本發(fā)明涉及一種方法及結構布置，具體說是一種輸水閥門頂止水防空化方法及結構布置，屬于高速水流空化空蝕領域。

背景技術：

隨著我國水利水電建設的不斷發(fā)展，高水頭巨型水電站日益增多，在有通航要求河段，樞紐需要建設通航建筑物，因此，通航建筑物的水頭也日益增大。船閘是傳統(tǒng)的一種通航建筑物型式，在國內外得到了極其廣泛的應用，伴隨著大庫高壩的發(fā)展，船閘也呈現(xiàn)日益大型化、高水頭的發(fā)展趨勢，近年建設的具有代表性的船閘如：三峽連續(xù)五級船閘(五級總水頭113m)、烏江銀盤船閘(單級水頭35m)、大藤峽船閘(單級水頭40.25m)等。與水工建筑物不同，在船閘工程中，工作水頭超過20m即稱為高水頭船閘，高水頭船閘中輸水廊道閥門段會發(fā)生多種形式的空化現(xiàn)象，影響閥門運行的平穩(wěn)性、安全性及效率，如閥門門楣縫隙空化、閥門底緣空化、門槽空化、廊道空化等等，葛洲壩船閘建成運行后即出現(xiàn)了閥門強空化及聲振現(xiàn)象，閥門發(fā)生強烈振動、活塞桿竄動，廊道內巨大轟鳴聲，運行一段時間發(fā)現(xiàn)，閥門支鉸螺栓被剪斷、面板及門楣鋼板被蝕穿，影響了船閘正常運行。因此，閥門空化與振動是影響高水頭船閘建設的關鍵技術問題。經過長期的科研與工程實踐，提出了一系列高水頭閥門防空化措施并得到了推廣應用，如閥門段廊道突擴體型、閥門門楣通氣措施、閥門門槽及跌坎通氣措施等等，較好的解決了閥門空化與流激振動問題，如針對葛洲壩船閘閥門空化問題，采取了門楣通氣措施，門楣縫隙段空化及底緣空化得到很好的解決，空化與聲振現(xiàn)象基本消失。在三峽船閘中各項防空化措施也都得到了應用和檢驗，達到了很好的效果。

盡管如此，在目前所有的高水頭閥門運行中，仍存在一個始終無法解決的共性空化問題，即在閥門開啟之初，頂止水與胸墻脫離的過程中，二者之間形成窄縫，在閥門前后巨大的水頭差作用下，窄縫發(fā)生高速射流進而發(fā)生強烈空化，引起閥門強烈的沖擊型振動，持續(xù)十余秒，在高水頭船閘多次原型觀測中均發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象，一直沒有很好的方法加以解決。在頂止水空化引起閥門振動的同時，頂止水自身在空化水流的剪切作用下，使用壽命明顯縮短，常發(fā)生剪斷、撕裂等破壞現(xiàn)象，更換止水需要停航檢修，對船閘的運行效率產生了巨大影響。因此，從確保閥門安全平穩(wěn)可靠運行、延長頂止水使用壽命、提高閥門運行效率的角度，需要提出一種方法解決閥門頂止水強烈空化問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對船閘輸水閥門開啟之初頂止水與胸墻形成的縫隙發(fā)生強烈空化問題及無計可施的現(xiàn)狀，提出一種輸水閥門頂止水防空化方法及結構布置，以確保閥門安全平穩(wěn)高效運行、延長頂止水使用壽命。

本發(fā)明達到上述目的的技術方案是：

(1)在不采取本發(fā)明的情況下，輸水閥門由關閉狀態(tài)開始啟門，在啟門之初，頂止水與胸墻逐漸分離，頂止水與胸墻之間形成窄縫，在輸水閥門上下游水頭差作用下，窄縫發(fā)生高速射流，在頂止水與胸墻最窄的斷面后產生負壓，并在該范圍內發(fā)生強烈空化，造成輸水閥門空蝕及劇烈振動；

(2)利用輸水閥門頂止水頭部圓柱形空腔，作為通氣橫管，通過布置通氣主鋼管、止回閥、通氣主軟管和通氣支管，形成系統(tǒng)的通氣管路，利用輸水閥門開啟之初窄縫高速射流在最窄斷面后產生的負壓，實現(xiàn)通氣管路自動通氣，抑制輸水閥門頂止水空化，消除輸水閥門開啟之初的沖擊型振動，保障輸水閥門安全平穩(wěn)運行。

本發(fā)明輸水閥門頂止水防空化通氣管路結構布置如下：

(1)利用輸水閥門頂止水現(xiàn)有的位于頭部中心的沿長度方向的圓柱形空腔，作為通氣橫管，在通氣橫管中部向上游連接通氣主鋼管，通氣主鋼管出頂止水后，接止回閥，止回閥后接通氣主軟管，通氣主軟管順輸水閥門的吊桿向上布置，直至船閘閘墻頂，通氣主軟管的進口置于自然空氣中；

(2)輸水閥門關閉時，頂止水與胸墻接觸密封，在接觸點向下頂止水的臨空面上，沿頂止水長度方向等間距布置一排完全相同的通氣支管，每個通氣支管沿頂止水頭部半徑方向與通氣橫管連通；

(3)通氣支管出口處于頂止水空化的負壓區(qū)，在負壓作用下，氣體自動從通氣主軟管進入，經過止回閥、通氣主鋼管，進入通氣橫管，由通氣橫管分散到每個通氣支管，對負壓區(qū)進行補氣，在氣體與水流混摻后，水流壓力提升，同時氣體發(fā)揮水墊作用，頂止水空化得到很好抑制；

(4)在輸水閥門開度增大后，在水壓力作用下水體會從通氣支管進入通氣橫管，再進入通氣主鋼管，在向通氣主軟管流動的過程中，被止回閥阻止，以減少通氣管路中的水體、保證能夠快速通氣。

所述的通氣橫管兩端密閉。

所述的通氣支管直徑小于通氣橫管，所有通氣支管斷面面積之和可與通氣橫管斷面面積相等。

所述的通氣主鋼管、通氣主軟管的直徑可與通氣橫管的直徑相等。

所述的通氣主軟管應能夠承受大于1MPa外壓，通氣主軟管沿程固定于吊桿上，其頂部進口應留有一定長度適應輸水閥門啟閉引起的伸縮。

通氣管路應保證暢通，不能被堵塞。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)設計巧妙。本裝置利用負壓自然通氣的原理，無需空壓機等強迫通氣裝置；

(2)結構簡單，易于操作。利用輸水閥門頂止水內部現(xiàn)有的圓柱形空腔，僅需布置通氣支管和通氣主管，設計實施非常簡便；

(3)效果顯著。采用自然通氣防空化效果十分顯著，能夠解決輸水閥門頂止水空化問題。

附圖說明

圖1為不采取本發(fā)明輸水閥門開門之初頂止水空化狀態(tài)；

圖2為本發(fā)明輸水閥門頂止水通氣設施布置正視圖；

圖3為本發(fā)明輸水閥門頂止水通氣設施布置俯視圖；

圖4為布置通氣設施后頂止水正視圖；

圖5為布置通氣設施后頂止水側視圖；

圖6為布置通氣設施后頂止水俯視圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

實施例一

本實施例為某船閘輸水閥門頂止水防空化布置，船閘最大工作水頭30m，輸水閥門采用反弧門型式，輸水閥門頂止水采用半圓頭型式，頂止水厚度60mm，寬度130mm，長度600mm。

不采取本發(fā)明輸水閥門開門之初頂止水空化狀態(tài)如圖1所示，采用本發(fā)明輸水閥門頂止水通氣設施布置正視圖、俯視圖如圖2和圖3所示，布置通氣設施后頂止水正視圖、側視圖和俯視圖如圖4～圖6所示，圖中1為輸水閥門門葉，2為輸水閥門吊耳，3為吊桿，4為頂止水，5為壓板，6為圓柱形空腔，7為胸墻，8為窄縫，9為空化，10為通氣橫管，11通氣主鋼管，12為通氣支管，13為通氣主軟管，14為止回閥。

在不采取本發(fā)明的情況下，輸水閥門由關閉狀態(tài)開始啟門，在啟門之初，頂止水4與胸墻7逐漸分離，頂止水4與胸墻7之間形成窄縫8，在輸水閥門上下游水頭差作用下，窄縫8發(fā)生高速射流，在頂止水4與胸墻7最窄的斷面后產生負壓，并在該范圍內發(fā)生強烈空化9，造成輸水閥門空蝕及劇烈振動；

采用本發(fā)明輸水閥門頂止水防空化方法，其通氣管路結構布置如下：

(1)利用輸水閥門頂止水4現(xiàn)有的位于頭部中心的沿長度方向的圓柱形空腔6，作為通氣橫管10，其直徑為20mm，在通氣橫管10中部向上游連接通氣主鋼管11，通氣主鋼管11出頂止水4后，接止回閥14，止回閥14后接通氣主軟管13，通氣主軟管13順輸水閥門的吊桿3向上布置，直至船閘閘墻頂，通氣主軟管13的進口置于自然空氣中，通氣主鋼管11和通氣主軟管13的直徑均為20mm；

(2)輸水閥門關閉時，頂止水4與胸墻7接觸密封，在接觸點向下頂止水4的臨空面上，沿頂止水4長度方向等間距布置一排五個完全相同的通氣支管12，通氣支管12直徑為9mm，每個通氣支管12沿頂止水4頭部半徑方向與通氣橫管10連通；

(3)通氣支管12出口處于頂止水4空化的負壓區(qū)，在負壓作用下，氣體自動從通氣主軟管13進入，經過止回閥14、通氣主鋼管11，進入通氣橫管10，由通氣橫管10分散到每個通氣支管12，對負壓區(qū)進行補氣，在氣體與水流混摻后，水流壓力提升，同時氣體發(fā)揮水墊作用，頂止水4空化得到很好抑制；

(4)在輸水閥門開度增大后，在水壓力作用下水體會從通氣支管12進入通氣橫管10，再進入通氣主鋼管11，在向通氣主軟管13流動的過程中，被止回閥14阻止，以減少通氣管路中的水體、保證能夠快速通氣。

采用本發(fā)明，利用輸水閥門頂止水4頭部圓柱形空腔6，通過布置通氣主鋼管10、止回閥13、通氣主軟管12和通氣支管11，形成系統(tǒng)的通氣管路，利用輸水閥門開啟之初窄縫8高速射流在最窄斷面后產生的負壓，實現(xiàn)通氣管路自動通氣，輸水閥門頂止水空化被很好抑制，輸水閥門開啟之初的沖擊型振動消失，輸水閥門運行安全平穩(wěn)。