三峡船闸输水阀门及其启闭机研究和设计

伍友富 曾晓辉
长江勘测规划设计研究院,湖北武汉430010

文章摘要:三峡船闸输水阀门工作水头达到45．2m，根据大量的试验研究的成果，对输水阀门及其启闭机的型式选择、布置和防空化等技术问题，提出了设计方案。
文章主题:三峡船闸 输水阀门 启闭机

文章内容：2007年第5期20075湖北水力发电0总第72期.72文章编号:1671—3354(21307)05—064—05三峡船闸输水阀门及其启闭机研究和设计伍友富,曾晓辉(长江勘测规划设计研究院,湖北武汉430010)摘要:三峡船闸输水阀门工作水头达到45.2,根据大量的试验研究的成果,对输水阀门及其启闭机的型式选择,布置和防空化等技术问题,提出了设计方案.关键词:三峡船闸;输水阀门;启闭机中图分类号:641.33文献标志码:?ⅵ.(,,&;,430010,):—45.2,—,—,,—.:;;-;三峡船闸为双线五级船闸,输水阀门对称布置在各闸首两侧,共有24扇.根据船闸的水级划分2～5闸首的输水阀门的工作水头为45.2,孔口尺寸4.2×4.5为世界之最.,三峡船闸输水阀门运行频繁,每天运行22次.阀门在开启和动水闭门过程中,特别是在高水头情况下动水闭门过程中水动力学条件复杂,在廊道及阀门的局部可能产生空化,引起阀门及启闭机系统的振动,对船闸的安全运行产生不利的影响.因此,对阀门的布置,-结构,启闭机系统以及门楣体型的布置和结构,进行了大量设计研究,选择合理的型式,避免或减小阀门在启闭过程中廊道及阀门的空化,确保阀门的安全运行.1输水阀门的型式输水阀门在非恒定高速水流作用下,承受较复杂的水动力荷载,极易发生空化,振动而危及阀门的安全收稿日期:2007—06—17作者简介:伍友富,男,高级工程师.64运行.国内外许多高水头船闸建成后输水阀门发生了较强空化和振动,输水廊道和阀门出现了不同程度的空蚀破坏.空化强烈时,还伴随有"声振"现象发生,严重影响船闸的正常运行.阀门形状是影响阀门运行的主要因素,具体表现在以下几个方面:(1)阀门的型式.反向弧型门作为工作阀门,一般有3种门型,即竖梁式,横梁式和横梁全包式.3种门型模型试验结果表明,竖梁式工作阀门的水动力特性最优,横梁全包式工作阀门次之,横梁式工作阀门最差.但竖梁式阀门结构的整体性较差,其抗振能力明显低于横梁全包式工作阀门.(2)阀门底缘型式.由于门体底缘处于高速水流作用下,底缘形状直接影响其压力分布,是影响启门力.大小及其脉动的主要因素.另一方面,底缘形状也影响底缘区的水流特性.因此,底缘几何形状的选择与优化,应同时考虑启门力和底缘空化两个方面的因素.增大底缘边界与水流夹角,提高了底缘区压力,可显着降低阀门净动力启门力,从而可减小启闭机容量,伍友富等:三峡船闸输水阀门及其启闭机研究和设计21307年9月然而却加剧了底缘下游水流的分离,易导致底缘空化的发生,且最小闭门力亦相应减小,不利于动水关闭.在相同闭门力控制条件下,尖锐底缘对启门力仍然不利.(3)阀门顶缘形状.阀门顶缘减薄,阀门闭门力增长,对阀门动水关闭有利.这是因为阀门动水关闭过程中,门井水位快速回升,门井区水流漩滚加强,阀门顶缘区在大开度时易发生流线分离,对相对低压区,减小顶缘体型曲率,可提高顶缘区压力,从而抑制启门力降低.(4)支臂包护方式.阀门支臂直接承受门井中漩滚和门井下泄水流的作用,不同的支臂包护形状(圆柱式,椭圆式)对阀门动水启闭力有一定的影响.(5)阀门门体脉动荷载.门体各部分压力脉动强度以底缘最大,外面板次之,上支臂最小.2门体结构设计2.1阀门的设计条件及运行方式(1)设计荷载系数的确定:《船闸设计规范》(261—266)中规定:在没有实验资料的情况下,输水阀门的设计动水荷载取设计静水荷载乘以压力系数和动力系数.当船闸无动水关闭阀门要求时,压力系数对长廊道可采用1.2～1.3,短廊道可采用1.1～1.2;当船闸有动水关闭阀门要求时,压力系数对长廊道可采用1.4～1.6,短廊道可采用1.15～1.25.动力系数则应根据水流情况,阀门型式和不同的部件取1.0～1.2.但系数的大小应根据阀门,廊道型式,阀门的运行方式和设计经验确定.参考葛洲坝3座船闸的设计经验及美国有关船闸手册的建议,阀门设计动水荷载取2倍的设计静水荷载.根据三峡输水阀门模型实验的结果,其最大动水荷载为1.64倍的静水荷载.三峡船闸设计时取压力系数为1.2,动力系数为1.5,设计最大动水荷载为1.8倍的设计静水荷载.(2)阀门的运行方式:三峡船闸阀门的运行方式有:①动水开门;②控制闸室水位超灌,超泄在低水头情况下动水闭门;③遇事故时在任意水头下动水闭门;④第1和第2闸首的阀门还应根据补水运行情况动水闭门.2.2阀门的布置24扇输水阀门的布置型式基本相同(见图1),即在各闸首顶部设置竖缸式液压启闭机,通过多节刚性吊杆与阀门相连.由于阀门吊耳距闸顶约90,吊杆长度达70,为提高启闭机和吊杆运行的可靠性,减小门井旋滚水流对吊杆的作用,同时便于制造安装,在门井下游壁吊杆连接处设有导槽或卡箍,使上部吊杆沿导槽上下滑动,底吊杆则随阀门的启闭而摆动.2.3阀门的结构选型及设计船闸输水廊道的水力学问题及阀门振动是输水阀门设计的首要问题,必须综和分析各种因素,通过模型试验研究比较,确定输水阀门的结构型式.通过对竖梁式,横梁式,横梁全包式3种门型水力学模型试验的资料分析,比较:由于横梁全包式输水阀门虽然廊道水力学条件稍差,但阀门结构的抗振性好,三峡船闸的输水阀门采用横梁全包式.横梁全包式输水阀门由上游导水护板,下游面板,主横梁,次梁,支铰梁,支臂等组成.门叶,支臂,支铰梁,以及各部位的包护板连成整体,形成闭合框架,保证门体的刚度.设计时按平面框架结构对阀门的主要受力构件进行强度及刚度计算.输水阀门结构尺寸根据廊道的孔口大小,水流流态等确定,支铰中心布置于充泄水时支铰和支铰梁都不受水流直接冲击的高程上,与廊道底面的距离一般为1.1～1.3倍阀门处的廊道高度.面板曲率半径与阀门处廊道高度的比值一般取1.3～1.6.弧门面板与廊道底面的夹角不宜太小,以30.左右为宜.三峡船闸第1,6闸首的输水阀门处廊道孔口尺寸为4.5×5.5,支铰中心距廊道底面6.4,面板曲率半径为8.2,面板与廊道底面的夹角为29.;2～5闸首的输水阀门处的廊道孔口尺寸为4.2×4.5,