输水阀门顶止水防空化方法及结构布置与流程

本发明涉及一种方法及结构布置，具体说是一种输水阀门顶止水防空化方法及结构布置，属于高速水流空化空蚀领域。

背景技术：

随着我国水利水电建设的不断发展，高水头巨型水电站日益增多，在有通航要求河段，枢纽需要建设通航建筑物，因此，通航建筑物的水头也日益增大。船闸是传统的一种通航建筑物型式，在国内外得到了极其广泛的应用，伴随着大库高坝的发展，船闸也呈现日益大型化、高水头的发展趋势，近年建设的具有代表性的船闸如：三峡连续五级船闸(五级总水头113m)、乌江银盘船闸(单级水头35m)、大藤峡船闸(单级水头40.25m)等。与水工建筑物不同，在船闸工程中，工作水头超过20m即称为高水头船闸，高水头船闸中输水廊道阀门段会发生多种形式的空化现象，影响阀门运行的平稳性、安全性及效率，如阀门门楣缝隙空化、阀门底缘空化、门槽空化、廊道空化等等，葛洲坝船闸建成运行后即出现了阀门强空化及声振现象，阀门发生强烈振动、活塞杆窜动，廊道内巨大轰鸣声，运行一段时间发现，阀门支铰螺栓被剪断、面板及门楣钢板被蚀穿，影响了船闸正常运行。因此，阀门空化与振动是影响高水头船闸建设的关键技术问题。经过长期的科研与工程实践，提出了一系列高水头阀门防空化措施并得到了推广应用，如阀门段廊道突扩体型、阀门门楣通气措施、阀门门槽及跌坎通气措施等等，较好的解决了阀门空化与流激振动问题，如针对葛洲坝船闸阀门空化问题，采取了门楣通气措施，门楣缝隙段空化及底缘空化得到很好的解决，空化与声振现象基本消失。在三峡船闸中各项防空化措施也都得到了应用和检验，达到了很好的效果。

尽管如此，在目前所有的高水头阀门运行中，仍存在一个始终无法解决的共性空化问题，即在阀门开启之初，顶止水与胸墙脱离的过程中，二者之间形成窄缝，在阀门前后巨大的水头差作用下，窄缝发生高速射流进而发生强烈空化，引起阀门强烈的冲击型振动，持续十余秒，在高水头船闸多次原型观测中均发现了该现象，一直没有很好的方法加以解决。在顶止水空化引起阀门振动的同时，顶止水自身在空化水流的剪切作用下，使用寿命明显缩短，常发生剪断、撕裂等破坏现象，更换止水需要停航检修，对船闸的运行效率产生了巨大影响。因此，从确保阀门安全平稳可靠运行、延长顶止水使用寿命、提高阀门运行效率的角度，需要提出一种方法解决阀门顶止水强烈空化问题。

技术实现要素：

本发明针对船闸输水阀门开启之初顶止水与胸墙形成的缝隙发生强烈空化问题及无计可施的现状，提出一种输水阀门顶止水防空化方法及结构布置，以确保阀门安全平稳高效运行、延长顶止水使用寿命。

本发明达到上述目的的技术方案是：

(1)在不采取本发明的情况下，输水阀门由关闭状态开始启门，在启门之初，顶止水与胸墙逐渐分离，顶止水与胸墙之间形成窄缝，在输水阀门上下游水头差作用下，窄缝发生高速射流，在顶止水与胸墙最窄的断面后产生负压，并在该范围内发生强烈空化，造成输水阀门空蚀及剧烈振动；

(2)利用输水阀门顶止水头部圆柱形空腔，作为通气横管，通过布置通气主钢管、止回阀、通气主软管和通气支管，形成系统的通气管路，利用输水阀门开启之初窄缝高速射流在最窄断面后产生的负压，实现通气管路自动通气，抑制输水阀门顶止水空化，消除输水阀门开启之初的冲击型振动，保障输水阀门安全平稳运行。

本发明输水阀门顶止水防空化通气管路结构布置如下：

(1)利用输水阀门顶止水现有的位于头部中心的沿长度方向的圆柱形空腔，作为通气横管，在通气横管中部向上游连接通气主钢管，通气主钢管出顶止水后，接止回阀，止回阀后接通气主软管，通气主软管顺输水阀门的吊杆向上布置，直至船闸闸墙顶，通气主软管的进口置于自然空气中；

(2)输水阀门关闭时，顶止水与胸墙接触密封，在接触点向下顶止水的临空面上，沿顶止水长度方向等间距布置一排完全相同的通气支管，每个通气支管沿顶止水头部半径方向与通气横管连通；

(3)通气支管出口处于顶止水空化的负压区，在负压作用下，气体自动从通气主软管进入，经过止回阀、通气主钢管，进入通气横管，由通气横管分散到每个通气支管，对负压区进行补气，在气体与水流混掺后，水流压力提升，同时气体发挥水垫作用，顶止水空化得到很好抑制；

(4)在输水阀门开度增大后，在水压力作用下水体会从通气支管进入通气横管，再进入通气主钢管，在向通气主软管流动的过程中，被止回阀阻止，以减少通气管路中的水体、保证能够快速通气。

所述的通气横管两端密闭。

所述的通气支管直径小于通气横管，所有通气支管断面面积之和可与通气横管断面面积相等。

所述的通气主钢管、通气主软管的直径可与通气横管的直径相等。

所述的通气主软管应能够承受大于1MPa外压，通气主软管沿程固定于吊杆上，其顶部进口应留有一定长度适应输水阀门启闭引起的伸缩。

通气管路应保证畅通，不能被堵塞。

本发明具有以下优点：

(1)设计巧妙。本装置利用负压自然通气的原理，无需空压机等强迫通气装置；

(2)结构简单，易于操作。利用输水阀门顶止水内部现有的圆柱形空腔，仅需布置通气支管和通气主管，设计实施非常简便；

(3)效果显著。采用自然通气防空化效果十分显著，能够解决输水阀门顶止水空化问题。

附图说明

图1为不采取本发明输水阀门开门之初顶止水空化状态；

图2为本发明输水阀门顶止水通气设施布置正视图；

图3为本发明输水阀门顶止水通气设施布置俯视图；

图4为布置通气设施后顶止水正视图；

图5为布置通气设施后顶止水侧视图；

图6为布置通气设施后顶止水俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

本实施例为某船闸输水阀门顶止水防空化布置，船闸最大工作水头30m，输水阀门采用反弧门型式，输水阀门顶止水采用半圆头型式，顶止水厚度60mm，宽度130mm，长度600mm。

不采取本发明输水阀门开门之初顶止水空化状态如图1所示，采用本发明输水阀门顶止水通气设施布置正视图、俯视图如图2和图3所示，布置通气设施后顶止水正视图、侧视图和俯视图如图4～图6所示，图中1为输水阀门门叶，2为输水阀门吊耳，3为吊杆，4为顶止水，5为压板，6为圆柱形空腔，7为胸墙，8为窄缝，9为空化，10为通气横管，11通气主钢管，12为通气支管，13为通气主软管，14为止回阀。

在不采取本发明的情况下，输水阀门由关闭状态开始启门，在启门之初，顶止水4与胸墙7逐渐分离，顶止水4与胸墙7之间形成窄缝8，在输水阀门上下游水头差作用下，窄缝8发生高速射流，在顶止水4与胸墙7最窄的断面后产生负压，并在该范围内发生强烈空化9，造成输水阀门空蚀及剧烈振动；

采用本发明输水阀门顶止水防空化方法，其通气管路结构布置如下：

(1)利用输水阀门顶止水4现有的位于头部中心的沿长度方向的圆柱形空腔6，作为通气横管10，其直径为20mm，在通气横管10中部向上游连接通气主钢管11，通气主钢管11出顶止水4后，接止回阀14，止回阀14后接通气主软管13，通气主软管13顺输水阀门的吊杆3向上布置，直至船闸闸墙顶，通气主软管13的进口置于自然空气中，通气主钢管11和通气主软管13的直径均为20mm；

(2)输水阀门关闭时，顶止水4与胸墙7接触密封，在接触点向下顶止水4的临空面上，沿顶止水4长度方向等间距布置一排五个完全相同的通气支管12，通气支管12直径为9mm，每个通气支管12沿顶止水4头部半径方向与通气横管10连通；

(3)通气支管12出口处于顶止水4空化的负压区，在负压作用下，气体自动从通气主软管13进入，经过止回阀14、通气主钢管11，进入通气横管10，由通气横管10分散到每个通气支管12，对负压区进行补气，在气体与水流混掺后，水流压力提升，同时气体发挥水垫作用，顶止水4空化得到很好抑制；

(4)在输水阀门开度增大后，在水压力作用下水体会从通气支管12进入通气横管10，再进入通气主钢管11，在向通气主软管13流动的过程中，被止回阀14阻止，以减少通气管路中的水体、保证能够快速通气。

采用本发明，利用输水阀门顶止水4头部圆柱形空腔6，通过布置通气主钢管10、止回阀13、通气主软管12和通气支管11，形成系统的通气管路，利用输水阀门开启之初窄缝8高速射流在最窄断面后产生的负压，实现通气管路自动通气，输水阀门顶止水空化被很好抑制，输水阀门开启之初的冲击型振动消失，输水阀门运行安全平稳。