CN103061318B - 一种气囊式船闸灌泄水辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，属于通航船闸水工建筑物设计领域，包括设置在闸室底板上的气囊装置，其中气囊装置包括气囊主体、气囊顶板、气囊底板、充气导管、充气泵、充泄气阀门，其中气囊主体设置在气囊顶板和气囊底板之间，通过气囊底板将气囊主体固定在闸室底板上；所述气囊底板上设有内置充气导管以及k个出气口；其中每两个出气口之间通过一个内置充气导管连接；所述充气导管的一端通过充泄气阀门与充气泵相连，充气导管的另一端与内置充气导管相连，通过所述充泄气阀门启闭实现气囊装置的充气或泄气。本发明可有效减小船舶过闸用水量，减少闸室灌泄水时间，提高船舶过闸效率及航道运输能力，可广泛地应用于大小船闸。

Description

一种气囊式船闸灌泄水辅助系统

技术领域

本发明涉及一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，属于通航船闸水工建筑物设计领域。

背景技术

船闸是内河航道中最常见的通航建筑物，具有提高航道尺度，改善水流条件，沟通水系等功能。由于船闸的上、下游存在水头差，船舶不能连续通行，而需经过船舶进出、闸门启闭、闸室灌泄水等过程，将耗费一定的时间。大多数情况下，一条航道的运输能力往往取决于船闸的通过能力，船闸的通过能力又很大程度上取决于船舶的过闸时间，而传统船闸的船舶过闸用水量较大，船闸输水系统的输水效率较低，导致船舶过闸时间较长，极大地影响了船闸的通过能力。

发明内容

本发明所要解决的结束问题是针对上述背景技术中指出的缺陷，提供一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，此系统采用气囊装置，充气泵通过马达的运转来工作，能有效减小船舶过闸用水量，减小闸室灌泄水时间，从而有效提高船闸过闸效率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，包括设置在闸室底板上的气囊装置，其中气囊装置包括气囊主体、气囊顶板、气囊底板、充气导管、充气泵、充泄气阀门，其中气囊主体设置在气囊顶板和气囊底板之间，通过气囊底板将气囊主体固定在闸室底板上；所述气囊底板上设有与充气导管数量相等的内置充气导管以及k个出气口；其中每两个出气口之间通过一个内置充气导管连接，k为大于2的偶数；所述充气导管的一端通过所述充泄气阀门与充气泵相连，充气导管的另一端对应的与所述内置充气导管相连，通过充泄气阀门启闭实现气囊装置的充气或泄气。这种方式结构简单，施工方便，能够有效地与已建船闸结合，可以有效减小船舶过闸用水量，缩短闸室灌泄水时间。

作为本发明的一种优选技术方案：气囊装置分段式设置在闸室底板上。气囊分段式的设置，可以避免使用单个超大气囊而使得安全性得不到保证的问题，避免气体不受控制的泄漏而出，减少闸室内的船舶受到冲击，即使某个气囊出现划口，由于单个气囊体积有限，气囊漏气所造成的水面波动有限；此外单个气囊体积增长率相对容易控制，闸室水面升降相对均匀稳定。

作为本发明的一种优选技术方案：内置充气导管为四个，四个内置充气导管的出气口均位于气囊底板的中间位置。采用这种结构，便于充气泵与气囊主体之间气体的传输，防止因为某一个内置充气导管破裂而造成传输障碍，这样的方式，使气囊主体的体积变化均匀稳定。

作为本发明的一种优选技术方案：闸室上设置有凹槽，所述充气导管内嵌于该凹槽内。采用这种结构，一定程度上保护充气导管，使得充气导管的使用寿命得到延长。

作为本发明的一种优选技术方案：气囊底板与闸室底板通过螺旋连接方式固定。采用这种方式，便于调节，使得紧密型提高。

作为本发明的一种优选技术方案：所述螺旋方式具体为：在气囊底板上设置m个气囊底板套孔，在闸室底板上与气囊底板套孔相对应的位置设置有闸室底板螺孔，通过n个螺栓贯穿于气囊底板套孔及闸室底板螺孔，将气囊底板上固定在闸室底板，所述m为大于1的自然数，n为大于1的偶数。这样，使得螺栓的个数可以调节，可根据实际需要计算得出，以合理的使用数量达到固定效果。

作为本发明的一种优选技术方案：所述闸室底板螺孔采用一种方形孔结构，该方形孔的内部设置一个内壁具有与所述螺栓螺纹相对应的螺纹的圆柱形钢块，所述圆柱形钢块与闸室底板固定连接。这种结构，以便气囊底板更好的固定在闸室内。

作为本发明的一种优选技术方案：所述圆柱形钢块与闸室底板铜管整体浇注的形式固定连接。这样，可以使得圆柱形钢块牢固的设置在闸室底板上，与闸室底板形成一个整体，大大提高连接的稳定性。

作为本发明的一种优选技术方案：所述圆柱形钢块的外壁上设置有肋形横条。采用这种结构，可以用于提高与方形孔中的混凝土的固结程度。

本发明通过将气囊主体固定于闸室底板之上。闸室底板上布置有带有螺纹的螺孔，气囊底板上也设置有套孔，利用螺栓将气囊底板固定于闸室底板之上。对于分散输水系统，由于闸室底板上有出水孔及消能盖板，闸室底板与消能盖板不在同一高程上，这种情况下将闸室底板上设置的螺孔顶高程提升至消能盖板顶高程，气囊底板直接置于消能盖板上，并通过螺栓与闸室底板固定。

所述的气囊主体为柔性橡胶囊，充满气体时呈长方体状，放空气体时贴于闸室底板之上。气囊底部为硬质材料，并设置有套孔，用于将气囊底板固定于闸室底板；气囊顶板也为硬质材料，充泄气时气囊顶板垂向升降，一定程度上保证了水面升降的稳定性；连接气囊底部与顶部的是柔性橡胶，充泄气体时呈折叠状伸缩。

所述的充气导管将气囊主体与充气泵连接起来，一端与充气泵相连，一端与气囊相连。气囊底板中内置了四段充气导管，充气导管的出气口位于气囊的中间位置，这样设计的目的是为了使气囊的体积变化均匀稳定。其中，充气导管内嵌于闸室墙的凹槽。充气泵用于给气囊主体充气，充泄气阀门用于控制气囊充泄气。

闸室充水或泄水时，实现泄气阀门的启闭及充气泵的启闭。闸室充水时，气囊充气，当闸室水位达到上游水位时，气囊体积也恰好达到设计最大体积；闸室泄水时，气囊放气，当闸室水位下降到下游水位时，气囊中的气体也恰好放光，气囊贴于闸室底板之上。

本发明所述的本发明所述的气囊式船闸灌泄水辅助系统，首先确定各组成部分的尺度：

1、气囊主体的尺度。在闸室宽度方向上，气囊距闸室墙1m，设置这段距离一是考虑到气囊安装需要一定的工作空间，二是考虑到若船闸采用分散输水系统，设置这段距离可以有效降低气囊的布置对船闸本身输水效率的影响。在闸室长度方向上，若船闸采用集中输水系统，则气囊应从镇静段外开始布置，目的是保证气囊的稳定性；若船闸采用分散输水系统，考虑到闸门启闭时闸室两端的水流流态相对不稳定，为了保证气囊充泄气时的稳定性，闸室两端的气囊分别距离闸门34m。在闸室长度方向上，气囊分段布置，拟定气囊在这个方向上的尺度为5m，气囊底板之间的净距为0.6m。气囊之所以要分段布置，是考虑到，若不分段布置，而是在闸室长度方向上布置一个尺度与闸室长度相当的超大气囊，安全性得不到保证，如果气囊一旦出现划口，气体将不受控制的泄漏而出，闸室水面将出现极大的波动，闸室内的船舶将受到冲击，而分段布置则可以规避这种危险，即使某个气囊出现划口，由于单个气囊体积有限，气囊漏气所造成的水面波动有限；此外，分段布置，单个气囊体积增长率相对容易控制，闸室水面升降相对均匀稳定。气囊在垂向上的尺度，由于闸室最小水深应不小于门槛水深，故气囊装置的厚度不应大于门槛的高度，闸室灌水时，气囊充气，当闸室水位达到上游水位时，气囊体积也恰好达到设计最大体积；闸室泄水时，气囊放气，当闸室水位下降到下游水位时，气囊中的气体也恰好放光，气囊贴于闸室底板之上。气囊设计最大体积的计算，一个灌水或泄水过程中，闸室水位的升高或降低（所对应的闸室内的体积变化记为ΔV）是由气囊体积的变化ΔV_气囊和闸室水体体积的变化ΔV_水体所引起，即ΔV=ΔV_气囊+ΔV_水体，假定一定功率的充气泵工作时气囊的体积平均增长率为V^， _气囊，闸室灌泄水时水体体积的平均增长率为V^， _水体，闸室灌、泄水耗时T，则有ΔV=（V^， _气囊+V^， _水体）·T，由此可以求出闸室水位由下游低水位上升到上游高水位的耗时T（即为气囊充气时间T），由此可以算出气囊设计最大体积V_max= V^， _气囊·T，除以气囊的个数m，即可得到单个气囊的设计最大体积，再除以气囊的底面积S，可得气囊顶板的上升高度h= V^， _气囊·T/(m·S)。（4）气囊底板的厚度取为15cm，底板两侧外延段(用于设置螺孔)长度20cm，顶板的厚度为2cm。

2、气囊底板上的螺孔直径取为5cm，闸室底板上螺孔的直径也为5cm，螺栓的尺寸与螺孔的尺寸相对应。设置的固定螺栓的个数根据气囊的最大体积算出气囊最大浮力，再根据单个螺栓所能承受的极限拉力算出（取偶数）。

3、充气导管的尺度。充气导管的内径为7cm，外径为8cm，闸室墙上用于导管安装的凹槽为12cm*12cm，气囊底板内置充气导管的直径为8cm。

初步拟定完气囊尺寸，然后进行计算，以确定气囊底板上应设置的螺栓的个数。由于气囊底板与闸室地板之间并不是闭气接触，气囊在水体中将受到浮力F_浮=rg_水V_排，V_排即为气囊设计最大体积，气囊所受浮力由气囊固定结构承担，经试验可确定气囊底板单个螺栓固定结构所能承担的极限拉力F_极限，考虑安全系数g，则可以确定应设置的螺栓个数n， F_极限·n/g3F_浮，n3 F_浮·g/ F_极限，取n=[ F_浮·g/ F_极限]，考虑到螺栓布置的对称性，同时取n为偶数。

本发明可以有效减小船舶过闸用水量，传统船闸一次灌水或泄水过程所对应的用水量为闸室底面积乘以上下游水位差，而应用本发明后，用水量为传统船闸用水量减去气囊设计最大体积，船舶过闸用水量显著减小。且缩短闸室灌泄水时间。应用本发明之后，闸室灌泄水时间T=ΔV/（V^， _气囊+V^， _水体），相较于传统船闸的闸室灌泄水时间T^，=ΔV/V^， _水体，灌泄水时间有效的缩短。

本发明的应用之于水运行业的积极影响。大多数情况下，一条航道的运输能力往往取决于船闸的通过能力，船闸的通过能力又很大程度上取决于船舶的过闸时间， 该气囊式船闸灌泄水辅助系统能够有效减小船舶的过闸时间，从而能够提高船闸的通过能力，进而提高了航道的运输能力。

综上所述，本发明结构简单，施工方便，能够有效的减小船舶过闸用水量，减小船闸过闸时间，提高船舶过闸效率，可广泛地应用于大小船闸。

附图说明

图1为本发明设计的气囊式船闸灌泄水辅助系统的结构示意图。

图2为本发明设计的气囊式船闸灌泄水辅助系统整体布置图。

图3为本发明设计的气囊装置螺旋方式固定的示意图。

图4为本发明设计的闸室底板螺孔构造示意图。

图5为本发明设计的充气导管连接的结构示意图。

图6为本发明设计的气囊底板充气导管的结构示意图。

图中标号解释：1-气囊底板，2-气囊顶板，3-气囊主体，4-气囊底板套孔，5-气囊底板内置充气导管，6-船闸，7-充气泵，8-充气导管，9-闸室底板，10-闸室底板螺孔，11-螺栓，12-圆柱形钢块，13-闸室底板上的方形孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，包括设置在闸室底板上的气囊装置，其中气囊装置包括气囊主体3、气囊顶板2、气囊底板1、充气导管8、充气泵7以及充泄气阀门，其中气囊主体3设置在气囊顶板2和气囊底板1之间，通过气囊底板1将气囊主体3固定在闸室底板9上；所述气囊底板1上设有与充气导管8数量相等的内置充气导管5以及k个出气口；其中每两个出气口之间通过一个内置充气导管5连接，k为大于2的偶数；所述充气导管8的一端通过充泄气阀门与充气泵7相连，充气导管8的另一端对应的与所述内置充气导管5相连，通过所述充泄气阀门启闭实现气囊装置的充气或泄气。

如图1和图2所示，在闸室宽度方向上，气囊距闸室墙1m。在闸室长度方向上，若船闸采用集中输水系统，则气囊应从镇静段外开始布置；若船闸采用分散输水系统，考虑到闸门启闭时闸室两端的水流流态相对不稳定，为了保证气囊充泄气时的稳定性，闸室两端的气囊分别距离闸门34m。在闸室长度方向上，气囊分段布置，拟定气囊在这个方向上的尺度为5m，气囊底板之间的净距为0.6m。气囊在垂向上的尺度，由于闸室最小水深应不小于门槛水深，故气囊装置的厚度不应大于门槛的高度，闸室灌水时，气囊充气，当闸室水位达到上游水位时，气囊体积也恰好达到设计最大体积；闸室泄水时，气囊放气，当闸室水位下降到下游水位时，气囊中的气体也恰好放光，气囊贴于闸室底板之上。气囊设计最大体积的计算，一个灌水或泄水过程中，闸室水位的升高或降低（所对应的闸室内的体积变化记为ΔV）是由气囊体积的变化ΔV_气囊和闸室水体体积的变化ΔV_水体所引起，即ΔV=ΔV_气囊+ΔV_水体，假定一定功率的充气泵工作时气囊的体积平均增长率为V^， _气囊，闸室灌泄水时水体体积的平均增长率为V^， _水体，闸室灌、泄水耗时T，则有ΔV=（V^， _气囊+V^， _水体）·T，由此可以求出闸室水位由下游低水位上升到上游高水位的耗时T（即为气囊充气时间T），由此可以算出气囊设计最大体积V_max= V^， _气囊·T，除以气囊的个数m，即可得到单个气囊的设计最大体积，再除以气囊的底面积S，可得气囊顶板的上升高度h= V^， _气囊·T/(m·S)。气囊底板的厚度取为15cm，底板两侧外延段(用于设置螺孔)长度20cm，顶板的厚度为2cm。

如图3所示，闸室底板9上设置有m个气囊底板套孔4，在闸室底板上与气囊底板套孔4相对应的位置设置有闸室底板螺孔10，其中用于固定螺栓的螺孔10（有螺纹）内径为5cm，气囊底板1两侧外延段设置的套孔4（无螺纹）内径也为5cm，气囊底板1上的套孔4距底板边缘的距离大于5cm。利用螺栓11将气囊底板1固定在闸室底板上9，螺栓11的尺寸与气囊底板套孔4、闸室底板螺孔10的尺寸相适应。

如图4所示，闸室底板螺孔10采用一种方形孔13结构，在闸室底板上9开出方形孔13，方形孔13的尺寸为30cm*30cm*40cm，将内部开有螺孔（有螺纹）的圆柱形钢块12与闸室底板9整浇，螺孔的内径为5cm，深度为20cm，圆柱形钢块12的直径为12cm，总高度为40cm，包括底部设置的底座厚度3cm，底座直径为25cm，圆柱形钢块12外表面设置有肋形横条，用于提高与混凝土的固结程度。

如图5所示，充气导管8一端与气囊底板1的内置充气导管5相连，另一端与充气泵7相连，充气导管8的内径为7cm，外径为8cm。

如图6所示，竖向充气导管8内嵌于闸室墙的凹槽内，闸室墙上用于导管安装的凹槽为12cm*12cm，气囊底板内置充气导管5的直径为8cm。

该气囊式船闸灌泄水辅助系统的工作原理为：以船舶上行为例，船闸闸门打开，船舶驶入闸室，闸门关闭，输水系统开始工作的同时气囊式船闸灌泄水辅助系统亦开始工作，即充气泵7给气囊主体1开始充气，当闸室水位达到上游水位时，输水系统停止工作的同时气囊式船闸灌泄水辅助系统亦停止工作，此时气囊主体达到设计最大体积，船闸闸门打开，船舶驶出闸室，此为船舶上行过程。船舶下行过程类似，输水系统开始工作的同时气囊式船闸灌泄水辅助系统亦开始工作，即充气泵7给气囊主体1开始泄气，当闸室水位达到下游水位时，输水系统停止工作的同时气囊式船闸灌泄水辅助系统亦停止工作，此时气囊主体达到设计最小体积。

下面结合一种具体实施方式进行计算：一船闸，采用分散输水系统，上下游水位差为3m，闸室尺寸为尺度为230×23×6米。输水系统的输水效率为200m³/min，气囊的体积变化率为400m³/min。

1、确定气囊主体的尺度

（1）闸室宽度方向上，气囊距闸室墙两侧的距离为1m，气囊在这个方向上的尺度为21m。

（2）闸室长度度方向上，气囊距闸首间距取为4m，气囊在这个方向上的尺度为5m，与下一个气囊主体的间距为1m，下闸首往上数第一个气囊距闸门34m，由上所述的布置原则可确定所需气囊的个数x=（230-4*2）/6=37个，最后一个气囊距闸门5m。

（3）气囊垂向尺度，先进行气囊设计最大体积的计算，闸室水位的升降（所对应的闸室内的体积变化记为ΔV）是由于气囊体积的增加ΔV_气囊和闸室水体体积的增加ΔV_水体，即ΔV=ΔV_气囊+ΔV_水体，气囊的体积变化率为V^， _气囊=400m³/min，输水效率V^’ _水体=500m³/min，闸室灌水耗时T，则有ΔV=（V^， _气囊+V^， _水体）·T，由此可以求出闸室水位由下游低水位上升到上游高水位的耗时T=ΔV/（V^， _气囊+V^， _水体）=230*23*3/(500+400)= 17.6min，也即气囊充气时间T，由此可以算出气囊设计最大体积V_max= V^， _气囊·T=400*17.6=7040 m³，除以气囊的个数x=37，即可得到单个气囊的设计最大体积，再除以气囊的底面积S，可得气囊顶板的上升高度h= V^， _气囊·T/(m·S)=7040/(37*21*5)=1.8m。

（4）气囊底板外延段设置的固定螺栓的个数根据气囊设计最大体积算出的气囊最大浮力，再根据单个螺栓所能承受的极限拉力算出（取偶数）。n3 F_浮·g/ F_极限，取n=[ F_浮·g/ F_极限]，考虑到螺栓布置的对称性，同时取n为偶数，安全系数g取为1.2。F_浮=rg_水V_排=1000*10*7040/37=1902.7kN，根据试验可以确定单个螺栓的极限拉力F_极限，据此可以算出所需设置的螺栓个数。

2、根据技术方案里的尺寸在闸室底板上设置螺孔，并将气囊安装于闸室内。根据技术方案里的尺寸在闸室墙上设置凹槽，并安装充气导管。

3、气囊的实现充泄气过程。

4、应用本发明前后，闸室完成一次灌水或泄水过程所对应用水量的对比。传统船闸V₁=230*23*3=15870 m³，应用本发明之后V₂=230*23*3-7040=8830 m³。较大程度地减小了船舶过闸用水量。

5、应用本发明前后，闸室完成一次灌水或泄水所需时间T的对比。传统船闸T₁=230*23*3/500=31.7min，应用本发明之后 T₂=230*23*3/900=17.6min。较大程度地减小了闸室灌泄水时间。

Claims (7)

1.一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，其特征在于：包括设置在闸室底板上的气囊装置，其中气囊装置包括气囊主体、气囊顶板、气囊底板、充气导管、充气泵、充泄气阀门，其中气囊主体设置在气囊顶板和气囊底板之间，通过气囊底板将气囊主体固定在闸室底板上；所述气囊底板上设有与充气导管数量相等的内置充气导管以及k个出气口；其中每两个出气口之间通过一个内置充气导管连接，k为大于2的偶数；所述充气导管的一端通过所述充泄气阀门与充气泵相连，充气导管的另一端对应的与所述内置充气导管相连，通过充泄气阀门启闭实现气囊装置的充气或泄气；所述气囊底板与闸室底板通过螺旋连接方式固定；所述螺旋方式具体为：在气囊底板上设置m个气囊底板套孔，在闸室底板上与气囊底板套孔相对应的位置设置有闸室底板螺孔，通过n个螺栓贯穿于气囊底板套孔及闸室底板螺孔，将气囊底板固定在闸室底板上，所述m为大于1的自然数，n为大于1的偶数。

2.根据权利要求1所述的一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，其特征在于：所述气囊装置分段式设置在闸室底板上。

3.根据权利要求1或2所述的一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，其特征在于：所述内置充气导管为四个，四个内置充气导管连接的出气口均位于气囊底板的中间位置。

4.根据权利要求1所述的一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，其特征在于：所述闸室上设置有凹槽，所述充气导管内嵌于该凹槽内。

5.根据权利要求1所述的一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，其特征在于：所述闸室底板螺孔采用一种方形孔结构，该方形孔的内部设置一个内壁具有与所述螺栓螺纹相对应的螺纹的圆柱形钢块，所述圆柱形钢块与闸室底板固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，其特征在于：所述圆柱形钢块与闸室底板通过整体浇注的形式固定连接。

7.根据权利要求5所述的一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，其特征在于：所述圆柱形钢块的外壁上设置有肋形横条。