船闸等惯性气囊及其灌泄水与充泄气联动控制系统和方法与流程

本发明属于通航船闸输水系统设计技术领域，涉及一种船闸等惯性气囊及其灌泄水与充泄气联动控制系统和方法。

背景技术：

出于节水和缩短船闸灌泄水时间的目的，已有一些研究提出了利用气囊作为主要部件实现上述目的。然而，尽管气囊作为新型结构可起到节水和加快船闸输水速度的功能，若设计和操作不当，同样也无法成功应用于船闸工程。原因在于气囊在充、泄气过程中，容易引起气囊周围水体的局部雍高和下降，这样反而恶化闸室船舶的停泊条件。为最大限度地避免气囊带来不利的水力现象，解决的首要方法是将控制单个气囊体积。假如整个闸室内仅布置一个大型气囊，则容易使得气囊出现不均匀充、泄气现象而造成上述负面问题。而若在闸室内沿船闸长度和宽度方向布设多个气囊，意味着减小了单个气囊体积，从而便于达到气囊均匀充、泄气的目的。但是，一旦气囊数量增多，若没有实现所有气囊充、泄气的同步性，则会引起闸室水体的紊动、振荡和较大的水面比降等不利的水力现象。因此，试图利用气囊辅助船闸省水和提高船闸通过能力，必须解决气囊充、泄气的均匀性和同步性。公开号为cn103061318a的中国专利公开了一种气囊式船闸灌泄水辅助系统，该专利提出沿闸室纵向底板分段布置多个气囊分别通过导管独立与气泵连接，其目的在于减少船闸运行耗水量和灌泄水时间。然而，根据该专利的设计，要实现气囊的同步性，必须要求多个气泵同步运行，由此便不易于操作。而且，要实现船闸输水和气囊的联合工作，在该专利亦尚未涉及相关的控制方法。

基于此，提出一种既可实现气囊充、泄气均匀性和同步性及易于操作的新型结构，可在同时使用多个气泵，即便是气泵不同步，如何同样能保证所有气囊的同步性，也易于操作；以及相应的船闸输水与气囊联合工作的控制方法，这是设计和科研人员极为关注的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种船闸等惯性气囊及其灌泄水与充泄气联动控制系统和方法，既可实现气囊充、泄气的均匀性和同步性，又易于操作的新型结构，同时还可施行船闸输水与气囊联合工作的自动控制。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供如下技术方案：

本发明拟公开一种船闸灌泄水用等惯性气囊充泄装置，包括固定在闸室的底板上的气囊组及与气囊组连接的管路组，所述气囊组由呈矩阵式排布的2ⁿ个气囊组成，且n为大于等于2的正整数；所述管路组由充泄气管、充气管、泄气管组成，充泄气管呈两两阶层级对称并联结构，其层级首端与每个气囊分别连接、末端与充气管和泄气管分别连接，充气管上设有充气阀门，泄气管上设有泄气阀门。

进一步，所述气囊组的矩阵式排布为以四个前后左右对称的气囊为一组呈长方形布置。

进一步，所述充泄气管在与每个气囊连接的层级首端均设有同步阀门。

本发明还提供一种船闸等惯性气囊的灌泄水与充泄气联动控制系统，利用船闸自身的灌水阀门和泄水阀配合上述的等惯性气囊来实现船闸灌泄水与等惯性气囊充泄气的联合工作，包括设于闸室内的低水位传感器和高水位传感器、连通闸室并具有灌水阀门的输水管和具有泄水阀门的泄水管、设于泄水管上的水流流量计、设于泄气管上的气体流量计以及连通充气管的气泵，低水位传感器用于闸室灌水至低水位时控制灌水阀门关闭及充气阀门开启，高水位传感器用于闸室水位由气囊充气抬升至高水位时控制充气阀门关闭，气体流量计用于气囊泄气至零值时控制泄水阀门开启及泄气阀门关闭，水流流量计用于闸室泄水至零值时控制泄水阀门关闭。

本发明还基于上述船闸等惯性气囊的灌泄水与充泄气联动控制系统的联动控制方法，包括：

1)、灌水与充气：开启灌水阀门使闸室灌水，待闸室水位上升至低水位传感器位置后自动关闭灌水阀门并开启充气阀门，结束灌水；再待闸室水位由气囊充气抬升至高水位传感器位置后自动关闭充气阀门，结束充气；

2)、泄气与泄水：开启泄气阀门使气囊泄气，待气体流量计测值为零后自动关闭泄气阀门并开启泄水阀门，结束泄气；再待水流流量计测值为零后自动关闭泄水阀门，结束泄水。

本发明的优点在于：

1、本发明通过设计偶数个气囊及相应的管路组，气囊通过管路组进行两两阶层级对称并联，实现所有气囊充、泄气惯性一致的整体结构，即组成了等惯性气囊；具有实现单个气囊充、泄气均匀性、多个气囊同步性及气囊充、泄气操作简便的优点。

2、本发明等惯性气囊充泄装置结构简单，安装、维护方便，能够有效地与已建船闸结合，可以有效减小船舶过闸用水量，缩短闸室灌泄水时间，提高船舶过闸效率及航道运输能力，可广泛地应用于大小船闸。

3、本发明设计2ⁿ个气囊，且n为大于等于2的正整数，可以避免使用单个超大气囊而使得气体充、泄气不均的问题，减少闸室内的船舶受到冲击，降低闸室水面波动；且单个气囊体积增长率能够由管路组进行统一的同步控制，使得闸室水面升降均匀稳定。

4、本发明通过同步阀门设计，便于每个气囊与充泄气管之间气体的传输，防止局部因为某一个气囊充泄气过快或过慢而造成传输障碍，使每个气囊的体积变化均匀稳定。

5、本发明通过低水位传感器和高传感器来控制灌水阀门、充气阀门的开闭实现闸室灌水及闸室水位上升至与上游水位持平，还通过气体流量计和水流流量计来控制泄水阀门、泄气阀门的开闭实现闸室水位下降至与下游水位持平，实现了船闸灌泄水与气囊充泄气联合工作的自动控制，便于船闸的运营管理。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明所述等惯性气囊布置原理正面图；

图2为本发明所述等惯性气囊布置原理立体图；

图3为本发明所述船闸灌水和充气过程自动控制原理图；

图4为本发明所述船闸泄气和泄水过程自动控制原理图；

图5为本发明实施例的等惯性气囊布置平面图；

图6为本发明实施例的闸室纵向水面波动图；

图7为本发明实施例的闸室横向水面波动图。

附图中标记如下：气囊1、充泄气管2、同步阀门3、充气管4、充气阀门5、泄气管6、泄气阀门7、闸室8、泄水管9、低水位传感器10、高水位传感器11、气体流量计12、水流流量计13。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本实施例中的一种船闸等惯性气囊，包括固定在闸室8的底板上的气囊组及与气囊组连接的管路组，气囊组由呈矩阵式排布的2ⁿ个气囊1组成，且n为大于等于2的正整数，如气囊数为：4、8、16、32、64、128……；管路组由充泄气管2、充气管4、泄气管6组成，充泄气管2呈两两阶层级对称并联结构，其层级首端与每个气囊1分别连接、末端与充气管4和泄气管6分别连接，充气管4上设有充气阀门5，泄气管6上设有泄气阀门7。

如图2、5所示，本实施例中的气囊组的矩阵式排布为以四个前后左右对称的气囊1为一组呈长方形布置，如气囊为八个，则为2x4的矩阵式；若气囊为16个，则为2x8的矩阵式；若气囊为32个，则为2x16或4x8的矩阵式；若气囊为64个，则为2x32或4x16的矩阵式，依次类推。

本实施例中的充泄气管2在与每个气囊1连接的层级首端均设有同步阀门3，该设计可进一步保证每个气囊充泄气的惯性，使得其同步性更佳。

本实施例中的船闸等惯性气囊的灌泄水与充泄气联动控制系统，利用船闸自身的灌水阀门(未画出)和泄水阀(未画出)配合上述的等惯性气囊来实现船闸灌泄水与等惯性气囊充泄气的联合工作，包括设于闸室8内的低水位传感器10和高水位传感器11、连通闸室8并具有灌水阀门的输水管(未画出)和具有泄水阀门的泄水管9、设于泄水管9上的水流流量计13、设于泄气管6上的气体流量计12以及连通充气管4的气泵(未画出)，其低水位传感器10用于闸室8灌水至低水位时控制灌水阀门关闭及充气阀门5开启，高水位传感器11用于闸室8水位由气囊1充气抬升至高水位时控制充气阀门5关闭，气体流量计12用于气囊1泄气至零值时控制泄水阀门开启及泄气阀门7关闭，水流流量计13用于闸室8泄水至零值时控制泄水阀门关闭。

本实施例中的管路组内嵌于闸室8的底板内。采用这种结构，一定程度上保护等惯性气囊充气装置的管路组，使得等惯性气囊充气装置的管路组使用寿命得到延长。

基于上述的船闸等惯性气囊的灌泄水与充泄气联动控制系统的联动控制方法包括：

如图3所示，灌水和充气过程：打开输水及充泄气自动控制系统电源开关，点击“灌水”按钮，灌水阀门开启电路则立即接通，船闸开始灌水，闸室水位开始上升，当闸室水位上升到低水位传感器位置时，灌水阀门关闭电路和充气阀门开启电路均自动接通，灌水结束，气囊开始充气，闸室水位继续上升，待水位上升至高水位传感器位置(与上游水位持平)时，充气阀门关闭电路自动接通，结束充气；

如图4所示，泄气和泄水过程：点击“泄气”按钮，泄气阀门开启电路立即接通，气囊开始泄气，闸室水位开始下降，当气体流量计测值为零时，泄气阀门关闭电路及泄水阀门开启电路均自动接通，气囊结束泄气，船闸开始泄水，闸室水位继续下降，当水流流量计测值为零时，泄水阀门关闭电路自动接通，结束泄水。

具体的，本发明以设计水头为9m，闸室尺度为140m×14m×2.5m(长×宽×槛上最小水深)的船闸工程为例。气囊设计为长方体，并对称锚固在闸底板上。根据本次设计规模，共设计2列，每列设计16个气囊，共32个，单个气囊尺寸为6.75m×5m×3m(长×宽×高)，如图5所示。参照橡胶坝实际工程经验，连接气囊底部和顶部的材料选取与橡胶坝坝体胶层类似的橡胶材料。

以灌水和充气过程为例，通过对气囊进行受力分析，假定气囊按长方体形状膨胀，可列出t时刻竖直方向的受力方程{pa+ρg[h(t)-h(t)]}s+g＝p(t)s，式中，pa为大气压强，ρ为水的密度，g为重力加速度，h(t)为t时刻闸室水位，h(t)为t时刻气囊高度，s为气囊顶总面积，g为气囊自重，p(t)为t时刻气囊内部气压。由受力方程可推导得出气囊高度h(t)随时间t的变化关系式式中，h(t)≤hmax，hmax为最高水位，h0为闸室初始水位，ha＝pa/ρg，β＝s/c，c为闸室水域面积，a为充泄气速率，r理想气体常数，t为绝对温度。

为明确气囊在升降过程对闸室水体及自由液面的扰动情况，本发明进行了水动力学数值模拟，计算中采用了流体计算软件fluent，气囊顶面的收缩采用了动网格技术，其运动速度过程的设定是基于气囊高度h(t)随时间t的变化关系式，其中空压机充气速率取为1000m³/min，采用10台空压机，由此可得出a＝7.44×10³mol/s，取绝对温度为298k。由图6、7可知，闸室横向水面波动最大值不超过2.8cm，纵向水面波动最大值不超过9.5cm。因此，气囊上升过程中对闸室水体的扰动并不剧烈，说明本发明实施例采用等惯性气囊，可保障闸室具有较好的船舶停泊条件。

上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。