一種高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)，包括輸水閥門、輸水廊道、第一通氣管、回轉(zhuǎn)接頭、第二通氣管。輸水閥門采用無門槽反弧門，包括閥門支鉸、閥門面板及連接閥門支鉸和閥門面板的閥門支臂。第一通氣管在閥門井澆筑時埋入砼內(nèi)，第一通氣管的進口端位于閥門井頂部，與大氣相接。輸水閥門的底緣引出與外界相通的第二通氣管，第二通氣管沿著閥門支臂進入閥門支鉸，閥門支鉸處設(shè)置連接第一通氣管和第二通氣管的回轉(zhuǎn)接頭。本發(fā)明可改善船閘閥門段水流空化問題，避免發(fā)生空蝕破壞，不僅可提高船閘運行的安全性，還可減小閥門段埋深、簡化閥門段廊道體型，避免因閥門段體型過于復(fù)雜形成新空化源，同時還可降低閥門段廊道施工難度和工程造價。
【專利說明】一種高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水利工程中的高水頭船閘閥門段減蝕【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]船閘是設(shè)置在通航河流上幫助船只克服因筑壩引起的水位差的通航建筑物。隨著航運工程的發(fā)展，船閘的規(guī)模不斷增大，閥門的尺寸與水頭也在相應(yīng)的增加和提高。世界上已建和擬建的水頭超過20m的高水頭船閘有幾十座，主要集中在前蘇聯(lián)、美國、巴西、葡萄牙和中國等國家，特別是我國在近年來進行的西部水力開發(fā)，修建、在建和擬建多個高壩大庫，因此配套也需修建多個高水頭船閘。
[0003]船閘的運行是依靠埋設(shè)在兩側(cè)或底部的輸水系統(tǒng)來完成閘室的充泄水,而輸水閥門是輸水系統(tǒng)的咽喉設(shè)備，其正常運行與否直接決定了船閘的安全，高水頭船閘閥門工作在非恒定高速水流環(huán)境中，涉及到水流空化、脈動等一系列復(fù)雜的高速水流問題，是船閘水力學(xué)研究中最棘手的問題。
[0004]高水頭船閘輸水閥門啟閉時，門下主流流速高，壓力低，當水流的壓力低于氣化壓力時，便產(chǎn)生空穴水流，形成氣化泡，氣化泡不斷的生成、移動破裂，水流邊界受到氣化泡破裂時的巨大沖擊力導(dǎo)致剝蝕作用，對建筑物壁面產(chǎn)生極大的破壞力。如美國Litt goose、Lower船閘(水頭均為30.8m)、Johm Day船閘(水頭34.8m),俄羅斯的沃特金電站船閘(工作水頭23.0m)，和我國葛洲壩船閘(水頭27.0m)、萬安船閘(水頭32.4m)等都曾在運行過程中發(fā)生巨大的爆破聲，閥門面板及輸水閥門后廊道壁面出現(xiàn)了空蝕破壞現(xiàn)象。
[0005]為了避免空化空蝕產(chǎn)生的不良后果，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究工作。1934年美國首次采用了無門槽反弧門，規(guī)避了高速水流條件下門槽空化問題，之后無門槽的反弧門以其優(yōu)良的防振和防空化性能在高水頭船閘上得到了廣泛應(yīng)用。而大量的實踐表明，隨著船閘水頭的提高，反弧門在開啟過程中，閥門門楣縫隙、底緣及門后剪切帶容易形成空化水流，特別是閥門在開度0.3?0.6范圍內(nèi)運行時，閥門底緣及門后剪切帶空化問題比較突出。美國最早提出了在閥門后廊道頂自然通氣的措施以減免空化，但我國河流水位變幅較大，在閥門后廊道頂自然通氣的方法在很多條件下不適用。前蘇聯(lián)提出了門后廊道邊壁突擴，使閥門底緣水流分離及門后剪切帶形成的空化水流遠離廊道邊壁以減輕空蝕破壞。我國的學(xué)者們進行了大量的研究工作，提出了在反弧門頂止水門楣處設(shè)置通氣孔的措施，基本上消除了門楣頂縫空化，也使得閥門底緣空化得到了 一定緩解。
[0006]經(jīng)過上個世紀70年代至本世紀初的一系列以模型試驗為主的探索修改后，我國高水頭船閘閥門段減蝕基本采用“反弧門+突擴腔+門楣摻氣+增加閥門段埋深等其它輔助措施”的方法，該組合措施得到了業(yè)內(nèi)的普遍認同，近幾年對該領(lǐng)域的研究基本沒有新的突破。主要進行了大量原型觀測工作，觀測發(fā)現(xiàn)經(jīng)一段時間的運行后，門楣通氣的方法對消除頂縫空化效果顯著，但因到達閥門底緣的氣量有限，對減免閥門底緣以及門后剪切帶空化效果不明顯；采用突擴的方法使得門后廊道體型復(fù)雜，同時產(chǎn)生了一些新的空化源，特別是在升坎處的空化較為突出，(目前某高水頭船閘升坎處已監(jiān)測到明顯空化存在，經(jīng)長期運行后升坎處已有空蝕現(xiàn)象出現(xiàn))。
[0007]如上所述，對通常閥門段體型而言，高水頭船閘輸水閥門后最主要的空化源有3個，分別是閥門底緣及門后剪切帶以及閥門門楣縫隙處。解決門楣縫隙空化目前已有較成熟的措施，因此如何既能避免閥門底緣和門后剪切帶水流發(fā)生空化、又避免采用復(fù)雜的閥門段體型出現(xiàn)新空化源，對增加船閘運行安全、降低工程造價及提高船閘的設(shè)計水頭是一個極具科學(xué)研究意義和經(jīng)濟價值的項目。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明是為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，有效解決通航船閘閥門段空蝕破壞問題，而提出一種高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)。
[0009]—種高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)，包括輸水閥門、輸水廊道、第一通氣管、回轉(zhuǎn)接頭、第二通氣管，所述輸水閥門采用無門槽反弧門，包括閥門支鉸、閥門面板及連接閥門支鉸和閥門面板的閥門支臂，所述第一通氣管在閥門井澆筑時埋入砼內(nèi)，第一通氣管的進口端位于閥門井頂部，與大氣相接；輸水閥門的底緣引出與外界相通的第二通氣管，所述第二通氣管沿著閥門支臂進入閥門支鉸，所述閥門支鉸處設(shè)置連接第一通氣管和第二通氣管的回轉(zhuǎn)接頭。
[0010]如上所述的高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)，輸水閥門的底緣設(shè)有一臺階狀跌坎作為摻氣坎，所述摻氣坎的階梯上設(shè)有多個底緣通氣孔，所述多個底緣通氣孔與通氣橫管連通，通氣橫管與所述第二通氣管連通。
[0011]如上所述的高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)，第一通氣管的管路分成兩支，一支與大氣相接，進口處設(shè)置單向風門；另一支依次連接集氣罐和空氣壓縮機。
[0012]本發(fā)明通過將摻氣設(shè)施布置在轉(zhuǎn)動的閥門上，在空間位置以及與水流流向夾角不斷變化的邊界內(nèi)可以獲得穩(wěn)定的通氣效果，這樣通過簡單措施即可改善船閘閥門段水流空化問題，避免發(fā)生空蝕破壞，不僅可提高船閘運行的安全性，還可減小閥門段埋深、簡化閥門段廊道體型，避免因閥門段體型過于復(fù)雜形成新空化源，同時還可降低閥門段廊道施工難度和工程造價，減少摻氣設(shè)備，從而降低船閘運行管理費用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是圖1中II部分的放大示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明輸水閥門的上游立視圖。
[0016]圖中:1一輸水閥門，2—輸水廊道，3—閥門井，4 一閥門支鉸，5—閥門支臂，6—回轉(zhuǎn)接頭，7—第一通氣管，8—單向風門，9一集氣罐，10—空氣壓縮機，11一第二通氣管，12—底緣通氣孔，13一通氣橫管，14一摻氣坎。
【具體實施方式】
[0017]下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。
[0018]圖1所示為本發(fā)明高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述摻氣系統(tǒng)包括輸水閥門1、輸水廊道2、第一通氣管7、回轉(zhuǎn)接頭6、第二通氣管11。所述輸水閥門I采用無門槽反弧門，包括閥門支鉸4、閥門面板及連接閥門支鉸4和閥門面板的閥門支臂5。
[0019]所述第一通氣管7在閥門井3澆筑時埋入砼內(nèi)，第一通氣管7的進口端位于閥門井3頂部，與大氣相接。第一通氣管7的出口端通接入輸水閥門I的閥門支鉸4處。輸水閥門I的底緣引出與外界相通的第二通氣管11，所述第二通氣管11沿著閥門支臂5 (單側(cè)或雙側(cè))進入閥門支鉸4，所述閥門支鉸4處設(shè)置連接第一通氣管7和第二通氣管11的回轉(zhuǎn)接頭6。所述回轉(zhuǎn)接頭6可以保證第一通氣管7和第二通氣管11隨輸水閥門I開啟而轉(zhuǎn)動時依然保持暢通。
[0020]請進一步參考圖2和圖3，在輸水閥門I的底緣設(shè)有一臺階狀跌坎作為摻氣坎14，所述摻氣坎14的階梯上設(shè)有多個底緣通氣孔12，多個底緣通氣孔12與通氣橫管13連通，通氣橫管13與所述第二通氣管11連通。
[0021]本發(fā)明的減蝕機理為在輸水閥門I運行時，空氣通過第一通氣管7、回轉(zhuǎn)接頭6、第二通氣管11、通氣橫管13、底緣通氣孔12從出現(xiàn)負壓的輸水閥門I的底緣進入，氣體通過輸水閥門I的底緣水流剪切面進入閥門后水體，摻氣水流的氣墊作用以及摻入空氣與空化泡的摻混作用來衰減空泡潰滅時的沖擊。
[0022]對運用條件特殊的工程，如下游水位變幅過大，導(dǎo)致在某些工況自然補氣不足時可將第一通氣管7的管路分成兩支，如圖1所示，一支與大氣相接，進口處設(shè)置單向風門8 ；另一支依次連接集氣罐9和空氣壓縮機10。
[0023]為了更明確的說明本發(fā)明的創(chuàng)新點，將高水頭船閘閥門段抗空化措施的沿革過程作一個基本說明:①由平板門改為無門槽反弧門——規(guī)避高速水流下門槽空化問題門后廊道頂部通氣一解決閥門底緣水流分離及門后剪切水流產(chǎn)生的空化問題，但自然通氣在船閘下游水位變幅大時效果差，強迫通氣增加了設(shè)備，并且在頂部摻氣水流達不到的地方仍會出現(xiàn)空化問題；③門楣通氣——解決門楣縫隙水流空化門后廊道采用突擴型式一使閥門底緣水流分離及門后剪切帶形成的空化水流遠離廊道邊壁以減輕空蝕破壞，但因廊道邊壁變化過大又易在跌坎、升坎部位形成新的空化源，施工難度高，檢修困難；⑤門后廊道采用突擴型式，同時在跌坎、升坎部位加設(shè)階梯坎和強迫通氣設(shè)備，減蝕系統(tǒng)體型仍復(fù)雜，設(shè)備繁雜，實用條件及效果尚待實際工程檢驗。
[0024]上述③是解決閥門后3個主要空化源中的門楣縫隙空化問題，②④⑤是解決閥門后3個主要空化源中底緣空化和門后剪切水流空化問題，若采用本發(fā)明，②④⑤均不再需要，使抗空蝕措施大為簡化。
[0025]本發(fā)明的創(chuàng)新性表現(xiàn)在:國內(nèi)外所有的摻氣設(shè)施均布置在不移動的建筑物邊壁上，其所在的空間坐標是不變的，解決的問題也是摻氣設(shè)施后某一固定空間的水流空化問題。如大量運用的泄洪洞摻氣設(shè)施、船閘閥門后廊道頂板摻氣設(shè)施、門楣摻氣設(shè)施以及突擴腔跌坎和升坎摻氣設(shè)施均是如此，而本發(fā)明所針對的閥門底緣水流空化問題，其空化源是隨閥門開啟過程在空間上不斷變動的，通過固定部位的摻氣設(shè)施向此變動的空化源處摻氣，效果不理想。因此一直以來均是通過改變閥門底緣型式和門后廊道體型等措施來解決這一棘手問題，而本發(fā)明獨辟蹊徑將摻氣設(shè)施布置在轉(zhuǎn)動的閥門上，在空間位置以及與水流流向夾角不斷變化的邊界內(nèi)獲得穩(wěn)定的通氣效果是本發(fā)明的獨特新穎之處。
[0026]本發(fā)明以簡單措施改善船閘閥門段水流空化問題，避免發(fā)生空蝕破壞，不僅可提高船閘運行的安全性，還可減小閥門段埋深、簡化閥門段廊道體型，避免因閥門段體型過于復(fù)雜形成新空化源，同時還可降低閥門段廊道施工難度和工程造價，減少摻氣設(shè)備，從而降低船閘運行管理費用。
[0027]實施案例
[0028]本發(fā)明高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)已在某高水頭船閘輸水系統(tǒng)閥門段模型上進行了研究，研究表明通過調(diào)整閥門底緣體型，能夠使底緣在閥門開啟過程中，特別是當閥門運行至最不利開度范圍時能出現(xiàn)穩(wěn)定的負壓區(qū)，可滿足底緣自然通氣的需要。另外，在某高水頭船閘原型上試驗了通氣管回轉(zhuǎn)接頭的貫通有效性，試驗表明，采用市場現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)接頭能夠保證隨閥門運動的通氣管暢通。
[0029]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)，包括輸水閥門(I)、輸水廊道(2)，所述輸水閥門(I)采用無門槽反弧門，包括閥門支鉸(4)、閥門面板及連接閥門支鉸(4)和閥門面板的閥門支臂(5)，其特征在于:還包括第一通氣管(7)、回轉(zhuǎn)接頭(6)、第二通氣管(11)，所述第一通氣管(7)在閥門井(3)澆筑時埋入砼內(nèi)，第一通氣管(7)的進口端位于閥門井(3)頂部，與大氣相接；輸水閥門(I)的底緣引出與外界相通的第二通氣管(11)，所述第二通氣管(11)沿著閥門支臂(5)進入閥門支鉸(4)，所述閥門支鉸(4)處設(shè)置連接第一通氣管(7)和第二通氣管(11)的回轉(zhuǎn)接頭(6)。
2.如權(quán)利要求1所述的高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)，其特征在于:輸水閥門(I)的底緣設(shè)有一臺階狀跌坎作為摻氣坎(14)，所述摻氣坎(14)的階梯上設(shè)有多個底緣通氣孔(12)，所述多個底緣通氣孔(12)與通氣橫管(13)連通，通氣橫管(13)與所述第二通氣管(11)連通。
3.如權(quán)利要求1所述的高水頭船閘輸水閥門底緣摻氣系統(tǒng)，其特征在于:第一通氣管(7)的管路分成兩支，一支與大氣相接，進口處設(shè)置單向風門(8);另一支依次連接集氣罐(9)和空氣壓縮機(10)。
【文檔編號】E02B8/04GK103758099SQ201410046987
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月11日
【發(fā)明者】江耀祖, 吳英卓, 黃國兵, 周赤, 王智娟, 伍友富, 姜伯樂, 陳輝, 劉志雄, 何勇, 陳楊, 岳漢生 申請人:長江水利委員會長江科學(xué)院