關(guān)于承受高水壓閘門下吸力的研究

喻體軍

（水電七局機(jī)電安裝分局四川省眉山市620860）

關(guān)于承受高水壓閘門下吸力的研究

喻體軍

（水電七局機(jī)電安裝分局四川省眉山市620860）

本文介紹了在承受高水壓時(shí)，閘門模型試驗(yàn)的下吸力研究結(jié)果。下吸力的大小在很大程度上取決于閘門的底緣形式。在管道進(jìn)水口的閘門安裝過(guò)程中，共獲得了14種不同形式閘門的下吸力特性，研究了承受高水壓的滑動(dòng)閘門以及閘門形式與下吸力的關(guān)系。采用傾斜的底部形式和垂直的邊緣能減少閘門底部水流的分離區(qū)，從而能有效地減小閘門的下吸力。

高水壓；下吸力；壓強(qiáng)；閘門底部形式

引言

在選取承受高水壓閘門的啟閉機(jī)容量時(shí)，下吸力是一個(gè)很重要的因素。在閘門不同的開(kāi)度下，閘門的啟閉機(jī)容量必須控制在能夠承受閘門的重量、摩擦力以及下吸力的總和。雖然閘門下吸力的變化取決于閘門的形式，但是能夠減小下吸力的閘門勢(shì)必也會(huì)增加閘門的制造成本。所以非常有必要研究一下閘門的形式，使它既能滿足設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)要求，也能滿足減小下吸力的要求。正是基于這個(gè)原因，我們公司研究了管道進(jìn)水口和管道中的閘門形式與下吸力的關(guān)系。

1　模型設(shè)備

1.1取水口和溢洪道閘門的設(shè)備

我們的取水口和溢洪道閘門的設(shè)備見(jiàn)圖1。此項(xiàng)模型試驗(yàn)是在一個(gè)600mm寬、2m高水頭的管道中進(jìn)行的。供水設(shè)備是由一臺(tái)曾經(jīng)用于水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)的超大供水量的水泵。

圖1　用于取水口和泄洪道測(cè)試設(shè)備的布置圖

在閘門的模型上我們安裝了二維測(cè)壓元件，用于直接測(cè)量下吸力，其結(jié)果是很精準(zhǔn)的。

這個(gè)模型試驗(yàn)的設(shè)備可以用來(lái)測(cè)試閘門的不同水力特性，其中就包括下吸力大小的測(cè)量。在運(yùn)往尼日利亞的閘門特性測(cè)試時(shí)，就是采取的上述設(shè)備。

1.2在管道中的閘門模型實(shí)驗(yàn)的設(shè)備

測(cè)試管道閘門模型設(shè)備尺寸：寬150mm，高225mm，供水設(shè)備所采用的水泵，完全能夠滿足實(shí)驗(yàn)的目的要求。這種形式閘門的下吸力大小可以通過(guò)布置在閘門頂部和底部的測(cè)量元件獲取。

2　用于下吸力測(cè)試的閘門

用于下吸力測(cè)試的閘門詳見(jiàn)圖2，共計(jì)采用了14種閘門。

關(guān)于在下文中的閘門，我們引用了圖2中的序號(hào)。例如，閘門①就是圖4中所示的序號(hào)①。

圖2　用于測(cè)試取水口閘門下吸力的閘門

2.1下吸力測(cè)試結(jié)果

相比較與閘門①，閘門⑧A的下吸力減少了1/3.2。如果考慮到門葉結(jié)構(gòu)的制造成本，閘門⑨B更加具有優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，相比較于閘門①，閘門⑨B的下吸力減少了1/2.9。

從中，我們可以很清楚的看出，不同形式的閘門能引起下吸力的巨大變化。所以說(shuō)，減少閘門和啟閉設(shè)備的成本不僅可以通過(guò)關(guān)注減小閘門的制造成本來(lái)達(dá)到目的，亦可通過(guò)選擇選擇具有下吸力小的門葉結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)研究結(jié)果，在給尼日利亞設(shè)計(jì)的閘門就采用了上述閘門⑨B，目前，閘門正在制造中。這種閘門的形式正在申請(qǐng)專利。

2.2關(guān)于閘門和下吸力二者關(guān)系的討論

我們通過(guò)研究閘門與下吸力的關(guān)系中，獲取了一些數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)中，我們得出在多重要求下設(shè)計(jì)閘門的普遍性原則。

2.2.1最大下吸力與傾斜角度

根據(jù)那些具有底緣傾角θ為0°（例如閘門①和②）模型實(shí)驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)，我們給出了傾斜角度與最大下吸力系數(shù)之間的關(guān)系，同時(shí)也給出了納屋達(dá)司齊關(guān)于管道中閘門下吸力的數(shù)據(jù)。

當(dāng)可以清晰的看到當(dāng)θ=0時(shí)，最大下吸力幾乎取決于傾角α。假定閘門下游底部彎曲部分半徑r/t為定值，當(dāng)傾角e/t增加時(shí)，下吸力反而減??；假定e/t為定值，如果r/t增加，下吸力相應(yīng)卻減小。

2.2.2底部分離區(qū)、下吸力、最合適的底緣長(zhǎng)度之間的關(guān)系

具有底緣的閘門并不能阻止水流與其靠近閘門底緣部分的分離和渦流的產(chǎn)生。渦流區(qū)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)下降能引起閘門下吸力的增加。

但是，如果分離區(qū)完全被覆蓋，底緣長(zhǎng)度減少至0（例如閘門③和④的閘門），下吸力反而增加了。所以非常有必要研究底部分離區(qū)的減小范圍和底緣長(zhǎng)度的減小范圍，對(duì)于下吸力的減小會(huì)產(chǎn)生什么樣的效果。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以總結(jié)出規(guī)律，如果閘門的底緣長(zhǎng)度，即θ/α在0.6～0.7之間，那么閘門的下吸力將會(huì)變得非常小。

2.2.3比較一下曲面底緣和平面底緣的效果

曲面底緣和平面底緣的效果可以從閘門⑦R和閘門⑨B的下吸力特性看出。相對(duì)于閘門⑨B，閘門⑦R具有更大的底緣傾角α，沒(méi)有產(chǎn)生渦流，對(duì)下吸力減小也有一定的趨勢(shì)。

接下來(lái)，談一下底緣形狀，相比較曲面底緣閘門的⑦R，θ/α= 0.68的閘門⑨B對(duì)于減小下吸力來(lái)說(shuō)，形狀更適宜。閘門⑦R和閘門⑨B的下吸力特性曲線幾乎差不多。通過(guò)閘門⑦R和閘門⑨B的下吸力特性比較來(lái)看，兩種閘門的效果一樣，但從進(jìn)口角度和分離區(qū)的方面看，閘門⑨B比曲面底緣閘門⑦R在減小下吸力方面更具有優(yōu)勢(shì)。所以，假如減小下吸力僅僅只是個(gè)目的的話，相對(duì)于曲面底緣來(lái)說(shuō)，可以選取更佳的底緣形式。

3　管道中的閘門下吸力

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，即使閘門的底緣形式和開(kāi)度γ/t一樣的情況下，當(dāng)Y0/t這個(gè)數(shù)據(jù)變化時(shí)，閘門底部的壓強(qiáng)分布區(qū)也會(huì)有很大的變化。前面所提到的進(jìn)水口閘門，具有很大的Y0/t，如果只根據(jù)水力特性把這種形式的閘門也布置在管道中，那就是很危險(xiǎn)的。所以非常有必要研究一下管道中的閘門。

關(guān)于管道中閘門的下吸力，在一定的程度上可以參考和利用納屋達(dá)司齊的數(shù)據(jù)。

我們公司投入極大的熱情研究了高水壓的滑動(dòng)閘門，但是現(xiàn)在用于研究閘門下吸力的數(shù)據(jù)卻很少。所以接下來(lái)會(huì)專注研究高水壓滑動(dòng)閘門下吸力特性。

3.1底部壓強(qiáng)測(cè)試結(jié)果

底部具有相似形狀的納屋達(dá)司齊的數(shù)據(jù)，可以說(shuō)兩種測(cè)試結(jié)果具有同一種趨勢(shì)。我們的數(shù)據(jù)有些偏大，那是因?yàn)槲覀儾捎玫拈l門具有底緣。

3.2管道進(jìn)口的壓強(qiáng)測(cè)試結(jié)果

要想計(jì)算閘門的下吸力，獲取閘門頂部的壓強(qiáng)是必不可缺的。閘門頂部壓強(qiáng)取決于管道進(jìn)口的壓強(qiáng)以及在管道和閘門上下游的間隙所產(chǎn)生的水頭損失。

式中：Δhμ——在閘門和管道上游的間隙所產(chǎn)生水頭損失；

Δhd——在閘門和管道下游的間隙所產(chǎn)生水頭損失。

Δhμ和Δhd的大小取決于每扇閘門前后的間隙。

在水力測(cè)試中，測(cè)試閘門本頂部的壓強(qiáng)不是很重要，但是非常有必要獲知管道進(jìn)口的壓強(qiáng)，因?yàn)檫@樣可以通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算出實(shí)際閘門頂部的壓強(qiáng)。

3.3實(shí)際閘門的下吸力

實(shí)際閘門的下吸力可這樣獲得，將上述實(shí)際閘門的壓強(qiáng)系數(shù)轉(zhuǎn)換成閘門的壓強(qiáng)，再由式（1）和式（2）得到閘門頂部的壓強(qiáng)，從而得到下吸力值。在管道中的閘門，還應(yīng)該注意負(fù)的下吸力（即上托力）。經(jīng)常有關(guān)于閉門失敗這方面的報(bào)道。本文研究所獲得數(shù)據(jù)，很好地解釋了一些問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)閘門啟閉設(shè)備時(shí)，對(duì)于選擇一個(gè)合適的啟閉容量更能提供有力依據(jù)。

4　結(jié)論

當(dāng)閘門底部?jī)A斜角度為0時(shí)，最大下吸力取決于這樣一個(gè)角度，那就是連接閘門底部底緣與彎曲部分的切線與水平線的夾角（本文中的角度α）。

當(dāng)閘門底部的分離區(qū)減小時(shí)，下吸力也隨之降低。然而，當(dāng)去掉底緣完全覆蓋分離區(qū)時(shí)，下吸力反而增大。如果把閘門底部的表面與水平線間的夾角定義為θ，那么一個(gè)適宜的底緣長(zhǎng)度就可以定位了，關(guān)系就是這樣的，θ/α=0.6～0.7。

這種形式的閘門的確能夠減小下吸力，而且其研究結(jié)果已經(jīng)被推廣。在給尼日利亞設(shè)計(jì)的閘門已經(jīng)采用了上述閘門，并且閘門正在加工制造。

[1]Naudascher′E.Hydrodynamic Analysis for High Head Leaf Gates.Proc，ASCE，VoL 90 No.HY3，1964，5.

[2]Sagar B.T.A,Downpull in High-Head Gate Installations，Water Power &Dam Construction，1977，3.

TV663.8

A

1673-0038（2015）14-0241-02

2015-3-20

喻體軍（1965-），男，重慶永川人，工程師，本科，從事工程管理工作。