输水阀门的水力学研究

输水阀门在非恒定高速水流作用下频繁操作,涉及到水流空化、脉动、结构物振动等一系列复杂的高速水流问题,另外当船闸水头超过20m 时,在阀门开启过程中,其底缘及下游剪切层、顶止水缝隙等部位较易发生空化,产生空蚀破坏,导致阀门振动,并伴随出现巨大的雷鸣声,发生危害作用极大的“声振”。因此,输水阀门水力学问题的解决,往往为船闸设计研究中的关键。

(1)平面阀门与反向弧形阀门。对于水头在15～20m 的中、高水头船闸,由于工作门槽易发生空化与空蚀,故平面阀门的应用受到了限制。我国针对平面阀门的特点,提出了多种改进方案,在浙江七里垅电站船闸输水平面阀门研究中,为避免门槽空化,采用带随动附腿的方案,即在阀门提升过程中,阀门两侧的附腿将门槽填实,从而避免了门下水流在门槽分离所导致的空化与空蚀;在福建沙溪口电站船闸中,研究了小门槽方案;对湖南五强溪船闸平面阀门底缘的空化特性进行了研究。上述研究成果,为平面阀门在较高水头船闸中的应用积累了经验。前苏联对平面阀门有较多的研究,且在许多中、高水头船闸中采用了平面阀门,而在美国,由于不追求节省工程量和造价,在大多数船闸中,即使水头较低的船闸,都采用了反向弧形阀门。

反向弧形阀门适用于较高水头的船闸。美国自1934年采用了反向弧形阀门以来得到广泛应用,近30多年所建的绝大多数分散输水系统,不论水头高低,其阀门都是采用反向弧门。美国船闸的反向弧门有横梁式、双面板式以及竖梁式等三种结构型式,并认为横梁式在结构上较好,而双面板式及竖梁式在水动力荷载特性上较优越,后者采用较多。我国从20世纪70年代开始,在葛洲坝船闸中,对竖梁式和横梁全包式反向弧门进行了试验研究。其后,在福建水口、湖南五强溪电站船闸以及三峡多级船闸中又进一步进行了研究。

(2)阀门启闭方式。通过改变阀门的启闭方式,可以改善阀门的空化条件和闸室停泊条件。对于集中输水系统,阀门开启速率为满足船舶在充水初期的停泊条件,有时要求变速开启,即先慢后快。对于高水头分散式输水系统船闸,要求同时满足阀门空化条件及船舶停泊条件。美国最早提出采用快速开启阀门来缩短输水时间和改善阀门水力条件,在近年来所建的高水头船闸中,阀门开启时间均只有l～2min。据美国的经验,并在我国的试验研究中证实,阀门快速开启的好处主要有:①提高输水效率,从而大大缩短了输水时间,或者可以缩小阀门的尺寸;②当采用通气方法以解决空化问题时,可以减少吸气时间,从而使进入闸室的空气量很少,保证闸室内良好的泊稳条件;③大大减少了阀门开启过程中阀门所承受的不利的动水作用时间,从而改善了阀门的工作条件;④由于快速开启的惯性水头较大,可以提高阀门后的廊道压力,减少阀门开启过程中的输水流量。

(3)阀门段廊道体型。当阀门开启速率确定后,要确定满足设计输水时间要求的阀门廊道断面积,通常计算阀门面积时采用《船闸设计规范》公式。输水阀门处廊道底高程的设计一般按集中和分散两种输水型式来考虑阀门高程位置。对于集中输水系统型式的船闸,由于不存在阀门空化问题,因此阀门处廊道底高程应考虑不低于《船闸设计规范》对出口淹没水深的要求。此外,尚应考虑阀门后不应产生强烈的远驱式水跃。对于分散输水系统型式的船闸,水头一般都较大,其充水阀门一般均采用封闭式,且门后不容许大量进气,因此要从阀门处空化条件来确定廊道底高程。

输水阀门段廊道体型一般可分为不扩大、顶扩及突扩三类(见图5-13)。对阀门后突扩廊道体型应用于船闸的试验研究首先在前苏联的文献中发表,但从未用于工程实践。美国在许多试验中早已发现,阀门后采用向上扩大的体型(顶扩)可以提高阀门后的廊道压力,从而改善阀门底缘空化条件,此种体型在20世纪60年代曾流行一时,我国的葛洲坝、万安等船闸也采用了顶扩体型。1985年以后,我国在福建沙溪口电站船闸中采用了底部与两侧突扩的体型,在福建水口及湖南五强溪船闸中采用了顶部及两侧突扩的体型,这3座船闸均已建成,并进行了原型观测,均取得了防止空化空蚀的良好效果。

图5-13　典型阀门段布置体型(www.xing528.com)

我国在三峡多级船闸水力学研究中,对突扩廊道体型的水力与空化特性进行了系列研究,提出了结构简单、体积小的底扩廊道体型,该体型可改善阀门后水流结构、降低水流压力脉动、提高门后压力、具有很强的减免阀门空化和振动的能力,并在三峡永久船闸上实施。

(4)通气减蚀措施。美国根据多座高水头船闸的建设和运行管理经验,提出采用阀门后廊道顶自然通气的措施以减免阀门空化(阀门后廊道顶部的压力应保持在负3m 水柱以上),并从可能产生空化的开度0.35起就开始吸入空气,通气管的最佳位置应设于阀门后距阀门0.5倍阀门高度处的廊道顶部。通过原型观测证实,这种通气减蚀措施是非常有效的。

根据我国河流水位变幅较大的特点,经多年研究提出了在反弧门顶止水门楣处设置通气孔的措施,不仅可基本消除顶缝空化,还可有效地抑制阀门底缘空化,减弱了声振,且通气稳定,适应范围广。该措施已在葛洲坝1、2号船闸上成功应用,同时在三峡船闸试验研究中又进行了改进(见图5-14)。

图5-14　三峡船闸门楣

(5)阀门的流激振动。国内外船闸运行的经验表明,当水头超过20m 时,阀门的振动问题比较突出。我国在阀门的流激振动研究中采用了数学模型、物理模型相结合的综合方法。通过模态分析及灵敏度计算,找出阀门结构动态薄弱环节,并应用综合法对其进行动态优化,提出兼有结构和水力特性优点的阀门结构型式;应用阀门流激振动动力可靠度分析方法,比较直观地揭示了运行过程中阀门振动首次超越给定控制值的概率,为方案优选提供了新的判据。此外,针对船闸输水过程的非平稳性,提出了应用自适应最小二乘格式算法估计非平稳过程压力脉动及振动的谱。

(6)阀门非恒定流减压试验。对船闸阀门常压水力学试验研究,国内外已普遍采用了非恒定流试验的方法,然而输水阀门空化特性研究一直沿用了水工水力学研究领域的减压箱来进行,采用的是恒定流模拟方法。对于慢速开启阀门而言,当廊道惯性长度不太长时,廊道水流的惯性作用尚不明显,恒定流减压试验方法基本能非连续地模拟阀门空化状态。但对于阀门快速开启,阀门段水流的非恒定流特征显著,恒定流条件下的减压试验就无法模拟动水启闭过程的门后流态,也不可能产生门后的大片负压区。为此,我国在结合三峡船闸输水阀门防空化措施的研究中,首次提出了非恒定流减压试验方法,并建立了国内外唯一的两座不同规模的船闸专用非恒定流减压试验设备。

非恒定流减压试验除能更真实复演实际工况下的流态和空化现象外,与传统恒定流减压试验方法相比,还具有以下特点:①能模拟阀门开启过程中的连续空化状态;②能直观地反映阀门开启速率对阀门空化的影响;③可模拟阀门非正常运行方式下的阀门空化特性;④可以研究空化状态下的阀门受力状态。因此,阀门非恒定流减压试验成为船闸阀门水力学研究的一个重要手段。