CN109914373B - 扭矩对称水力式升船机输水系统 - Google Patents

Abstract

扭矩对称水力式升船机输水系统，本发明属于水利领域，具体涉及一种升船机输水装置。扭矩对称水力式升船机输水系统，充水时水流通过主管道控制设施进入系统，并在中部经过一次分流进入两侧竖井底部管道，然后通过支管道进入竖井带动浮筒上升；泄水时水流通过竖井底部支管分别汇流至中部主管道，并通过下游控制设施泄水至下游河道。该系统充泄水时间较短，投资成本低，可相应提高通航效率。

Description

扭矩对称水力式升船机输水系统

技术领域

本发明属于水利领域，具体涉及一种升船机输水装置。

背景技术

为了充分利用清洁水能资源，往往在大江大河上修建水坝以形成发电水头，但随着高坝大库的修建，传统的通航建筑物（船闸）已不能适应高落差通航需求，故升船机逐渐进入了大坝设计的范畴，其具有运行通过速度快、克服大坝集中落差大的特点。常规的升船机是利用机械装置升降船舶以克服航道上集中水位落差的通航建筑物，由承船厢、支撑导向结构、驱动装置、事故装置等组成。相比常规机械式升船机而言，水力式升船机是利用水流自身的浮力带动浮筒及承船厢运行，具有“绿色节能”的优势，其代表工程为中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司完成设计的景洪水电站水力式升船机，该升船机已于2016年12月正式投入试运行。

等惯性输水系统为景洪水电站水力式升船机所采用的型式，从理论角度分析可以保证竖井中浮筒运动的同步性。该系统中水流通过四次分流进入各个竖井，力求达到流量平均分配，以实现竖井内水位同步升降，保证浮筒受力均衡，继而保证承船厢受力均衡一致目的。然而按已建项目的分析，等惯性输水系统存在以下问题：

（1）等惯性输水系统原则上可以解决竖井水位同步升降问题，但由于施工及安装质量、精度等因素，导致该系统的效果不能完全符合理想状况，竖井内水位不能绝对同步平衡，从而造成不同竖井上部的卷筒受力不均，需采取设置同步轴及其他措施来抵消水位不同步而产生的附加扭矩，以达到承船厢均衡升降。

（2）等惯性输水系统按其布置方式，需进行一次水平分流和三次垂直分流，为满足三次垂直分流和转弯半径的要求，势必会增加基础开挖深度，不仅会使投资增加，而且复杂的管路系统也为施工增加了难度。

（3）等惯性输水系统，由于三次垂直分流均是一分为二的分流方式，因此单侧竖井必须按照2的倍数布置，无法根据船厢长度灵活调整竖井布置位置，额外造成竖井数量增加，也相应增加了投资。

此外，中国专利申请号201210100887.2，名称为一种水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，该方法为：水流由上游主管道流出，经过上游充水阀门后分成两支流进廊道，最后分别汇入下游，下游设泄水阀门控制竖井水面的下降速度，保证所有平衡重同时下降。该方法与等惯性输水系统具有相同的目的，即为确保竖井水位的同步性，从理论方面可以解决水位同步问题，但在推广应用中存在以下问题，导致可实施性不强。

（1）该方法为了提高水位的同步性，将两侧竖井设置为全部贯穿的廊道，竖井内部空间大于独立布置的竖井，充水量相应增加，势必导致充、泄水时间加长，降低通航效率，也对水资源产生了浪费。

（2）该方法中竖井相当于是一个空心墙体，并在竖井内设置桁架作为拉杆抵消内水压力。但实践表明升船机最高水头达几十米时，如景洪水电站水力式升船机竖井内水头高达60余米，空心墙体在桁架拉杆作用下并不能完全满足结构及整体稳定要求，需采取增加墙体厚度的方式来抵消内水压力，这样将会额外增加投资。

因此，无论是等惯性输水系统和中国申请号201210100887.2专利所述的方法均需要改进，以减少投资及增加可实施性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种扭矩对称水力式升船机输水系统，该系统施工简单且造价较低，克服了追求水位同步和偶数竖井布置的局限，具有更强的实用性。

扭矩对称水力式升船机输水系统，通过水流带动浮筒运动，由浮筒通过传动吊装部件，将浮力转化为拉力提升或降低承船厢，由承船厢、传动吊装部件、浮筒及输水系统组成，其特征在于该输水系统包括竖井、主管道、横向主管道、纵向主管道、支管道；横向主管道的中间，垂直且内部连通于主管道，两端头分别内部连通位于主管道两侧的两条纵向主管道，横向主管道与纵向主管道接口位于所有竖井的正中位置；竖井底部通过支管道与纵向主管道连通。

所述的扭矩对称水力式升船机输水系统，其特征在于该系统的布置方法为：

当承船厢下行时，打开上游控制设施，水流进入主管道，经横向主管道分流进入纵向主管道，并依次经支管道从竖井底部进入竖井内部，浮筒随竖井内水位上升，降低承船厢；

当承船厢上行时，关闭上游控制设施，打开下游的泄水设施，水流通过竖井底部支管道进入纵向主管道，随后依次通过横向主管道和主管道泄向下游，浮筒随竖井内水位下降，提升承船厢。

通过调整支管道直径，控制两侧纵向主管道的两头竖井进水量，以降低卷筒及承船厢扭矩受力分布比降的目的，优化受力结构布置。

由于水流惯性力的影响，水流通过主管道进入支管道时会产生时间间隔，两侧纵向主管道的两头优先进水，中部竖井水流略晚进入，故竖井内浮筒将呈现高低对称分布状况，相应的卷筒及同步轴也将呈现具有上下游对称的扭矩分布结果，即承船厢上下游侧受力平衡，满足稳定要求。

竖井内将相应产生水位高差。具有对称分布的竖井水位水力特性将产生有利于承船厢稳定的对称扭矩，使得承船厢上的合力扭矩为零，保证承船厢抗倾稳定平衡，克服力求保持竖井内水位平衡同步的严苛要求。

升船机可以利用输水系统自身形成对称扭矩以保证承船厢平衡，而不需要通过对称的多级分流系统保证承船厢扭矩平衡，因此升船机左右两侧的竖井可灵活按设计需要的规格选取偶数或奇数的布置方式，克服了等惯性水力式升船机输水系统仅能偶数布置竖井的缺点。

此外，以简单的输水管道代替现有复杂的等惯性管道系统，水流不需进行四次分流，仅通过一次分流即可实现水流进出竖井且满足承船厢安全升降运行。充泄水时间缩短，提高通航效率，设施安装开挖深度减少，从而降低了工程投资成本。

本发明的输水系统，克服了为达到竖井水位同步性而增加系统复杂性的缺点，减小了基础开挖深度，可以灵活根据船舶长度布置竖井分布，减少了工程投资，降低了施工难度，是一种更加经济安全的新型输水系统。

附图说明

图1为等惯性输水系统三维视图。

图2为等惯性输水系统俯视图。

图3为等惯性输水系统侧视图。

图4为本发明实施例1输水系统三维视图。

图5为本发明实施例1输水系统俯视图。

图6为本发明实施例1输水系统单侧竖井水位分布规律图。

图7为本发明实施例1输水系统单侧卷筒及承船厢受力分布规律图。

图8为升船机结构示意图。

图中：1主管道，2竖井，3横向主管道，4纵向主管道，5支管道，6竖井A，7竖井B，8竖井C，9竖井D，10浮筒，11承船厢，12卷筒。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本方法进一步详细说明。

实施例1：扭矩对称水力式升船机输水系统，按承船厢11的设计要求，输水系统每排竖井2设置有八个，依次为竖井A6、竖井B7、竖井C8、竖井D9、竖井A6、竖井B7、竖井C8、竖井D9，均匀布置在分别位于主管道1两侧的纵向主管道4上。两排的八个竖井正中，由横向主管道3内部连通。横向主管道3则在其中间垂直且内部连通于主管道1。

当承船厢11下行时，打开上游控制设施，水流进入主管道1，经横向主管道3分流进入纵向主管道4，并依次经支管道5从竖井2底部进入竖井2内部，浮筒10随竖井2内水位上升，浮筒10上升，卷筒12降低承船厢11。

当承船厢11上行时，关闭上游控制设施，打开下游的泄水设施，水流通过竖井2底部支管道5进入纵向主管道4，随后依次通过横向主管道3和主管道1泄向下游，浮筒10随竖井2内水位下降，浮筒10下降，卷筒12提升承船厢11。

由于水流惯性作用，在纵向主管道4中水流优先向两端头流动，依次进入竖井A6、竖井B7、竖井C8、竖井D9。通过CFD软件分析，竖井2内水位呈现图6所示分布规律，水位由两端向中间逐渐降低，并且呈对称分布。承船厢11和连接竖井2的卷筒12扭矩分布规律如图7所示，扭矩由中间向两端逐渐减少，并且呈对称分布，且合力扭矩为零。承船厢11在对称扭矩作用下，能够保持平衡升降的特性，进而使得升船机安全平稳运行。

从图1和图4的对比看出，本发明的输水系统可以很大程度上减少基础开挖深度，节约投资，并且布置简单便于施工，从而缩短工期。尤其是对于岩石基础时，其施工的便利性及经济性尤为突出。

同等升船机规模条件下（500t级）：本发明的输水系统较等惯性输水系统可减少约14m的开挖深度，并减少相应深度的混凝土回填量；在相同主管道管径情况下，充水时中国申请号201210100887.2专利中输水系统的充水时间及耗水量约为本发明输水系统的1.6倍。

本实施例只作为本专利较为优选的方案之一，不以此限定本专利的保护范围，任何不脱离本技术方案范围作出的改变，均在本发明的涵盖的范围之内。

Claims (2)

1.扭矩对称水力式升船机输水系统，通过水流带动浮筒运动，由浮筒通过传动吊装部件，将浮力转化为拉力提升或降低承船厢，由承船厢、传动吊装部件、浮筒及输水系统组成，其特征在于该输水系统包括竖井、主管道、横向主管道、纵向主管道、支管道；横向主管道的中间，垂直且内部连通于主管道，两端头分别内部连通位于主管道两侧的两条纵向主管道，横向主管道与纵向主管道接口位于所有竖井的正中位置；竖井底部通过支管道与纵向主管道连通；

所述的扭矩对称水力式升船机输水系统通过调整支管道直径，控制两侧纵向主管道的两头竖井进水量，以降低卷筒及承船厢扭矩受力分布比降的目的，优化受力结构布置。

2.根据权利要求1所述的扭矩对称水力式升船机输水系统，其特征在于该系统的布置方法为：

当承船厢下行时，打开上游控制设施，水流进入主管道，经横向主管道分流进入纵向主管道，并依次经支管道从竖井底部进入竖井内部，浮筒随竖井内水位上升，降低承船厢；

当承船厢上行时，关闭上游控制设施，打开下游的泄水设施，水流通过竖井底部支管道进入纵向主管道，随后依次通过横向主管道和主管道泄向下游，浮筒随竖井内水位下降，提升承船厢。