一種具備抗振性能的水力式升船機閥門系統優化設計方法與流程

2023-11-01 01:04:12 2

技術領域

本發明涉及一種具備抗振性能的水力式升船機閥門系統優化設計方法，具體說的是一種應用於水力式升船機 「一主兩輔」的閥門系統，減小其在高水頭條件下發生振動的閥門優化布置型式及管道體型改造方法。

背景技術：

水力式升船機利用輸水閥門控制船廂的運行速度，輸水閥門包括一個流量係數較大的主閥和兩個流量係數較小的輔閥，主閥用於提高船廂的運行速度、輔閥用於控制船廂的精確對接，三個閥門並列布置，主閥位於中間，輔閥分別位於主閥兩側，前後利用叉管匯合至主輸水管道，見圖1。

由於水力式升船機閥門系統承受的水頭非常大，在工程運行過程中閥門系統振動劇烈，嚴重影響升船機安全運行。

在對其進行模型試驗研究後發現，有以下幾個振動源：

1）並列布置的三個輸水閥門輸出的三股水流受閥後彎管影響明顯，在多叉管匯合處形成「條狀低壓漩渦水流」，水流末梢在叉管匯合區往返擺動，流態極不穩定。「條狀低壓漩渦水流」是引起閥門段管道低頻振動主要原因。

2）高水頭作用下，主閥、輔閥在運行時，閥門後管道壁面壓力脈動劇烈。

3）閥門的空化潰滅區貼附於閥後叉管內壁，造成閥門及管道振動加劇，是引起閥門段管道高頻振動主要原因。

因此，要解決閥門振動問題，須對閥門布置型式及閥門後多叉管體型進行優化改造，消除「條狀低壓漩渦水流」的影響，降低閥後管道內壁的脈動壓力，並提高空化數，使管道邊壁遠離空化潰滅區。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：針對水力式升船機閥門系統在高水頭條件下的劇烈振動現象，提出一種優化的閥門布置型式及管道改造的方法，減小水力式升船機閥門系統振動幅值，保障水力式升船機輸水閥門系統安全運行。

本發明具體採用如下技術方案：

一種具備抗振性能的水力式升船機閥門系統優化設計方法，其特徵在於：將水力式升船機輸水系統的三個閥門呈空間「品」字形立體布置，同時在三個閥門的出口處連接一個共用的抗振體取代原閥後多叉管，抗振體的過流面積大於三個閥門的總截面積，抗振體一端連接三個閥門的出口，另一端直接與下遊輸水主管道連通，為閥後水流提供緩衝區，改善流態，降低原閥後的脈動壓力，減小閥門系統振動幅值。

本發明還提供了一種具備抗振性能的水力式升船機閥門系統，包括相互連接的閥前三叉管和三個閥門，其特徵在於還包括一個抗振體，所述三個閥門呈空間「品」字形立體布置，所述抗振體一端連接三個閥門的出口，另一端直接與下遊輸水主管道連通，抗振體的過流面積大於三個閥門的總截面積。

本發明的優點為：

1）三閥門呈空間「品」字形的布置型式改變了原流場結構，同時抗振體為閥後水流提供較大的緩衝區，使閥後流態得到顯著改善，消除「條狀低壓漩渦水流」及其引起的低頻振動。

2）三閥門呈空間「品」字形布置型式較同高程並列布置更適應「圓形」截面的減振體。

3）採用過流面積較大的抗振體代替多叉管，可大幅度降低水流對原叉管內壁的脈動壓力幅值。

4）抗振體邊壁脫離空泡潰滅區，使空化在水體內部發生，閥門及管道發生空蝕破壞和誘發高頻振動的機率降低。

5）抗振體能減小流速，提高輸水閥門系統整體的抗空化性能，尤其在閥門大開度時，使用抗振體後閥門臨界空化數明顯降低，表明抗空化能力更強。

6）抗振體過流截面積為「圓形」的設計方案避免了方形截面在頂角處產生的應力集中，更有利於抗震體的結構穩定性。

7）優化後的閥門系統布置型式與原三叉管體型的阻力係數及流量係數基本一致，不影響過流能力。

附圖說明

圖1為原水力式升船機「一主兩輔」閥門及前後叉管布置型式；

圖2為本發明優化設計的水力式升船機閥門系統布置型式；

圖3為實施例一相同工況兩種體型振動幅值對比圖；

圖4為實施例一相同工況兩種體型脈動壓力均方根對比圖。

具體實施方式

實施例一

針對水力式升船機一主閥兩輔閥的閥門系統，本發明方法是優化三組閥門的布置型式，使其呈空間「品」字形排列，同時取消閥後叉管體型，替換為具有「圓形」過流截面的抗振體。本發明可改善閥後流態，為閥後水流提供緩衝區，減小閥後管道的壓力脈動，提高閥門系統抗空化性能，消除振動源，起到抗振效果。

如圖2所示，水力式升船機閥門系統包括閥前三叉管、與閥前三叉管連接的三個閥門（一個主閥1、兩個輔閥2）和一個抗振體3。抗振體3為具有三個進水口和一個出水口的中空結構，三個進水口與閥門出口一一對應連接，出水口與下遊輸水主管道連通。三閥門呈空間「品」字形立體排列、採用空間三角型布置，其中主閥位於上方，兩個輔閥分別位於主閥下方兩側。抗振體採用過流截面為「圓形」的圓柱體設計，其截面積大於三個閥門的總截面積，為三個閥門總截面積的3~5倍。抗振體的長度約為輸水主管道直徑的3倍左右。

改造前後振動特性對比如圖3：採用本發明優化設計方案後，主閥測點豎直向振動幅值由10g降低到2g，水平方向振動也從3g降低到1g，減振效果十分明顯。

脈動壓力特性對比如圖4，叉管體型主閥後管道測點pc5壓力脈動均方根最大值為2.7m，抗振體主閥後頂部測點pc7壓力脈動均分根最大值為0.09m，比突擴體型小2.61m（降低90%以上）。

除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡採用三閥門空間「品」字形立體布置型式+閥後增設「圓形」過流截面抗振體的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍。