技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具備抗振性能的水力式升船機閥門系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，具體說的是一種應(yīng)用于水力式升船機 “一主兩輔”的閥門系統(tǒng)，減小其在高水頭條件下發(fā)生振動的閥門優(yōu)化布置型式及管道體型改造方法。

背景技術(shù)：

水力式升船機利用輸水閥門控制船廂的運行速度，輸水閥門包括一個流量系數(shù)較大的主閥和兩個流量系數(shù)較小的輔閥，主閥用于提高船廂的運行速度、輔閥用于控制船廂的精確對接，三個閥門并列布置，主閥位于中間，輔閥分別位于主閥兩側(cè)，前后利用叉管匯合至主輸水管道，見圖1。

由于水力式升船機閥門系統(tǒng)承受的水頭非常大，在工程運行過程中閥門系統(tǒng)振動劇烈，嚴重影響升船機安全運行。

在對其進行模型試驗研究后發(fā)現(xiàn)，有以下幾個振動源：

1）并列布置的三個輸水閥門輸出的三股水流受閥后彎管影響明顯，在多叉管匯合處形成“條狀低壓漩渦水流”，水流末梢在叉管匯合區(qū)往返擺動，流態(tài)極不穩(wěn)定?！皸l狀低壓漩渦水流”是引起閥門段管道低頻振動主要原因。

2）高水頭作用下，主閥、輔閥在運行時，閥門后管道壁面壓力脈動劇烈。

3）閥門的空化潰滅區(qū)貼附于閥后叉管內(nèi)壁，造成閥門及管道振動加劇，是引起閥門段管道高頻振動主要原因。

因此，要解決閥門振動問題，須對閥門布置型式及閥門后多叉管體型進行優(yōu)化改造，消除“條狀低壓漩渦水流”的影響，降低閥后管道內(nèi)壁的脈動壓力，并提高空化數(shù)，使管道邊壁遠離空化潰滅區(qū)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對水力式升船機閥門系統(tǒng)在高水頭條件下的劇烈振動現(xiàn)象，提出一種優(yōu)化的閥門布置型式及管道改造的方法，減小水力式升船機閥門系統(tǒng)振動幅值，保障水力式升船機輸水閥門系統(tǒng)安全運行。

本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案：

一種具備抗振性能的水力式升船機閥門系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：將水力式升船機輸水系統(tǒng)的三個閥門呈空間“品”字形立體布置，同時在三個閥門的出口處連接一個共用的抗振體取代原閥后多叉管，抗振體的過流面積大于三個閥門的總截面積，抗振體一端連接三個閥門的出口，另一端直接與下游輸水主管道連通，為閥后水流提供緩沖區(qū)，改善流態(tài)，降低原閥后的脈動壓力，減小閥門系統(tǒng)振動幅值。

本發(fā)明還提供了一種具備抗振性能的水力式升船機閥門系統(tǒng)，包括相互連接的閥前三叉管和三個閥門，其特征在于還包括一個抗振體，所述三個閥門呈空間“品”字形立體布置，所述抗振體一端連接三個閥門的出口，另一端直接與下游輸水主管道連通，抗振體的過流面積大于三個閥門的總截面積。

本發(fā)明的優(yōu)點為：

1）三閥門呈空間“品”字形的布置型式改變了原流場結(jié)構(gòu)，同時抗振體為閥后水流提供較大的緩沖區(qū)，使閥后流態(tài)得到顯著改善，消除“條狀低壓漩渦水流”及其引起的低頻振動。

2）三閥門呈空間“品”字形布置型式較同高程并列布置更適應(yīng)“圓形”截面的減振體。

3）采用過流面積較大的抗振體代替多叉管，可大幅度降低水流對原叉管內(nèi)壁的脈動壓力幅值。

4）抗振體邊壁脫離空泡潰滅區(qū)，使空化在水體內(nèi)部發(fā)生，閥門及管道發(fā)生空蝕破壞和誘發(fā)高頻振動的機率降低。

5）抗振體能減小流速，提高輸水閥門系統(tǒng)整體的抗空化性能，尤其在閥門大開度時，使用抗振體后閥門臨界空化數(shù)明顯降低，表明抗空化能力更強。

6）抗振體過流截面積為“圓形”的設(shè)計方案避免了方形截面在頂角處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，更有利于抗震體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

7）優(yōu)化后的閥門系統(tǒng)布置型式與原三叉管體型的阻力系數(shù)及流量系數(shù)基本一致，不影響過流能力。

附圖說明

圖1為原水力式升船機“一主兩輔”閥門及前后叉管布置型式；

圖2為本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計的水力式升船機閥門系統(tǒng)布置型式；

圖3為實施例一相同工況兩種體型振動幅值對比圖；

圖4為實施例一相同工況兩種體型脈動壓力均方根對比圖。

具體實施方式

實施例一

針對水力式升船機一主閥兩輔閥的閥門系統(tǒng)，本發(fā)明方法是優(yōu)化三組閥門的布置型式，使其呈空間“品”字形排列，同時取消閥后叉管體型，替換為具有“圓形”過流截面的抗振體。本發(fā)明可改善閥后流態(tài)，為閥后水流提供緩沖區(qū)，減小閥后管道的壓力脈動，提高閥門系統(tǒng)抗空化性能，消除振動源，起到抗振效果。

如圖2所示，水力式升船機閥門系統(tǒng)包括閥前三叉管、與閥前三叉管連接的三個閥門（一個主閥1、兩個輔閥2）和一個抗振體3?？拐耋w3為具有三個進水口和一個出水口的中空結(jié)構(gòu)，三個進水口與閥門出口一一對應(yīng)連接，出水口與下游輸水主管道連通。三閥門呈空間“品”字形立體排列、采用空間三角型布置，其中主閥位于上方，兩個輔閥分別位于主閥下方兩側(cè)。抗振體采用過流截面為“圓形”的圓柱體設(shè)計，其截面積大于三個閥門的總截面積，為三個閥門總截面積的3~5倍。抗振體的長度約為輸水主管道直徑的3倍左右。

改造前后振動特性對比如圖3：采用本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計方案后，主閥測點豎直向振動幅值由10g降低到2g，水平方向振動也從3g降低到1g，減振效果十分明顯。

脈動壓力特性對比如圖4，叉管體型主閥后管道測點pc5壓力脈動均方根最大值為2.7m，抗振體主閥后頂部測點pc7壓力脈動均分根最大值為0.09m，比突擴體型小2.61m（降低90%以上）。

除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用三閥門空間“品”字形立體布置型式+閥后增設(shè)“圓形”過流截面抗振體的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。