2×1 000 噸級水力式升船機布置及運行特性仿真分析*

胡亞安， 薛 淑， 李中華

(南京水利科學研究院， 通航建筑物建設技術交通行業(yè)重點實驗室， 江蘇 南京210029)

水力式升船機是中國發(fā)明的一種全新升船機形式， 其運行原理是在承船廂兩側塔柱結構內布置可充、 泄水的豎井， 豎井中設置浮筒式平衡重，鋼絲繩繞過卷筒連接平衡重與承船廂， 輸水系統(tǒng)向豎井充泄水驅動平衡重升降， 帶動承船廂運行，其運行原理見圖1。 該新型升船機在船廂荷載發(fā)生變化時， 平衡重淹沒水深自動調整以適應船廂側荷載變化， 實現(xiàn)升船機系統(tǒng)的自平衡， 因此， 水力式升船機在應對船廂漏水等安全事故方面具有顯著的優(yōu)越性。 同時， 水力式升船機利用水力驅動代替電力驅動， 不受電機功率的限值， 可突破升船機提升質量的瓶頸。 特別是我國中西部山區(qū)河流通航水位變幅大、 變率快， 為了提高通航效率常采取船廂入水對接的方式， 船廂出入水過程其提升質量變化達數(shù)千噸， 傳統(tǒng)電力驅動式升船機電機功率顯著增加， 而水力式升船機則利用平衡重淹沒深度變化適應船廂荷載變化， 可從根本上解決該問題。 因此， 水力式升船機的應用前景十分廣闊， 目前該形式升船機已成功應用于景洪通航工程， 船廂規(guī)模為500 噸級[1]。

圖1 水力式升船機運行原理

隨著經濟發(fā)展水平的提高， 對樞紐通過能力提出了更高的要求， 千噸級升船機建設是西部山區(qū)河流高壩通航的發(fā)展趨勢。 水力式升船機的工作原理決定了這種新型升船機尤其適合大噸級、大水位變幅的升船機建設， 但是船廂規(guī)模由500 噸級增大到1 000～2 000 噸級時， 平衡重與豎井的數(shù)量、 截面尺寸， 輸水系統(tǒng)截面積相應增加，由此引出的升船機總體布置形式、 大流量條件下豎井水位同步及液面穩(wěn)定性問題是千噸級水力式升船機重點解決的關鍵技術難題。

1 大噸級水力式升船機水力驅動系統(tǒng)優(yōu)化研究

景洪水力式升船機采用的水力驅動系統(tǒng)為“獨立豎井+等慣性輸水系統(tǒng)” 的形式， 等慣性輸水系統(tǒng)的設計原則是分流口至每個出水支孔的慣性長度相等， 在平面上布置第1 次和第2 次分流， 在立面上進行第3、 4 次分流(布置在塔柱結構中)。 水流每經過一級分流口后均利用直角彎管改變流向進入下一級分流， 通過4 次分流， 將上游主管道中的水流分配到各獨立的豎井中。 該輸水系統(tǒng)形式從幾何構造來看， 分支管道是完全對稱的， 見圖2。

圖2 “獨立豎井+等慣性輸水系統(tǒng)” 結構

這種水力驅動系統(tǒng)形式在工程中應用時， 由于等慣性輸水系統(tǒng)須在有限的空間內進行4 級分流， 受豎井底高程和基礎開挖高程的制約， 分流口前的直管長度通常較短， 導致水流在分流前沒有完全平順， 存在偏流現(xiàn)象， 影響下一級分流，應采取多種流量均衡措施保障各豎井水位同步升降。 同時采用等慣性布置， 船廂吊點數(shù)量必須為2n(n 為分流次數(shù))， 這也給不同尺度的船廂布置帶來了困難。

景洪水力式升船機研究表明， 采用“獨立豎井+等慣性輸水系統(tǒng)” 的輸水形式， 豎井之間仍存在一定水位差， 通過采取豎井之間設置連通管道等多種流量均衡與液面穩(wěn)定技術， 能夠解決70 米級提升高度和500 噸級船廂規(guī)模的水力式升船機豎井水位同步性問題。

隨著升程的提高和船廂規(guī)模的增大， 豎井水位同步性問題會更加凸顯， 因此有必要對水力式升船機的豎井水位同步技術做進一步研究和討論。本文提出一種適用于高升程千噸級水力式升船機的“長廊道縱向均勻出水+均衡穩(wěn)壓消能室+獨立豎井” 新型水力驅動系統(tǒng)， 該水力驅動系統(tǒng)以兩側塔柱底部長廊道頂支孔縱向均勻出水輸水形式為基礎， 在豎井與塔柱底部縱向出水支孔間設置貫通均衡穩(wěn)壓消能室， 消能室上部為相互隔離的獨立豎井與平衡重。 見圖3。

圖3 “底部豎井連通+長廊道輸水系統(tǒng)” 結構

與“獨立豎井+等慣性輸水系統(tǒng)” 相比， “底部豎井連通+長廊道輸水系統(tǒng)” 降低了豎井底高程、增加了豎井初始水深及平衡重下方水墊層厚度， 有利于提高豎井水位的同步性， 同時減小水流對平衡重的擾動； 豎井底部連通區(qū)域可以充分消能， 并起到調整豎井水位差的作用； 上部豎井為圓柱體， 受力條件較好， 有利于結構穩(wěn)定。 此外， 采用該技術塔柱內豎井數(shù)量和船廂吊點不需要按2n布置， 機械同步系統(tǒng)和船廂結構布置和設計更加方便。

利用三維數(shù)學模型， 計算分析了兩種水力驅動系統(tǒng)在升船機提升高度分別為150、 120、 100、80 m 時， 相鄰豎井產生的最大水位差[2]， 計算結果表明， 采用“長廊道縱向均勻出水+均衡穩(wěn)壓消能室+獨立豎井” 新型水力驅動系統(tǒng)， 在提升高度為100 m 時， 最大豎井水位差僅為“獨立豎井+等慣性輸水系統(tǒng)” 水力驅動系統(tǒng)的35%。

2 2×1 000 噸級水力式升船機總體布置

依托巖灘通航建筑物擴能工程， 按2×1 000 噸級提升質量設計水力式升船機， 升船機上游通航水位215.0～223.0 m， 下游通航水位153.0～163.3 m，船廂有效水域尺寸143 m×12.1 m×4 m(長×寬×船廂水深)， 船廂外形尺寸158 m×16.6 m×8.7 m(長×寬×高)。 根據(jù)水力式升船機設計理論， 對水力升船機的總體布置、 輸水及水力提升系統(tǒng)主尺度進行計算[3-4]。

2.1 浮筒式平衡重設計

2.1.1 平衡重配重

船廂在空氣中運行時， 平衡重總重力應不小于船廂重力、 廂內最大水體重力與鋼絲繩不平衡拉力之和的2 倍， 同時克服摩擦力等阻力的情況下帶動承船廂上行， 即:

式中:∑Fb為平衡重總重力； Ft為船廂結構及設備重力， 取43 MN； Fw為廂內水體重力， 取81 MN； F0.1為廂內誤載0.1 m 水深的水體重力，取1.91 MN； ΔFs為鋼絲繩最大不平衡拉力， 取3 MN；∑Fr為運行總阻力， 取3 MN。 計算得∑Fb≥263.82 MN， 為留有一定的安全余度， 取平衡重總重力∑Fb=280 MN。

2.1.2 平衡重尺寸

船廂下行入水時， 船廂側合力應大于平衡重側合力的1∕2:

式中: Ftb為船廂所受浮力；∑Fbb為所有平衡重的浮力； 其他參數(shù)同式(1)。 計算得∑Fbb≥186.3 MN，則平衡重的體積∑Vb須滿足∑Vb≥18 630 m3。

在確定平衡重的截面積與高度值時， 優(yōu)先根據(jù)上下游水位確定平衡重截面積。 由于動滑輪作用， 平衡重最大理論行程為船廂最大行程的1∕2，平衡重的有效高度Hbu滿足下式:

式中: Hmax為船廂最大行程； Hmin為船廂最小行程。計算得平衡重的最大有效高度Hbumax=16.70 m。

平衡重截面積∑Sb滿足下式:

通過計算得∑Sb≥1 115.6 m2， 此時一般需要進行方案比選后確定平衡重的截面積與高度。如果平衡重截面積Sb過小， 則高度Hb增加， 平衡重運行的穩(wěn)定性降低， 且安裝維護不便； 平衡重截面積過大則會導致豎井截面積增加， 升船機運行耗水量增加， 同時也不利于塔柱的結構穩(wěn)定。定義平衡重與豎井間隙比為γ(即間隙面積與豎井面積之比)則豎井總面積為:

按平衡重與豎井間隙比為0.10 計算豎井總面積， 根據(jù)以上設計條件， 平衡重不同的截面積及高度配比下升船機耗水量計算見表1。

表1 升船機耗水量

為減小結構應力， 將豎井與浮筒式平衡重設計為圓形截面， 結合升船機耗水量考慮， 確定平衡重底面直徑為7.5 m， 平衡重的數(shù)量為28 個， 則平衡重總截面積∑Sb= 1 237.0 m2， 有效高度Hbu=15.1 m， 根據(jù)平衡重質量計算得出平衡重底部富余水深1.6 m， 頂部富余水深2.0 m， 總高度為18.7 m。

2.2 水力驅動系統(tǒng)設計

采用“長廊道縱向均勻出水+均衡穩(wěn)壓消能室+獨立豎井” 組合式水力驅動系統(tǒng)。 該水力驅動系統(tǒng)以兩側塔柱底部長廊道頂支孔縱向均勻出水為基礎， 在豎井與塔柱底部縱向出水支孔間設置貫通均衡穩(wěn)壓消能室， 消能室上部相互隔離的獨立豎井與平衡重。

2.2.1 豎井尺寸及水位變化區(qū)間

根據(jù)平衡重截面尺寸擬定豎井直徑為7.7 m，則豎井總截面積∑Sj=1 303.9 m2， 平衡重與豎井間隙比γ=0.05， 升船機往返運行一次產生的耗水量為46 642 m3。

豎井水位最大變幅ΔHjmax為(包含船廂出入水):

計算可得豎井水位最大變幅ΔHjmax=50.1 m。

豎井水位變化區(qū)間應滿足以下兩個基本條件:豎井最高水位低于上游最低通航水位， 豎井最低水位高于下游最高通航水位。 此外， 豎井水位變化區(qū)間的確定還應該考慮輸水閥門的空化狀態(tài)，根據(jù)閥門空化數(shù)的定義， 閥門空化程度與水頭差、下游淹沒水深有關。

從保障充水閥門安全性考慮， 豎井最高水位比上游最低水位低0.5 m， 則豎井水位變化區(qū)間為163.8 ～214.5 m。 充水閥門的最大作用水頭ΔHcmax=59.2 m， 最小作用水頭ΔHcmin=0.5 m； 泄水閥門的最大作用水頭ΔHxmax=61.5 m， 最小作用水頭ΔHxmin=0.5 m。

在上、 下游4 種極限水位組合下， 計算船廂運行全程時輸水系統(tǒng)的起始水位差ΔHb與終了水位差ΔHe， 以及船廂僅在空氣中運行時輸水系統(tǒng)的起始水位差ΔH′b與終了水位差ΔH′e， 見表2、 3。

表2 船廂運行全程輸水系統(tǒng)水位差變化

表3 船廂在空氣中運行輸水系統(tǒng)水位差變化

2.2.2 輸水系統(tǒng)水力計算

輸水系統(tǒng)總體布置形式為: 通過鵝頸管連接上游進水口與底部充水閥門系統(tǒng)， 水流經過充水閥門后在船池底部進行一次水平分流， 兩股水流通過廊道分別流向兩側豎井底部， 水流到達豎井底部中央經過二次水平分流至豎井上游側與下游側， 最后水流通過豎井頂部沿程布置的出水支孔向豎井充水； 泄水時， 豎井水體通過底部出水孔進入兩側廊道后匯入船池底部主廊道， 主廊道經過一側閘墻出水。

1)輸水主廊道、 閥門面積計算。 根據(jù)輸水系統(tǒng)的最大流量的估算公式:

根據(jù)最大允許流速計算輸水主廊道的最小面積為:

式中: [v ]為流速的限值。

輸水主廊道的最小面積ωmin=14.6 m2， 從安全、經濟的角度出發(fā)， 控制輸水系統(tǒng)的最大流速不大于10 m∕s， 即[v ] =10 m∕s， 初步擬定輸水主廊道截面尺寸為3.6 m×4.2 m(高×寬)， 面積為15.1 m2。 則升船機輸水主管的最大流速v=9.63 m∕s。

輸水閥門面積小于主廊道面積， 船閘輸水系統(tǒng)輸水主廊道與輸水閥門面積比一般取1.0 ～1.2，擬定輸水閥門直徑為2.4 m， 設“一主兩輔” 3 組閥門， 則輸水閥門總面積ωv=13.6 m2， 輸水主廊道與輸水閥門面積比為1.1∶1。

2)輸水系統(tǒng)流量系數(shù)及阻力系數(shù)估算。 輸水閥門完全開啟后輸水系統(tǒng)流量系數(shù)μ 可通過下式估算:

式中: αk、 αg為系數(shù)， 取0.5 ～0.6； tvk為閥門開啟時間； tvg為閥門關閉時間； T 為運行總時間； 其他參數(shù)同上。

2.3 總體布置

根據(jù)水力計算， 初步設計巖灘2×1 000 噸級水力式升船機總體布置見圖4。

圖4 2×1 000 噸級水力式升船機總布置

3 千噸級水力式升船機運行特性仿真分析

2×1 000 噸級水力式升船機采用以上設計參數(shù)， 在上游最高水位與下游低高水位條件下， 輸水閥門按120 s 勻速啟閉， 升船機運行特性曲線見圖5、 6。 可以看出:

1)豎井充水， 船廂下降運行時間約為550 s，空氣中平均運行速度約0.17 m∕s(10.2 m∕min)， 最大運行速度約0.23 m∕s， 最大輸水流量約143 m3∕s。

2)豎井泄水， 船廂上升運行時間約630 s， 空氣中平均運行速度約0.16 m∕s(9.6 m∕min)， 最大運行速度約0.22 m∕s， 最大輸水流量約140 m3∕s。

圖5 2×1 000 噸級巖灘水力式升船機充水工況運行特性曲線

圖6 2×1 000 噸級巖灘水力式升船機泄水工況運行特性曲線

4 結語

1)2×1 000 噸級水力式升船機的總體布置、 輸水系統(tǒng)及平衡重等關鍵結構尺寸選擇合理， 升船機的各項指標基本達到設計要求。

2)水力式升船機采用“長廊道縱向均勻出水+均衡穩(wěn)壓消能室+獨立豎井” 新型水力驅動系統(tǒng)，豎井水位同步性明顯優(yōu)于“獨立豎井+等慣性輸水系統(tǒng)”， 可應用于大噸級船廂和高升程水力式升船機設計。

3)輸水閥門是水力式升船機的核心設備， 其形式比選、 閥門開啟方式及防空化技術有待進一步研究。