CN114197430A - 一种水力升降机及升降方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种水力升降机及升降方法，涉及船舶升降技术领域。该水力升降机包括平衡体和动力组件，平衡体被设置用于漂浮于竖井的水体上，且被设置用于承载通航船舶；动力组件和平衡体相互连接，且动力组件被设置用于驱动平衡体。该水力升降机应用于竖井中，通过平衡体使其漂浮于竖井的水体上后，再通过动力组件实现平衡体的运动，进而起到船闸和升船机的功能，其具有设备投资少、能耗低，具有仅基于竖井和上下游水位，既能实现船闸通行效率高和升船机省水的特点。升降方法应用于该水力升降机，其具有水力升降机的所有有益效果。

Description

一种水力升降机及升降方法

技术领域

本发明涉及船舶升降技术领域，具体而言，涉及一种水力升降机及升降方法。

背景技术

目前有通航要求的航道，在上下游存在水位差的情况下，通常需要建设船闸或升船机来解决船舶通行需要。现有船闸通行一次往往耗水较多，水位差越大，耗水越多；升船机虽不耗水，但效率较低，一次只适合通过单艘船舶，并且机械起升设备投资大、能耗高。现有通航设施，无论船闸还是升船机，均无法实现两种模式根据需要切换、选择运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水力升降机，解决现有技术的不足，其设备投资少、能耗低，具有仅基于竖井和上下游水位，既能实现船闸通行效率高和升船机省水的特点。

本发明的另一目的在于提供一种升降方法，其应用于上述水力升降机，具有其所有有益效果。

本发明的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种水力升降机，其包括平衡体和动力组件，平衡体被设置用于漂浮于竖井的水体上，且被设置用于承载通航船舶；动力组件和平衡体相互连接，且动力组件被设置用于驱动平衡体。

该水力升降机应用于竖井中，通过平衡体使其漂浮于竖井的水体上后，再通过动力组件实现平衡体的运动，进而起到船闸和升船机的功能，其具有设备投资少、能耗低，具有仅基于竖井和上下游水位，既能实现船闸通行效率高和升船机省水的特点。

在本发明的一些实施例中，平衡体包括相互连接的承船池和浮性件，承船池内设置有承载流体，承载流体用于供通航船舶运动，浮性件的密度小于水体的密度。

在本发明的一些实施例中，动力组件包括储水箱、蓄水槽和气道，气道与浮性体内空气连通，蓄水槽通过气道与浮性体内空气连通，且储水箱通过进水孔和出水孔可选择地向竖井内排出或充入流体。

在本发明的一些实施例中，储水箱的进水孔和出水孔上分别设置有进水阀门和出水阀门。

在本发明的一些实施例中，动力组件还包括连通管道，连通管道的一端和蓄水槽相互连通，连通管道的另一端分别与上游水位和下游水位相互连通，且连通管道上设置有上游控制阀和下游控制阀。

在本发明的一些实施例中，蓄水槽包括第一蓄水单元和第二蓄水单元，第一蓄水单元和第二蓄水单元通过气道连通，且承船池、第一蓄水单元、储水箱、第二蓄水单元和浮性件沿竖井的纵向方向相互依次连接。

在本发明的一些实施例中，浮性件包括浮筒、浮球和浮块中的一种或其组合。

本发明还提供了一种升降方法，该方法应用于上述的水力升降机，水力升降机包括船闸模式和升船机模式升船机模式，

船闸模式，所述船闸模式包括下降过程和上升过程，其中，下降过程包括以下步骤：

S110，蓄水槽通过连通管道和上游水位相互连通，并开启上游控制阀，此时，上游水位中的流体能够通过连通管道流动到蓄水槽，水力升降机自重增大，并下沉到第一预设位置；

S120,储水箱的进水阀门开启，竖井的水体流入储水箱中，并下沉到第二预设位置；

上升过程包括以下步骤：

S130,蓄水槽通过连通管道和下游水位相互连通，并开启下游控制阀，此时，蓄水槽中的流体在浮性体内部空气压力驱使下通过连通管道流动到下游水位中，水力升降机自重减小，浮于竖井水体上；

升船机模式，升船机模式包括下降过程和上升过程，其中，下降过程包括以下步骤：

S210，蓄水槽通过水泵灌入竖井内的水体，关闭上游控制阀和下游控制阀，此时，水力升降机自重增大，并下沉到第一预设位置；

S220,储水箱的进水阀门开启，竖井的水体流入储水箱中，并下沉到第二预设位置；

上升过程包括以下步骤：

S230，打开阀门，蓄水槽中的流体在浮性体内部空气压力驱使下流动到竖井中，水力升降机自重减小，浮于竖井水体上；

升船机模式升船机模式。在本发明的一些实施例中，在水力升降机自重增大，并下沉到第一预设位置的步骤中：

第一预设位置为储水箱的进水孔与竖井内水位位置平行的高度位置。

在本发明的一些实施例中，在水力升降机自重和浮力失去平衡后，并下沉到第二预设位置的步骤中：

第二预设位置为储水箱的进水孔低于竖井内水位位置的高度位置

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

1)该水力升降机兼具船闸和升船机的功能，其设备集成化程度高，可以减少整体设备的投入，节约成本。

2)该水力升降机兼具升船机耗水小和船闸通行效率高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的水力升降机在上游水位时的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的水力升降机在下游水位时的结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的水力升降机在上游水位时的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的水力升降机在下游水位时的结构示意图；

图5为本发明提供的水力升降机以升船机模式用于通航隧道的布置示意图；

图6为本发明提供的水力升降机以升船机模式用于通航天桥的布置示意图；

图7为本发明提供的升降方法的流程示意图。

图标：100-水力升降机；10-平衡体；101-承船池；102-浮性件；11-动力组件；111-储水箱；112-蓄水槽；1121-第一蓄水单元；1122-第二蓄水单元；1131-第一气道；1132-第二气道；114-连通管道；115-进水阀门；116-出水阀门；200-竖井。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参照图1和图2，其中，图1为本发明实施例1提供的水力升降机在上游水位时的结构示意图。图2为本发明实施例1提供的水力升降机在下游水位时的结构示意图。本发明提供了一种水力升降机，该水力升降机应用于竖井中，其包括平衡体和动力组件。平衡体被设置用于漂浮于竖井的水体上，且被设置用于承载通航船舶。动力组件和平衡体相互连接，且动力组件被设置用于驱动平衡体。

在本实施例中，平衡体包括相互连接的承船池和浮性件，承船池内设置有承载流体，承载流体用于供通航船舶运动，浮性件的密度小于水体的密度。

值得说明的是，承船池为具有通行通道的槽体结构，且通行通道内设置有承载水体，通航船舶能够在承船池中通行。如图1所示，当承船池运动到上游水位时，此时，通航船舶从上游经由承载流体运行到承船池中，再跟随承船池做升降运动，从而运动到下游水位后，通航船舶再流转到下游水体中。承船池起到了承接作用，保证了通航船舶运输。同时，浮性件的设置减小了该水力升降机的整体密度，其能够让平衡体漂浮于竖井的水体中，保证平衡体的运行。

在本实施例的一种实施方式中，浮性件为浮筒，其和承船池相互连接使得承船池能够浮于水面。根据具体实施环境的不同，浮性件也可以为浮球或浮块，其只要能够起到降低装置整体密度的功能的目的即可。在本实施例中，并不构成对浮性件具体结构类型、材料类型和形状类型的限定，仅是对其进行举例说明。

请再次参照图1和图2，动力组件包括储水箱、蓄水槽和气道，气道与浮性体内空气连通，蓄水槽通过气道与浮性体内空气连通，且储水箱通过进水孔和出水孔可选择地向竖井内排出或充入流体。

可以理解的是，储水箱能起到流体缓存的作用，能调控该水力升降机的升降速度，避免水力升降机突然降到最低位置或升到最高位置，给人留以操控的反应时间，其具有提高该水力升降机升降功能的特点。

可选的，储水箱的进水孔和出水孔上分别设置有进水阀门和出水阀门。

具体的，储水箱的进水孔和出水孔均设置于储水箱的底部位置，其更利于液体排出或流入，以便于上升或下降。而出水阀门和进水阀门的设计能对水流进出起到管控的作用，使得操作人员可以人为控制该水利升降机的升降。

在本实施例中，动力组件还包括连通管道，连通管道的一端和蓄水槽相互连通，连通管道的另一端分别与上游水位和下游水位相互连通，且连通管道上设置有上游控制阀和下游控制阀。

工作原理：该水力升降机借助浮力运行在竖井内，竖井纵向与上下游引航道闸门相接，横向宽度稍大于上下游引航道宽度。承船池容纳通航船舶，位于升降机顶部，池内水位维持恒定且满足船舶吃水，承船池的船舶进出的两端设有闸门，当升降机升至最高位(承船池水位与上游水位平)或最低位时(承船池水位与下游水位平)，承船池闸门便与上游或下游引航道闸门对接；储水箱箱体高度依升降行程确定，底侧和底部设有进水阀门和出水阀门控制水流进出，顶部有1#气道与外部大气压相通，当升降机在最低位时该1#气道关闭，2#气道打开与浮筒内部相通，储水箱大小形状能影响水力升降机运行过程的平稳性，储水箱进出水孔流量大小可控制升降速度；浮筒位于升降机底部，在水面上承载整个升降机自重，其内部开辟部分空间Hs通过2#气道与蓄水槽连通；蓄水槽位于储水箱下方、浮筒上方，蓄水槽进出口端接折叠管或软管，经阀门切换后可通过输水廊道连通上游或下游水体。

蓄水槽从上游蓄水或用水泵蓄水，升降机整体重量增加，浮筒浮力与升降机自重的平衡被破坏，升降机下降；蓄水槽向下游或竖井放水，升降机整体重量减少，浮筒浮力与升降机自重的平衡恢复，升降机上升。蓄水槽蓄水和放水，浮筒承载控水箱和承船池在竖井中可循环完成上下升降运动。

请参照图7，图7提供了一种升降方法，其应用于该水力升降机，包括船闸模式和升船机模式，

船闸模式，所述船闸模式包括下降过程和上升过程，其中，下降过程包括以下步骤：

S110，蓄水槽通过连通管道和上游水位相互连通，并开启上游控制阀，此时，上游水位中的流体能够通过连通管道流动到蓄水槽，水力升降机自重增大，并下沉到第一预设位置；

S120,储水箱的进水阀门开启，竖井的水体流入储水箱中，水力升降机自重继续增大，并下沉到第二预设位置；

上升过程包括以下步骤：

S130,蓄水槽通过连通管道和下游水位相互连通，并开启下游控制阀，此时，蓄水槽中的流体在浮性体内部空气压力驱使下通过连通管道流动到下游水位中，水力升降机自重减小，浮于竖井水体上；

升船机模式，升船机模式包括下降过程和上升过程，其中，下降过程包括以下步骤：

S210，蓄水槽通过水泵灌入竖井内的水体，关闭上游控制阀和下游控制阀，此时，水力升降机自重增大，并下沉到第一预设位置；

S220,储水箱的进水阀门开启，竖井的水体流入储水箱中，并下沉到第二预设位置；

上升过程包括以下步骤：

S230，打开阀门，蓄水槽中流体在浮性体内部空气压力驱使下流动到竖井中，水力升降机自重减小，并上浮。

具体的，在水力升降机自重增大，并下沉到第一预设位置的步骤中：

第一预设位置为储水箱的进水孔与竖井内水位位置平行的高度位置。

具体的，在水力升降机自重与浮力失去平衡后，并下沉到第二预设位置的步骤中：

第二预设位置为储水箱的进水孔低于竖井内水位位置的高度位置。

故，当升降机最高位时以船闸模式运行，蓄水槽蓄水来自上游水体。蓄水槽连接上游水体的阀门贯通，上游水体通过输水廊道及连通管道自流入蓄水槽，蓄水槽蓄满水后自重增加Hx水量，蓄水槽气体Hx被压入浮筒空间Hs，蓄水槽蓄满水后升降机下降。关闭蓄水槽阀门，打开连通外大气的第一气道，关闭连通蓄水槽的第二气道，打开储水箱底侧阀门进水，升降机在储水箱底侧阀门流量控制下下降，直至储水箱顶或储水箱底侧阀门关闭，升降机下降终止。

当升降机最高位时以升船机模式运行，蓄水槽通过水泵蓄水。蓄水槽连接下游水体和上游水体的阀门关闭，水泵抽取竖井中水体进入蓄水槽，选择的水泵扬程约大于Hc+Hg，蓄水槽蓄满水后重量增加Hx水量，蓄水槽气体Hx被压入浮筒空间Hs，蓄水槽蓄满水后升降机下降。关闭蓄水槽阀门，打开连通外大气的第一气道，关闭连通蓄水槽的第二气道，打开储水箱底侧阀门进水，升降机在储水箱底侧阀门流量控制下下降，直至储水箱顶或储水箱底侧阀门关闭，升降机下降终止。

蓄水槽放水。升降机上升运行，升降机结构和组成使浮筒可利用储水箱内水体压差迫使蓄水槽水体向外排水。

当升降机最低位时以船闸模式运行，蓄水槽连接下游水体的阀门贯通，连通外大气的第一气道关闭，连通蓄水槽的第二气道打开，储水箱连通蓄水槽的底部阀门打开，浮筒内被压缩的Hs气体扩张，蓄水槽内水体Hx被扩张气体推入连通管道和输水廊道向下游排放，蓄水槽重量减少，升降机上升。蓄水槽内水体Hx大部分排出后，储水箱底部阀门关闭，第一气道打开，第二气道关闭，储水箱底侧阀门放水，升降机在储水箱底侧阀门流量控制下上升，直至储水箱放空或储水箱阀门关闭，升降机上升终止，蓄水槽内剩余水体最后排出。

当升降机最低位时以升船机模式运行，蓄水槽连接下游水体和上游水体的阀门关闭，蓄水槽底侧阀门打开，连通外大气的第一气道关闭，连通蓄水槽的第二气道打开，储水箱连通蓄水槽的底部阀门打开，浮筒内被压缩的Hs气体扩张，蓄水槽内水体被扩张气体推向竖井排放，蓄水槽重量减少，升降机上升。蓄水槽内水体Hx大部分排出后，储水箱底部阀门关闭，第一气道打开，第二气道关闭，储水箱底侧阀门放水，升降机在储水箱底侧阀门流量控制下上升，直至储水箱放空或储水箱阀门关闭，升降机上升终止，蓄水槽内剩余水体最后排出。

在升降机中，浮筒位于升降机底部，在水面上承载整个升降机自重，浮筒内部开辟空间Hs与蓄水槽Hx通过气道在其顶部连通，使蓄水槽在高位恰好蓄满x高度时，蓄水槽气体x压入浮筒空间Hs所达到的压强，可在升降机低位时向下游水体或向竖井排出。同时，蓄水槽高度x的水体自重变化能保证升降机有足够的下沉和上浮动力。Hx中的x应满足如下公式：

高位与上游水位连通时：

(1)(Hc+Hg+P)(Hz-x)＝(Hc+x+P)*Hz

当采用水泵时上述公式同理。

其中：

P：大气压强，以水的高度表示，约10.33m；

Hc：承船池船舶吃水与承船池底结构高度之和；

Hg：储水箱高度；

Hx:蓄水槽高度；

Hs：浮筒内开辟的与蓄水箱有气道连通的空间的高度；

Hz：Hx和Hs之和；

H：升降机自重状态下的吃水；

S：竖井宽度；

Sa：升降机宽度。

按上述公式计算，假设Hc＝3m，Hg＝4m,Hz＝2m，得：x＝0.41m；

估算升降机自重状态下吃水约5m，因此，H〉Hz，可行。

取Hx＝500mm，保证蓄水槽最高水位为410mm不会进入浮筒空间，且水体自重能够满足升降机上升和下降的动力要求。

公式中：

(1)船闸模式下蓄水槽内水体的高度变化引起的升降不计Sa/S产生的系数；

(2)假设升降机各部件的形状是规则的，不计各种充放水孔口及气道大小、各部件间隙和厚度，在断面宽度相同条件下，体积与高度成比例关系，同时压强和水的高度可以简化互为表达。

故，该水力升降机具有低水耗、无能耗或低能耗、无水耗；运行模式灵活，可以根据通航水量充沛情况选择船闸或升船机运行模式，即耗水模式或非耗水模式；承船池独立，输水不会影响船舶稳定，输水时间缩短，输水量小；一次多艘船舶通行；费修费用不高的优点。

实施例2

请参照图3和图4，其中，图3为本发明实施例2提供的水力升降机在上游水位时的结构示意图。图4为本发明实施例2提供的水力升降机在下游水位时的结构示意图。

在本实施例中，除了蓄水槽的结构类型和实施例1不同以外，其他结构均为相似或相同，故，在此处不再赘述。

本实施例的水力升降机中，蓄水槽包括第一蓄水单元和第二蓄水单元，第一蓄水单元和第二蓄水单元通过气道连通，且承船池、第一蓄水单元、储水箱、第二蓄水单元和浮性件沿竖井的纵向方向相互依次连接。

该实施例中，水力升降机的蓄水槽分为了第一蓄水单元和第二蓄水单元，其功能更为独立清晰，能够避免水流紊乱，且能具备实施例1中的所有有益效果。

请参照图5和图6，图5为本发明提供的水力升降机以升船机模式用于通航隧道的布置示意图，图6为本发明提供的水力升降机以升船机模式用于通航天桥的布置示意图。

如图5所示，按现有水力升降机作为通航设施方案，在隧道进口端和出口端设置水力升降机，以升船机模式运行，可以达到不同水系立体交叉通航；如图6船舶通航天桥，在天桥左右两端设置水力升降机，以升船机模式运行，可以达到不抬高桥面实现通航，替代解决因桥梁净空不足、征地拆迁费用高涨造成桥梁改建成本过高的难题。

综上，本发明的实施例提供了一种水力升降机及升降方法。该水力升降机包括平衡体和动力组件，平衡体被设置用于漂浮于竖井的水体上，且被设置用于承载通航船舶；动力组件和平衡体相互连接，且动力组件被设置用于驱动平衡体。该水力升降机应用于竖井中，通过平衡体使其漂浮于竖井的水体上后，再通过动力组件实现平衡体的运动，进而起到船闸和升降的功能，其具有投资设备少、能耗低，具有仅基于竖井和上下游水位，既能实现船闸通行效率高和升船机省水的特点。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水力升降机，应用于竖井中，其特征在于，包括：

平衡体，平衡体被设置用于漂浮于竖井的水体上，且被设置用于承载通航船舶；

动力组件，动力组件和平衡体相互连接，且动力组件被设置用于驱动平衡体。

2.根据权利要求1的水力升降机，其特征在于，平衡体包括相互连接的承船池和浮性件，承船池内设置有承载流体，承载流体用于供通航船舶运动，浮性件的密度小于水体的密度。

3.根据权利要求1的水力升降机，其特征在于，动力组件包括储水箱、蓄水槽和气道组件，所述气道组件包括第一气道和第二气道，所述储水箱和外界气压通过所述第一气道流体连通，所述浮性件的内部空间和所述蓄水槽通过所述第二气道流体连通，且储水箱通过进水孔和出水孔可选择地向竖井内排出或充入流体。

4.根据权利要求3的水力升降机，其特征在于，储水箱的进水孔和出水孔上分别设置有进水阀门和出水阀门。

5.根据权利要求3的水力升降机，其特征在于，动力组件还包括连通管道，连通管道的一端和蓄水槽相互连通，连通管道的另一端分别与上游水位和下游水位相互连通，且连通管道上设置有上游控制阀和下游控制阀。

6.根据权利要求5的水力升降机，其特征在于，蓄水槽包括第一蓄水单元和第二蓄水单元，第一蓄水单元和第二蓄水单元气道连通，且承船池、第一蓄水单元、储水箱、第二蓄水单元和浮性件沿竖井的纵向方向相互依次连接。

7.根据权利要求1的水力升降机，其特征在于，浮性件包括浮筒、浮球和浮块中的一种或其组合。

8.一种升降方法，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项的水力升降机，水力升降机包括：

船闸模式，所述船闸模式包括下降过程和上升过程，其中，下降过程包括以下步骤：

S110，蓄水槽通过连通管道和上游水位相互连通，并开启上游控制阀，此时，上游水位中的流体能够通过连通管道流动到蓄水槽，水力升降机自重增大，并下沉到第一预设位置；

S120,储水箱的进水阀门开启，竖井的水体流入储水箱中，并下沉到第二预设位置；

上升过程包括以下步骤：

S130,蓄水槽通过连通管道和下游水位相互连通，并开启下游控制阀，此时，蓄水槽中的流体在浮性体内部空气压力驱使下通过连通管道流动到下游水位中，水力升降机自重减小，浮于竖井水体上；

升船机模式，升船机模式包括下降过程和上升过程，其中，下降过程包括以下步骤：

S210，关闭上游控制阀和下游控制阀，蓄水槽通过水泵灌入竖井内的水体，此时，水力升降机自重增大，并下沉到第一预设位置；

S220,储水箱的进水阀门开启，竖井的水体流入储水箱中，并下沉到第二预设位置；

上升过程包括以下步骤：

S230，打开阀门，蓄水槽中的流体在浮性体内部空气压力驱使下流动到竖井中，水力升降机自重减小，浮于竖井水体上。

9.根据权利要求8的升降方法，其特征在于，在水力升降机自重增大，并下沉到第一预设位置的步骤中：

第一预设位置为储水箱的进水孔与竖井内水位位置平行的高度位置。

10.根据权利要求8的升降方法，其特征在于，在水力升降机自重和浮力失去平衡后，并下沉到第二预设位置的步骤中：

第二预设位置为储水箱的进水孔低于竖井内水位位置的高度位置。

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