三峡升船机船厢补排水系统对接装置设计

汤伟毕，谢启龙，韩 伟，王 洋

(长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峡升船机船厢补排水系统布置在上闸首右侧的下游端，位于闸首与塔柱边墙之间，沿闸墙高度布置。船厢补排水系统对船厢的运行过程中的补水和检修过程中的排水有重要作用：当船厢在升降过程中出现漏水而失去平衡时须用补排水系统对船厢进行任意高程的紧急补水操作；当对船厢进行检修时须用补排水系统对船厢水进行排干操作[1-2]。目前对船厢进行补排水操作是人工进行的，首先需要根据船厢所停的高程选择不同长度的对接软管；其次须把软管接头与补排水系统管接头进行法兰连接；最后须手动打开相应的阀门实现船厢补排水操作。运用补排水系统对船厢进行补排水操作时存在以下不足：1)现场操作平台空间十分狭小，进行补排水操作时不方便，该操作属于悬边高空作业，存在安全隐患；2)船厢进行补排水操作时须根据船厢停机位置的不同选择不同长度的软管，而由于船厢位置的局限性，通常在船厢上只放置一种规格的软管，遇到船厢失水时不能很好地满足快速补水要求；3)连接软管的弯头和法兰都比较笨重，须多人同时操作才能进行软管与补排水系统的对接，该操作方式费时费力且对接精度不高、对接效率低下。

因此，有必要设计一套补排水系统对接装置，同时研究装置的安装布置方案，提出提高三峡升船机船厢补排水效率的方法。

1 装置结构及工作原理

针对三峡升船机现有补排水系统操作存在的不便捷性，设计一套与船厢补排水系统对接的装置[3-6]，该装置主要由3个模块组成(图1)：竖直方向行程调节模块、水平方向行程调节模块、角度及行程偏差补偿模块。装置通过手动操作，实现船厢停在允许范围内补排水装置与船厢补排水系统的快速准确地对接。

图1 装置结构

工作原理：首先手动快速摇动位于竖直方向行程调节模块装置上的手轮实现补排水装置竖直方向上行程的粗调，同理手动快速摇动位于水平方向行程调节模块装置上的手轮实现补排水装置水平方向上行程的粗调；其次是手动缓慢交替摇动竖直和水平向行程调节模块装置上的手轮实现水平和竖直方向上的行程微调，在微调过程中，位于角度及行程偏差补偿模块外端法兰上安装的定位导向销会与船厢连接补排水系统管道连接法兰的孔进行装配，起到定位与导向作用，从而保证两边法兰孔的同轴度；最后用螺栓将两法兰进行紧固连接。

竖直方向行程调节模块装置(图2)为水平丝杆传动的剪叉结构式升降平台，升降台工作时，手工摇动手轮旋转带动丝杆转动，使剪叉结构的连杆动作，保证升降台上下平稳移动。当手轮停止转动时，利用螺纹传动结构的自锁性使升降台锁定在指定位置。

图2 装置平面图

水平方向行程调节模块装置(图2)为丝杆传动的双导杆结构，该装置由底板组件、丝杆传动组件、导向组件、支撑板组件、管头固定座组件、手轮以及轴承、螺栓连接件零部件组成。底板组件由两底板和两侧板固定连接而成，底板组件整体与竖直方向行程调节模块装置的升降台进行连接固定；导杆组件由两导向杆组成，导向杆对称装配在底板组件的两侧板上，形成两平行的滑轨；丝杆传动组件由丝杆和螺母件组成，其中底板组件的两侧板上中心孔装配有轴承，丝杆两端与轴承进行配合，保证丝杆可沿其轴向自由转动，手轮安装在丝杆的一端；支撑板组件由水平板和两块纵支撑板组成，其中纵支撑板上装配有直线轴承和丝杆传动组件中的螺母件，直线轴承与导向杆进行装配、螺母件与丝杆进行装配；管头固定座组件有两组，垂直布置在支撑板组件的水平板上，管头固定座组件由上固定座和下固定座组成，补排水管头通过管头固定座组件固定。

水平方向行程调节模块装置工作时，须人工摇动手轮，通过手轮的转动带动丝杆转动，丝杆使螺母件以及支撑板组件、管头固定座和补排水管头整体向前或向后移动，同时导向组件起导向作用。装置停止工作时，由于手轮停止转动，利用螺纹传动结构的自锁性使其锁定在指定位置。

角度及行程偏差补偿模块装置由避震接头和定位销组成，其功能是实现补排水装置与船厢补排水系统对接时角度和行程偏差在允许范围内的补偿，并实现装置对接时的导向与定位。

2 装置的受力分析

装置的设计须考虑动水对装置的作用力[7-9]。由于管接头处有90°的拐弯，则进行船厢补排水时管道最大动水压强对管壁的反作用力为：

(1)

式中：F为弯管总受力；p1、ω1和v1分别为弯头进水口处的压强、端面面积和平均流速；p2、ω2和v2分别为弯头出水口处的压强、端面面积和平均流速；Q为管道平均流量；Rx和Ry分别为弯管所受反作用力R沿x和y方向的分力；α为R与水平x方向之间的夹角；β1和β2为动量修正系数；ρ为水密度。

在对接装置进行补排水过程中，须考虑装置承受的水锤作用力，根据水流的运动方程和连续方程为：

(2)

式中：H为水头压力；v为管道中的流速；a为水锤播传播速度；g为重力加速度；

根据式(2)求解得出装置所受的直接水锤力(式(3))和间接水锤力(式(4))。

(3)

(4)

式中：H0和v0为初始水头和流速；ρ为水的密度；τn为阀门的相对开度；τ0为阀门的初始相对开度；ξi为第i相位末承受的水锤力。

根据式(1)～(4)得出装置的受力情况，指导装置设计与校核。

3 装置的安装布局

装置安装在船厢上厢头右侧，有两种布置方案，均与船厢补排水系统对应(图3)，保证补排水系统管道轴线与装置对接管头轴线在同一平面上，补排水系统中电控阀3为总进水阀，阀1为总排水阀，有若干个阀4均布在阀1和阀3之间。方案1中装置安装在船厢零层甲板处的突出平台上，方案2中装置安装在船厢侧壁上，装置底部有加强筋板支撑。

图3 装置的安装布局

方案1中(图4)管接头处与水泵之间连接有软管，保证装置竖直方向调整位移时软管可适应位移变化。水泵与阀2之间布置金属管。

图4 方案1布置(单位：mm)

方案2中(图5)管接头处与阀2之间连接有软管，保证装置竖直方向调整位移时软管可适应位移变化。

方案1中人员操作只须在零层甲板上进行，安全可靠；而方案2中人员操作须进入船厢侧壁平台上，操作相对困难。方案2管道结构布局较方案1简单。

图5 方案2布置(单位：mm)

4 补排水工艺流程

两种装置布置方案进行补排水操作时对接装置操作已完成，对应的补排水工艺流程有所区别。

4.1 方案1补水工艺

1)电控阀1、2、3和4均处于关闭状态。

2)装置与电控阀4法兰完成对接。

3)依次开启电控阀3、2、4，实现船厢补水。

4)需要停止船厢补水时，依次关闭电控阀3、4、2，开启电控阀1。

4.2 方案1排水工艺

1)电控阀1、2、3和4均处于关闭状态。

2)装置与电控阀4法兰完成对接。

3)依次开启电控阀1、4、2，开启水泵，实现船厢排水。

4)需要停止船厢排水时，依次关闭水泵、电控阀2、4、1。

4.3 方案2补水工艺

1)电控阀1、2、3和4均处于关闭状态。

2)装置与电控阀4法兰完成对接。

3)开启电控阀3，待补排水系统管道水充满后，依次开启电控阀4、2。

4)需要停止船厢补水时，依次关闭电控阀2、4、3，最后开启电控阀1，待补排水系统管道水泄完后关闭电控阀1。

4.4 方案2排水工艺

1)电控阀1,2、3和4均处于关闭状态。

2)装置与电控阀4法兰完成对接。

3)依次开启电控阀1、4和2，实现船厢排水。

4)需要停止船厢排水时，依次关闭电控阀2、4，待补排水系统管道水泄完后关闭电控阀1。

5 结语

1)针对现有补排水系统存在的不足完成了船厢补排水系统对接装置设计，并对装置的受力进行分析。

2)提出了两种补排水装置的安装布置方案，并分析对比其优缺点。

3)针对两种安装布置方案分别提出了对应的补排水工艺优化流程。