闸门抓梁试验 [闸门水力学试验管理论文]

闸门水力学试验管理论文

闸门水力学试验管理论文 1前言 因水力自控翻板闸门具有结构简单,靠水的作用力自动启闭,节省能源、 造价低廉、并兼有泄洪、蓄水功能,在各小型水利工程上得到广泛应用。但是, 水力自控翻板闸门的水力特性较复杂,闸门的过流特性、动水压力和运行的稳定 性仍处在研究阶段。

在最早进行水力自控翻板闸门研究者发现,水力自控翻板闸门在运行中会 出现周期性来回拍击支墩或坝坎的现象,破坏性极大。“拍打”的原因是由多方面 引起:
(1)控制闸门运行的支承条件;

(2)闸门面板压强、门后空腔泄流、下游水位顶托、门后空腔中负压等 水力因素;

(3)面板型式和堰的型式的形状因素。其中支承条件是引起闸门“拍打” 的主要原因。为了解决闸门拍打问题,将最初闸门设计的两铰及多铰支承的形式 进行改造。双支点连杆滚轮式翻板闸门型式为改进后的支承形式。其布置见图1。

通过对3m×6m(高×宽)连杆滚轮式翻板闸门的后支承点的水力学试验, 研究该闸门运行的稳定性,提出闸门运行稳定的最佳后支承点位置,并将试验成 果应用于工程设计中,经原体运行观测,取得较好效果。

2试验研究与成果 2.1模型设计 3m×6m连杆滚轮式水力自控翻板闸门安装在曲线非真空实用堰上,见图1。

在80cm宽的玻璃水槽进行试验研究。模型比例1∶7.5。按弗劳德重力相似定律设 计模型。闸门用水泥加细铁砂混合材料浇铸而成。连杆及两端的活动铰用铜件制 造。做到几何尺寸相似,容重相似。为保证模型制作的精度,对闸门重量和重心 进行率定。闸门重量误差0.85%,重心位置无误差,使闸门的运动相似。模型率 定成果见表1图13m×6m连杆滚轮式水力自控翻板闸门结构图2.2试验方案 水力自控翻板闸门稳定的运转,合理选择支承点很重要,试验中对闸门支 承后支点的位置进行6个方案的试验研究,各方案后支点位置从图1座标系KOZ 可见,其座标值见表2。

表1模型率定成果 情况门重(T)重心位置(m) XCYC 原体门重11.1180.25841.4138 模型门理论重0.026350.1885 模型门实际重0.026130.1885 误差0.85%0 注:重心座标见图1中XO′Y座标系。

表2自控翻板闸门6个方案后支点坐标 方案K(m)Z(m) 试验值计算值误差试验值计算值误差 1-0.8325-0.840.9%0.8880.86742.3% 2-0.78751.0725 3-0.7350-0.740.7%0.87750.86741.2% 4-0.68250.9975 5-0.6225-0.642.7%0.84750.840.9% 6-0.57750.9825 表2中还列出了方案1、方案3、方案5的后支点座标计算值。从表可见,由于闸门加工工艺误差,试验中闸门后支的位置与设计值有误差,误差值小于5%。

2.3试验分析研究 闸门后支点选择合理的标志是:闸门开度应满足设计要求;
泄流能力大;

上游水位变幅较小;
水位与开门角度关系曲线平稳,渐开性好;
闸门无“拍打” 失稳的现象。经试验观测分析整理,自控翻板闸门后支点6个方案水位与闸门开 门角度关系见图2。方案1、方案3、方案5的水位与开门角度的理论计算值也绘在 同一图中,以便对比分析,试验结果见表3。

表3自控翻板闸门后支点6个方案水位与闸门开门角度特征成果 项号123 方案序号最大开度开关门过程计算与试验水位比较(m) 最高堰上水深(m)最低堰上水深(m)较接近部分距离较大处 差值/相应开度差值/相应开度 174°3.272.890.54/72° 265°3.433.08 373°3.282.88.54/72° 468.5°3.363.08 574°3.232.630.83/70° 665.5°3.433.09 注:第3项差值指理论计算曲线与试验曲线之间的水位差。

图2闸门后支点各方案水位与闸门开门角度关系曲线 试验表明:
(1)双支点连杆滚轮式翻板闸门系统的配置合理,在各方案中,闸门运 转的渐开性较好,水位与流量关系曲线较平滑,避免了因水位突变导致闸门失稳 发生“拍打”。在运转中会有些摆动现象,但闸门运行稳定。(2)后支点位置采用高点,开门门顶水深增加。当后支点座标提高10cm, 门顶开门水深约增加3~5cm,闸门在开关过程中,最大的堰上水深增加约20cm。

(3)后支点高度不变,后支点向下游移,即连杆加长,闸门在运转中出 现摆动的幅度较小,运行较稳定。

(4)在闸门运转中,当下游水位对闸门有顶托时,闸门摆动的幅度较大, 闸门容易出现不稳定的现象。

(5)从图2可见,当闸门小开度时,水位与闸门开度的理论计算曲线与试 验曲线值较为接近,差值在0.015~0.12m。各方案稍有差异。从本院所测试连杆 滚轮式翻板闸门运行与闸门动力压力关系的资料分析,主要是由于闸门底缘的动 水压力的变化引起。

(6)当闸门开度较大时,试验值水位与计算值差别较大,最大差距出现 在闸门达最大开度时,是由于闸门开度加大,门背气腔形成,产生负压作用于门 背,另一方面是受到水流直接冲击闸门底缘的影响。但两曲线趋势是一致的。

2.4翻板闸门运行稳定性理论分析 在进行翻板闸门后支点研究的同时,本院与天津大学对连杆滚轮式翻板闸 门的振动和水流压力脉动进行测试分析,在此基础上开展了翻板闸门运行稳定性 的理论分析。水力自控翻板闸门的运动是绕瞬心的往复运动,在运动过程中当作 用在闸门上的动力大于阻尼力时,闸门不能达到平衡状态,闸门在运转中将产生 “拍打”。

翻板闸门可视为单自由度振动体系,其振动方程可写为:
其中J()为绕瞬心点的转动惯量,表示闸门运动过程中水流对闸门的作 用力,是水流和闸门运动耦合的结果。作用力包括时均部分力(水位和闸门开度 的函数)和脉动部分力(为水位和的函数)。把作用于闸门上的重力力矩,门叶 的迎水面、底部、顶部、背水面的水压力矩,连杆作用力矩,滚轮支承力矩,摩 擦力矩,上下游闸门板上的动水压力矩代入上述闸门的运动方程,得出关于入的 特征方程[4]:
求解该特性方程可得闸门系的稳定性特征。当翻板闸门形成“拍打”特征值 入实部即衰减率为正,并且闸门运行各角度总力矩的平均值为正,此条件可作为闸门稳定性的判定准则。对3(m)×6(m)翻板闸门进行验算,当闸下游水位 较低时,力矩变化率为负,即闸门开度增大开门力矩减小,对闸门“拍打”有抑制 作用;
当闸下游水位升高,力矩的变化率逐渐由负转为正,即闸门开度增大开门 力矩也增大,不稳定性因素扩大,闸门的稳定运行受到影响。对上游水压力力矩 随开度的变化率计算,其值为负,说明上游水压力对闸门“拍打”有抑制作用,因 此可以认为下游水压力的作用是形成“拍打”的主要因素。这一结论在模型试验中 也加以验证。

2.5试验成果 (1)各后支点方案试验表明:闸门最大开度不相同,在65°~74°之间。

闸门运行无“拍打”失稳现象,闸门运行是稳定的。

(2)闸门后支点提高,开门与关门的水位与开门角度关系曲线间距增大, 即闸门运行阻尼增大。

(3)闸门开门的曲线与关门曲线的差距,初步认为是水力自控翻板闸门 结构体系的阻尼值。阻尼越大,闸门抗“拍打”的能力越强。

(4)为保证闸门有较大的开度,闸门在运转过程中有平稳的阻尼值,闸 门渐开性好,具有较好的抗“拍打”性能,试验表明方案1为较优方案。

(5)当闸下游水位对闸门有顶托时,为保证工程的安全,最好进行水工 模型试验。

3实际工程应用 3.1广东省紫金县洋头下寨子水电站,电站装机容量800kw。浆砌石溢流坝, 坝面为曲线实用堰型,采用面流消能。在坝上设8扇3m×6m(高×宽)连杆底滚 轮式水力自控翻板闸门。设计流量2065m/s,上游水位178.95m,下游水位 175.35m;
校核流量2928.5m/s,上下游水位分别是180.76m、176.90m。闸门的后 支点位置,按推荐方案1的位置设计,闸门于1996年建成投入运用。根据多年现 场观察,闸门开关自如,最大开度74°,保持正常蓄水位,闸门无“拍打”失稳的 现象发生,运行良好。

3.2广东和平县铁潭水陂位于明镇东南。具有灌溉、发电、排洪和美化城 镇环境的作用。水坡断面为曲线实用堰,坝高3m,堰顶高程98.0m。在其上安装10扇3m×6m连杆滚轮式水力自控翻板闸门。闸下采用底流消能。设计流量920m3/s, 上游水位102.80m,下游水位99.56m,上下游水位差值较小。闸门支承后支的设 计采用上述的方案1。闸门于1998年3月建成,在闸门运转过程中,支点设计合理, 闸门运行稳定,发挥工程的综合效益。

4结语 试验研究与实际工程应用表明,3m×6m连杆滚轮式水力自控翻板闸门, 其后支点的设计采用试验推荐的方案1,闸门开度较大、渐开性好、运转稳定。

本试验成果可供相同门型及尺寸的闸门设计参考。