CN105507223A - 带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，包括设置在船闸室中的承船厢，与承船厢相连的机械升降系统、稳定均衡水力驱动系统，所述稳定均衡水力驱动系统包括竖井、设置在竖井中的浮筒、带输水阀的输水主管，下端与输水主管相连的多根分支水管，多根分支水管由下部的直管、中部的转角管和/或分叉管以及上部的直管构成，且上部的直管出水端置于对应的竖井底部，并在直管出水端设置有消能工，各个竖井之间通过水位平衡廊道相连，其特征在于所述稳定均衡水力驱动系统还包括设置在分支水管转角处的第一阻力均衡件或/和分叉管处的第二阻力均衡件、分别设置在输水主管输水阀阀前的环向强迫通气机构和阀后的稳压减振箱。使升船机具有较高抗倾覆能力。

Description

带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机

技术领域

本发明涉及一种水力式升船机，具体说是一种带稳定均衡水力驱动系统的具有抗倾覆能力的水力式升船机，属于通航建筑领域。

背景技术

升船机具有过坝时间短、适应水头大、投资小及节水等优点，已在国内外有通航要求的高坝枢纽中得到了广泛应用。水力式升船机则是一种新型升船机，其是在容纳承船厢的船闸室两侧分别设置多个与船闸室分隔且相互间连通的可充、放水的竖井，每个竖井中设置浮筒，多个浮筒通过对应的钢绳、卷筒、滑轮与承船厢多个部位相连(即在承船厢上形成多个吊点)，向竖井充水时浮筒上升、承船厢下降，反之承船厢上升，从而完成水力驱动式升船或降船。由于水力式升船机的驱动提升系统为水力式，不同于传统的电力提升，因此其水力学问题不单单影响到系统本身的正常工作，还影响承船厢的安全、稳定运行。尤其在承船厢有水的工况下，一旦承船厢受到不平衡荷载导致承船厢出现倾斜后，承船厢的水体就会发生转移，水体荷载重心也会发生移动，同时由于水体的流动性和水往低处流的特性，会导致承船厢倾斜呈现继续放大的趋势，从而导致升船机出现局部失稳后的倾覆问题。因此解决提升系统的水力学问题是保障该类型升船机安全运行的基础和前提。

水力式升船机的关键水力学问题包括以下几方面：

1)如何提高竖井水位的同步性，使各平衡重——即浮筒同步升或降，降低水力驱动系统对承船厢不均匀荷载的影响，控制承船厢倾斜力矩初值；

2)如何减小竖井水面波动，使浮筒平稳运行，降低水力驱动系统对承船厢内水体的扰动；

3)如何控制承船厢运行速度，减小承船厢运行速度波动；

4)如何解决高水头调节阀的空化和振动问题；

5)如何提高输水效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对水力式升船机输水系统多竖井水位同步和控制高水头阀门的空化、振动问题等，提供一种带稳定均衡水力驱动系统的具有抗倾覆能力的水力式升船机及稳定均衡水力驱动系统的设置方法。以降低船厢倾斜力矩初值，减小竖井水位差和承船厢运行速度波动，减少水力驱动系统对承船厢不均匀荷载和对承船厢内水体的扰动，解决阀门空化空蚀、振动等水力学问题引起的升船机升降运行速度慢，效率低的问题，为水力式升船机安全、平稳、高效运行提供保障。

本发明通过下列技术方案完成：一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，包括设置在船闸室中的承船厢，与承船厢相连的机械升降系统、稳定均衡水力驱动系统，所述稳定均衡水力驱动系统包括竖井、设置在竖井中的浮筒、带输水阀的输水主管，下端与输水主管相连的多根分支水管，多根分支水管由下部的直管、中部的转角管和/或分叉管以及上部的直管构成，且上部的直管出水端置于对应的竖井底部，并在直管出水端设置有消能工，各个竖井之间通过水位平衡廊道相连，其特征在于所述稳定均衡水力驱动系统还包括设置在分支水管转角处的第一阻力均衡件或/和分叉管处的第二阻力均衡件、分别设置在输水主管输水阀阀前的环向强迫通气机构和阀后的稳压减振箱。

所述消能工包括间隔地在竖井底部并沿直管出水端端口周边设置的立杆，设置在立杆上端的水平档板，以便向上冲的水在水平挡板作用下只能向下再经立杆之间的空隙进入竖井中，从而降低出水水流速度，消除水能量，减缓水流冲击力，改善浮筒底部水流条件，避免水流直接冲击浮筒底部而引起浮筒晃动。

所述第一阻力均衡件为直角弯管，且在直角弯管直角处下方设置向下延伸且封闭的管头，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求。

所述第二阻力均衡件为上大下小的实心或空心圆锥体，该圆锥体的上端固定在分叉管的水平管壁上，下端向下延伸至分叉管的竖直管中，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求。

所述环向强迫通气机构包括：固定在输水主管外部的通气环管，通气环管的内侧壁上设有第一通孔，第一通孔与设置在输水主管壁上的第二通孔连通，通气环管的外侧壁上设有第三通孔，第三通孔与供气管相连，供气管与气源相连，以便将压力空气经供气管送入通气环管中，再经第一、第二通孔送入输水主管中，即向水中掺气，以解决水力稳定均衡系统因高水头非恒定作用下的输水阀门空化及振动问题，减小压力脉动，使阀门相对空化数由1.0降低到0.5，使阀门的大开度开启时间提前，输水效率提高60％以上。

所述通气环管上的第一通孔、第三通孔以及输水主管上的第二通孔间隔设置多个，且每一个第三通孔均通过对应的供气分管与供气总管相连，供气总管与气源相连，以通过供气分管分多路、多点向通气环管、输水主管均匀掺气。

所述稳压减振箱包括：内带空腔、其上带进水口和出水口的壳体，设置在壳体外壁的外梁系，壳体空腔内间隔设有内梁系隔栏，所述内梁系隔栏包括由纵、横交错的竖直杆和水平杆设置成与壳体空腔横断面形状相适应的镂空板，该镂空板的镂空中间隔设置斜拉杆，以便在满足高强度要求的同时，尽量减少内梁系隔栏对水流的干扰。

所述纵、横交错的竖直杆和水平杆及斜拉杆均为实心圆杆或空心圆管，且竖直杆和水平杆的纵、横交错位置设有槽形加强板；并在内梁系隔栏与壳体空腔壁相连的部位设有垫板，以方便与壳体空腔壁相连接，减少其对水流的干扰，满足水力学要求。

所述壳体上还设有检修用人孔，壳体内的后部设有集气槽，集气槽顶部设有排气孔，该排气孔与排气管相连。

所述外梁系包设在壳体所有外壁上，该外梁系包括等高且间隔设置的主横梁板组，及位于两两主横梁板之间且高度低于主横梁板的次横梁板组、与主横梁板组和次横梁板组相垂直的等高且间隔设置的纵梁板组及等宽、等长且间隔设置的水平梁板组，该三组梁板相互交织连接而成；所述入水口处的外梁系上设有下凹的变截面梁板组，变截面梁板组的外侧与法兰端面平齐。

所述入水口设置三个，分别通过对应的输水阀与输水主管相连，其中位于中间的输水阀为主阀，两侧的输水阀为辅阀，且一个主阀和两个辅阀的阀前输水主管上均设置有环向强迫通气机构，以便通过输水流量较小且抗空化能力较优的辅阀控制承船厢低速运行(对接时)，又通过输水流量较大的主阀提高承船厢正常升降阶段的运行速度，消除稳定均衡水力驱动系统产生的非恒定流对承船厢运行速度稳定性带来的影响。

所述浮筒底部设为120°的锥体，且竖井与浮筒之间的间隙比保持在0.095～0.061之间，以提高水力稳定均衡系统的水动力特性变化及水动力输出的稳定性。

所述机械升降系统包括与船闸室中的承船厢两侧的多个部位相连的多根钢绳，多根钢绳的另一端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒以及设置在竖井中浮筒上的滑轮固定在竖井的顶部，多个卷筒之间通过同步轴及联轴器相连。

所述多个卷筒及联轴器和同步轴分别与承船厢两侧的钢绳相对应的设置成两排，两排之间通过伞齿对及联轴器连接有横向同步轴，构成矩形框连接，以通过同步轴、横向同步轴的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩；所述主动抗倾覆机械同步系统的每一卷筒上均设有常规制动器，以便在船厢倾斜量或同步传动扭矩达到设计值时，通过制动器锁定对应卷筒，保障升船机整体安全，以便在承船厢受到不平衡荷载作用下出现倾斜时，能通过主动抗倾覆机械同步系统中的同步轴的微量变形产生主动抗倾覆力矩，以控制承船厢倾斜量、降低同步轴扭矩，并在承船厢倾斜量或同步轴扭矩达到设计值时，通过设置在主动抗倾覆机械同步系统卷筒上的安全装置锁定卷筒，保障升船机整体安全。

本发明提供的稳定均衡水力驱动系统中的输水主管及多个分支水管按下列方法进行设置：

按照水流惯性长度完全相等的要求设置输水主管及多个分支水管，具体是：输水主管进口至竖井(出口)这一管段的长度、截面几何尺寸与对应的各个分支水管的总长度、总截面几何尺寸完全相同，以满足等惯性设置要求；

所述多个分支水管的转角管转角处设置的第一阻力均衡件或/和分叉管处设置的第二阻力均衡件，通过下列方法设置：

1)分支水管最大流速<2m/s时,设置第一阻力均衡件，降低分支水管转角处的水流偏流现象；

2)分支水管最大流速<4m/s时,设置第二阻力均衡件，使分支水管分叉管处的流量均匀；

3)分支水管最大流速<6m/s时,同时设置第一、第二阻力均衡件；

以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求。

所述水位平衡廊道最小横截面积通过下列方法计算：

$\mathrm{\&omega;}=K\frac{2C\sqrt{H}}{\mathrm{\&mu;}T\sqrt{2g}}$

式中：ω为水位平衡廊道面积,单位为m²；

C为相邻竖井面积，单位为m²；

H为相邻竖井允许最大水位差，单位为m；

μ为水位平衡廊道流量系数；

T为最大水位差允许持续时间，单位为s；

K为安全系数，1.5～2.0；

g为重力加速度，单位为m/s^-2。

通过竖井底部水位平衡廊道的设置以及水位平衡廊道最小横截面积的确定，对竖井之间的水位不一致进行调节，避免竖井之间水位差的累积；所述稳定均衡水力驱动系统的其它设置按常规进行。

本发明具有下列优点和效果：

通过稳定均衡水力驱动系统的设置，有效提高动力水流的分流均匀性，保障进入竖井的水流更加均匀，进而降低承船厢受到的不均匀荷载；尤其是通过消能工、竖井与浮筒之间间隙比范围在0.095～0.061之间的控制，降低竖井内水体对浮筒的晃动，进而降低承船厢升降运行时的速度波动，降低水力提升系统对承船厢内水体的扰动；再通过输水阀阀前环向强迫通气机构以及阀后稳压减振箱的设置，解决输水阀的空化及振动问题，减小压力脉动，使输水阀的大开度开启时间提前，提高水力提升系统运行效率，避免水力空化对输水阀及输水管路的破坏。通过以上功能的联合作用有效降低水力式升船机水力提升系统对承船厢不均匀荷载和对承船厢内水体的扰动，降低承船厢初始倾覆力矩，并提高升船机运行效率，使升船机承船厢具备高可靠、高稳定的抗倾覆能力，确保了水力式升船机安全、可靠运行。

附图说明

图1为升船机侧视结构图；

图2为图1的A-A断面图；

图3为稳定均衡水力驱动系统结构图；

图4为图3的B部放大图；

图5为图3中环向强迫通气机构的断面结构图；

图6为图5中E-E视图；

图7为图3中的稳压减振箱结构图；

图8为稳压减振箱后侧俯视图；

图9为稳压减振箱的断面图；

图10为稳压减振箱内部的内梁系隔栏结构图；

图11为图9的F-F视图；

图12为图11的左视图；

图13为机械升降系统结构图；

图14为相同开启度下现有技术阀后测点脉动压力均方根图；

图15为相同开启度下本发明阀后测点脉动压力均方根图；

图16为相同开启度下掺气前空化噪声图；

图17为相同开启度下掺气后空化噪声图；

图18为掺气前后输水管振动加速度对比图；

图19为掺气后竖井水面波动幅值图；

图20为没有设置水位平衡廊道前各竖井之间水位差关系图；

图21为本明设置水位平衡廊道后各竖井之间水位差改善图。

图中：

1为船闸室，11为承船厢，12为船舶；

2为主动抗倾覆机械同步系统，21为钢绳，22为滑轮，24为卷筒，25为同步轴，26为联轴器，27为制动器，28为伞齿轮对，29为横向同步轴；

3为稳定均衡水力驱动系统，31为竖井，311为浮筒，32为输水主管，327为输水主管32上的第二通孔，321为分支水管下端的直管，33为输水阀，324为分支水管上端的直管，323为分支水管的转角管，322为分支水管的分叉管，325为消能工，326为水位平衡廊道，36为第一阻力均衡件，37为第二阻力均衡件，34为环向强迫通气机构，341为通气环管、342为第一通孔，343为供气分管，344为第三通孔，345为供气总管；35为稳压减振箱，351为壳体，3511为入水口，3512为出水口、3513为人孔，3514为排气孔，3515为集气槽，352为外梁系，3521为主横梁板，3522为次横梁板，3523纵梁板，3524为水平梁板，3525为变截面梁板，353为内梁系隔栏，3531为竖直杆，3532为水平杆，3533为槽形加强板，3534为加强筋，3535为垫板，3536为斜拉杆，3537为垫条板，3538为镂空，354为法兰；

4为自反馈稳定系统。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。

本发明提供的带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，包括设置在船闸室1中的承船厢11，与承船厢11相连的机械升降系统2、稳定均衡水力驱动系统3，所述稳定均衡水力驱动系统3包括竖井31、设置在竖井31中的浮筒311、带输水阀33的输水主管32，下端与输水主管32相连的多根分支水管，多根分支水管由下部的直管321、中部的转角管323和分叉管322以及上部的直管324构成，且下部的直管321、中部的转角管323和分叉管322以及上部的直管324设为上、下二级，下级的下端直管321与输水主管32相连，上级的上端直管324出水端置于对应的竖井31底部，并在上端直管324出水端设置消能工325，各个竖井31之间通过水位平衡廊道326连通；所述稳定均衡水力驱动系统3还包括设置在分支水管的转角管323转角处的第一阻力均衡件36和分叉管322处的第二阻力均衡件37、分别设置在输水主管32输水阀33阀前的环向强迫通气机构34和阀后的稳压减振箱35：

所述浮筒311底部设为120°的锥体，且竖井31与浮筒311之间的间隙比保持在0.095～0.061之间，以提高稳定均衡水力驱动系统的水动力特性变化及水动力输出的稳定性；

所述消能工325包括间隔地在竖井底部并沿直管324出水端端口周边设置的立杆，设置在立杆上端的水平档板，以便向上冲的水在水平挡板作用下只能向下再经立杆之间的空隙进入竖井中，从而降低出水水流速度，消除水能量，减缓水流冲击力，改善浮筒底部水流条件，避免水流直接冲击浮筒底部而引起浮筒晃动；

所述第一阻力均衡件36为直角弯管，且在直角弯管直角处下方设置向下延伸且封闭的管头，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；

所述第二阻力均衡件37为上大下小的实心或空心圆锥体，该圆锥体的上端固定在分叉管322的水平管壁上，下端向下延伸至分叉管322的竖直管中，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；

所述环向强迫通气机构34包括：固定在输水主管32外部的通气环管341，通气环管341的内侧壁上设有第一通孔342，第一通孔342与设置在输水主管32壁上的第二通孔327连通，通气环管341的外侧壁上设有第三通孔344，第三通孔344与供气管相连，供气管与气源相连，以便将压力空气经供气管送入通气环管341中，再经第一、第二通孔342、327送入输水主管32中，即向水中掺气，以解决稳定均衡水力驱动系统因高水头非恒定作用下的输水阀33空化及振动问题，减小压力脉动，使阀门相对空化数由1.0降低到0.5，使阀门的大开度开启时间提前，输水效率提高60％以上；所述通气环管341上的第一通孔342、第三通孔344以及输水主管32上的第二通孔327间隔并对称设置四个，且每一个第三通孔344均通过对应的供气分管343与供气总管345相连，供气总管345与气源——即空气压缩机相连，以通过供气分管343分多路、多点向通气环管341、输水主管32均匀掺气；

所述稳压减振箱35包括：内带空腔、其上带进水口3511和出水口3512的壳体351，设置在壳体351外壁的外梁系352，壳体351空腔内间隔设有内梁系隔栏353，所述内梁系隔栏353包括由纵、横交错的竖直杆3531和水平杆3532设置成与壳体351空腔横断面形状相适应的镂空板，该镂空板的镂空处间隔设置斜拉杆3536，以便在满足高强度要求的同时，尽量减少内梁系隔栏对水流的干扰；所述稳压减振箱35内的纵、横交错的竖直杆3531和水平杆3532及斜拉杆3536均为空心圆管，且竖直杆3531和水平杆3532的纵、横交错位置设有槽形加强板3533；并在内梁系隔栏353与壳体351空腔侧壁、底壁相连的部位设有垫板3535，同时在垫板3535与竖直杆3531和水平杆3532之间设置加强筋3534，在内梁系隔栏353与壳体351空腔顶壁相连的部位设有垫条板3537，以方便与壳体空腔壁相连接，减少其对水流的干扰，满足水力学要求；所述稳压减振箱35的壳体351上还设有检修用人孔3513，壳体351内的后部设有集气槽3515，集气槽3515顶部设有排气孔3514，该排气孔3514与排气管相连；所述稳压减振箱35的外梁系352包设在壳体351所有外壁上，该外梁系352包括等高且间隔设置的四块主横梁板3521，及位于两两主横梁板3521之间且高度低于主横梁板3521的多块次横梁板3522、与主横梁板3521和次横梁板组3522相垂直的等高且间隔设置的多块纵梁板3523及等宽、等长且间隔设置的多块水平梁板3524，多块梁板相互交织连接而成；所述入水口3511处的外梁系上设有下凹的多块变截面梁板3525，变截面梁板3525的外侧与法兰354端面平齐；所述稳压减振箱35入水口3511设有三个，出水口3512设有一个，分别位于壳体351的前、后侧；所述稳压减振箱35的三个入水口3511分别通过输水阀33及输水管与输水主管32相连，其中位于中间入水口的输水阀为主阀，位于两侧的入水口的输水阀为辅阀，且一个主阀和两个辅阀的阀前输水主管32上均分别设置有环向强迫通气机构34，以便通过输水流量较小且抗空化能力较优的辅阀控制承船厢低速运行(对接时)，又通过输水流量较大的主阀提高承船厢正常升降阶段的运行速度，消除稳定均衡水力驱动系统产生的非恒定流对承船厢运行速度稳定性带来的影响。

所述机械升降系统2包括与船闸室1中的承船厢11两侧的多个部位相连的多根钢绳21，多根钢绳21的另一端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒24以及设置在竖井31中的浮筒311上的滑轮22固定在竖井31的顶部，多个卷筒24之间通过同步轴25及联轴器26相连，多个卷筒24及联轴器26和同步轴25分别与承船厢11两侧的钢绳21相对应地设置成两排，两排之间通过伞齿对28及联轴器26连接有横向同步轴29，构成矩形框连接，以通过同步轴25、横向同步轴29的微量变形对承船厢11主动产生抗倾覆力矩；所述机械同步传动系统2的每一卷筒24上均设有常规制动器27，以便在承船厢11受到不平衡荷载作用下出现倾斜时，能通过主动抗倾覆机械同步系统2的微量变形对承船厢11主动产生抗倾覆力矩，达到控制承船厢11倾斜量和降低同步轴25扭矩的目的，并在承船厢11倾斜量或同步轴25、29扭矩达到设计值时，通过制动器27锁定卷筒24，保障升船机整体安全。

本发明所述稳定均衡水力驱动系统中的输水主管及多个分支水管按下列方法进行设置：

按照水流惯性长度完全相等的要求设置输水主管及多个分支水管，具体是：输水主管进口至竖井(出口)这一管段的长度、截面几何尺寸与对应的各个分支水管的总长度、总截面几何尺寸完全相同，以满足等惯性设置要求；

所述多个分支水管的转角管转角处设置的第一阻力均衡件或/和分叉管处设置的第二阻力均衡件，通过下列方法设置：

1)分支水管最大流速<2m/s时,设置第一阻力均衡件，降低分支水管转角处的水流偏流现象；

2)分支水管最大流速<4m/s时,设置第二阻力均衡件，使分支水管分叉管处的流量均匀；

3)分支水管最大流速<6m/s时,同时设置第一、第二阻力均衡件；

以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求。

所述水位平衡廊道最小横截面积通过下列方法计算：

$\mathrm{\&omega;}=K\frac{2C\sqrt{H}}{\mathrm{\&mu;}T\sqrt{2g}}$

式中：ω为水位平衡廊道面积,单位为m²；

C为相邻竖井面积，单位为m²；

H为相邻竖井允许最大水位差，单位为m；

μ为水位平衡廊道流量系数；

T为最大水位差允许持续时间，单位为s；

K为安全系数，1.5～2.0；

g为重力加速度，单位为m/s^-2。

通过竖井底部水位平衡廊道的设置以及水位平衡廊道最小横截面积的确定，对竖井之间的水位不一致进行调节，避免竖井之间水位差的累积；所述稳定均衡水力驱动系统的其它设置按常规进行。

本发明通过输水阀阀前设置的环向强迫通气机构及阀后设置的稳压减振箱，解决输水阀的空化及振动问题，减小压力脉动，使输水阀的大开度开启时间提前，提高输水效率，避免水力空化对输水阀及输水管路的破坏。经观测结果表明：阀前环向强迫通气机构及阀后稳压减振箱两种措施结合使用，能够有效抑制输水阀的空化、空蚀，减小振动加速度，提高输水效率，即：

a)稳压减振箱与现有技术相比，在相同开度输水阀作用水头普遍提高5m的条件下，最大流量由14.3m³/s增大到21.0m³/s；输水时间由35min缩短至15.4min；同时，稳压减振箱大大改善了现有技术不利的水流条件，相同开启方式下，压力脉动均方根最大值由2.7m水柱(见图14)下降到0.09m水柱(见图15)；输水阀相对空化数提高30～40％，抗空化作用突出；此外，稳压减振箱各测点振动最大加速度均方根值平均下降52％，其自振频率高，超过1kHz，不会与水流脉动荷载发生共振，结构设计、安装满足抗振设计要求。

b)采用环向强迫通气机构及稳压减振箱联合使用后，使压力脉动进一步降低，普遍下降20％左右；通过环向强迫通气机构掺气后，输水阀空气声级平均降低5dB，在没有混响声的范围内，水流噪声平稳，没有异常响声；几乎未检测到空化脉冲信号，见图16、17；空化噪声声压级下降20～30dB，掺气保证了无空化运行状态，输水管振动平均减小80％～90％，表明掺气减振效果显著，见图18，60％气体能排出，40％气体进入竖井13，未形成气囊，不影响竖井13水面的平稳性，掺气后竖井13水面波动幅值小于±0.05m，见图19；

c)环向强迫通气机构及稳压减振箱这两种措施结合使用后，大大提高了输水主阀对应开度作用水头，减少输水时间，经过合理优化后的开启方式，能保证输水时间在15min以内。

通过本发明水力式升船机原型观测可知，采用本发明的水力稳定平衡系统进行优化改造后，在流量超过20m³/s、输水时间15min以内条件下，竖井水位最大波动仅为±5cm，相邻竖井水位差小于3cm，阀门运行过程无空化现象，振动加速度大大减小。

竖井31之间水位平衡廊道326的设置，使竖井31之间的水位差降低，同步性改善，见图21；图20是没有设置水位平衡廊道326前各竖井31之间水位差关系图，显然水位平衡廊道326的设置大大改善了竖井31之间的水位差，使各竖井31之间的水平接近平衡。

充分说明所采用的稳定均衡水力驱动系统水力同步性好，为降低同步轴扭矩、保障船厢平稳运行创造了良好水力条件。

通过上述实施方案表明，稳定均衡水力驱动系统实现了同步、平稳、快速、高效的水力条件，为升船机稳定高效运行奠定了基础。

Claims (10)

1.一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，包括设置在船闸室中的承船厢，与承船厢相连的机械升降系统、稳定均衡水力驱动系统，所述稳定均衡水力驱动系统包括竖井、设置在竖井中的浮筒、带输水阀的输水主管，下端与输水主管相连的多根分支水管，多根分支水管由下部的直管、中部的转角管和/或分叉管以及上部的直管构成，且上部的直管出水端置于对应的竖井底部，并在直管出水端设置有消能工，各个竖井之间通过水位平衡廊道相连，其特征在于所述稳定均衡水力驱动系统还包括设置在分支水管转角处的第一阻力均衡件或/和分叉管处的第二阻力均衡件、分别设置在输水主管输水阀阀前的环向强迫通气机构和阀后的稳压减振箱。

2.根据权利要求1所述的一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，其特征在于所述消能工包括间隔地在竖井底部并沿直管出水端端口周边设置的立杆，设置在立杆上端的水平档板；

所述第一阻力均衡件为直角弯管，且在直角弯管直角处下方设置向下延伸且封闭的管头；

所述第二阻力均衡件为上大下小的实心或空心圆锥体，该圆锥体的上端固定在分叉管的水平管壁上，下端向下延伸至分叉管的竖直管中；

所述浮筒底部设为120°的锥体，且竖井与浮筒之间的间隙比保持在0.095～0.061之间。

3.根据权利要求1所述的一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，其特征在于所述环向强迫通气机构包括：固定在输水主管外部的通气环管，通气环管的内侧壁上设有第一通孔，第一通孔与设置在输水主管壁上的第二通孔连通，通气环管的外侧壁上设有第三通孔，第三通孔与供气管相连，供气管与气源相连，以便将压力空气经供气管送入通气环管中，再经第一、第二通孔送入输水主管中。

4.根据权利要求3所述的一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，其特征在于所述通气环管上的第一通孔、第三通孔以及输水主管上的第二通孔间隔设置多个，且每一个第三通孔均通过对应的供气分管与供气总管相连，供气总管与气源相连。

5.根据权利要求1所述的一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，其特征在于所述稳压减振箱包括：内带空腔、其上带进水口和出水口的壳体，设置在壳体外壁的外梁系，壳体空腔内间隔设有内梁系隔栏，所述内梁系隔栏包括由纵、横交错的竖直杆和水平杆设置成与壳体空腔横断面形状相适应的镂空板，该镂空板的镂空中间隔设置斜拉杆。

6.根据权利要求5所述的一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，其特征在于所述纵、横交错的竖直杆和水平杆及斜拉杆均为实心圆杆或空心圆管，且竖直杆和水平杆的纵、横交错位置设有槽形加强板；并在内梁系隔栏与壳体空腔壁相连的部位设有垫板。

7.根据权利要求5所述的一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，其特征在于所述外梁系包设在壳体所有外壁上，该外梁系包括等高且间隔设置的主横梁板组，及位于两两主横梁板之间且高度低于主横梁板的次横梁板组、与主横梁板组和次横梁板组相垂直的等高且间隔设置的纵梁板组及等宽、等长且间隔设置的水平梁板组，该三组梁板相互交织连接而成；所述入水口处的外梁系上设有下凹的变截面梁板组，变截面梁板组的外侧与法兰端面平齐。

8.根据权利要求5所述的一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，其特征在于所述壳体上还设有检修用人孔，壳体内的后部设有集气槽，集气槽顶部设有排气孔，该排气孔与排气管相连；所述入水口设置三个，分别通过对应的输水阀与输水主管相连，其中位于中间的输水阀为主阀，两侧的输水阀为辅阀，且一个主阀和两个辅阀的阀前输水主管上均设置有环向强迫通气机构。

9.根据权利要求1所述的一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，其特征在于所述机械升降系统包括与船闸室中的承船厢两侧的多个部位相连的多根钢绳，多根钢绳的另一端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒以及设置在竖井中浮筒上的滑轮固定在竖井的顶部，多个卷筒之间通过同步轴及联轴器相连；所述多个卷筒及联轴器和同步轴分别与承船厢两侧的钢绳相对应的设置成两排，两排之间通过伞齿对及联轴器连接有横向同步轴，构成矩形框连接，以通过同步轴、横向同步轴的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩；所述主动抗倾覆机械同步系统的每一卷筒上均设有常规制动器。

10.根据权利要求1所述的一种带稳定均衡水力驱动系统的抗倾覆水力式升船机，其特征在于所述稳定均衡水力驱动系统中的输水主管及多个分支水管按下列方法进行设置：

按照水流惯性长度完全相等的要求设置输水主管及多个分支水管，具体是：输水主管进口至竖井(出口)这一管段的长度、截面几何尺寸与对应的各个分支水管的总长度、总截面几何尺寸完全相同，以满足等惯性设置要求；

所述多个分支水管的转角管转角处设置的第一阻力均衡件或/和分叉管处设置的第二阻力均衡件，通过下列方法设置：

1)分支水管最大流速<2m/s时,设置第一阻力均衡件，降低分支水管转角处的水流偏流现象；

2)分支水管最大流速<4m/s时,设置第二阻力均衡件，使分支水管分叉管处的流量均匀；

3)分支水管最大流速<6m/s时,同时设置第一、第二阻力均衡件；

以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求。

所述水位平衡廊道最小横截面积通过下列方法计算：

$\mathrm{\&omega;}=K\frac{2C\sqrt{H}}{\mathrm{\&mu;}T\sqrt{2g}}$

式中：ω为水位平衡廊道面积,单位为m²；

C为相邻竖井面积，单位为m²；

H为相邻竖井允许最大水位差，单位为m；

μ为水位平衡廊道流量系数；

T为最大水位差允许持续时间，单位为s；

K为安全系数，1.5～2.0；

g为重力加速度，单位为m/s^-2。

通过竖井底部水位平衡廊道的设置以及水位平衡廊道最小横截面积的确定，对竖井之间的水位不一致进行调节，避免竖井之间水位差的累积；所述稳定均衡水力驱动系统的其它设置按常规进行。