[发明专利]一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程中的高水头船闸阀门段减蚀技术领域，具体是一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统。

背景技术

船闸是设置在通航河流上帮助船只克服因筑坝引起的水位差的通航建筑物。随着航运工程的发展，船闸的规模不断增大，阀门的尺寸与水头也在相应的增加和提高。世界上已建和拟建的水头超过20m的高水头船闸有几十座，主要集中在前苏联、美国、巴西、葡萄牙和中国等国家，特别是我国在近年来进行的西部水力开发，修建、在建和拟建多个高坝大库，因此配套也需修建多个高水头船闸。

船闸的运行是依靠埋设在两侧或底部的输水系统来完成闸室的充泄水，而输水阀门是输水系统的咽喉设备，其正常运行与否直接决定了船闸的安全，高水头船闸阀门工作在非恒定高速水流环境中，涉及到水流空化、脉动等一系列复杂的高速水流问题，是船闸水力学研究中最棘手的问题。

高水头船闸输水阀门启闭时，门下主流流速高，压力低，当水流的压力低于气化压力时，便产生空穴水流，形成气化泡，气化泡不断的生成、移动破裂，水流边界受到气化泡破裂时的巨大冲击力导致剥蚀作用，对建筑物壁面产生极大的破坏力。如美国Litt goose、Lower船闸(水头均为30.8m)、Johm Day船闸(水头34.8m)，俄罗斯的沃特金电站船闸(工作水头23.0m)，和我国葛洲坝船闸(水头27.0m)、万安船闸(水头32.4m)等都曾在运行过程中发生巨大的爆破声，阀门面板及输水阀门后廊道壁面出现了空蚀破坏现象。

为了避免空化空蚀产生的不良后果，国内外学者进行了大量的研究工作。1934年美国首次采用了无门槽反弧门，规避了高速水流条件下门槽空化问题，之后无门槽的反弧门以其优良的防振和防空化性能在高水头船闸上得到了广泛应用。而大量的实践表明，随着船闸水头的提高，反弧门在开启过程中，阀门门楣缝隙、底缘及门后剪切带容易形成空化水流，特别是阀门在开度0.3～0.6范围内运行时，阀门底缘及门后剪切带空化问题比较突出。美国最早提出了在阀门后廊道顶自然通气的措施以减免空化，但我国河流水位变幅较大，在阀门后廊道顶自然通气的方法在很多条件下不适用。前苏联提出了门后廊道边壁突扩，使阀门底缘水流分离及门后剪切带形成的空化水流远离廊道边壁以减轻空蚀破坏。我国的学者们进行了大量的研究工作，提出了在反弧门顶止水门楣处设置通气孔的措施，基本上消除了门楣顶缝空化，也使得阀门底缘空化得到了一定缓解。

经过上个世纪70年代至本世纪初的一系列以模型试验为主的探索修改后，我国高水头船闸阀门段减蚀基本采用“反弧门+突扩腔+门楣掺气+增加阀门段埋深等其它辅助措施”的方法，该组合措施得到了业内的普遍认同，近几年对该领域的研究基本没有新的突破。主要进行了大量原型观测工作，观测发现经一段时间的运行后，门楣通气的方法对消除顶缝空化效果显著，但因到达阀门底缘的气量有限，对减免阀门底缘以及门后剪切带空化效果不明显；采用突扩的方法使得门后廊道体型复杂，同时产生了一些新的空化源，特别是在升坎处的空化较为突出，（目前某高水头船闸升坎处已监测到明显空化存在，经长期运行后升坎处已有空蚀现象出现）。

如上所述，对通常阀门段体型而言，高水头船闸输水阀门后最主要的空化源有3个，分别是阀门底缘及门后剪切带以及阀门门楣缝隙处。解决门楣缝隙空化目前已有较成熟的措施，因此如何既能避免阀门底缘和门后剪切带水流发生空化、又避免采用复杂的阀门段体型出现新空化源，对增加船闸运行安全、降低工程造价及提高船闸的设计水头是一个极具科学研究意义和经济价值的项目。

发明内容

本发明是为克服现有技术存在的不足，有效解决通航船闸阀门段空蚀破坏问题，而提出一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统。

一种高水头船闸输水阀门底缘掺气系统，包括输水阀门、输水廊道、第一通气管、回转接头、第二通气管，所述输水阀门采用无门槽反弧门，包括阀门支铰、阀门面板及连接阀门支铰和阀门面板的阀门支臂，所述第一通气管在阀门井浇筑时埋入砼内，第一通气管的进口端位于阀门井顶部，与大气相接；输水阀门的底缘引出与外界相通的第二通气管，所述第二通气管沿着阀门支臂进入阀门支铰，所述阀门支铰处设置连接第一通气管和第二通气管的回转接头。

如上所述的高水头船闸输水阀门底缘掺气系统，输水阀门的底缘设有一台阶状跌坎作为掺气坎，所述掺气坎的阶梯上设有多个底缘通气孔，所述多个底缘通气孔与通气横管连通，通气横管与所述第二通气管连通。

如上所述的高水头船闸输水阀门底缘掺气系统，第一通气管的管路分成两支，一支与大气相接，进口处设置单向风门；另一支依次连接集气罐和空气压缩机。