水力浮动式升船机运行特性研究

摘要

随着高水头水利水电枢纽的建设和内河水运的发展，必须大力发展升船机建设。近几年来，国内外修建的升船机大多采用“电力驱动”式的垂直升船机，而水力浮动式升船机是依靠水能获得提升动力的一种新型的垂直升船机，与传统升船机相比具有安全可靠、节省投资、机构简单等明显的优越性，但由于国内外无运行实例，加之对其缺乏系统深入的研究，故存在一系列复杂的技术问题亟待解决。本文以景洪水力浮动式升船机设计资料为背景，对水力浮动式升船机进行了深入地理论计算和系统地试验研究，主要内容如下： (1) 本文通过对水力浮动式升船机运行原理的深入分析，针对竖井与平衡重浮筒之间的间隙大小、承船厢和平衡重浮筒的底部外形轮廓以及其充泄水阀门的启闭方式这四个影响水力浮动式升船机运行质量的关键问题，建立了输水系统、平衡重浮筒——承船厢系统的概化模型，采用数值计算和模型试验的方法对其进行了系统的研究，为水力浮动式升船机的设计和应用提供了理论依据。 (2) 输水系统是水力浮动式升船机的主要组成部分之一。等惯性系统在理论上可以实现竖井水位的完全同步，然而在实际运行过程中竖井水位不可避免的存在水位差，恶化同步轴受力条件，影响水力浮动式升船机安全可靠运行。为改善竖井水位的同步性，本文提出了在竖井底部中隔之间设置连通廊道的有效措施，并研究了不同连通廊道布置和尺寸对竖井水位同步特性的影响。 (3) 根据水力浮动式升船机的工作原理，本文首次建立了一个能描述水力浮动式升船机整体系统运行过程的数学模型，对水力浮动式升船机在输水系统、连通廊道布置方面和升船机正常运行方面进行了全面深入的研究，为水力浮动式升船机的设计和运行提供了科学依据。 (4) 按照相似准则，建立了比尺为 1：22 的水力浮动式升船机整体物理模型，首次对水力浮动式升船机在正常运行和事故等工况下输水系统的水力学特性和承船厢的运行特性等进行了深入系统的研究，进一步论证了水力浮动式升船机的可行性。 (5) 本文对水力浮动式升船机塔柱结构进行了静动力有限元分析，研究了水力浮动式升船机塔柱结构在主要工况下的应力和位移分布情况，并对其刚度和强度进行了安全评价，为塔柱结构的设计提供了依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1升船机发展现状

1.2升船机类型

1.3水力浮动式升船机研究现状

1.4研究的目的与意义

1.5研究内容

第二章水力浮动式升船机概述

2.1基本原理

2.2主要组成部分

2.3景洪水力浮动式升船机设计概况

第三章影响水力浮动式升船机平稳运行的几个关键问题研究

3.1引言

3.2水力浮动式升船机的概化模型

3.3研究方法

3.3.1数学模型的建立

3.3.2物理模型的建立

3.4平衡重浮筒与竖井之间的间隙大小影响分析

3.5承船厢底部外形轮廓的影响分析

3.6充泄水阀门启闭方式的影响分析

3.7平衡重浮筒底部外形轮廓的影响分析

3.8本章小结

第四章输水系统的水力同步性研究

4.1引言

4.2输水系统水力同步性的试验研究

4.2.1模型设计及试验条件

4.2.2原方案的水力同步性研究

4.2.3同侧竖井间连通的水力同步性研究

4.2.4同侧及上游端两侧竖井间连通的水力同步性研究

4.3输水系统水力同步性的数值计算

4.3.1输水系统数学仿真模型

4.3.2原方案的水力同步性研究

4.3.3同侧竖井间连通的水力同步性研究

4.3.4同侧及上游端两侧竖井间连通的水力同步性研究

4.4本章小结

第五章水力浮动式升船机运行过程仿真模拟

5.1引言

5.2水力浮动式升船机运行状态仿真模型

5.2.1数学方程的建立

5.2.2计算参数

5.2.3运行要求

5.3水力浮动式升船机运行过程仿真结果

5.3.1主管路截面尺寸的影响分析

5.3.2水力同步性

5.3.3各种典型工况下运行过程仿真

5.3.4充泄水阀门的启闭方式研究

5.4本章小结

第六章水力浮动式升船机整体模型试验研究

6.1引言

6.2水力浮动式升船机整体物理模型研制

6.2.1模型设计与制作

6.2.2水力浮动式升船机的电气控制系统

6.3承船厢运行速度图

6.3.1承船厢下行速度图

6.3.2承船厢上行速度图

6.4正常工况下水力浮动式升船机整体运行试验研究

6.4.1承船厢下行过程

6.4.2承船厢上行过程

6.5事故工况下水力浮动式升船机整体运行试验研究

6.5.1下游水位下降的影响

6.5.2承船厢漏水的影响

6.5.3平衡重浮筒脱离竖井水面的影响

6.6充水阀门位于不同高程升船机运行参数的对比分析

6.6.1承船厢下行过程

6.6.2承船厢上行过程

6.7本章小结

第七章水力浮动式升船机塔柱结构静动力有限元分析

7.1引言

7.2塔柱结构总体布置

7.3研究方法

7.3.1计算区域及细部结构处理

7.3.2有限元模型

7.3.3材料参数

7.4设计荷载及计算工况

7.4.1荷载

7.4.2计算工况

7.5塔柱结构计算结果分析

7.5.1运行工况

7.5.2检修工况

7.5.3地震工况

7.6塔柱结构安全评价

7.6.1塔柱结构强度安全评价

7.6.2塔柱结构刚度安全评价

7.7本章小结

第八章结论与展望

8.1结论

8.2展望

附图

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参与科研项目

致谢