一种具备抗振性能的水力式升船机阀门系统优化设计方法

摘要

本发明涉及一种具备抗振性能的水力式升船机阀门系统优化设计方法，为了减小水力式升船机输水阀门系统在高水头条件下发生的振动，本发明通过“优化三阀门的空间布置型式+改造阀后管道体型”相结合的手段，将原来位于相同高程并列布置的三个阀门变为空间“品”字形布置，同时用具有“圆柱体”外形的抗振体替换阀后多叉管汇合段，消除阀后低压漩涡区、减小脉动压力、降低流速，从而达到抗振的目的。本发明优化设计的抗振体过流截面为圆形，避免了方形结构顶角的应力集中问题，且便于设计施工。经过模型试验验证，本发明能有效降低阀后水流的脉动压力及管道边壁的振动幅值，简化了阀后多叉管体型，保障了水力式升船机输水系统阀门的安全运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具备抗振性能的水力式升船机阀门系统优化设计方法，具体说的是一种应用于水力式升船机 “一主两辅”的阀门系统，减小其在高水头条件下发生振动的阀门优化布置型式及管道体型改造方法。

背景技术

水力式升船机利用输水阀门控制船厢的运行速度，输水阀门包括一个流量系数较大的主阀和两个流量系数较小的辅阀，主阀用于提高船厢的运行速度、辅阀用于控制船厢的精确对接，三个阀门并列布置，主阀位于中间，辅阀分别位于主阀两侧，前后利用叉管汇合至主输水管道，见图1。

由于水力式升船机阀门系统承受的水头非常大，在工程运行过程中阀门系统振动剧烈，严重影响升船机安全运行。

在对其进行模型试验研究后发现，有以下几个振动源：

1）并列布置的三个输水阀门输出的三股水流受阀后弯管影响明显，在多叉管汇合处形成“条状低压漩涡水流”，水流末梢在叉管汇合区往返摆动，流态极不稳定。“条状低压漩涡水流”是引起阀门段管道低频振动主要原因。

2）高水头作用下，主阀、辅阀在运行时，阀门后管道壁面压力脉动剧烈。

3）阀门的空化溃灭区贴附于阀后叉管内壁，造成阀门及管道振动加剧，是引起阀门段管道高频振动主要原因。

因此，要解决阀门振动问题，须对阀门布置型式及阀门后多叉管体型进行优化改造，消除“条状低压漩涡水流”的影响，降低阀后管道内壁的脉动压力，并提高空化数，使管道边壁远离空化溃灭区。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对水力式升船机阀门系统在高水头条件下的剧烈振动现象，提出一种优化的阀门布置型式及管道改造的方法，减小水力式升船机阀门系统振动幅值，保障水力式升船机输水阀门系统安全运行。

本发明具体采用如下技术方案：

一种具备抗振性能的水力式升船机阀门系统优化设计方法，其特征在于：将水力式升船机输水系统的三个阀门呈空间“品”字形立体布置，同时在三个阀门的出口处连接一个共用的抗振体取代原阀后多叉管，抗振体的过流面积大于三个阀门的总截面积，抗振体一端连接三个阀门的出口，另一端直接与下游输水主管道连通，为阀后水流提供缓冲区，改善流态，降低原阀后的脉动压力，减小阀门系统振动幅值。

本发明还提供了一种具备抗振性能的水力式升船机阀门系统，包括相互连接的阀前三叉管和三个阀门，其特征在于还包括一个抗振体，所述三个阀门呈空间“品”字形立体布置，所述抗振体一端连接三个阀门的出口，另一端直接与下游输水主管道连通，抗振体的过流面积大于三个阀门的总截面积。

本发明的优点为：

1）三阀门呈空间“品”字形的布置型式改变了原流场结构，同时抗振体为阀后水流提供较大的缓冲区，使阀后流态得到显著改善，消除“条状低压漩涡水流”及其引起的低频振动。

2）三阀门呈空间“品”字形布置型式较同高程并列布置更适应“圆形”截面的减振体。

3）采用过流面积较大的抗振体代替多叉管，可大幅度降低水流对原叉管内壁的脉动压力幅值。

4）抗振体边壁脱离空泡溃灭区，使空化在水体内部发生，阀门及管道发生空蚀破坏和诱发高频振动的机率降低。

5）抗振体能减小流速，提高输水阀门系统整体的抗空化性能，尤其在阀门大开度时，使用抗振体后阀门临界空化数明显降低，表明抗空化能力更强。

6）抗振体过流截面积为“圆形”的设计方案避免了方形截面在顶角处产生的应力集中，更有利于抗震体的结构稳定性。

7）优化后的阀门系统布置型式与原三叉管体型的阻力系数及流量系数基本一致，不影响过流能力。

附图说明

图1为原水力式升船机“一主两辅”阀门及前后叉管布置型式；

图2为本发明优化设计的水力式升船机阀门系统布置型式；

图3为实施例一相同工况两种体型振动幅值对比图；

图4为实施例一相同工况两种体型脉动压力均方根对比图。

具体实施方式

实施例一

针对水力式升船机一主阀两辅阀的阀门系统，本发明方法是优化三组阀门的布置型式，使其呈空间“品”字形排列，同时取消阀后叉管体型，替换为具有“圆形”过流截面的抗振体。本发明可改善阀后流态，为阀后水流提供缓冲区，减小阀后管道的压力脉动，提高阀门系统抗空化性能，消除振动源，起到抗振效果。

如图2所示，水力式升船机阀门系统包括阀前三叉管、与阀前三叉管连接的三个阀门（一个主阀1、两个辅阀2）和一个抗振体3。抗振体3为具有三个进水口和一个出水口的中空结构，三个进水口与阀门出口一一对应连接，出水口与下游输水主管道连通。三阀门呈空间“品”字形立体排列、采用空间三角型布置，其中主阀位于上方，两个辅阀分别位于主阀下方两侧。抗振体采用过流截面为“圆形”的圆柱体设计，其截面积大于三个阀门的总截面积，为三个阀门总截面积的3~5倍。抗振体的长度约为输水主管道直径的3倍左右。

改造前后振动特性对比如图3：采用本发明优化设计方案后，主阀测点竖直向振动幅值由10g降低到2g，水平方向振动也从3g降低到1g，减振效果十分明显。

脉动压力特性对比如图4，叉管体型主阀后管道测点pc5压力脉动均方根最大值为2.7m，抗振体主阀后顶部测点pc7压力脉动均分根最大值为0.09m，比突扩体型小2.61m（降低90%以上）。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用三阀门空间“品”字形立体布置型式+阀后增设“圆形”过流截面抗振体的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。