构皮滩水利枢纽垂直升船机设计中的关键问题研究.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2王可,赵斌,唐雪景,等.构皮滩水利枢纽垂直升船机设计中的关键问题研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):163-169.WANG Ke,ZHAO Bin,TANG Xuejing,et al.Research on pivotal issues in design of the partial balance winch vertical ship lifts of Goupi-tan Hydro-StationJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(S2):163-169.构皮滩水利枢纽垂直升船机设计中的关键问题研究王 可1,赵 斌2,唐雪景2,胡吉祥1,廖乐康1(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430400;2.贵州乌江水电开发有限责任公司,贵州 贵阳 550005)收稿日期:2023-07-05 基金项目:国家科技发展计划项目“200m 级大型垂直升船机成套技术”(2016YFC0402002)作者简介:王 可(1981),男,高级工程师,学士,主要从事升船机金属结构及机械设备研究。E-mail:wangke 通信作者:胡吉祥(1995),男,工程师,硕士,主要从事升船机相关设备设计与制造研究。E-mail:hujixiang 摘 要:构皮滩水利枢纽通航设施采用三级 500 吨级升船机组合型式,其中第一级和第三级升船机为非全平衡式,即下水式升船机,是国内提升力最大的垂直升船机。在构皮滩通航设施布置及一、三级升船机机械布置的基础上,针对其设计中的部分难点,进行了深入的研究。介绍了构皮滩下水式升船机机械设计中的重要研究方案,讨论了下水式垂直升船机共同面临的主提升机减速器疲劳载荷和结构优化以及船厢水动力设计与试验问题。关键词:构皮滩水电站;下水式升船机;水动力试验和设计;疲劳载荷优化DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.026中图分类号:U642文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0163-07Research on pivotal issues in design of the partial balance winch vertical ship lifts of goupitan hydro-stationWANG Ke1,ZHAO Bin2,TANG Xuejing2,HU Jixiang1,LIAO Lekang1(1.Chang Jiang Institute of Survey PIanning Design and Research,Wuhan 430400,Hubei,China;2.Guizhou Wujiang Hydropower Development Co.,Ltd.,Guiyang 550005,Guizhou,China)Abstract:The navigation facility of the Goupitan hydro-station applies the combined application of three stage ship lifts with ton-nage of 500 t,among which the first and third stage ship lifts are selected as the type of partial balance winch ship lifts of which the hoist force is the largest among the all vertical ship lifts in China.Aiming at overcoming the difficulties in design,a compre-hensive research has been performed.This paper introduces some research programs related to design of machinery of partial bal-ance winch vertical ship lifts of the Goupitan hydro-station,based on outline of layout of the navigation facility and arrangement of the machinery of the first and third stage ship lifts.The issues of optimization of fatigue load and structure of gearboxes of the main hoists and hydrodynamic design and test of the ship chambers,which are shared by all launching vertical ship lifts,have been discussed.Keywords:goupitan hydro-station;partial balance winch vertical ship lifts;hydrodynamic test and design;fatigue load minimi-zation361王 可,等/构皮滩水利枢纽垂直升船机设计中的关键问题研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期0 引 言0 引 言 在水利枢纽工程设计中,如果需要保持水路运输,则应将通航建筑物作为工程的一部分加以考虑。升船机作为两种主要的通航设施之一,近三十年来在中国得到了快速发展,相比于船闸,其在高坝快速通航方面具有较大优势1。目前国内已建成的大中型垂直升船机主要有全平衡齿条齿轮式垂直升船机2-3、全平衡钢丝绳卷扬式垂直升船机4-7和非全平衡式垂直升船机8-9,也有文献称之为下水式垂直升船机。当下游水位快速变化时,对于吨位小于或等于 500 t 的船舶,下水式升船机是唯一合理的选择,而这种环境状况在中国西南地区非常普遍。1 工程概况1 工程概况 构皮滩水利枢纽位于贵州省乌江流域10,通航设施设置在乌江左岸,设计代表船型为 500 t 级机动驳船,船型尺寸为 55.8 m10.8 m1.6 m(长宽吃水深)。三座升船机的船厢有效尺寸相应为 59 m11.8 m2.5 m(长宽深),最大通航水头199 m。通过与多级船闸方案的技术经济性比较,结合通航工程特点、自然条件和施工要求,采用了三级升船机方案作为通航设施。根据设计方案,该通航设施由上游和下游引航道、三座卷扬式垂直升船机和两条中间航道组成,其中包括一段通航隧道和两段明渠,如图 1 所示,该设施的航道总长约为 2300 m。到目前为止,三座升船机的所有机械和电气设备现场安装已全部完成,现场调试工作正在进行中11。图 1 构皮滩升船机总布置示意为了避免在复杂的地形地质条件下建造过高的挡水建筑物和渗流控制系统12,第一级通航设施采用下水式升船机,其上闸首与上游引航道连通,船厢在上闸首位置入水。第一级升船机的塔柱结构设在了大坝上游的水库内,用于适应枢纽上游 590.0630.0 m的通航水位变幅,下游与第 1 级中间渠道连接,渠道工作水位 637.0 m,高于上游最高通航水位。因此,升船机在通航运行时将船舶从上闸首提升至连接第一级升船机和第二级升船机的第一级中间通道,最大提升高度为 47 m。第一级升船机设备包括上游导航浮箱、上闸首设备、船厢室段设备、下闸首设备以及电气控制与监测设备等。第三级升船机通过第二级升船机连接到第一级,布置在第二级中间渠道与下游引航道之间,全程需要跨过的水头高度为 127.0 m。考虑到下游水位变化频繁、速度快,不能采用全平衡钢丝绳卷扬式升船机,故采用与第一级相同的下水式升船机,其下闸首与下游引航道连通,船厢在下闸首位置入水,使船舶可以直接进出船厢。第三级升船机设备包括上闸首设备、船厢室段设备、下闸首设备和电气控制与监测设备。2 下水式升船机主提升机关键技术设计2 下水式升船机主提升机关键技术设计2.1 升船机船厢室段设备布置 对于第一级和第三级下水式升船机,船厢室段的机械设备布置基本相同,主要包括主提升机、承船厢、平衡重系统、船厢室设备及机房检修桥机和其他辅助设备。主提升机布置在塔柱顶部机房底板上,每台主提升机主要由 8 套卷扬提升机构、2 套提升机工作制动和安全制动液压站、1 套连接所有卷扬提升机构的机械同步轴系统、4 套干油润滑系统、1 套钢结构检修平台、1 套主提升机埋件及相应的电力拖动、控制、检测等设备组成。每套卷扬提升机构由 1 套交流变频电动机(带交流变频传动装置)、1 台减速器、2 个直径 4.6 m 的卷筒、2 套工作制动器和安全制动器,每个卷筒上各缠绕有每个卷筒上各绕有 4 根 72 mm 的提升绳和 3 根同直径的转矩平衡绳,分别与船厢和平衡重系统相连接。图 2 展示了第三级升船机主提升机实景。图 2 第三级主提升机启闭机房461王 可,等/构皮滩水利枢纽垂直升船机设计中的关键问题研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期船厢载水总重为 31 850 kN,由 64 根钢丝绳悬吊,并通过主提升机驱动,沿铺设在塔柱墙壁上的轨道运行,从而完成在空中和水中的升降运行。在船厢纵向端部均布置了 1 扇卧倒式工作闸门,每扇工作闸门分别由 2 台液压启闭机启闭,从而跟据通航操作程序交替实现船厢与外部水域的连接和隔离。每扇卧倒门后方设有 1 套防撞装置,用于保护闸门免受失速船只的撞击。四组导向机构对称地设置在船室两侧,四组用于垂直承载的对接锁定机构和两组用于水平承载的顶紧机构,用于船厢在与第一级升船机的上闸首或第三级升船机的下闸首外部水域连接。提升钢丝绳与船厢连接处设置了 64 套液压均衡装置,用于调节船厢水平和平衡所有提升钢丝绳的初始张力,由船厢两侧设置的 2 个液压站进行控制。此外,船厢上还设置了消防、照明、供电、电气控制等设备。一三级升船机配备有平衡重系统,总重量为 22 540 kN,由配重单元、导轨及其预埋件、上部锁定装置、下部锁定预埋件组成,共分为 16 组,分别布置在船厢室基底两侧的 16 口配重井中。每套平衡重系统由 3 个高密度混凝土块、1 套钢质安全梁、2 套导向装置、3 套钢丝绳调节组件和若干套调节配重块组成。每个平衡重井均设有平衡重上锁定平台,每组平衡重在上锁定平台上设置有 2 套上锁定装置。在平衡重井底部设有平衡重下锁定平台,每组平衡重组均设有下锁定装置。当船厢需要检查或修理时,将船厢提升至上部检修平台,同时将平衡重系统下降至底部位置进行锁定,使平衡重配重块底部放置在下锁定装置平台上。船厢排水后,其上部锁定装置就位,以承受检修时的船厢重量。下水式升船机船厢室段的其他设备包括 4 组对接锁定装置和 2 组用于顶紧装置的导轨,分别将对接过程中船厢的垂直和纵向水平载荷传递到混凝土塔柱结构。船厢室段的 4 套上锁定装置和 4 套下锁定装置,在船厢检修维护时分别在上下锁定位置承受船厢重量。用于顶紧和用于对接锁定装置的轨道对称地布置在塔柱的混凝土牛腿的两侧,此外,在主提升机房顶部设置一台 1 600 kN/2160 kN 的桥机,用于主提升机的安装和检修。2.2 下水式升船机主提升机减速器的载荷及结构优化 作为下水式升船机的一个操作特点,船厢在空中长距离垂直运动后,进入水中,直至船厢内外水面处于同一水平面,主提升机的负载远远大于同规模的全平衡式升船机主提升机的负载,此时主提升机需要更大的减速器来传递驱动船厢的动力。大型减速器设计和制造的困难一直是制约下水式升船机发展的重要因素。为保证符合该工况下减速器设计和制造的实现,必须对减速器的载荷和结构进行优化。图 3 下水式升船机的运行操作流程以第三级升船机为例,下水式升船机的操作如图3 所示。在船舶进入第二级中间渠道的后,船厢以8 m/min 的速度从最高位置向下移动,并以 1.8 m/min的速度向船厢室底部排出水,直至与通航水位相同。当船厢被锁定,下闸首的闸门打开后,过坝船舶进入船厢,下游闸门再次关闭,主提升机带动船厢向第二级中间渠道移动。在此过程中,主提升机载荷特征为图 4 所示的简化曲线 ABCDEF,图中忽略了船厢下水过程中载荷变化的细节13。图 4 下水式升船机提升载荷变化过程561王 可,等/构皮滩水利枢纽垂直升船机设计中的关键问题研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期图 4 中 AB 段和 EF 段分别描述了船厢在空气中向上和向下运动时主提升机的载荷变化过程,其载荷大小随时间不变,BC 段和 DE 段分别描述了船厢入水和出水时的载荷变化过程,CD 段描述了船厢锁定在最低位置时的载荷过程。船厢在空气中时的主提升载荷 F1表示为 F1=Wt-Wc+P1(1)船厢在水中处于最低位置时的主提升机荷载 F2表示为F2=Wc-Ws+P2(2)Wt、Wc和 Ws分别代表船厢总重、平衡重总重和船厢结构设备重,是船厢入水后扣除浮力产生的换算系数,其大小一般取 0.75 0.85,P1、P2分别为船厢在空气中和水中最低位误载水重量W1、由船厢与平衡重悬吊长度不同引起的钢丝绳不平衡重力W2、钢丝绳僵性阻力 f1、卷筒轴承摩擦力 f2和运动惯性力 f3等载荷组成的合力。公式为P1=W1+W2+f1+f2+f3(3)P2=W1+W2+f1+f2+f3(4)由于在相同的切向力作用下,在相同的时间内,齿轮对的小齿轮的齿比齿轮的齿承受更多的载荷,因此应从降低小齿轮齿的弯曲疲劳等效载荷开始,降低低转速齿轮副的模量。对于减速器中转速较低的最大小齿轮的某一齿,在一个运行圈内 F1的加载次数为2ins,假定 F2的加载次数为 1,其中 i 为最后一个齿轮副的传动比,ns为船厢在空中移动最大距离时卷筒的旋转圈数14,由下式确定ns=INTH-dDdr()+1(5)式中,H 为船厢最大提升高度;d 为下水过程中的移动距离,如图 3 所示,d 为主提升机卷筒直径。图 5 减速器中最大小齿轮的某一齿的加载过程 对于减速器中最大小齿轮的齿,主提升机在一个运行圈内的负载谱如图 5 所示。以线性累积损伤假设15和 ISO 6336-6 等齿轮承载能力计算规范中规定的齿轮弯曲强度计算方法为例,计算小齿轮弯曲疲劳强度的等效载荷为Fbfe=F2p+2insF1p2ins+1()1p(6)式中,p 为与小齿轮材料有关的系数;等效载荷 Fbfe可以看作是唯一自变量 Wc的函数,这意味着可以通过选择合适的 Wc值来最小化等效载荷 Fbfe。因此,通过将 dFbfe/dWc赋值为零,得到使 Fbfe最小化的Wcm值Wcm=Ws-P2+(2ins)-(p-1)(Wt+P1)1+(2ins)-(p-1)(7)对于构皮滩水利杻纽的第一级升船机和第三级升船机,将表 1 中列出的参数代入(7),以此计算出的第一级和第三级升船机的 Wcm分别为 22 503 kN 和22 937 kN。平衡重系统总重量在实际设计中统一取22 540 kN。减速器是主提升机的核心装置,它不仅将电动机的动力传递给卷筒,驱动船厢垂直运动,并且承受船厢、平衡重系统和卷筒的重力作用所产生的垂直载荷。减速器的轴承结构应具有足够的刚度,以避免过度变形影响齿轮副的传动精度。在确定平衡重的总重量后,可以根据(1)(4)分别计算出第一级升船机和第三级升船机的船厢在空中移动和锁定在水中时主提升机的载荷,以及主提升机减速器在两种运行情况下的额定输出转矩,这两种情况对于两台升船机是相同的,因此确定为 22 240 kNm 和23 360 kNm,每个减速器的垂直载荷约为 22 350 kN。由于主提升机布置空间的限制,减速器的最大宽度必须不超过3.7 m,因此很难通过增加最大齿轮副的宽度来提高减速器的容量。为了传递额定输出转矩,最大齿轮的模数和直径达到由齿轮热处理和加工设备的能力决定的极限。针对构皮滩一三级升船机主提升机减速器的设计和制造,大量的齿轮工艺改进研究被引入,包括减速器各级传动比合理配置及传动齿轮布置方案的优化设计、大型硬齿面齿轮制造加工工艺、大型箱体的 表 1 一三级升船机齿轮载荷计算参数项 目Wt/kNWs/kNP1/kNP2/kNinsp第一级升船机31 850 7 7421 080598 5 30.758.7第三级升船机31 850 7 6441 504173 5 60.758.7661王 可,等/构皮滩水利枢纽垂直升船机设计中的关键问题研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期变形和受力的有限元分析、减速器结构的应力和变形分析、低速级传动轴与卷筒轴连接方案的研究,以及减速器加载试验方案的研究。通过以上技术研究,主要的设计和制造的问题都得到了解决,满足构皮滩下水式升船机主提升机的总体布置和工作要求。3 下水式升船机船厢水动力学试验研究3 下水式升船机船厢水动力学试验研究3.1 总体试验研究 下水式升船机的船厢和主提升机的各结构件在提升、对接和下水过程中将承受水动力载荷,其在设计中须重点考虑。为了避免水动力载荷对船厢结构和关键部件的机械强度及运行稳定性产生不利影响,构皮滩升船机针对性的进行了 1 10 比例的物理模型试验,如图 6 所示。表 2 说明了水动力问题的试验研究。以上试验研究成果为合理确定船厢结构型式和局部结构设计、确定船厢出/入水速度和船只进/出厢速度,改善船厢运行水力学条件,确定和降低主提升机出入水时的载荷,提供了科学的依据。3.2 上浮力和下吸力的水动力设计与研究 下水式升船机入水时,由于浮力和流动阻力,船厢将受到船厢底部水的抬升力,影响船厢顺利下水,从而也增加了主提升机的向上载荷16。另一方面,当船厢出水面时,船厢受到水的下吸力,使悬吊船厢 的所有钢丝绳的总张力和主提升机的向下载荷增大。就船厢结构设计而言,优化水动力特性有两种途径,第一种方法是将船厢底面设置为两个斜面而不是一个水平面,如图 7 所示,进而通过试验选择合适的角度 值来优化水动力性能17。第二种方法是在船厢底部纵梁的外腹板上钻孔,以减小船厢上的浮力和流动阻力,下文将对此进行阐述。外腹板钻孔的三种方案如表 3 所列。图 7 下水式升船机船厢截面结构示意根据不同钻孔方案和不同入水和出水速度条件下,在船厢室段底部进行了船厢入水的水动力试验,研究了不同钻孔方案和出入水速度对出入水过程中上浮力和下吸力的影响。图 8 为船厢入水过程中上浮力的试验结果。图 6 构皮滩下水式升船机物理模型试验表 2 下水式升船机船厢水动力学试验研究内容试验名称主要研究内容承船厢出、入水过程运行特性试验研究包括船厢出、入水过程中的速度、加速度及其船厢水动力特性;主提升机钢丝绳提升力及电机输出功率变化特性;船厢室内的水位波动特性及其对船厢水动力特性的影响;船厢底部拍击水面的水动力过程;船厢内船舶停泊条件研究;船厢出入水对接过程优化研究等。承船厢和船厢室水力学试验包括船舶进出船厢时水力条件及船舶进出船厢速度优化;在停位误差条件下开启闸门时船厢内的水力条件和船舶受力过程;船厢补、排水时厢内的水力条件和船舶受力过程;以上各工况船厢钢丝绳受力特性研究等升船机正常运行状态水动力特性研究包括船厢正常升降运行过程船厢内水面变化特性;船厢速度、加速度变化特性;钢丝绳拉力变化特性;船船厢内船舶停泊条件;船厢运行速度优化等。升船机事故状态水动力特性研究包括各种事故状态(紧急制动、船厢失水、断绳、船厢拍击水面等)船厢内水面变化特性;船厢速度、加速度变化特性;钢丝绳拉力变化特性;船舶停泊条件等。761王 可,等/构皮滩水利枢纽垂直升船机设计中的关键问题研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期表 3 船厢底部纵梁外腹板钻孔方案方 案示意图方案描述方案 A两侧梁之间纵梁外腹板钻1 个 100 mm 孔,面积为0.008 m2。方案 B两侧梁间纵梁外腹板钻孔100 mm 孔 1 个,120 mm 孔 5 个,总 面 积 为0.064 m2。方案 C两侧梁间纵梁外腹板钻孔100 mm 孔 1 个,120 mm 孔 2 个,180 mm 孔3 个,总 面 积 为 0.107 m2。图 8 船厢入水过程中上浮力变化试验结果图 8(a)(c)分别描绘了入水速度为 1.6 m/min时方案 A、方案 B 和方案 C 的船厢上升力的时间历程,其中虚线为纵梁主段底部开始下水的时刻。根据图中曲线,在相同的运动速度下,方案 B 中船厢所受上浮力远小于方案 A,略大于方案 C,说明在方案B 的基础上增加钻孔的尺寸并没有再明显地减少上升力。考虑到钻孔尺寸过大可能会削弱船厢结构强度,方案 B 明显优于方案 A 和方案 C。图 8(d)为方案 B和方案 C 纵梁底面单位面积区间最大上浮力与下水速度的关系。结果表明,钻孔面积的增加导致上浮力减小,入水速度的增加导致上浮力增大。升船机船厢在出水时,船厢底部受到水面张力和流动阻力所产生的吸力,增大了吊载钢丝绳张力和主提升机的向下载荷。图 9 为船厢出水过程中吸力的试验结果。以图 9(a)为例,图 9(a)描绘了出水速度为1.6 m/min 时方案 B 的船厢所受下吸力时间历程,其中虚线表示纵梁主要截面底部离开水面的时刻。图 9(b)为纵梁外腹板钻孔三种方案下纵梁底部单位面积区间最大下吸力与船厢出水速度关系。可以看出,方案 B 的下吸力明显小于方案 A,而方案 C 的下吸力略大于方案 C。因此,基于与入水过程相同的考虑,可以认为方案 B 是减小下吸力最合理的方案。根据对下水过程中上浮力和出水过程中下吸力的水动力试验研究,设计中采用了能够有效减小水动力载荷的方案 B,确定船厢运行速度为 1.8 m/min。4 结 论4 结 论 本文在介绍构皮滩水利枢纽通航设施总体布置和三级升船机机械布置的基础上,对下水式升船机共有的机械设计关键问题进行了研究,主要讨论以下861王 可,等/构皮滩水利枢纽垂直升船机设计中的关键问题研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期图 9 船厢出水过程中下吸力变化试验结果曲线问题:(1)为了减小减速器低转速齿轮副小齿轮轮齿的等效疲劳载荷,降低减速器设计制造难度,提出了平衡重系统总重量的确定方法,推导了其总质量的计算公式。(2)介绍了构皮滩水利杻纽一、三级升船机船厢水动力特性试验。提出了减小船厢下水过程中上浮力和出水过程中下吸力的水动力设计方案,并根据部分试验结果,论证了设计方案和参数的选择过程。建立了船厢纵梁底部单位面积区间上的最大上升力与下吸力之间的关系,表明了船厢出入水速度越大,上升力和下吸力越大。本文在考虑减速器轮齿等效疲劳载荷与船厢水动力特性的基础上,建立了改进的结构模型,推导出了一套计算公式,从而将该成果研究纳入了下水式升船机设计制造的实际应用之中。参考文献:1 程根伟.1998 年长江洪水的成因与减灾对策M/许厚泽,赵其国.长江流域洪涝灾害与科技对策.北京:科学出版社,1999:32-36.1 王常红,朱庆川,高瑞芳.内河枢纽过船设施型式的选择研究J.中国水运,2013,13(9):113-114.2 钮新强,覃利明,于庆奎.三峡工程齿轮齿条爬升式升船机设计J.中国工程科学,2011,13(7):96-103.3 LIAO L K,ZHU H,ZHANG R.Research and design of the main e-quipment and structure of Xiangjiaba shipliftJ.Engineering Sci-ence,2014,12(5):81-89.4 刘小敏,于庆奎,彭定中.隔河岩枢纽垂直升船机设计研究J.人民长江,1998,29(S1):36-38.5 单毅,于庆奎.彭水水电站500 t 级垂直升船机总体布置J.人民长江,2006,37(1):25-28.6 蒋效忠,汪云祥,扈晓雯.高坝通航技术在水口工程的新发展J.水力发电,2006,32(8):64-67.7 谭守林.思林水电站 500 t 级垂直升船机设计布置 J,贵州水力发电,2008,22(4):62-65.8 吴华明,岩滩水电站 1250t 级垂直升船机调平系统优化改造 J.红水河,1999,18(4):18-21.9 余友安,廖乐康.构皮滩垂直升船机金属结构和机械设备设计研究J.人民长江,2019,50(5):119-126.10 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