CN103758099B - 一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统，包括输水阀门、输水廊道、第一通气管、回转接头、第二通气管。输水阀门采用无门槽反弧门，包括阀门支铰、阀门面板及连接阀门支铰和阀门面板的阀门支臂。第一通气管在阀门井浇筑时埋入砼内，第一通气管的进口端位于阀门井顶部，与大气相接。输水阀门的底缘引出与外界相通的第二通气管，第二通气管沿着阀门支臂进入阀门支铰，阀门支铰处设置连接第一通气管和第二通气管的回转接头。本发明可改善船闸阀门段水流空化问题，避免发生空蚀破坏，不仅可提高船闸运行的安全性，还可减小阀门段埋深、简化阀门段廊道体型，避免因阀门段体型过于复杂形成新空化源，同时还可降低阀门段廊道施工难度和工程造价。

Description

一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统

技术领域

本发明涉及水利工程中的高水头船闸阀门段减蚀技术领域，具体是一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统。

背景技术

船闸是设置在通航河流上帮助船只克服因筑坝引起的水位差的通航建筑物。随着航运工程的发展，船闸的规模不断增大，阀门的尺寸与水头也在相应的增加和提高。世界上已建和拟建的水头超过20m的高水头船闸有几十座，主要集中在前苏联、美国、巴西、葡萄牙和中国等国家，特别是我国在近年来进行的西部水力开发，修建、在建和拟建多个高坝大库，因此配套也需修建多个高水头船闸。

船闸的运行是依靠埋设在两侧或底部的输水系统来完成闸室的充泄水，而输水阀门是输水系统的咽喉设备，其正常运行与否直接决定了船闸的安全，高水头船闸阀门工作在非恒定高速水流环境中，涉及到水流空化、脉动等一系列复杂的高速水流问题，是船闸水力学研究中最棘手的问题。

高水头船闸输水阀门启闭时，门下主流流速高，压力低，当水流的压力低于气化压力时，便产生空穴水流，形成气化泡，气化泡不断的生成、移动破裂，水流边界受到气化泡破裂时的巨大冲击力导致剥蚀作用，对建筑物壁面产生极大的破坏力。如美国Litt goose、Lower船闸(水头均为30.8m)、Johm Day船闸(水头34.8m)，俄罗斯的沃特金电站船闸(工作水头23.0m)，和我国葛洲坝船闸(水头27.0m)、万安船闸(水头32.4m)等都曾在运行过程中发生巨大的爆破声，阀门面板及输水阀门后廊道壁面出现了空蚀破坏现象。

为了避免空化空蚀产生的不良后果，国内外学者进行了大量的研究工作。1934年美国首次采用了无门槽反弧门，规避了高速水流条件下门槽空化问题，之后无门槽的反弧门以其优良的防振和防空化性能在高水头船闸上得到了广泛应用。而大量的实践表明，随着船闸水头的提高，反弧门在开启过程中，阀门门楣缝隙、底缘及门后剪切带容易形成空化水流，特别是阀门在开度0.3～0.6范围内运行时，阀门底缘及门后剪切带空化问题比较突出。美国最早提出了在阀门后廊道顶自然通气的措施以减免空化，但我国河流水位变幅较大，在阀门后廊道顶自然通气的方法在很多条件下不适用。前苏联提出了门后廊道边壁突扩，使阀门底缘水流分离及门后剪切带形成的空化水流远离廊道边壁以减轻空蚀破坏。我国的学者们进行了大量的研究工作，提出了在反弧门顶止水门楣处设置通气孔的措施，基本上消除了门楣顶缝空化，也使得阀门底缘空化得到了一定缓解。

经过上个世纪70年代至本世纪初的一系列以模型试验为主的探索修改后，我国高水头船闸阀门段减蚀基本采用“反弧门+突扩腔+门楣掺气+增加阀门段埋深等其它辅助措施”的方法，该组合措施得到了业内的普遍认同，近几年对该领域的研究基本没有新的突破。主要进行了大量原型观测工作，观测发现经一段时间的运行后，门楣通气的方法对消除顶缝空化效果显著，但因到达阀门底缘的气量有限，对减免阀门底缘以及门后剪切带空化效果不明显；采用突扩的方法使得门后廊道体型复杂，同时产生了一些新的空化源，特别是在升坎处的空化较为突出，（目前某高水头船闸升坎处已监测到明显空化存在，经长期运行后升坎处已有空蚀现象出现）。

如上所述，对通常阀门段体型而言，高水头船闸输水阀门后最主要的空化源有3个，分别是阀门底缘及门后剪切带以及阀门门楣缝隙处。解决门楣缝隙空化目前已有较成熟的措施，因此如何既能避免阀门底缘和门后剪切带水流发生空化、又避免采用复杂的阀门段体型出现新空化源，对增加船闸运行安全、降低工程造价及提高船闸的设计水头是一个极具科学研究意义和经济价值的项目。

发明内容

本发明是为克服现有技术存在的不足，有效解决通航船闸阀门段空蚀破坏问题，而提出一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统。

一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统，包括输水阀门、输水廊道、第一通气管、回转接头、第二通气管，所述输水阀门采用无门槽反弧门，包括阀门支铰、阀门面板及连接阀门支铰和阀门面板的阀门支臂，所述第一通气管在阀门井浇筑时埋入砼内，第一通气管的进口端位于阀门井顶部，与大气相接；输水阀门的底缘引出与外界相通的第二通气管，所述第二通气管沿着阀门支臂进入阀门支铰，所述阀门支铰处设置连接第一通气管和第二通气管的回转接头。

如上所述的高水头船闸输水阀门底缘掺气系统，输水阀门的底缘设有一台阶状跌坎作为掺气坎，所述掺气坎的阶梯上设有多个底缘通气孔，所述多个底缘通气孔与通气横管连通，通气横管与所述第二通气管连通。

如上所述的高水头船闸输水阀门底缘掺气系统，第一通气管的管路分成两支，一支与大气相接，进口处设置单向风门；另一支依次连接集气罐和空气压缩机。

本发明通过将掺气设施布置在转动的阀门上，在空间位置以及与水流流向夹角不断变化的边界内可以获得稳定的通气效果，这样通过简单措施即可改善船闸阀门段水流空化问题，避免发生空蚀破坏，不仅可提高船闸运行的安全性，还可减小阀门段埋深、简化阀门段廊道体型，避免因阀门段体型过于复杂形成新空化源，同时还可降低阀门段廊道施工难度和工程造价，减少掺气设备，从而降低船闸运行管理费用。

附图说明

图1是本发明高水头船闸输水阀门底缘掺气系统的结构示意图；

图2是图1中II部分的放大示意图；

图3是本发明输水阀门的上游立视图。

图中：1—输水阀门，2—输水廊道，3—阀门井，4—阀门支铰，5—阀门支臂，6—回转接头，7—第一通气管，8—单向风门，9—集气罐，10—空气压缩机，11—第二通气管，12—底缘通气孔，13—通气横管，14—掺气坎。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本发明高水头船闸输水阀门底缘掺气系统的结构示意图，所述掺气系统包括输水阀门1、输水廊道2、第一通气管7、回转接头6、第二通气管11。所述输水阀门1采用无门槽反弧门，包括阀门支铰4、阀门面板及连接阀门支铰4和阀门面板的阀门支臂5。

所述第一通气管7在阀门井3浇筑时埋入砼内，第一通气管7的进口端位于阀门井3顶部，与大气相接。第一通气管7的出口端通接入输水阀门1的阀门支铰4处。输水阀门1的底缘引出与外界相通的第二通气管11，所述第二通气管11沿着阀门支臂5（单侧或双侧）进入阀门支铰4，所述阀门支铰4处设置连接第一通气管7和第二通气管11的回转接头6。所述回转接头6可以保证第一通气管7和第二通气管11随输水阀门1开启而转动时依然保持畅通。

请进一步参考图2和图3，在输水阀门1的底缘设有一台阶状跌坎作为掺气坎14，所述掺气坎14的阶梯上设有多个底缘通气孔12，多个底缘通气孔12与通气横管13连通，通气横管13与所述第二通气管11连通。

本发明的减蚀机理为在输水阀门1运行时，空气通过第一通气管7、回转接头6、第二通气管11、通气横管13、底缘通气孔12从出现负压的输水阀门1的底缘进入，气体通过输水阀门1的底缘水流剪切面进入阀门后水体，掺气水流的气垫作用以及掺入空气与空化泡的掺混作用来衰减空泡溃灭时的冲击。

对运用条件特殊的工程，如下游水位变幅过大，导致在某些工况自然补气不足时可将第一通气管7的管路分成两支，如图1所示，一支与大气相接，进口处设置单向风门8；另一支依次连接集气罐9和空气压缩机10。

为了更明确的说明本发明的创新点，将高水头船闸阀门段抗空化措施的沿革过程作一个基本说明：①由平板门改为无门槽反弧门——规避高速水流下门槽空化问题；②门后廊道顶部通气——解决阀门底缘水流分离及门后剪切水流产生的空化问题，但自然通气在船闸下游水位变幅大时效果差，强迫通气增加了设备，并且在顶部掺气水流达不到的地方仍会出现空化问题；③门楣通气——解决门楣缝隙水流空化；④门后廊道采用突扩型式——使阀门底缘水流分离及门后剪切带形成的空化水流远离廊道边壁以减轻空蚀破坏，但因廊道边壁变化过大又易在跌坎、升坎部位形成新的空化源，施工难度高，检修困难；⑤门后廊道采用突扩型式，同时在跌坎、升坎部位加设阶梯坎和强迫通气设备，减蚀系统体型仍复杂，设备繁杂，实用条件及效果尚待实际工程检验。

上述③是解决阀门后3个主要空化源中的门楣缝隙空化问题，②④⑤是解决阀门后3个主要空化源中底缘空化和门后剪切水流空化问题，若采用本发明，②④⑤均不再需要，使抗空蚀措施大为简化。

本发明的创新性表现在：国内外所有的掺气设施均布置在不移动的建筑物边壁上，其所在的空间坐标是不变的，解决的问题也是掺气设施后某一固定空间的水流空化问题。如大量运用的泄洪洞掺气设施、船闸阀门后廊道顶板掺气设施、门楣掺气设施以及突扩腔跌坎和升坎掺气设施均是如此，而本发明所针对的阀门底缘水流空化问题，其空化源是随阀门开启过程在空间上不断变动的，通过固定部位的掺气设施向此变动的空化源处掺气，效果不理想。因此一直以来均是通过改变阀门底缘型式和门后廊道体型等措施来解决这一棘手问题，而本发明独辟蹊径将掺气设施布置在转动的阀门上，在空间位置以及与水流流向夹角不断变化的边界内获得稳定的通气效果是本发明的独特新颖之处。

本发明以简单措施改善船闸阀门段水流空化问题，避免发生空蚀破坏，不仅可提高船闸运行的安全性，还可减小阀门段埋深、简化阀门段廊道体型，避免因阀门段体型过于复杂形成新空化源，同时还可降低阀门段廊道施工难度和工程造价，减少掺气设备，从而降低船闸运行管理费用。

实施案例

本发明高水头船闸输水阀门底缘掺气系统已在某高水头船闸输水系统阀门段模型上进行了研究，研究表明通过调整阀门底缘体型，能够使底缘在阀门开启过程中，特别是当阀门运行至最不利开度范围时能出现稳定的负压区，可满足底缘自然通气的需要。另外，在某高水头船闸原型上试验了通气管回转接头的贯通有效性，试验表明，采用市场现有的回转接头能够保证随阀门运动的通气管畅通。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统，包括输水阀门（1）、输水廊道（2），所述输水阀门（1）采用无门槽反弧门，包括阀门支铰（4）、阀门面板及连接阀门支铰（4）和阀门面板的阀门支臂（5），其特征在于：还包括第一通气管（7）、回转接头（6）、第二通气管（11），所述第一通气管（7）在阀门井（3）浇筑时埋入砼内，第一通气管（7）的进口端位于阀门井（3）顶部，与大气相接；输水阀门（1）的底缘引出与外界相通的第二通气管（11），所述第二通气管（11）沿着阀门支臂（5）进入阀门支铰（4），所述阀门支铰（4）处设置连接第一通气管（7）和第二通气管（11）的回转接头（6）。

2.如权利要求1所述的高水头船闸输水阀门底缘掺气系统，其特征在于：输水阀门（1）的底缘设有一台阶状跌坎作为掺气坎（14），所述掺气坎（14）的阶梯上设有多个底缘通气孔（12），所述多个底缘通气孔（12）与通气横管（13）连通，通气横管（13）与所述第二通气管（11）连通。

3.如权利要求1所述的高水头船闸输水阀门底缘掺气系统，其特征在于：第一通气管（7）的管路分成两支，一支与大气相接，进口处设置单向风门（8）；另一支依次连接集气罐（9）和空气压缩机（10）。