水力式升船机的调流掺气减压稳流系统

技术领域

本申请涉及水力式升船机输水系统技术领域，特别是一种水力式升船机的调流掺气减压稳流系统。

背景技术

景洪水电站通航建筑物采用水力式升船机布置型式。水力式升船机采用水力驱动升船机的升降运行，通过对升船机输水系统水流的控制来实现对升船机运行的控制。

升船机输水系统的水流流量调节装置分别位于上、下游的两个控制设备室，设备运行期间，输水系统工况复杂，充泄水频繁，且布置空间有限。若采用现有岔管结构代替稳压减振箱，岔管及其后的弯管内水流急促，流态极不稳定，汇合管附近会存在“螺旋流”，造成流量调节阀和管道较大的振动。在此工况下长期运行会导致阀和管道的疲劳破坏，且检修费时，影响升船机运行的安全和通航效率。

发明内容

本申请提供了一种水力式升船机的调流掺气减压稳流系统，该系统通过调流、掺气、减压、稳流实现对内部水流流态的改善，能够保证水力式升船机的安全平稳运行。

本申请提供了一种水力式升船机的调流掺气减压稳流系统，包括：流量控制装置、主动掺气装置、对撞消能装置、稳压突扩体；

流量控制装置设置于输水道上，并控制输水道的开度；流量控制装置的下游侧设置稳压突扩体；流量控制装置与稳压突扩体通过补气腔相连通；主动掺气装置与补气腔相连通；对撞消能装置容纳设置于稳压突扩体内，并与补气腔相连通；对撞消能装置设置于输水道下游；

流量控制装置，用于根据输水道内液位控制闸板开合；包括：水道流量计、驱动组件、闸板、控制模块；水道流量计设置于输水道上游，并与控制模块电连接；驱动组件与闸板驱动连接；驱动组件与控制模块电连接；

多个对撞消能装置间隔容纳设置于稳压突扩体内下部，并于补水腔相连通；稳压突扩体上部设置突扩段和积水槽；

对撞消能装置内相对对齐设置多个对撞消能孔；

水流在补气腔内掺气后，含气水流流经对撞消能孔形成多束对冲水流，对冲消能后，在稳压突扩体内的水体内形成空泡溃灭区。

优选地，稳压突扩体包括：外梁系、外壳体、多个进口管、一个出口管；外梁系包覆设置于外壳体外壁上；

外壳体的进水端面上水平间隔设置多个进口管；对撞消能装置与补水腔通过各进水管相连通；

外壳体的出水端面上设置出水管，出水管正对对撞消能装置延伸端设置。

优选地，外梁系包括：多根等高的纵向外梁、水平向外梁及横向外梁，纵向外梁、水平向外梁及横向外梁互相垂直连接并交织搭接。

优选地，稳压突扩体包括：下筋板、上筋板、加强板；对撞消能装置的底面通过下筋板与外壳体内腔相连接；对撞消能装置的顶面通过上筋板与外壳体内腔相连接；对撞消能装置的延伸端通过加强板与外壳体内腔相连接。

优选地，稳压突扩体靠近补气腔的一侧设置突扩段；突扩段斜向积水槽延伸并与积水槽相连接；积水槽顶面上间隔开设多个出气孔。。

优选地，对撞消能装置包括：内壳体；对撞消能孔设置与内壳体内侧壁上，并沿内壳体周向间隔均布对齐设置。

优选地，对撞消能装置包括：球形封头、多个对撞消能孔、分流头；内壳体为筒体结构，筒体第一端截面积小于第二端截面积；

筒体的第一端与进口钢管相连通；筒体的第一端内部设置分流头；筒体内侧壁上对齐设置多个对撞消能孔；

筒体第二端上设置球形封头；

更优选地，对撞消能孔沿筒体周向间隔分层设置，每层内对撞消能孔为偶数，并两两正对设置；

更优选地，第一、第三层的对撞消能孔每圈开设12个孔；第四至第六层的对撞消能孔每圈开设18个孔；第七至第九层的对撞消能孔每圈开设24个孔；

更优选地，对撞消能孔的孔型为矩形两端为圆头；

更优选地，分流头为半球形壳体结构；

更优选地，球形封头为半球形壳体结构。

优选地，流量控制装置包括：精密油缸、闸板、阀体、吊轴；阀体安装于输水道上；精密油缸、闸板、吊轴安装于阀体上；精密油缸、闸板通过吊轴驱动连接；精密油缸与控制模块电连接；

补气腔设置于闸板下游侧；补气管设置于补气腔上并与主动掺气装置的出气管路相连通。

优选地，主动掺气装置包括：多个空压机、储气罐、出气管路；各空压机分别与储气罐管路连通；储气罐的出气管路与补气管相连通，并按向补气管依序间隔设置第二球阀、电磁阀、第四球阀、第五球阀、气路流量计、流量调节阀、第七球阀、止回阀、压力表。

优选地，主动掺气装置包括：过滤器、第一球阀；过滤器、第一球阀间隔设置于空压机与储气罐相连通的管路上；

更优选地，主动掺气装置包括：第一支管、第三球阀、第二支管、第六球阀；第一支管连通储气罐出气口与第四球阀出气口，第一支管上设置第三球阀；

第二支管连通第五球阀进气口与第七球阀出气口，第二支管上设置第六球阀；

更优选地，主动掺气装置包括：控制模块，控制模块分别与压力变送器、气路流量计、压力开关、电磁阀、调节阀电连接。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的水力式升船机的调流掺气减压稳流系统，该系统中流量控制装置由精密油缸操作闸板开度调节输水流量，流量计监测输水流量并输出流量信号给精密油缸的控制系统形成流量控制闭环系统，达到精度控制输水流量要求。主动掺气装置根据流量计输出信号，读取和推算输水流量和流速，从而控制掺气量为系统精确掺气。含气水流经过对撞消能孔后形成多股水束在第一支臂和第二支臂相对侧的水中对撞消能，将空泡溃灭区域限制在外壳体内的水体中，避免对设备迎水面构成空蚀破坏。稳压突扩体的体型沿水流向为突扩，载荷由箱体的壳体、外梁系及内部结构联合承担。

2)本申请所提供的水力式升船机的调流掺气减压稳流系统，该系统中流量计监测输水流量并输出流量信号给精密油缸的控制器形成流量控制闭环系统，达到精度控制输水流量要求。流量控制装置中闸板的下游布置补气腔，主动掺气装置向补气腔掺气。

3)本申请所提供的水力式升船机的调流掺气减压稳流系统，该系统中可根据量计输出信号，读取和推算输水流量和流速，从而控制掺气量为流量控制装置掺气，以消除流量控制装置、对撞消能装置和稳压突扩体在运行过程中的震动、空化等现象。

4)本申请所提供的水力式升船机的调流掺气减压稳流系统，该系统中对撞消能装置布置在稳压突扩体内部，是一种V字形圆锥壳体结构，由消能器壳体、球形封头、对撞消能孔、分流头等组成。水流通过流量控制装置后进入冲消能装置，壳体上开设对撞消能孔，水流经过对撞消能孔形成的水束在水中对撞消能，将空泡溃灭区域限制在水体中，避免对设备迎水面构成空蚀破坏。

5)本申请所提供的水力式升船机的调流掺气减压稳流系统，该系统中对撞消能装置为一种V字形圆锥壳体结构，沿内壳体周向开设消能孔，消能孔为矩形两端开圆头的孔形结构。消能孔沿周向的数量为偶数，随着圆周直径增大，数量递增。本装置第一至第三层周向每圈开设12个消能孔，第四至第六层周向每圈开设18个消能孔，第七至第九层周向每圈开设24个消能孔。

6)本申请所提供的水力式升船机的调流掺气减压稳流系统，该系统中稳压突扩体的体型沿水流向外突扩，载荷由箱体的壳体、外梁系及内部的下筋板、上筋板、加强板联合承担。因稳压突扩体为一大容积空腔体型，水流经对撞消能装置后在稳压突扩体空腔体内水流进一步消能充分，起到稳流作用。稳压突扩体顶部采用1:5～1:10的顶渐扩型式突扩段与积气槽连接，掺入的气体进入集气槽后通过排气管排出，避免掺入的气体随水流进入竖井，造成竖井水面波动，影响升船机平衡重平稳，进而影响升船机安全稳定运行。

7)本申请所提供的水力式升船机的调流掺气减压稳流系统，该系统中减压稳流箱上游侧与法兰盘连接附近的外梁设计为呈下凹的变截面梁，可有效改善流量调节阀后的水力学条件。该系统布置紧凑，对后续水力式升船机建设中的水力系统设计提供了解决方案。

附图说明

图1为本申请提供的调流掺气减压稳流设备主视剖视结构示意图；

图2为本申请提供的减压稳流箱的轴测立体结构示意图；

图3为本申请提供的主动掺气设备轴侧立体结构图；

图4为本申请提供的减压稳流箱的轴测立体结构图；

图5为本申请提供的减压稳流箱的轴测立体结构图；

图6为本申请提供的对撞消能装置结构剖视示意图；

图7为本申请提供的对撞消能装置结构顺水流向视示意图；

图8为本申请提供的减压稳流箱检修进人孔结构示意图。

图例说明：

1、外壳体；2、外梁系；3、积气槽；4、法兰；5、变截面梁；6、进口钢管；7、进人孔；8、出口钢管；9、纵向外梁；10、水平向外梁；11、横向外梁；12、出气孔；14、内壳体；15、球形封头；16、对撞消能孔；17、分流头；18、下筋板；19、上筋板；20、加强板；21、精密油缸；22、闸板；23、阀体；24、安装板；26、补气腔；27、补气管；28、止水座板；29、吊轴；30、第一加强板；31、第二加强板；32、水道流量计；

33、空压机；34、过滤器；36、储气罐；37、电磁阀；38、流量调节阀；39、止回阀；40、压力计；41、气路流量计；42、压力变送器；43、压力开关；351、第一球阀；352、第二球阀；353、第三球阀；354、第四球阀；355、第五球阀；356、第六球阀；357、第七球阀。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提，下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本申请中未详述的且并不用于解决本申请技术问题的技术手段，均按本领域公知常识进行设置，且多种公知常识设置方式均可实现。

参见图1～8，本申请提供一种水力式升船机的调流掺气减压稳流系统，包括：流量控制装置、主动掺气装置、对撞消能装置、稳压突扩体。

流量控制装置设置于输水道上，并控制输水道的开度；流量控制装置的下游侧设置稳压突扩体；流量控制装置与稳压突扩体通过补气腔相连通；主动掺气装置与补气腔侧壁相连通；对撞消能装置容纳设置于稳压突扩体内，并与补气腔相连通；对撞消能装置设置于输水道的下游；

流量控制装置包括：精密油缸21、闸板22、阀体23、安装板24、补气腔26、补气管27、止水座板28、吊轴29，如图1所示。流量控制装置中闸板的下游布置补气腔，主动掺气装置向补气腔掺气。闸板22通过阀体23安装于输水道上；精密油缸21安装于阀体23顶面上。精密油缸21和闸板22通过吊轴29驱动连接，通过调节精密油缸21控制闸板22的开度调节输水道含管、槽体结构内的输水流量。

水道流量计32设置于进口方向的输送道上，水道流量计32用于监测输水流量并输出流量信号给精密油缸21控制器形成流量控制闭环系统，达到精确控制输水流量要求。具体地，包括：PLC控制模块，水道流量计32与PLC控制模块电连接，PLC控制模块与精密油缸21电连接；在PLC控制模块内设置液位预设值，根据水道流量计32所获取的实时液位值与预设值对比的差值，输出对精密油缸21的控制信号，进而控制闸板22的开度。

在闸板22的下游侧布置补气腔26，主动掺气装置通过设置于补气腔26侧壁上的补气管27向补气腔26内水流掺气，形成含气水流，以实现水流消能的作用。

在一具体实施例中，止水座板28设置于输水道底面上，并与闸板22底面抵接密封，实现对输送道内水流的截断。

在一具体实施例中，闸板22为钢板焊接或整板加工形成输水道闸阀结构，闸板22上布置有支承、导向和封水结构。支承装置可为滑道结构或轮子结构，导向装置可为滑道结构或轮子结构，封水装置可为硬密封或软密封结构。封水装置采用硬密封结构时，支承装置和滑道合为一体，采用铜合金加工，沿闸板四周布置形成严密的止水线。封水装置采用软密封结构时，采用橡胶水封装置沿闸板四周布置形成严密的止水线。

对撞消能装置容纳设置于稳压突扩体内，对撞消能装置与输送道相连通，稳压突扩体整体设置于闸板22的下游段上。输水道内水经过闸板22后，通过补气腔26掺气后流入对撞消能装置内后，从对撞消能装置内多个对撞消能孔16对称流出后，在稳压突扩体内完成消能后，从稳压突扩体的另一端开设的出口端钢管8流出。

参加图2、4、5，稳压突扩体包括：外梁系2包围外壳体1外表面设置，外梁系2包括：多根等高的纵向外梁9、水平向外梁10及横向外梁11，纵向外梁9、水平向外梁10及横向外梁11互相垂直连接并交织搭接，通过焊接连接。多根纵向外梁9相互平行间隔包覆设置于外壳体1外壁上，纵向外梁9缠绕外壳体1所有表面设置；任两相邻纵向外梁9之间设置水平向外梁10；外壳体1的各直角边上包覆间隔设置多个横向外梁11；横向外梁11相互平行间隔设置于外壳体1的侧边上。

稳压突扩体内布置对撞消能装置，两者之间通过设置于外壳体1内的下筋板18、上筋板19相连接。下筋板18设置于对撞消能装置下部并与稳压突扩体相连接；上筋板19设置于对撞消能装置上部并与稳压突扩体相连接；加强板20一侧边与对撞消能装置的延伸端相连接，另一端斜向延伸与外壳体1内壁相连接。按此连接稳压突扩体、对撞消能装置能提高整体的受力可靠性，耐受较强的水流冲击力。多个加强板20之间沿垂直输水道内水流向断开，保证整体的排气和稳压突扩体内流体畅通，如图1所示。

稳压突扩体的外壳体1内下部容纳设置多个对撞消能装置，多个对撞消能装置对齐设置，对撞消能装置的上部沿水流向依序设置突扩段和积气槽3，如图1所示，突扩段从外壳体1一端斜向上延伸设置，并与积气槽3一侧相连接；积气槽3垂直水流方向上凸设置形成较大容积的积气槽3。积气槽3另一侧与外壳体1出水端相平齐，在外壳体1的出水端面上设置1个出水钢管8。积气槽3顶部的外壳体1上开设有若干出气孔12，出气孔12处连接排气管道，在消能后保证外壳体1内外压力一致，如图5所示。

外壳体1靠近闸板22的一端面上间隔设置多个进口钢管6；进口钢管6焊接于外壳体1上，进口钢管6另一端上设置多法兰4实现与输送道的拆卸连接，进口钢管6的管壳与外梁系2焊接。

出口钢管8的端部与外壳体1焊接，出口钢管8的外壳与外梁系2焊接，以提高整体受力可靠性。

参加图2，稳压突扩体上游侧与法兰4连接附近的外梁系2为下凹的变截面梁5，变截面梁5的外侧翼缘板与法兰4端面平齐，二者焊接成整体。流量控制装置与稳压突扩体通过变截面梁5与法兰4连接。

在一具体实施例中，稳压突扩体包括：进人孔7；进人孔7焊接在外壳体1侧面，为了方便加工，先在外梁系2外部和外壳体1内部焊接第一加强板30、第二加强板31，然后将进人孔7焊接在第一加强板30、第二加强板31上，如图8所示。

在一具体实施例中，第一加强板30焊接于外壳体1侧壁上；第二加强板31焊接于水平向外梁10外端面上。

参见图6、7，对撞消能装置的整体结构为V字形圆锥壳体结构，各对撞消能装置分别与各进口钢管6对齐相连通设置。

稳压突扩体为沿水流向外突扩，载荷由外壳体1、外梁系2及内部的下筋板18、上筋板19、加强板20联合承担。因稳压突扩体为一大容积空腔体型，水流经对撞消能装置后在稳压突扩体空腔体内水流进一步消能充分，起到稳流作用。稳压突扩体顶部采用长度比例为1:5～1:10的顶渐扩型式突扩段与积气槽13连接，掺入的气体进入积气槽13后通过积气槽13上的出气孔12排出，避免掺入的气体随水流进入竖井，造成竖井水面波动，影响升船机平衡重平稳，进而影响升船机安全稳定运行。

对撞消能装置包括：内壳体14、球形封头15、多个对撞消能孔16、分流头17。内壳体14为筒体结构，筒体第一端截面积小于第二端截面积。筒体第一端与进口钢管6相连通；筒体的第一端内部设置分流头17；筒体内侧壁上对齐设置多个对撞消能孔16；筒体第二端上设置球形封头15。

水流通过流量控制装置后经过进口钢管6进入冲消能装置后，内壳体14上开设的多对对撞消能孔16，含气水流经过对撞消能孔16后形成多股水束在第一支臂和第二支臂相对侧的水中对撞消能，将空泡溃灭区域限制在外壳体1内的水体中，避免对设备迎水面构成空蚀破坏。

在一具体实施例中，对撞消能装置上设置多组对撞消能孔16，各层对撞消能孔16沿对撞消能装置的横向中心轴周向的数量为均偶数，以实现两两对齐。随着对撞消能装置截面的圆周直径增大，对撞消能孔16的数量递增。

在一具体实施例中，对撞消能装置的第一、第三层周向每圈开设12个消能孔，第四至第六层周向每圈开设18个消能孔，第七至第九层周向每圈开设24个消能孔。按此设置能获得消能效果。但消能效果的获得并不限于具体各层设置的数量。

在一具体实施例中，消能孔16为矩形两端开圆头的孔形结构。

在一具体实施例中，分流头17为半球形壳体结构，可均匀分散流体较。

在一具体实施例中，球形封头15为半球形壳体结构，该结构具有较大的抗压能力。

对撞消能装置布置在稳压突扩体内部，水流通过流量控制装置后进入冲消能装置，对撞消能装置是一种V字形圆锥壳体结构，内壳体14上开设对撞消能孔16，水流经过对撞消能孔16形成的水束在水中对撞消能，将空泡溃灭区域限制在水体中，避免对设备迎水面构成空蚀破坏。

为改善流量调节阀后的水力学条件，流量调节阀38至稳压突扩体的钢管长度应尽可能小，因此，稳压突扩体上游侧与法兰4连接附近的外梁设计为呈下凹的变截面梁5。

本申请所用主动掺气装置可以为现有常用结构。具体地：

主动掺气装置包括：空压机33、过滤器34、多个球阀、储气罐36、电磁阀37、流量调节阀38、止回阀39、压力表40、气路流量计41、压力变送器42、压力开关43及其他管道和附件，如图3所示。

多个空压机33产生的压力气体经管道通过过滤器34过滤后，通过第一球阀351后进入储气罐36保压，储气罐36内的气体经出口管道输送至补气管27流入补气腔26，储气罐36与补气管27相连通的主管上设置从储气罐36向补气管27依序间隔设置第二球阀352、电磁阀37、第四球阀354、第五球阀355、气路流量计41流量调节阀38、第七球阀357、止回阀39、压力表40，如图3所示。

其中电磁阀37起到安全保护作用，当管路系统出现故障时，此时空压机来不及关闭继续工作，产生的压力气体使储气罐36内压力增大，保持电磁阀37开启，排出多余气体，维持储气罐36压力值，待关闭空压机33后进行检修时，保证掺气系统安全运行。

在一具体实施例中，为均衡管路中气流或检修需要，主管靠近储气罐36的一端上设置第一支管，第一支管第一端设置于第二球阀352与储气罐36相连通的主管上；第一支管的第二端设置于第四球阀354与第五球阀355相连通的主管上。第一支管上设置第三球阀353。

第二支管的第一端设置于第一支管于第五球阀355之间；第二端设置于两端分别于止回阀39、第七球阀之间的主管上。第二支管上设置第六球阀356。

当电磁阀37需要检修时，关闭第二球阀352和第四球阀354，打开第三球阀353，通过第一支管保证掺气系统正常运行。不检修时，第一支管上第三球阀353关闭，气体通过主管流出。

当流量调节阀38需要检修时，关闭第五球阀355和第七球阀357，打开第六球阀356，通过第二支管保证掺气系统正常运行。不检修时，第二支管上第六球阀356关闭，气体通过主管流出。

为检测储气罐36的运行参数，储气罐36一侧设置的检修支管上布置压力变送器42、压力开关43。通过压力变送器42、压力开关43检测储气罐36内部运行情况。

在一具体实施例中，包括：控制模块，控制模块分别与气路流量计41、电磁阀37、调节阀38电连接。气路流量计41输出的信号供控制模块控制电磁阀37、调节阀38的开启、关闭、开度。具体控制过程可通过设置PLC控制模块实现、气路流量计41分别与PLC控制模块信号输入电连接；PLC控制模块与电磁阀37、调节阀38控制信号电连接。

通过设置气路流量计41获取气路系统的流量数据，并通过与气路流量计41电连接的显示器便于操作人员实时获取气体流量，便于根据读取和推算输水流量和流速需要，控制掺气量为系统精确掺气。

主动掺气装置可根据量计输出信号，读取和推算输水流量和流速，从而控制掺气量为流量控制装置掺气，以消除流量控制装置、对撞消能装置和稳压突扩体在运行过程中的震动、空化等现象。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。