關于承受高水壓閘門下吸力的研究

喻體軍

（水電七局機電安裝分局四川省眉山市620860）

關于承受高水壓閘門下吸力的研究

喻體軍

（水電七局機電安裝分局四川省眉山市620860）

本文介紹了在承受高水壓時，閘門模型試驗的下吸力研究結果。下吸力的大小在很大程度上取決于閘門的底緣形式。在管道進水口的閘門安裝過程中，共獲得了14種不同形式閘門的下吸力特性，研究了承受高水壓的滑動閘門以及閘門形式與下吸力的關系。采用傾斜的底部形式和垂直的邊緣能減少閘門底部水流的分離區，從而能有效地減小閘門的下吸力。

高水壓；下吸力；壓強；閘門底部形式

引言

在選取承受高水壓閘門的啟閉機容量時，下吸力是一個很重要的因素。在閘門不同的開度下，閘門的啟閉機容量必須控制在能夠承受閘門的重量、摩擦力以及下吸力的總和。雖然閘門下吸力的變化取決于閘門的形式，但是能夠減小下吸力的閘門勢必也會增加閘門的制造成本。所以非常有必要研究一下閘門的形式，使它既能滿足設計的經濟要求，也能滿足減小下吸力的要求。正是基于這個原因，我們公司研究了管道進水口和管道中的閘門形式與下吸力的關系。

1　模型設備

1.1取水口和溢洪道閘門的設備

我們的取水口和溢洪道閘門的設備見圖1。此項模型試驗是在一個600mm寬、2m高水頭的管道中進行的。供水設備是由一臺曾經用于水輪機實驗的超大供水量的水泵。

圖1　用于取水口和泄洪道測試設備的布置圖

在閘門的模型上我們安裝了二維測壓元件，用于直接測量下吸力，其結果是很精準的。

這個模型試驗的設備可以用來測試閘門的不同水力特性，其中就包括下吸力大小的測量。在運往尼日利亞的閘門特性測試時，就是采取的上述設備。

1.2在管道中的閘門模型實驗的設備

測試管道閘門模型設備尺寸：寬150mm，高225mm，供水設備所采用的水泵，完全能夠滿足實驗的目的要求。這種形式閘門的下吸力大小可以通過布置在閘門頂部和底部的測量元件獲取。

2　用于下吸力測試的閘門

用于下吸力測試的閘門詳見圖2，共計采用了14種閘門。

關于在下文中的閘門，我們引用了圖2中的序號。例如，閘門①就是圖4中所示的序號①。

圖2　用于測試取水口閘門下吸力的閘門

2.1下吸力測試結果

相比較與閘門①，閘門⑧A的下吸力減少了1/3.2。如果考慮到門葉結構的制造成本，閘門⑨B更加具有優勢。在這種情況下，相比較于閘門①，閘門⑨B的下吸力減少了1/2.9。

從中，我們可以很清楚的看出，不同形式的閘門能引起下吸力的巨大變化。所以說，減少閘門和啟閉設備的成本不僅可以通過關注減小閘門的制造成本來達到目的，亦可通過選擇選擇具有下吸力小的門葉結構形式。

根據研究結果，在給尼日利亞設計的閘門就采用了上述閘門⑨B，目前，閘門正在制造中。這種閘門的形式正在申請專利。

2.2關于閘門和下吸力二者關系的討論

我們通過研究閘門與下吸力的關系中，獲取了一些數據，從這些數據中，我們得出在多重要求下設計閘門的普遍性原則。

2.2.1最大下吸力與傾斜角度

根據那些具有底緣傾角θ為0°（例如閘門①和②）模型實驗所獲取的數據，我們給出了傾斜角度與最大下吸力系數之間的關系，同時也給出了納屋達司齊關于管道中閘門下吸力的數據。

當可以清晰的看到當θ=0時，最大下吸力幾乎取決于傾角α。假定閘門下游底部彎曲部分半徑r/t為定值，當傾角e/t增加時，下吸力反而減??；假定e/t為定值，如果r/t增加，下吸力相應卻減小。

2.2.2底部分離區、下吸力、最合適的底緣長度之間的關系

具有底緣的閘門并不能阻止水流與其靠近閘門底緣部分的分離和渦流的產生。渦流區所產生的壓強下降能引起閘門下吸力的增加。

但是，如果分離區完全被覆蓋，底緣長度減少至0（例如閘門③和④的閘門），下吸力反而增加了。所以非常有必要研究底部分離區的減小范圍和底緣長度的減小范圍，對于下吸力的減小會產生什么樣的效果。關于這個問題，根據研究實驗結果，我們可以總結出規律，如果閘門的底緣長度，即θ/α在0.6～0.7之間，那么閘門的下吸力將會變得非常小。

2.2.3比較一下曲面底緣和平面底緣的效果

曲面底緣和平面底緣的效果可以從閘門⑦R和閘門⑨B的下吸力特性看出。相對于閘門⑨B，閘門⑦R具有更大的底緣傾角α，沒有產生渦流，對下吸力減小也有一定的趨勢。

接下來，談一下底緣形狀，相比較曲面底緣閘門的⑦R，θ/α= 0.68的閘門⑨B對于減小下吸力來說，形狀更適宜。閘門⑦R和閘門⑨B的下吸力特性曲線幾乎差不多。通過閘門⑦R和閘門⑨B的下吸力特性比較來看，兩種閘門的效果一樣，但從進口角度和分離區的方面看，閘門⑨B比曲面底緣閘門⑦R在減小下吸力方面更具有優勢。所以，假如減小下吸力僅僅只是個目的的話，相對于曲面底緣來說，可以選取更佳的底緣形式。

3　管道中的閘門下吸力

根據實驗數據來看，即使閘門的底緣形式和開度γ/t一樣的情況下，當Y0/t這個數據變化時，閘門底部的壓強分布區也會有很大的變化。前面所提到的進水口閘門，具有很大的Y0/t，如果只根據水力特性把這種形式的閘門也布置在管道中，那就是很危險的。所以非常有必要研究一下管道中的閘門。

關于管道中閘門的下吸力，在一定的程度上可以參考和利用納屋達司齊的數據。

我們公司投入極大的熱情研究了高水壓的滑動閘門，但是現在用于研究閘門下吸力的數據卻很少。所以接下來會專注研究高水壓滑動閘門下吸力特性。

3.1底部壓強測試結果

底部具有相似形狀的納屋達司齊的數據，可以說兩種測試結果具有同一種趨勢。我們的數據有些偏大，那是因為我們采用的閘門具有底緣。

3.2管道進口的壓強測試結果

要想計算閘門的下吸力，獲取閘門頂部的壓強是必不可缺的。閘門頂部壓強取決于管道進口的壓強以及在管道和閘門上下游的間隙所產生的水頭損失。

式中：Δhμ——在閘門和管道上游的間隙所產生水頭損失；

Δhd——在閘門和管道下游的間隙所產生水頭損失。

Δhμ和Δhd的大小取決于每扇閘門前后的間隙。

在水力測試中，測試閘門本頂部的壓強不是很重要，但是非常有必要獲知管道進口的壓強，因為這樣可以通過式（1）和式（2）計算出實際閘門頂部的壓強。

3.3實際閘門的下吸力

實際閘門的下吸力可這樣獲得，將上述實際閘門的壓強系數轉換成閘門的壓強，再由式（1）和式（2）得到閘門頂部的壓強，從而得到下吸力值。在管道中的閘門，還應該注意負的下吸力（即上托力）。經常有關于閉門失敗這方面的報道。本文研究所獲得數據，很好地解釋了一些問題，同時在設計閘門啟閉設備時，對于選擇一個合適的啟閉容量更能提供有力依據。

4　結論

當閘門底部傾斜角度為0時，最大下吸力取決于這樣一個角度，那就是連接閘門底部底緣與彎曲部分的切線與水平線的夾角（本文中的角度α）。

當閘門底部的分離區減小時，下吸力也隨之降低。然而，當去掉底緣完全覆蓋分離區時，下吸力反而增大。如果把閘門底部的表面與水平線間的夾角定義為θ，那么一個適宜的底緣長度就可以定位了，關系就是這樣的，θ/α=0.6～0.7。

這種形式的閘門的確能夠減小下吸力，而且其研究結果已經被推廣。在給尼日利亞設計的閘門已經采用了上述閘門，并且閘門正在加工制造。

[1]Naudascher′E.Hydrodynamic Analysis for High Head Leaf Gates.Proc，ASCE，VoL 90 No.HY3，1964，5.

[2]Sagar B.T.A,Downpull in High-Head Gate Installations，Water Power &Dam Construction，1977，3.

TV663.8

A

1673-0038（2015）14-0241-02

2015-3-20

喻體軍（1965-），男，重慶永川人，工程師，本科，從事工程管理工作。