水口船闸廊道输水反弧门空化成因及防范措施

水口船闸廊道输水反弧门空化成因及防范措施 % #$&+0123!"!()*,-./’ ./ 连恒铎张瑞清 !.0南京水利科学研究院"江苏 南京 1.22/3# /0福建水口发电有限公司"福建 福州 452622$ 摘要!针对水口船闸二闸首输水廊道反弧门空化造成的弧门气蚀和顶水封频繁损坏的问题!根据船闸原型和模型试验原因提出治理方法 通过改变水封形式解决了水封频繁撕裂问题通过 !!"!!调整运行方式#实施通气减蚀缓解了反弧门的气蚀 !" 关键词船闸$反弧门$空化$顶水封$撕裂$通气减蚀 ! 中图分类号!1)" 文献标识码!2 文章编号!#$$)*$#+$"!$$"#$#*$$##*$% 宽度# # 前言!5(门面板中部也有稀疏气蚀麻点散落# <门下乃至靠近门底缘无气蚀点阵# !( 水口船闸是上世纪末我国自行设计制造的高水!9(输水反弧门门楣下端圆头部!鼻端(也有气 头三级船闸"全程最大落差近57 8"其中一闸室高水 蚀麻点# 位与二闸室低水位之间达到309 上游水位变幅 .8" !6(这些麻点基本上呈中部密而大&深"两侧疏 .2 8% 从设备安装到.777年3月正式对外通航历时5 而小&淡的状态分布# 年"其间经过一系列的改造和完善工作% 通过设计& 7(二闸首左侧输水反弧门有气蚀麻点"但右侧 !及科研人员的通力合作" 遗留问题逐一得到解 输水反弧门未发现明显气蚀麻点% 决% 但二闸首反弧门顶水封破坏频繁" 导致漏水严 重影响正常通航其主要原因是输水廊道反弧门严 "" 重空化% 反弧门段空化"包括反弧门顶逢隙&反弧门 底缘& 反弧门后紊动水流剪切层和门楣鼻端空化等 原型勘测结果% 空化" 空泡溃灭将对临近及其下游物面和构件造成 在二闸首左侧输水反弧门段安装编号为=>= 4<不同程度危害%笔者根据船闸原型和模型试验"对空 的水听器3台% =安装在门楣圆头端下部!即顶缝隙 4 出口("=>=各水听器布置在反弧门段末端!即突扩 3< 体出口处(远离顶逢隙出口处约5 8之外% 各水听器 . "化及顶水封频繁损坏的原因进行分析提出治理方测得的噪声曲线见图.% 二闸首反弧门段=水听器噪 4法"取得成效% 声频谱见图1% 可见’ 气蚀现象 !反弧门开启过程中=所测噪声强度远大于!.( 4 其他各水听器=>=(# ! 3< 更换最短船闸输水廊道二闸首反弧门顶水封" 1噪声强度峰值出现在反弧门开度?2 @附 !(!.周期是35 最长不超过62 %当二闸首反弧门开启 :".:近# 12 ;时"即开始出现剧烈振动和噪声"开启22 ;后这 .4=>=所测噪声强度较大值基本上与=同步# !(3<4些现象逐渐消失% !3(以上三点与反弧门正常开启时间长短无关# 输水廊道排水后实地勘查发现二闸首左侧输 ""!5( 反弧门正常开启且!?2>45 A 时"=测得噪 4 水反弧门段门面板&门楣&鼻端均有气蚀麻点"这些 声延续约12 ;处于<>6 B=C频段变化幅度均超过 .""蚀点呈现以下特点’ 12 :D"这个量级足以导致气蚀的发生% 其峰值甚至 !.(输水反弧门面板气蚀点阵明显# 大于42 :D"这是严重气蚀噪声信息% )1(气蚀点阵呈水平带状分布# 原体差异$模型试验用自来水$属软水$而原体则是 天然水$其中含有砂及多种矿物质杂质&两种水含气 量’其气核尺寸’分布状况及水温等都将影响空化的 发生和发展一般认为含杂质多的容易诱发空化因 !! 此在其他条件相同的前提下$ 原体比模型更易发生 空化 ! )%$ 几何边界及流场特征因素$指输水反弧门体型 (包括反弧门半径$ 门顶和底缘的几何构成及其尺 寸$水封及其断面形状等)以及其前后输水廊道 的几何形状’尺寸’布置高程等%设计采用科研结论 $ 施工时$ 应严格按设计图纸确保各部位和部件的 施 工或制作质量%如果几何边界条件有异$尤其是 高速 过流部位(如门底缘’门楣’缝隙和门顶水封缝 隙)会 极敏感地引起流场特性重大改变"如压力性 质改变$ 脉动急骤飚升猛降等% ’图 噪声强度变化过程线 ! 虽然导致原模型差异的因素庞杂$ 对各输水反 ($二闸室充水)!+#& - ,* 弧门而言$ 尤其是对同一闸首两侧输水反弧门段而 言是基本等同的$其影响相同%实际上二闸首左侧输 水反弧门顶水封被撕裂$而更新频率比右侧大得多% 尽管设计图纸相同$ 如果敏感部位在施工中稍有疏 忽$ 使得两侧相同敏感部位的几何边界超过允许误 差范围$ 就会导致两侧输水反弧门空化条件可能发 生量级差异% 水口船闸输水廊道二闸首反弧门左侧 气蚀严重$ 其外界条件和运行环境与右侧反弧门完 全相同$ 由此可判断其造成气蚀的原因主要是反弧 门段土建施工过程或反弧门门体制作过程对重点部 图 # 二闸首反弧门段 水听器噪声频谱图. $ 位几何尺寸的控制偏差造成的% ! +#& $二闸室充水 (,-)* !弧门面板和门楣鼻端气蚀 ! 模型试验结论 二闸首输水反弧门段恒定流减压模型试验和 防范措施# 反弧门顶水封缝隙!"!切片模型试验显示"在设计 ! 水力条件下# 正常充泄水过程中$ 该船闸输水反弧 #$% 反弧门采用快速开启方式运行 门段一般不会发生空化% 在下游水位#$%$& $上 "’原型观察发现慢速开启充水$由于延长了相 "(游水位抬高为(# $ 落差比设计大约( 的情况下’’同开启度下)顶水封高速过流的时间$不仅未消减空 $ 亦未发生空化 输水反弧门段减压模型试验中!#化峰值$反而加大了反弧门振动幅度&小开度局部开 水 力指标控制在偏于保守的情况下$也未出现空启充水$顶水封承受的动水压差大$高速过流时间更 化现 象! 长$这样不仅增强空化而且加大反弧门的振幅&间歇 开启充水时$小开度时高速过流$后果同上&快速开 启充水$减少顶水封高速过流时间$其输水廊道惯性 " 原体与模型的差异分析水头增大$有益于减弱空化及其损害$但相同开度下 水压差增大$脉动幅度随之增高$其空化强度有所加 对于输水反弧门空化模型试验结果与原体运强反弧门振动峰值也将随之加大% 综上所述$无论 ’行状态相悖的问题$因船闸输水反弧门空化涉及因 采用何种开启方式$均无法彻底消除空化和振动$通 素繁杂$现仅对其共性问题进行探讨 !过其它措施相辅$经现场试验$采用快速开启充水方 )%! 船闸输水过程属非恒定流$而当时水工模型却 是恒定流的! 一般认为后者忽略输水廊道的水流惯 外径% 内径 尾板厚 反弧门关闭 6 #+空化噪声强度仍 7% 从反弧门开 "&&"!"&&"!"&&!差"’.*"!"8! 启至开度>?./ 5区间内"顶水封在拉伸剪切作用下 时" 顶水封承受设计静水压力"’() *#+" 圆头受挤 压"尾板受拉伸力作用 反弧门一旦开启"水由静变 !的同时还受到剧烈激振作用"其延续时间长达4!2 @ 动"能量转换伴随而生"顶水封受力状态急骤改变左右"船闸反弧门启动频繁"导致顶水封疲劳拉裂撕 ! 顶水封动力水压呈顺流下降分布圆头末端动水压 "断" 尤其是#$型顶水封其#头与平板结合的弧角应 力最小 尾板末端动力最大 故顶水封处在拉伸剪 ""力最为集中"由于#头面积较大"其承受的水压力也 切状态下 当上游水库水位在-%’( &运行时#二 !,./大"在其应力集中部分就出现撕裂%顶水封某处一旦 闸室低水位0 $从现场原型观测数据得知出现拉裂迹象情况随之迅速恶化%随之漏水自小到 -!!’/&"" ", 大"缝隙空化更加剧烈"形成恶性循环% 为了增加顶 见附表 反弧门从开启至开度 顶水封一直在 "/"1" 水封的抗拉( 抗剪和抗振性能" 消除集中应力"在 2’()3"’ #+的动水压差作用下高速过流% 未计入 !.* 224年度岁修过程中对二闸首反弧门顶水封进行改 !因高速过流在顶水封圆头与门面板相交处的死角 造将#$型水封改为平板钝头水封 水封厚度为2 "".形成水平漩涡所导致的压力下降因素! 二闸室正常 充水反弧门开度在"34" 5区间时"顶水封缝隙动水 &&并加大水封压板宽度% 如图所示% ". 图 水封结构图 . &+A改造前’ BCA改造后 "$ 采用韧性防护 ! & 结语即在发生气蚀部位辅以一定厚度的韧性材料" 以防空泡溃灭强烈冲击"避免气蚀再现% 水口船闸输水廊道二闸首右侧反弧门空化和顶"% 实施通气减蚀 在适当部位通入适量空气是减!水封损坏频繁的主要原因是土建施工过程或设备制 免高速水流对建 作过程中重点部位尺寸控制偏差超出设计所 筑物气蚀损害的简便经济而有效的途径% 抑制反弧 致"其造成的后果若通过工程性措施补救"其代价将 门顶水封门楣缝隙空化在门楣的适当部位设置通气 相当大%因此"只能通过对其运行的外部环境加以改 孔口% 其方式有二"强制通气)即用比空气出口压力 变来缓解或消除%综合以上分析我们采取了以下措 "高的气泵由人工操作进行强制通气’自然通气)即利 施 其一 顶水封改造 此举消除了高速水流下# 型 """用门后高速水流形成的负压自然输入空气% 下转第页 平与4机的口相连 在单片机一侧使用并行 的通信方式为主从方式 主站首先向 556&"!&69,":; 从站发送通信请求指令! 从站根据请求指令中的功 " 3 6 口对&’(7.*%输入使能端 3 +8 # 输出使能端98 能码向主站发回数据" 每个从站都有自己独立的地 进行控制" 由图2可知!当+8输出低电平时! 3 + 8使 址 主站所发的请求帧和从站所发的应答帧都是以 "能! 单片机一侧接收数据$ 当+8 输出高电平时!98 从站地址开头的从站只读发给自己的指令对以其 "!使能单片机一侧发送数据" 这样避免了盲目发送 !! 他从站地址开头的报文不予理睬! 并对接收到的正 造成的数据叠加丢失现象 通信质量高 通信速度 !! 确的报文予以应答这种一问一答的通信模式大大 !!也能得到保证 " 提高了通信的正确率" "# %&总线协议 !$()’ 为了保证两个模块之间能够正确地传递数据 &69典型的报文格式见表7#表2 !:;," <=这.种功能码!完成对数字量和模拟量的读取及设 一个通信报文的具体内容取决于该指令字符串 置" 的 功 能 码 !&69:;, 中 定 义 的 标 准 功 能 码 如 表1 所 示"由功能码的定义可以看出!传送的报文对象主要 &69 有 + %+>?@A> >B?CDEF DC&A 和 :;,!;!;分为模拟量和数字量两类! 由报文头的功能码来确 5GG 两 种 传 送 方 式 " 本 文 的 + 通 信 方 式 采 用 ’,!;定报文的内容在实际应用中主要使用<2#<#<和 "!./ 5+5-7=位循环码冗余校验" 这种校验方法对随机或 突发差错造成的帧破坏有很好的校验效果 " * 结束语 !现场总线技术就像是工业领域的因特网它实 现了现场设备和控制设备之间的有效联接! 从而让 工业自动化控制达到了一个新的高度 通过这种技 " 术不同的信号或者仪表可以实现交互处理或操作!" 现场总线技术减少了电缆的使用 从而也减少了故 ! 障的发生机会 信息处理的现场化和智能化才是现 " 场总线技术的最终目标 也是这一技术应用的发展 ! 方向" %收稿日期’2<<1-