其逐步水满加重，当平衡升降水箱(40)的重量大于升降船坞与船舶的合重后，船坞携带船舶一同提升，在上行的初期就将船坞中的水卸出，当船坞提升到顶部位置自动卡定后，开启直立进出水库闸门(20)，使水库水流进入船坞，使船坞中的船舶漂浮后前行，完成提升过程。

完成提升作业的船闸升降系统状态，可立刻进行上游其它船舶的下降运行作业，周而复始，循环往复。

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