专利名称：一种水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法
技术领域：
本发明涉及一种水利技术领域的输水系统布置方法，具体的说是一种水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法。
背景技术：
随着水运事业的发展，升船机作为超高水头通航建筑物的主要形式越来越得到工程的应用，国内外科学家对升船机的研究也越来越深入。升船机主要有垂直升船机和斜面升船机两种型式。垂直升船机根据提升装置，可以分为钢丝绳卷扬式、齿轮齿条爬升式、半水力式和水力浮动式升船机四种类型。其中水力浮动式升船机是我国独创的新型升船机，利用水能作为提升动力和安保措施，通过缠绕在卷筒上的钢丝绳两端分别连接承船厢和安装在竖井中的平衡重，并通过充泄水驱动平衡重浮筒的升降从而带动承船厢升降运行；能自动改变平衡重浮筒的淹没深度适应船厢荷载变化，解决了船厢漏水等极端事故状态下升船机的安全问题，具有广阔的应用前景。由于水力浮动式升船机是通过水能驱动平衡重来带动承船厢的升降运行，因此， 为了承船厢的安全运行，必须保证所有平衡重同步平稳升降，即要保证竖井内水位的同步升降，目前采取复杂的等惯性输水系统布置型式来实现水流通过四次分流，将上游主管道 I中的水流均匀地分配到各独立的竖井2中，上游设上游充水阀门6，下游设泄水阀门7， 一个竖井2中设置一个平衡重8，竖井2与平衡重8均为圆柱形，具体可见图I和图2。等惯性输水系统从理论上可以保证竖井中平衡重的水力同步性，但实际工程中因其结构的特殊性存在以下问题，影响升船机的安全运行
(1)等惯性输水系统在实际工程中，由于施工精度等方面的原因不可能实现分流管道的体型、尺寸、糙率等完全一致，因此输水过程中各竖井不可避免存在水位差。管道设计时，为了保证水流平顺，一般要求压力管道转弯段前后直线长度不小于5倍管径。但水力浮动式升船机等惯性输水系统中，按照每侧8个平衡重的布置要求，管道必须在有限的空间内进行4次分流，包括两次水平分流和2次垂直分流，特别是垂直分流，受竖井底高程和基础开挖高程的制约，垂向空间有限，垂直转弯前后距离短，达不到大于5倍管径的要求，影响了支管分流的均匀性。⑵等惯性输水系统中的各竖井相互独立，竖井水位不能及时互相调节平衡，从而产生水位差。除施工因素外，受非恒定水流的紊动作用，以及分流口布置的局限性，采用等惯性输水系统布置的各竖井间存在水位差，尽管采取设置联通廊道的工程措施可有效降低竖井水位差，但由于水流惯性的影响，导致竖井之间的水位差无法彻底消除。竖井间存在水位差是影响船厢平稳安全运行的重要原因。竖井水位差直接导致各平衡重升降不同步，从而使同步轴产生扭矩、变形，由于水力浮动式升船机的同步轴比较长，而且没有减速装置， 一端的微小的扭转变形在另一端会产生放大的变形效果，船厢可能发生倾斜，船厢内的水体晃动反过来也会引起同步轴的扭矩，相互作用非常复杂。因此需尽量降低竖井之间的水位差。
⑶受等惯性输水系统限制，平衡重的数量必须是2的幂次方，布置缺乏灵活性。根据目前国内船厢尺寸，一般按每侧塔柱8个平衡重的布置设计。因此也就限制了船厢上的吊点布置，设计人员不能从船厢本身受力条件出发进行优化设计。⑷等惯性输水系统结构复杂，施工精度要求高、难度大。等惯性输水系统能够提高升船机运行时的水力同步性是基于其良好的结构对称性，若施工精度达不到一定的要求， 反而会产生相反的效果，影响水力同步性。因此，等惯性输水系统对施工的要求较高。综上，如何更好地解决等惯性输水系统带来的问题，是研究的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，可以提高竖井水位的同步性，减小输水系统的惯性长度， 大大增加出水孔淹没水深从而削弱竖井内水流能量，利于平衡重升降的平稳性，并且不限制平衡重数量，便于设计和施工。一种水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，水流由上游主管道出来后分成两支，分别通向两侧长方体形状的竖井正下方的廊道，廊道顶部设有出水支孔与相应竖井连通；水流从上游主管道流出，经过上游充水阀门后分成两支流进廊道，最后分别汇入下游，下游设泄水阀门控制竖井水面的下降速度，保证所有平衡重同时下降。本发明进一步限定的技术方案是
前述的水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，平衡重的横截面积为长方形，多个(至少两个)平衡重位于同一个竖井中。连通的水域可以迅速调整水位差，有利于竖井各处水位和平衡重同步性。前述的水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，出水支孔正上方设置盖板，使出水支孔进入竖井的集中水流在盖板形成的空腔内碰撞及摩擦消能，使竖井中水面平稳上升。前述的水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，盖板形状为长方体，其内部沿长度方间隔设有竖直隔板。前述的水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，竖井内设置桁架，桁架利用相邻平衡重留出的空间自上而下布置。由于竖井相当于是一个空心墙体，竖井中的水位不断变化，最高水头达几十米，竖井要承受巨大水压力，为了维持结构的稳定性，减小竖井长度方向的边墙因为水压作用而向外发生的形变，需要在竖井内设置桁架，桁架相当于拉杆，起到内拉作用，抵消部分水压。考虑到条件限制，桁架不能妨碍平衡重在竖井内的升降，故利用相邻平衡重留出的空间自上而下布置。本发明的有益效果是⑴本发明每侧平衡重都位于同一个竖井内，所在水域整体连通，水面自动调节能力强，可以有效解决水力浮动式升船机竖井水位同步难题；⑵对平衡重的吊点位置和数量没有特殊要求，设计人员可以优先考虑船厢结构布置，从有利于船厢受力特性出发布置相应的平衡重，提高了船厢运行的安全性；⑶可以大大降低竖井底高程， 增加平衡重底部的初始水深，减小充水初期水流对平衡重稳定性的影响J4)本发明输水系统结构简单，降低施工难度。本发明可以提高竖井水位的同步性，减小输水系统的惯性长度，大大增加出水孔淹没水深从而削弱竖井内水流能量，利于平衡重升降的平稳性，并且不限制平衡重数量，便于设计和施工。在水力浮动式升船机设计中，保证竖井水位和平衡重同步平稳升降一直是一项难题，它直接关系到工程的安全运行，本发明结构简单，运行可靠，节约了工程投资，提高了工程安全性。
图I是等惯性输水系统的立面图。
图2是等惯性输水系统的俯视图。
图3是本发明输水系统的立面图。
图4是本发明输水系统的俯视图。
图5是本发明消能盖板细部图。
图6是采用等惯性系统输水时吊点的布置示意图。
图7是本发明船厢吊点最佳布置示意图。
图8是充水过程两种输水系统竖井与银盘船闸闸室内水流比能随时间的变化曲线。
具体实施例方式实施例I
本实施例提出一种水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，如图3和图4所示，水流由上游主管道I出来后分成两支，分别通向两侧竖井2正下方的廊道3，廊道3顶部设有出水支孔4与相应竖井2连通；水流从上游主管道I流出，经过上游充水阀门6后分成两支流进廊道3，最后分别汇入下游，下游设泄水阀门7控制竖井2水面的下降速度，保证所有平衡重8同时下降。平衡重8的横截面积为长方形，多个平衡重位于同一个竖井中，连通的水域可以迅速调整水位差，有利于竖井各处水位和平衡重同步性。出水支孔4上方设置盖板5，盖板5如图5所示，盖板5形状为长方体，其内部沿长度方间隔设有竖直隔板，盖板5使出水支孔4进入竖井2的集中水流在盖板空腔内碰撞及摩擦消能，使竖井2中水面平稳上升。竖井2的形状设计成长方体；长度取决于平衡重吊点位置，长度方向略大于平衡重布置的长度，使首尾平衡重与竖井边壁保留一定的间隙；宽度比平衡重宽略大，保留导轨的安装位置，确保平衡重安装后可以放进竖井2中；高度满足平衡重最大上升程。竖井内设置桁架，桁架利用相邻平衡重留出的空间自上而下布置。由于竖井相当于是一个空心墙体，竖井中的水位不断变化，最高水头达几十米，竖井要承受巨大水压力， 为了维持结构的稳定性，减小竖井长度方向的边墙因为水压作用而向外发生的形变，需要在竖井内设置桁架，桁架相当于拉杆，起到内拉作用，抵消部分水压。考虑到条件限制，桁架不能妨碍平衡重在竖井内的升降，故利用相邻平衡重留出的空间自上而下布置。从图I和3的对比中，能直观地看出本发明充分利用等惯性输水系统布置支管所需的垂向空间，在最大程度上降低了竖井底高程，增加平衡重底部的初始水深。图6是采用等惯性输水系统时船厢吊点示意图，等惯性输水系统限制了每侧平衡重数量为8个，且所有平衡重的质量相同，由于船厢吊点9与平衡重一一对应，因此船厢每侧吊点9数也必须为8个且每个吊点9承重相同，限制了船厢10吊点布置方式，船厢10受力条件不佳。图7是思林升船机的船厢吊点示意图，根据船厢最佳受力条件布置，船厢10 每侧共10个吊点9，且每个吊点9的承重有差异，若采用非等惯性输水系统，则船厢吊点可采用该最优布置型式。图8是相同水位条件下，两种输水系统在输水过程中竖井水流的比能时间关系曲线图，通过与银盘船闸闸室水流比能的对比可知，采用等惯性输水系统竖井水流的比能值与银盘船闸闸室内水流比能相当，而非等惯性输水系统竖井内水流能量相比等惯性输水系统竖井内水流比能大大降低，水流条件更有利于平衡重的平稳升降。上述只是本发明中的一个实施例，根据工程实际情况的不同，本发明还有其它实施方案。只要采用纵向长廊道输水，廊道顶支孔出水，并且多个平衡重在同一个竖井中运动的技术方案均落在本发明要求的保护范围内。总之凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，其特征在于水流由上游主管道(I)出来后分成两支，分别通向两侧长方体形状的竖井(2)正下方的廊道(3)，廊道(3) 顶部设有出水支孔(4)与相应竖井(2)连通；水流从上游主管道(I)流出，经过上游充水阀门(6)后分成两支流进廊道(3)，最后分别汇入下游，下游设泄水阀门(7)控制竖井(2)水面的下降速度，保证所有平衡重(8)同时下降。
2.如权利要求I所述的水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，其特征在于平衡重的横截面积为长方形，多个平衡重位于同一个竖井中。
3.如权利要求I或2所述的水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，其特征在于所述出水支孔(4)正上方设置盖板(5)，使出水支孔(4)进入竖井(2)的集中水流在盖板形成的空腔内碰撞及摩擦消能，使竖井(2)中水面平稳上升。
4.如权利要求3所述的水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，其特征在于所述盖板(5)形状为长方体，其内部沿长度方间隔设有竖直隔板。
5.如权利要求I或2所述的水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，其特征在于竖井(2)内设置桁架，桁架利用相邻平衡重留出的空间自上而下布置。
全文摘要
本发明涉及一种水利技术领域的输水系统布置方法，是一种水力浮动式升船机的非等惯性输水系统布置方法，水流由上游主管道出来后分成两支，分别通向两侧竖井正下方的廊道，廊道顶部设有出水支孔与相应竖井连通；水流从上游主管道流出，经过上游充水阀门后分成两支流进廊道，最后分别汇入下游，下游设泄水阀门控制竖井水面的下降速度，保证所有平衡重同时下降。本发明可以提高竖井水位的同步性，减小输水系统的惯性长度，大大增加出水孔淹没水深从而削弱竖井内水流能量，利于平衡重升降的平稳性，并且不限制平衡重数量，便于设计和施工。
文档编号E02C5/02GK102587343SQ20121010088
公开日2012年7月18日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者宣国祥, 李中华, 李云, 胡亚安, 薛淑 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院