2×1 000 吨级水力式升船机布置及运行特性仿真分析*

胡亚安， 薛 淑， 李中华

(南京水利科学研究院， 通航建筑物建设技术交通行业重点实验室， 江苏 南京210029)

水力式升船机是中国发明的一种全新升船机形式， 其运行原理是在承船厢两侧塔柱结构内布置可充、 泄水的竖井， 竖井中设置浮筒式平衡重，钢丝绳绕过卷筒连接平衡重与承船厢， 输水系统向竖井充泄水驱动平衡重升降， 带动承船厢运行，其运行原理见图1。 该新型升船机在船厢荷载发生变化时， 平衡重淹没水深自动调整以适应船厢侧荷载变化， 实现升船机系统的自平衡， 因此， 水力式升船机在应对船厢漏水等安全事故方面具有显著的优越性。 同时， 水力式升船机利用水力驱动代替电力驱动， 不受电机功率的限值， 可突破升船机提升质量的瓶颈。 特别是我国中西部山区河流通航水位变幅大、 变率快， 为了提高通航效率常采取船厢入水对接的方式， 船厢出入水过程其提升质量变化达数千吨， 传统电力驱动式升船机电机功率显著增加， 而水力式升船机则利用平衡重淹没深度变化适应船厢荷载变化， 可从根本上解决该问题。 因此， 水力式升船机的应用前景十分广阔， 目前该形式升船机已成功应用于景洪通航工程， 船厢规模为500 吨级[1]。

图1 水力式升船机运行原理

随着经济发展水平的提高， 对枢纽通过能力提出了更高的要求， 千吨级升船机建设是西部山区河流高坝通航的发展趋势。 水力式升船机的工作原理决定了这种新型升船机尤其适合大吨级、大水位变幅的升船机建设， 但是船厢规模由500 吨级增大到1 000～2 000 吨级时， 平衡重与竖井的数量、 截面尺寸， 输水系统截面积相应增加，由此引出的升船机总体布置形式、 大流量条件下竖井水位同步及液面稳定性问题是千吨级水力式升船机重点解决的关键技术难题。

1 大吨级水力式升船机水力驱动系统优化研究

景洪水力式升船机采用的水力驱动系统为“独立竖井+等惯性输水系统” 的形式， 等惯性输水系统的设计原则是分流口至每个出水支孔的惯性长度相等， 在平面上布置第1 次和第2 次分流， 在立面上进行第3、 4 次分流(布置在塔柱结构中)。 水流每经过一级分流口后均利用直角弯管改变流向进入下一级分流， 通过4 次分流， 将上游主管道中的水流分配到各独立的竖井中。 该输水系统形式从几何构造来看， 分支管道是完全对称的， 见图2。

图2 “独立竖井+等惯性输水系统” 结构

这种水力驱动系统形式在工程中应用时， 由于等惯性输水系统须在有限的空间内进行4 级分流， 受竖井底高程和基础开挖高程的制约， 分流口前的直管长度通常较短， 导致水流在分流前没有完全平顺， 存在偏流现象， 影响下一级分流，应采取多种流量均衡措施保障各竖井水位同步升降。 同时采用等惯性布置， 船厢吊点数量必须为2n(n 为分流次数)， 这也给不同尺度的船厢布置带来了困难。

景洪水力式升船机研究表明， 采用“独立竖井+等惯性输水系统” 的输水形式， 竖井之间仍存在一定水位差， 通过采取竖井之间设置连通管道等多种流量均衡与液面稳定技术， 能够解决70 米级提升高度和500 吨级船厢规模的水力式升船机竖井水位同步性问题。

随着升程的提高和船厢规模的增大， 竖井水位同步性问题会更加凸显， 因此有必要对水力式升船机的竖井水位同步技术做进一步研究和讨论。本文提出一种适用于高升程千吨级水力式升船机的“长廊道纵向均匀出水+均衡稳压消能室+独立竖井” 新型水力驱动系统， 该水力驱动系统以两侧塔柱底部长廊道顶支孔纵向均匀出水输水形式为基础， 在竖井与塔柱底部纵向出水支孔间设置贯通均衡稳压消能室， 消能室上部为相互隔离的独立竖井与平衡重。 见图3。

图3 “底部竖井连通+长廊道输水系统” 结构

与“独立竖井+等惯性输水系统” 相比， “底部竖井连通+长廊道输水系统” 降低了竖井底高程、增加了竖井初始水深及平衡重下方水垫层厚度， 有利于提高竖井水位的同步性， 同时减小水流对平衡重的扰动； 竖井底部连通区域可以充分消能， 并起到调整竖井水位差的作用； 上部竖井为圆柱体， 受力条件较好， 有利于结构稳定。 此外， 采用该技术塔柱内竖井数量和船厢吊点不需要按2n布置， 机械同步系统和船厢结构布置和设计更加方便。

利用三维数学模型， 计算分析了两种水力驱动系统在升船机提升高度分别为150、 120、 100、80 m 时， 相邻竖井产生的最大水位差[2]， 计算结果表明， 采用“长廊道纵向均匀出水+均衡稳压消能室+独立竖井” 新型水力驱动系统， 在提升高度为100 m 时， 最大竖井水位差仅为“独立竖井+等惯性输水系统” 水力驱动系统的35%。

2 2×1 000 吨级水力式升船机总体布置

依托岩滩通航建筑物扩能工程， 按2×1 000 吨级提升质量设计水力式升船机， 升船机上游通航水位215.0～223.0 m， 下游通航水位153.0～163.3 m，船厢有效水域尺寸143 m×12.1 m×4 m(长×宽×船厢水深)， 船厢外形尺寸158 m×16.6 m×8.7 m(长×宽×高)。 根据水力式升船机设计理论， 对水力升船机的总体布置、 输水及水力提升系统主尺度进行计算[3-4]。

2.1 浮筒式平衡重设计

2.1.1 平衡重配重

船厢在空气中运行时， 平衡重总重力应不小于船厢重力、 厢内最大水体重力与钢丝绳不平衡拉力之和的2 倍， 同时克服摩擦力等阻力的情况下带动承船厢上行， 即:

式中:∑Fb为平衡重总重力； Ft为船厢结构及设备重力， 取43 MN； Fw为厢内水体重力， 取81 MN； F0.1为厢内误载0.1 m 水深的水体重力，取1.91 MN； ΔFs为钢丝绳最大不平衡拉力， 取3 MN；∑Fr为运行总阻力， 取3 MN。 计算得∑Fb≥263.82 MN， 为留有一定的安全余度， 取平衡重总重力∑Fb=280 MN。

2.1.2 平衡重尺寸

船厢下行入水时， 船厢侧合力应大于平衡重侧合力的1∕2:

式中: Ftb为船厢所受浮力；∑Fbb为所有平衡重的浮力； 其他参数同式(1)。 计算得∑Fbb≥186.3 MN，则平衡重的体积∑Vb须满足∑Vb≥18 630 m3。

在确定平衡重的截面积与高度值时， 优先根据上下游水位确定平衡重截面积。 由于动滑轮作用， 平衡重最大理论行程为船厢最大行程的1∕2，平衡重的有效高度Hbu满足下式:

式中: Hmax为船厢最大行程； Hmin为船厢最小行程。计算得平衡重的最大有效高度Hbumax=16.70 m。

平衡重截面积∑Sb满足下式:

通过计算得∑Sb≥1 115.6 m2， 此时一般需要进行方案比选后确定平衡重的截面积与高度。如果平衡重截面积Sb过小， 则高度Hb增加， 平衡重运行的稳定性降低， 且安装维护不便； 平衡重截面积过大则会导致竖井截面积增加， 升船机运行耗水量增加， 同时也不利于塔柱的结构稳定。定义平衡重与竖井间隙比为γ(即间隙面积与竖井面积之比)则竖井总面积为:

按平衡重与竖井间隙比为0.10 计算竖井总面积， 根据以上设计条件， 平衡重不同的截面积及高度配比下升船机耗水量计算见表1。

表1 升船机耗水量

为减小结构应力， 将竖井与浮筒式平衡重设计为圆形截面， 结合升船机耗水量考虑， 确定平衡重底面直径为7.5 m， 平衡重的数量为28 个， 则平衡重总截面积∑Sb= 1 237.0 m2， 有效高度Hbu=15.1 m， 根据平衡重质量计算得出平衡重底部富余水深1.6 m， 顶部富余水深2.0 m， 总高度为18.7 m。

2.2 水力驱动系统设计

采用“长廊道纵向均匀出水+均衡稳压消能室+独立竖井” 组合式水力驱动系统。 该水力驱动系统以两侧塔柱底部长廊道顶支孔纵向均匀出水为基础， 在竖井与塔柱底部纵向出水支孔间设置贯通均衡稳压消能室， 消能室上部相互隔离的独立竖井与平衡重。

2.2.1 竖井尺寸及水位变化区间

根据平衡重截面尺寸拟定竖井直径为7.7 m，则竖井总截面积∑Sj=1 303.9 m2， 平衡重与竖井间隙比γ=0.05， 升船机往返运行一次产生的耗水量为46 642 m3。

竖井水位最大变幅ΔHjmax为(包含船厢出入水):

计算可得竖井水位最大变幅ΔHjmax=50.1 m。

竖井水位变化区间应满足以下两个基本条件:竖井最高水位低于上游最低通航水位， 竖井最低水位高于下游最高通航水位。 此外， 竖井水位变化区间的确定还应该考虑输水阀门的空化状态，根据阀门空化数的定义， 阀门空化程度与水头差、下游淹没水深有关。

从保障充水阀门安全性考虑， 竖井最高水位比上游最低水位低0.5 m， 则竖井水位变化区间为163.8 ～214.5 m。 充水阀门的最大作用水头ΔHcmax=59.2 m， 最小作用水头ΔHcmin=0.5 m； 泄水阀门的最大作用水头ΔHxmax=61.5 m， 最小作用水头ΔHxmin=0.5 m。

在上、 下游4 种极限水位组合下， 计算船厢运行全程时输水系统的起始水位差ΔHb与终了水位差ΔHe， 以及船厢仅在空气中运行时输水系统的起始水位差ΔH′b与终了水位差ΔH′e， 见表2、 3。

表2 船厢运行全程输水系统水位差变化

表3 船厢在空气中运行输水系统水位差变化

2.2.2 输水系统水力计算

输水系统总体布置形式为: 通过鹅颈管连接上游进水口与底部充水阀门系统， 水流经过充水阀门后在船池底部进行一次水平分流， 两股水流通过廊道分别流向两侧竖井底部， 水流到达竖井底部中央经过二次水平分流至竖井上游侧与下游侧， 最后水流通过竖井顶部沿程布置的出水支孔向竖井充水； 泄水时， 竖井水体通过底部出水孔进入两侧廊道后汇入船池底部主廊道， 主廊道经过一侧闸墙出水。

1)输水主廊道、 阀门面积计算。 根据输水系统的最大流量的估算公式:

根据最大允许流速计算输水主廊道的最小面积为:

式中: [v ]为流速的限值。

输水主廊道的最小面积ωmin=14.6 m2， 从安全、经济的角度出发， 控制输水系统的最大流速不大于10 m∕s， 即[v ] =10 m∕s， 初步拟定输水主廊道截面尺寸为3.6 m×4.2 m(高×宽)， 面积为15.1 m2。 则升船机输水主管的最大流速v=9.63 m∕s。

输水阀门面积小于主廊道面积， 船闸输水系统输水主廊道与输水阀门面积比一般取1.0 ～1.2，拟定输水阀门直径为2.4 m， 设“一主两辅” 3 组阀门， 则输水阀门总面积ωv=13.6 m2， 输水主廊道与输水阀门面积比为1.1∶1。

2)输水系统流量系数及阻力系数估算。 输水阀门完全开启后输水系统流量系数μ 可通过下式估算:

式中: αk、 αg为系数， 取0.5 ～0.6； tvk为阀门开启时间； tvg为阀门关闭时间； T 为运行总时间； 其他参数同上。

2.3 总体布置

根据水力计算， 初步设计岩滩2×1 000 吨级水力式升船机总体布置见图4。

图4 2×1 000 吨级水力式升船机总布置

3 千吨级水力式升船机运行特性仿真分析

2×1 000 吨级水力式升船机采用以上设计参数， 在上游最高水位与下游低高水位条件下， 输水阀门按120 s 匀速启闭， 升船机运行特性曲线见图5、 6。 可以看出:

1)竖井充水， 船厢下降运行时间约为550 s，空气中平均运行速度约0.17 m∕s(10.2 m∕min)， 最大运行速度约0.23 m∕s， 最大输水流量约143 m3∕s。

2)竖井泄水， 船厢上升运行时间约630 s， 空气中平均运行速度约0.16 m∕s(9.6 m∕min)， 最大运行速度约0.22 m∕s， 最大输水流量约140 m3∕s。

图5 2×1 000 吨级岩滩水力式升船机充水工况运行特性曲线

图6 2×1 000 吨级岩滩水力式升船机泄水工况运行特性曲线

4 结语

1)2×1 000 吨级水力式升船机的总体布置、 输水系统及平衡重等关键结构尺寸选择合理， 升船机的各项指标基本达到设计要求。

2)水力式升船机采用“长廊道纵向均匀出水+均衡稳压消能室+独立竖井” 新型水力驱动系统，竖井水位同步性明显优于“独立竖井+等惯性输水系统”， 可应用于大吨级船厢和高升程水力式升船机设计。

3)输水阀门是水力式升船机的核心设备， 其形式比选、 阀门开启方式及防空化技术有待进一步研究。