CN111980001A - 一种带偏轴导流脊的t型管结构的高水头船闸输水系统 - Google Patents

Abstract

一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统，包括主廊道、带偏轴导流脊的T型管、分流隔板、分流口，带偏轴导流脊的T型管位于闸室中部闸墙两侧或一侧，主廊道通过T型管与闸室的分流口相连，所述分流口整体为对称结构，偏轴导流脊位于主廊道和T型管衔接段，偏向T型管上游一侧，偏轴导流脊的反弧段与T型管弯道圆弧为非同心圆，分流隔板设于T型管末端。本发明克服了闸室充水分流口产生的单向螺旋流和关键部位脉动压力较大的现象，避免了分流口区域高流速、强紊动出现的空化空蚀问题，从而达到提高船闸输水安全性的目的。

Description

一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，具体是一种带偏轴导流脊的 T型管结构的高水头船闸输水系统。

背景技术

随着经济的不断发展，对我国的航运需求提出了更高的要求，以 三峡枢纽为例，自2003年投运以来，三峡枢纽过闸货运量迅猛增长， 到2013年达到9707万吨，为投运当年的5倍之多，其累计过闸货运 量达到6.4亿吨，是三峡工程蓄水前过闸货运的3.6倍，其双向过闸 货运量首次突破1亿吨，比预期设计的2030年达到设计通过能力1 亿吨整整提前了19年。与此同时，随着大藤峡、溪洛渡等一批高坝 枢纽的建设，也将面临船闸过闸运量的快速增长，船舶待闸时间明显 延长，过闸船舶积压等问题，因此，如何满足日益增长的通航需求和 和高水头船闸设计的技术难题之间的矛盾成为现阶段高水头船闸设 计亟待解决的核心。

对于高水头船闸，当工作水头到达一定高度后，由高水位差转换 而来的巨大动能使输水廊道和闸室内水流紊动加剧，船舶停泊条件恶 化，进而产生廊道段空蚀空化问题，因此以往的中低水头输水系统不 能满足其运行条件，一般采用与之相匹配的分散输水系统。据统计， 高水头船闸先后使用过闸底长廊道输水系统(万安单级船闸、卡米诺 阿尔斯基单级船闸)、闸底前后横支廊道输水系统(约翰德、冰港、 下纪念碑及小鹅船闸)、闸底纵横支廊道输水系统(葛洲坝2#船闸) 以及等惯性输水系统(圣-皮尔船闸、三峡船闸)。由于等惯性输水 系统以输水效率高，闸室内船舶停泊条件好而被后续高水头船闸广泛 采用，并且随着闸室尺度及水头的不同衍生出许多不同的布置型式。

船闸分流口是船闸输水系统运行的首要结构，也是船闸中连接输 水主廊道与闸室内中支廊道的重要节点，其作用是将水流均匀分配到 上、下半闸室，在船闸输水系统中起着至关重要的作用。通过对某大 型高水头船闸抽水调试期间的原型观测表明，船闸输水廊道分流口附 近存在较强的空化噪声，同时在抽干检查中也发现，分流口的隔板圆 弧面上发生了轻微空蚀破坏，破坏以麻坑为主。而高水头船闸分流口 大比尺物理模型和数值模拟也表明，高水头船闸在高流速、高压力的 情况下，分流口内部极易产生单向螺旋流和分流隔板脉动压力较大的 现象，对其安全运行造成极大的影响。

由此可见，在传统等惯性输水系统的基础上，探寻一种能改变复 杂流态、避免产生空化空蚀的分流口体型，成为解决高水头船闸分流 口安全运行的关键，这一需求也是推动航运需求和经济发展的基础。

发明内容

为了解决现有技术的不足，通过对高水头船闸调研观测，结合水 力学特性分析，本发明提供了一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水 头船闸输水系统，可以克服高水头船闸分流口高流速、强紊动出现的 空化空蚀问题，从而达到改善分流口水流条件及闸室内船舶的停泊条 件，提高闸室输水效率增加客货运量的目的。

本发明采用的技术方案如下：

一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统，包括主 廊道、带偏轴导流脊的T型管、分流隔板、分流口，带偏轴导流脊的 T型管位于闸室中部闸墙两侧或一侧，主廊道通过T型管与闸室的分 流口相连，所述分流口整体为对称结构，偏轴导流脊位于主廊道和T 型管衔接段，偏向T型管上游一侧，偏轴导流脊的反弧段与T型管 弯道圆弧为非同心圆，分流隔板设于T型管末端。

进一步的，偏轴导流脊脊顶上游侧切线与脊顶与分流隔板顶端与 下游侧壁交点的连线之间的夹角为5.7°～8.1°，偏轴导流脊脊顶下游侧 圆弧延长线与T型管上游侧壁相切。

进一步的，每个T型管包括一个进口、一个出口和一个进出共用 口，T型管通过进出共用口与位于闸室中部的分流口相连接。

进一步的，船闸充水时，主廊道的水流经T型管壁面和偏轴导流 脊导向90°转弯后通过分流口进入中支廊道；泄水时，水流经中支廊 道通过分流口汇流后进入T型管，最终汇入两侧主廊道，T型管末端 通过分流隔板形成对称结构的立体分流。

进一步的，分流隔板将T型管在垂直方向分成上、下两支独立输 水管。

进一步的，分流隔板端部体型均为半椭圆。

进一步的，分流隔板的椭圆长短半轴之比为3.0。

本发明主廊道水流通过带偏轴导流脊的T型管与分流口平顺连 接，达到降低分流隔板水流紊动强度和脉动压力，减免分流口空化的 目的。在充水过程中对进口水流采取针对性的导流，克服了主廊道进 入T型管之后产生单向螺旋流和右侧分流隔板脉动压力较大的现象， 最大程度上改善了高水头船闸在高流速、高压力作用下的整体流场特 性及局部高脉动现象；在泄水过程中，偏轴导流脊的设置，克服了来 自T型管泄水的顶冲作用，从而避免导流脊顶部产生空化空蚀现象。

附图说明

图1是本发明一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水 系统的平面结构示意图；

图2是本发明一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水 系统的立面结构示意图；

图3是图1中分流隔板的放大图；

图4是图1中偏轴导流脊II部分的放大图；

图5是本发明实施例分流隔板位置脉动压力与实施前无偏轴导 流脊常规布置脉动压力对比图。

图中：1—主廊道，2—T型管、3—偏轴导流脊、4—分流隔板， 5—分流口。

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、图2所示为本发明一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水 头船闸输水系统的平面和立面结构示意图，所述高水头船闸输水系统 包括主廊道1、带偏轴导流脊3的T型管2、分流隔板4及分流口5。

带偏轴导流脊3的T型管2位于闸室中部闸墙两侧或一侧，每个 T型管2包括一个进口、一个出口和一个进出共用口，T型管2通过 进出共用口与位于闸室中部的分流口相连接。T型管2顶部设置与其 为非同心圆的偏轴导流脊3。主廊道1通过T型管2与闸室的分流口5相连，所述分流口5整体为对称结构。

进一步参考图1和图4，本实施例偏轴导流脊3设置两个，均位 于主廊道1和T型管2衔接段，偏向T型管2上游一侧，偏轴导流 脊3位置并非为T型管2的轴对称中心，根据水流流态位置调整到T 型管2上游侧，呈现偏轴状态。偏轴导流脊3的反弧段与T型管2 的弯道圆弧为非同心圆，且对导流脊顶部进行圆弧倒圆角处理(如图 4所示)，从而避免导流脊顶部产生空化空蚀现象。本发明的关键之 处是在T型管2对称轴偏上游侧设置导流脊，是通过考虑水流在失去 固壁导流后的扩散影响，保证充、泄水流与下游壁面的平顺衔接，从 而减小压力脉动。按照通常的布置，如果将导流脊3的反弧段与T 型管2的弯道圆弧设置为同心圆，则导流脊3的脊顶就会下移，不能 达到本发明所需的偏轴效果。

如图1所示，A为导流脊脊点，B为分流隔板4与下游侧壁交点， AC为弧AD与A点切线，偏轴导流脊3的脊顶上游侧切线AC与脊 顶A与分流隔板4顶端与下游侧壁交点B的连线AB之间的夹角(即 AC和AB所形成的夹角)为5.7°～8.1°，偏轴导流脊3的脊顶下游侧 圆弧延长线与T型管2上游侧壁相切。将导流脊脊顶上游侧切线与脊 顶与分流隔板4顶端与下游侧壁交点的连线之间的夹角设定为 5.7°～8.1°，是考虑导流脊脊顶与分流隔板之间水流在失去固壁导流后 的扩散影响，其扩散比为1:10～1:7，对应的夹角为5.7°～8.1°。一般不应超出这一范围，如果取值过小，水流就会直接撞击侧壁，起不到偏 轴导流脊应有的效果，如果取值过大，则过流有效断面减小，分流隔 板处流速变高，压力降低，容易出现水流空化。

船闸充水时，主廊道1的水流经T型管2壁面和偏轴导流脊3 导向90°转弯后通过分流口5进入中支廊道(主廊道1和中支廊道均 为矩形断面)，泄水时，水流经中支廊道通过分流口5汇流后进入T 型管2，最终汇入两侧主廊道1，T型管2末端通过分流隔板4形成 对称结构的立体分流，分流隔板4端部体型均为半椭圆，椭圆长短半 轴之比为3.0，分流隔板4在T型管2末设置，将T型管2在垂直方 向分成上、下两支独立输水管，保证了输水流量的均匀分配(如图3 所示)。本发明克服了闸室充水分流口5产生的单向螺旋流和关键部 位脉动压力较大的现象，避免了分流口区域高流速、强紊动问题，有 效的改善了高水头船闸输水系统中局部位置出现的高频脉动现象，从 而有效避免输水系统中空化空蚀现象的出现。

本发明专门为高水头船闸分流口5设计，主要为克服分流口5内 由于高流速、高压力、强震动而引起的局部复杂水流和关键部位高频 脉动所引起的不安全因素。本发明在高水头船闸等惯性、自分流对称 结构的基础上，巧妙的在主廊道和T型管2顶端设置偏轴导流脊3， 从而将主廊道1进入的水流通过偏轴导流脊3平顺导流至T型管2， 克服了分流口5产生的单向螺旋流和分流隔板脉动压力较大的现象； 与此同时，偏轴导流脊3的巧妙之处在于船闸在进行逆向过程的泄水 时，通过T型管2对冲的水流不会直接顶冲导流脊顶部，从而极大的 保护整体结构的安全。

实施案例

本发明实施例提供一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船 闸输水系统(目前世界上闸室尺度最大的超高水头船闸)，对输水系 统整体模型和分流口单体模型上进行了研究，研究表明本发明所述的 一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统，有效的改善 了高水头船闸在高流速、高压力作用下的整体流场紊乱及局部高频脉 动脉动现象，使分流口整体流态平稳，重点部位的压力也满足规范要 求。通过分流口大比尺单体模型试验结果(参见图5)，左侧一列图 为无偏轴导流脊脉动图，图中所示的脉动呈现单向的脉冲，而右侧一 列为本发明的压力，其纵向脉动压力明显减小。这也清楚的反应出本 发明带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统所具有的明 显优势。本发明的提出，对超高水头船闸分流口局部体型有明显指导 作用，该型式有望运用于更高水头船闸。

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 (7)

1.一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统，其特征在于：包括主廊道(1)、带偏轴导流脊(3)的T型管(2)、分流隔板(4)、分流口(5)，带偏轴导流脊(3)的T型管(2)位于闸室中部闸墙两侧或一侧，主廊道(1)通过T型管(2)与闸室的分流口(5)相连，所述分流口(5)整体为对称结构，偏轴导流脊(3)位于主廊道(1)和T型管(2)衔接段，偏向T型管(2)上游一侧，偏轴导流脊(3)的反弧段与T型管(2)弯道圆弧为非同心圆，分流隔板(4)设于T型管(2)末端。

2.如权利要求1所述的一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统，其特征在于：偏轴导流脊(3)脊顶上游侧切线与脊顶与分流隔板(4)顶端与下游侧壁交点的连线之间的夹角为5.7°～8.1°，偏轴导流脊(3)脊顶下游侧圆弧延长线与T型管(2)上游侧壁相切。

3.如权利要求1所述的一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统，其特征在于：每个T型管(2)包括一个进口、一个出口和一个进出共用口，T型管(2)通过进出共用口与位于闸室中部的分流口(5)相连接。

4.如权利要求1所述的一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统，其特征在于：船闸充水时，主廊道(1)的水流经T型管(2)壁面和偏轴导流脊(3)导向90°转弯后通过分流口(5)进入中支廊道；泄水时，水流经中支廊道通过分流口(5)汇流后进入T型管(2)，最终汇入两侧主廊道(1)，T型管(2)末端通过分流隔板(4)形成对称结构的立体分流。

5.如权利要求4所述的一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统，其特征在于：分流隔板(4)将T型管(2)在垂直方向分成上、下两支独立输水管。

6.如权利要求1或4所述的一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统，其特征在于：分流隔板(4)端部体型均为半椭圆。

7.如权利要求6所述的一种带偏轴导流脊的T型管结构的高水头船闸输水系统，其特征在于：分流隔板(4)的椭圆长短半轴之比为3.0。

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