专利名称：减免高水头船闸突扩廊道升坎空化的方法
技术领域：
本发明涉及一种减免船间突扩廊道体型空化的方法，具体的说是一种减免高水头船闸突扩廊道升坎空化的方法。
背景技术：
随着航运事业的发展和阀门研究水平的提高，船闸正在迈入高水头时期，“高水头、大流量”是现在船闸的主要特点。我国目前已建、在建的水头超过20m的船闸已超过五十多座。其中，草街船闸的水头高26. 7m，银盘的水头高达36. 46m，而三峡船闸的最大级水头更是高达45. an。就船闸而言，输水阀门作为它的控制设备，其阀门段空化一直是船闸单项技术设计的焦点。国内外已建船闸运行经验表明，与一般水工泄水建筑物不同，当船闸水头超过 20m时，就被称为高水头，在阀门开启过程中，阀门段极易发生空化现象，直接影响到船闸的安全运行。如美国Litt goose. Lower船闸(水头均为30. 8m)，Johm-Day船闸(水头 34.8m)和我国葛洲坝船闸(水头27.0 m)、万安船闸(水头32. 4 m)等在运行过程中均发生巨大的爆破声，闸首周围发生强烈声振，反弧门板及输水阀门后廊道壁面出现了空蚀破坏。阀门段空化的危害主要体现在以下几点导致阀门面板、门楣及门后廊道边壁空蚀破坏；空化严重时廊道常出现巨大雷鸣声，发生声振现象；门后廊道产生较大的冲击压力，压力脉动及阀门启门力脉动增大；阀门及其启闭系统振动加剧，造成液压系统元件损坏；阀门支铰脉动增大，造成支铰固定螺栓振松和破坏；间首强烈振动影响电站设备运行。输水阀门后的廊道体型一般采用不扩大、顶扩和突扩(向上、下)三种类型，顶扩和突扩(向上、下)型廊道可以增加阀门后过水断面，减小水流流速，增加廊道压力，从而改善廊道空化条件。图1为顶扩廊道体型的空化形态。如图1所示，空化型式主要有门楣缝隙空化Cal，阀门底缘空化Ca2以及下游检修门井的门槽空化Ca3。同样，对于阀门后不扩大和只有向上突扩的廊道体型空化类型也是如此。模型试验及原体观测结果表明，阀门后廊道采用突扩体型能大幅度地提高廊道压力和阀门底缘空化数，抗空化性能好，即使出现空化，空泡溃灭远离廊道边界，起到超空穴作用。经对向上、下突扩体型布置比较，向下突扩体型提高廊道压力和阀门底缘空化数效果更为显著，是目前高水头船间普遍采用的一种体型，但是该体型存在一个新的问题亟待解决，即升坎空化问题。图2为底部向下突扩的廊道体型。其空化型式主要有门楣缝隙空化Cal，阀门底缘空化Ca2，下游检修门井的门槽空化Ca3，跌坎空化Ca4和升坎空化Ca5。图3为底部向下突扩的廊道掺气减蚀措施。如图3所示，目前工程中对于门楣空化通常采用在门楣处设通气孔4消除；跌坎空化可采用台阶状跌坎体型1以及在台阶状跌坎1的第一级和第二级台阶之间设置通气孔4进行消除；门槽空化通过优化门槽体型消除； 底缘空化采用增大跌坎高度的方法以提高廊道压力和阀门底缘空化数，此外，门楣自然通气也有助于减免底缘空化。为解决升坎空化的问题，通常采用以下工程措施
⑴采取钢板衬砌。在升坎空化发生的开度范围和强度不大时可以考虑，但长期运用将发生空蚀和振动现象，增加工程维护费用。⑵增加阀门处廊道埋设深度。即通过降低廊道底部高程以增加升坎处压力，此措施势必增加工程量，提高工程造价。⑶升坎体型优化。使用范围较广，常见的升坎体型有五次曲线(图2中升坎2)和台阶式(图3中升坎2)两种，但体型设计过于复杂，且会增加突扩廊道长度和体积，从而增大工程投资和施工难度。此外，升坎体型优化也只是针对某种水力条件(恒定流条件)的优化， 而船间输水阀门每天频繁操作，上下游水位变幅较大加之间门开度的变化造成门后水流流态十分复杂，属于非恒定高速水流条件下的水动力学问题，要实现整个运行工况下都不发生空化的升坎体型设计，几乎是不可能的。⑷减缓升坎坡度。为了避免底缘空化破坏，跌坎必须有足够的深度，跌坎后部也必须有足够长的平直段，因此，减缓升坎坡度将延长输水廊道，增加工程量。ω在升坎上游设置掺气设施，使升坎空化区泄流边界处的水流掺气浓度不小于临界减蚀掺气浓度。申请者在多个工程的研究中发现
Α.门楣掺气很难抵达升坎空化区Ca5，对防止升坎空化无能为力。B.跌坎1处设置通气管4从跌坎底部向水中掺气，只对防止跌坎空化起到明显作用，在跌坎下游较短距离内水中气泡由于浮力作用很快逸至水流上部，而升坎空化区Ca5 处的过流面的掺气量非常少，尤其在大型输水阀门中跌坎和升坎距离较远的情况下，跌坎处掺气对防止升坎空化几乎没有作用。C.突扩廊道内通气量过大会影响船闸安全运行。与溢流坝面不同的是，廊道内为四周封闭的有压流，不宜掺气量过大。例如，欲通过增大跌坎1处的通气量来使得跌坎空化区的底部掺气浓度达到减蚀掺气浓度，跌坎1处的通气量非常大，气泡在下游逸出水面后会在廊道内形成气囊来回震荡，甚至在合适的条件下发生气囊爆炸，不但会影响船间的充水，更重要的是会影响船闸的安全运行。综上，向下突扩型廊道是高水头船间输水阀门普遍采用的一种体型，但这种体型的升坎空化问题亟待解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对以上现有技术存在缺点，提出一种减免高水头船间突扩廊道升坎空化的方法，可以显著减小空化强度，可以对升坎后廊道底板起到一定保护作用。本发明解决以上技术问题的技术方案是
减免高水头船间突扩廊道升坎空化的方法，在升坎曲面上水流发生分离的位置处设置升坎掺气设施，升坎掺气设施为掺气槽或由掺气坎和掺气槽连接而成，在掺气槽内设有通气管通往间顶，通气管顶部还通过连接一根支管至空压机，支管上设有阀门；当升坎掺气设施后低压区负压足以自动将空气吸入水中时，将通气管通往大气中实现自然通气，否则，采用空压机向所述升坎掺气设施内加气，达到减免所述升坎掺气设施下游升坎及门槽空化的目的。本发明进一步限定的技术方案是
前述的减免高水头船间突扩廊道升坎空化的方法，升坎为五次曲线型升坎或台阶式升坎。 本发明的优点是⑴在升坎曲面上水流发生分离的位置设置掺气坎/槽，可以确保升坎空化区处的水流(尤其是底部水流)充分掺气，减免升坎空化；⑵升坎掺气设施距离下游门槽更近，有助于减免门槽空化；⑶相比从跌坎处掺气来防止升坎空化的措施，本发明的免蚀掺气量显著减小，不易在廊道内形成气囊，提高了工程安全性；⑷可以使用较陡的升坎坡度，缩短突扩廊道，减少工程量，降低工程造价。
图1为顶扩廊道体型的空化形态。
图2为底部突扩型阀门段的空化形态。
图3为带有门楣掺气设施和跌坎掺气设施的底部突扩型阀门段体型示意图。
图4为本发明实施例一的连接示意图。
图5为图4中升坎掺气设施的放大图。
图6是本发明的升坎通气管关闭的空化噪声均方根值图。
图7是本发明的升坎通气的空化噪声均方根值图。
图8为本发明实施例二的连接示意图。
图9为图8中升坎掺气设施的放大图。
图10为本发明实施例三的连接示意图。
图11为图10中升坎掺气设施的放大图。
具体实施例方式实施例1
本实施例是一种减免高水头船间突扩廊道升坎空化的方法，图4是本实施例的船闸输水阀门的体型图，图5为该实施例的升坎掺气设施大样图。如图4所示，升坎2采用五次曲线型升坎，在升坎曲面上水流发生分离的位置处设置升坎掺气设施5 (为挑坎+掺气槽型式)，形成稳定的低压区，通气管4布置在升坎掺气设施5的两侧，向水流中掺气。通气管 4通往闸顶，向水流中通气的方式取决于掺气槽5中的压力情况，如掺气槽中的负压可以吸入足够多的空气使得升坎空化区和下游掺气槽3过流面处的水流掺气浓度达到或超过临界免蚀掺气浓度，则调节阀门6使其自然通气。否则，开启空压机7，调节阀门6使用空压机将足量的空气压入掺气设施5，减免下游升坎空化和门槽空化。升坎空化和门槽空化根据减压试验中埋设在掺气设施5和门槽3之间的水听器信号判断。减压试验结果表明，当不设置升坎掺气设施5时，Ca3和Ca5处存在一定程度的空化，尤以闸门开度为0. 3时空化程度最强。图6是闸门开度为0. 3，没有升坎通气设施时的水听器噪声均方根值图，从图中可以看出，噪声信号中存在大量的尖脉冲信号，表明模型中有空化发生。图7是闸门开度为0. 3，有升坎通气设施时的水听器噪声均方根值图，从图中可以看出，噪声信号中的尖脉冲信号已经消失，表明模型中没有空化发生。实施例2
图8是本发明的第二个实施例，图9为该实施例的升坎掺气设施大样图。本实施例的升坎曲线与实施例一相同，也采用五次曲线，不同的是升坎掺气设施为掺气槽的型式。升坎 2采用五次曲线型升坎，在升坎曲面上水流发生分离的位置处设置升坎掺气设施5 (为掺气槽型式)，形成稳定的低压区，通气管4布置在升坎掺气设施5的两侧，向水流中掺气。通气管4通往闸顶，向水流中通气的方式取决于掺气槽5中的压力情况，如掺气槽中的负压可以吸入足够多的空气使得升坎空化区和下游掺气槽3过流面处的水流掺气浓度达到或超过临界免蚀掺气浓度，则调节阀门6使其自然通气。否则，开启空压机7，调节阀门6使用空压机将足量的空气压入掺气设施5，减免下游升坎空化和门槽空化。升坎空化和门槽空化根据减压试验中埋设在掺气设施5和门槽3之间的水听器信号判断。实施例3
图10是本发明的第三个实施例，图11为该实施例的升坎掺气设施大样图。本实施例的跌坎和升坎曲线均采用台阶式，升坎掺气设施为掺气槽的型式。升坎2采用台阶式升坎， 在升坎曲面上水流发生分离的位置处设置升坎掺气设施5 (为掺气槽型式)，形成稳定的低压区，通气管4布置在升坎掺气设施5的两侧，向水流中掺气。通气管4通往间顶，向水流中通气的方式取决于掺气槽5中的压力情况，如掺气槽中的负压可以吸入足够多的空气使得升坎空化区和下游掺气槽3过流面处的水流掺气浓度达到或超过临界免蚀掺气浓度，则调节阀门6使其自然通气。否则，开启空压机7，调节阀门6使用空压机将足量的空气压入掺气设施5，减免下游升坎空化和门槽空化。升坎空化和门槽空化根据减压试验中埋设在掺气设施5和门槽3之间的水听器信号判断。本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
权利要求
1.减免高水头船间突扩廊道升坎空化的方法，其特征在于在升坎曲面上水流发生分离的位置处设置升坎掺气设施，所述升坎掺气设施为掺气槽或由掺气坎和掺气槽连接而成，在所述掺气槽内设有通气管通往间顶，所述通气管顶部还通过连接一根支管至空压机， 所述支管上设有阀门；当所述升坎掺气设施后低压区负压足以自动将空气吸入水中时，将所述通气管通往大气中实现自然通气，否则，采用所述空压机向所述升坎掺气设施内加气， 达到减免所述升坎掺气设施下游升坎及门槽空化的目的。
2.如权利要求1所述的减免高水头船闸突扩廊道升坎空化的方法，其特征在于所述升坎为五次曲线型升坎或台阶式升坎。
全文摘要
本发明涉及一种减免船闸突扩廊道体型空化的方法，是一种减免高水头船闸突扩廊道升坎空化的方法，在升坎曲面上水流发生分离的位置处设置升坎掺气设施，升坎掺气设施为掺气槽或由掺气坎和掺气槽连接而成，在掺气槽内设有通气管通往闸顶，通气管顶部还通过连接一根支管至空压机，支管上设有阀门；当升坎掺气设施后低压区负压足以自动将空气吸入水中时，将通气管通往大气中实现自然通气，否则，采用空压机向所述升坎掺气设施内加气，达到减免所述升坎掺气设施下游升坎及门槽空化的目的。
文档编号E02C1/08GK102409653SQ20111023729
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月18日 优先权日2011年8月18日
发明者严秀俊, 凌国增, 刘本芹, 李中华, 胡亚安, 阮士平 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院