專利名稱：一種可減免船閘閥門段突擴(kuò)體型跌坎空化的自然通氣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種船閘閥門抗空化的方法，具 體的說(shuō)是一種可減免船閘閥門段突擴(kuò)體型跌坎空化的自然通氣方法。
背景技術(shù)：
隨著航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展和閥門研究水平的提高，船閘正在邁入高水 頭時(shí)期，"高水頭、大流量"是現(xiàn)在船閘的主要特點(diǎn)。我國(guó)目前已建、
在建的水頭超過20m的船閘已超過五十多座。其中，草街船閘的水頭 高26.7米，銀盤的水頭高達(dá)36.46米，而三峽船閘的最大級(jí)水頭更 是高達(dá)45. 2米。
就船閘而言，輸水閥門被喻為它的咽喉，其閥門段空化一直是船 閘單項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)，閥門的抗空化設(shè)計(jì)一直是一項(xiàng)難題，它直接 關(guān)系到工程的安全運(yùn)行。當(dāng)船閘水頭超過20米時(shí)，更是會(huì)帶來(lái)一系 列的高速水流問題，給工程帶來(lái)極大的危害，尤以閥門及其廊道段的 空化空蝕問題最為突出，直接關(guān)系到船閘的安全正常運(yùn)行。船閘閥門 段采用突擴(kuò)廊道體型可以有效防止和減免閥門底緣等部位空化空蝕， 尤其向下突擴(kuò)跌坎，由于可以有效的增大孔口射流面積，減小流速， 使得底緣空化得到明顯減弱，從而比頂突擴(kuò)廊道具有更好的抗空化能 力。圖l所示為一種現(xiàn)有的跌坎體型示意圖，圖中跌坎l為垂直向下 突擴(kuò)跌坎。
大量的試驗(yàn)和工程實(shí)踐己經(jīng)證明，采用向下突擴(kuò)體型跌坎對(duì)于減 免空化經(jīng)濟(jì)有效，但是同時(shí)也研究發(fā)現(xiàn)，此種跌坎在減免底緣空化的 同時(shí)卻也使得門后增加了跌坎射流形成的次漩滾區(qū)，在跌坎射流與主流的剪切面上，流速較高，紊動(dòng)較強(qiáng)，反而導(dǎo)致自身產(chǎn)生一定程度的 空化。為了解決跌坎空化的問題，工程一般采取鋼板襯砌和跌坎通氣 兩種措施，前者在跌坎空化發(fā)生的開度和范圍不大時(shí)可以考慮，后者 則使用范圍較廣。對(duì)于跌坎通氣，僅在某些很小開度范圍可以實(shí)現(xiàn)跌 坎自然通氣，不能保證在跌坎發(fā)生空化的所有開度內(nèi)實(shí)現(xiàn)自然通氣， 曾一度采用強(qiáng)迫通氣的措施，取得了一定的效果，然而強(qiáng)迫通氣必須 要配置氣泵，增加了工程投資，且運(yùn)行管理有許多不便。如何解決這 個(gè)問題，己成為設(shè)計(jì)和科研試驗(yàn)人員非常關(guān)注的一個(gè)問題，特別對(duì)于 跌坎自然通氣減免空化，國(guó)內(nèi)外鮮有成功的先例。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷而提供一種可 減免船閘閥門段突擴(kuò)體型跌坎空化的自然通氣方法。 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
一種可減免船閘閥門段突擴(kuò)體型跌坎空化的自然通氣方法，跌坎 采用臺(tái)階狀體型，將原始跌坎起點(diǎn)作為臺(tái)階狀跌坎的第一級(jí)臺(tái)階的起 點(diǎn)，且臺(tái)階狀跌坎第一級(jí)臺(tái)階在水平面后通過一向下的曲面與第二級(jí) 臺(tái)階相接，同時(shí)在臺(tái)階狀跌坎水流發(fā)生分離的位置設(shè)置通氣系統(tǒng)，進(jìn) 行自然通氣。
其中通氣系統(tǒng)由一根橫向通氣管、兩根縱向通氣管及布置在橫向 通氣管與第一級(jí)臺(tái)階側(cè)壁之間的通氣支管組成，橫向通氣管布置在第
一級(jí)臺(tái)階內(nèi)部，兩端分別布置一根縱向通氣管通向閘頂。 本發(fā)明有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn) (1)通過采用優(yōu)化的臺(tái)階狀跌坎并加以強(qiáng)迫通氣系統(tǒng)，與原體 型相比，實(shí)測(cè)的空化噪聲強(qiáng)度大大降低，所測(cè)噪聲為背景原有噪聲， 說(shuō)明本發(fā)明有效的防止了跌坎空化；(2) 臺(tái)階狀跌坎經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，來(lái)流過坎不至于過早分離，
并保持了較高的流速，在通氣支孔處形成穩(wěn)定的空腔，實(shí)現(xiàn)自然通氣;
(3) 采用優(yōu)化的臺(tái)階狀跌坎及合理的管路布置，跌坎可以實(shí)現(xiàn) 自然通氣，摻氣水流有效的保護(hù)了未加設(shè)摻氣坎的原曲線型跌坎發(fā)生 水流分離的區(qū)域，覆蓋了原跌坎空化潰滅區(qū)域，而且還可以覆蓋從升 坎前端直至檢修門井的一段距離，可以對(duì)突擴(kuò)體底板起到一定保護(hù)作 用；
(4) 同時(shí)，此種臺(tái)階狀跌坎，每層臺(tái)階高度不大，為廊道檢修 提供了便利。
本發(fā)明可有效的解除閥門的空化問題，檢修方便，可以取消鋼板 襯砌，降低了工程投資，提高了工程安全性。
圖1為現(xiàn)有的跌坎體型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的跌坎體型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的跌坎體型放大圖。
圖4為本發(fā)明的跌坎體型通氣系統(tǒng)布置示意圖。
圖5為現(xiàn)有跌坎體型的空化示意圖。
圖6為本發(fā)明跌坎自然通氣流態(tài)圖。
圖7為現(xiàn)有跌坎與本發(fā)明的跌坎在不通氣條件下的空化均方根
值比較曲線圖。
圖8是現(xiàn)有跌坎與本發(fā)明的跌坎通氣的功率譜比較圖。
圖9是本發(fā)明的跌坎不通氣條件下通氣孔位置壓力過程線圖。
圖10是本發(fā)明的跌坎通氣條件下通氣孔位置壓力過程線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種可減免船閘閥門段突擴(kuò)體型跌坎空化的自然通氣方法，圖2為本發(fā)明的跌坎體型結(jié)構(gòu)示意圖，在圖1的基礎(chǔ)上增加了
臺(tái)階，圖中跌坎l為臺(tái)階狀體型，并對(duì)臺(tái)階頭部進(jìn)行了一些改進(jìn)，如
圖3所示，適當(dāng)向下游延長(zhǎng)跌坎起點(diǎn)的位置，即將原始跌坎起點(diǎn)2作 為臺(tái)階狀體型的第一級(jí)臺(tái)階的起點(diǎn)，且臺(tái)階狀跌坎第一級(jí)臺(tái)階在水平 面3后通過一向下的曲面4與第二級(jí)臺(tái)階相接，以便來(lái)流不過早發(fā)生 分離，在下游形成穩(wěn)定的空腔，并保持較高的流速，同時(shí)在水流發(fā)生 分離的位置加設(shè)通氣系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自然通氣。
圖4為本發(fā)明跌坎細(xì)部圖及通氣系統(tǒng)布置示意圖，通氣系統(tǒng)由一 根橫向通氣管5、兩根縱向通氣管7及布置在橫向通氣管5與第一級(jí) 臺(tái)階側(cè)壁之間的通氣支管6組成，橫向通氣管5布置在第一級(jí)臺(tái)階內(nèi) 部，兩端分別布置一根縱向通氣管7通向閘頂。
本發(fā)明采用優(yōu)化的臺(tái)階狀跌坎及合理的通氣系統(tǒng)，跌坎可以實(shí)現(xiàn) 自然通氣，摻氣水流有效的保護(hù)了原垂直跌坎發(fā)生水流分離的區(qū)域， 覆蓋了原跌坎空化潰滅區(qū)域，而且還可以覆蓋從升坎前端直至檢修門 井的一段距離，可以對(duì)突擴(kuò)體底板起到一定保護(hù)作用。
圖5為現(xiàn)有跌坎體型的空化示意圖，由圖中可以看到，在此體型 下跌坎之后有氣泡8存在，說(shuō)明跌坎后一段區(qū)域都存在空化。
圖6為本發(fā)明跌坎體型自然通氣的流態(tài)圖，對(duì)照?qǐng)D5，可發(fā)現(xiàn)圖 6中通氣后形成的氣流帶正好覆蓋了圖5中有空泡發(fā)生空化的部位， 說(shuō)明本發(fā)明自然通氣可覆蓋現(xiàn)有體型的空化區(qū)域，避免跌坎空化。
圖7、圖8為實(shí)測(cè)的空化噪聲，這個(gè)數(shù)據(jù)是在減壓模型下，通過 布置在閥門段的水聽器監(jiān)測(cè)水流噪聲，采用先進(jìn)的高速瞬態(tài)波形采集 分析系統(tǒng)采集和處理噪聲信號(hào)而得。
圖7為現(xiàn)有跌坎與本發(fā)明的跌坎在不通氣條件下的空化均方根 值比較曲線圖，由圖可知，對(duì)于無(wú)臺(tái)階跌坎，最大噪聲強(qiáng)度將達(dá)到200Pa，將存在較強(qiáng)空化；而臺(tái)階狀跌坎的均方根值明顯降低，說(shuō)明
該體型可以顯著減小空化強(qiáng)度。
圖8是現(xiàn)有跌坎與本發(fā)明的跌坎通氣與否的功率譜比較圖，由圖 可知，現(xiàn)有體型的最大噪聲均方根達(dá)到200Pa，存在較強(qiáng)空化；而通 氣后臺(tái)階狀跌坎，噪聲強(qiáng)度明顯降低，噪聲聲壓級(jí)比現(xiàn)有體型降低了 30dB，噪聲強(qiáng)度與水流背景噪聲相同，說(shuō)明跌坎通氣可以完全消除跌 坎空化。
圖9、圖10為實(shí)測(cè)的跌坎通氣孔附近的壓力過程線，該數(shù)據(jù)是 在常壓模型下，采用脈動(dòng)壓力傳感器量測(cè)，并由動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變放大器 及wavebook512采集系統(tǒng)組成的測(cè)量系統(tǒng)完成非恒定流信號(hào)的采集 和分析處理。
其中，圖9是本發(fā)明的跌坎不通氣條件下通氣孔位置壓力過程線 圖，由圖可知，在閥門開啟之初，由于閥門開啟斷面很小，流速較大， 測(cè)點(diǎn)壓力急劇降低，在n二0.1 0.3開度范圍內(nèi)，出現(xiàn)負(fù)壓，臺(tái)階狀 跌坎最低壓力約為-2.5ra水柱，說(shuō)明不通氣情況下跌坎存在負(fù)壓，會(huì) 發(fā)生空化，同時(shí)為自然通氣的實(shí)現(xiàn)提供條件。
圖10是本發(fā)明的跌坎通氣條件下通氣孔位置壓力過程線圖，圖 中可知，當(dāng)通氣管打開后，負(fù)壓消失，在n二O. 1 0.3開度范圍接近 于零，說(shuō)明在本發(fā)明的跌坎下實(shí)現(xiàn)自然通氣，并且自然通氣后無(wú)負(fù)壓， 空化可完全消除。
根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可得出現(xiàn)有跌坎空化比較強(qiáng)，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)自 然通氣，因此采用本發(fā)明的臺(tái)階狀跌坎和相應(yīng)的通氣系統(tǒng)。
與目前應(yīng)用跌坎體型相比，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)自然通氣，并且通氣 后實(shí)際觀測(cè)的流態(tài)好，通氣空腔穩(wěn)定，實(shí)測(cè)的空化噪聲強(qiáng)度與水流背 景噪聲相同，說(shuō)明本發(fā)明可以完全消除跌坎空化。根據(jù)工程實(shí)際情況的不同，本發(fā)明還可以有其它實(shí)施方案。只要 在突擴(kuò)體跌坎處，采用臺(tái)階狀跌坎及相應(yīng)的通氣系統(tǒng)，并且對(duì)臺(tái)階頭 部進(jìn)行一些曲線優(yōu)化，以穩(wěn)定空化腔、實(shí)現(xiàn)通氣的技術(shù)方案均落在本 發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可減免船閘閥門段突擴(kuò)體型跌坎空化的自然通氣方法，其特征在于跌坎采用臺(tái)階狀體型，將原始跌坎起點(diǎn)作為臺(tái)階狀跌坎的第一級(jí)臺(tái)階的起點(diǎn)，且臺(tái)階狀跌坎第一級(jí)臺(tái)階在水平面后通過一向下的曲面與第二級(jí)臺(tái)階相接，同時(shí)在臺(tái)階狀跌坎水流發(fā)生分離的位置加設(shè)通氣系統(tǒng)，進(jìn)行自然通氣。
2. 如權(quán)利要求1所述的可減免船閘閥門段突擴(kuò)體型跌坎空化的 自然通氣方法，其特征在于所述通氣系統(tǒng)由一根橫向通氣管、兩根 縱向通氣管及布置在橫向通氣管與第一級(jí)臺(tái)階側(cè)壁之間的通氣支管 組成，所述橫向通氣管布置在第一級(jí)臺(tái)階內(nèi)部，兩端分別布置一根縱 向通氣管通向閘頂。
全文摘要
本發(fā)明屬于水利技術(shù)領(lǐng)域，是一種可減免船閘閥門段突擴(kuò)體型跌坎空化的自然通氣方法，其特征在于跌坎采用臺(tái)階狀體型，將原始跌坎起點(diǎn)作為臺(tái)階狀跌坎的第一級(jí)臺(tái)階的起點(diǎn)，且臺(tái)階狀跌坎第一級(jí)臺(tái)階在水平面后通過一向下的曲面與第二級(jí)臺(tái)階相接，同時(shí)在臺(tái)階狀跌坎水流發(fā)生分離的位置加設(shè)通氣系統(tǒng)，進(jìn)行自然通氣。采用優(yōu)化的臺(tái)階狀跌坎及合理的管路布置，跌坎可以實(shí)現(xiàn)自然通氣，摻氣水流有效的保護(hù)了原垂直跌坎發(fā)生水流分離的區(qū)域，覆蓋了原跌坎空化潰滅區(qū)域，而且還可以覆蓋從升坎前端直至檢修門井的一段距離，可以對(duì)突擴(kuò)體底板起到一定保護(hù)作用。
文檔編號(hào)E02B8/00GK101302755SQ20081001965
公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月11日
發(fā)明者嚴(yán)秀俊, 凌國(guó)增, 左衛(wèi)廣, 王心海, 胡亞安 申請(qǐng)人:水利部交通部電力工業(yè)部南京水利科學(xué)研究院