关于承受高水压闸门下吸力的研究

喻体军

（水电七局机电安装分局四川省眉山市620860）

关于承受高水压闸门下吸力的研究

喻体军

（水电七局机电安装分局四川省眉山市620860）

本文介绍了在承受高水压时，闸门模型试验的下吸力研究结果。下吸力的大小在很大程度上取决于闸门的底缘形式。在管道进水口的闸门安装过程中，共获得了14种不同形式闸门的下吸力特性，研究了承受高水压的滑动闸门以及闸门形式与下吸力的关系。采用倾斜的底部形式和垂直的边缘能减少闸门底部水流的分离区，从而能有效地减小闸门的下吸力。

高水压；下吸力；压强；闸门底部形式

引言

在选取承受高水压闸门的启闭机容量时，下吸力是一个很重要的因素。在闸门不同的开度下，闸门的启闭机容量必须控制在能够承受闸门的重量、摩擦力以及下吸力的总和。虽然闸门下吸力的变化取决于闸门的形式，但是能够减小下吸力的闸门势必也会增加闸门的制造成本。所以非常有必要研究一下闸门的形式，使它既能满足设计的经济要求，也能满足减小下吸力的要求。正是基于这个原因，我们公司研究了管道进水口和管道中的闸门形式与下吸力的关系。

1　模型设备

1.1取水口和溢洪道闸门的设备

我们的取水口和溢洪道闸门的设备见图1。此项模型试验是在一个600mm宽、2m高水头的管道中进行的。供水设备是由一台曾经用于水轮机实验的超大供水量的水泵。

图1　用于取水口和泄洪道测试设备的布置图

在闸门的模型上我们安装了二维测压元件，用于直接测量下吸力，其结果是很精准的。

这个模型试验的设备可以用来测试闸门的不同水力特性，其中就包括下吸力大小的测量。在运往尼日利亚的闸门特性测试时，就是采取的上述设备。

1.2在管道中的闸门模型实验的设备

测试管道闸门模型设备尺寸：宽150mm，高225mm，供水设备所采用的水泵，完全能够满足实验的目的要求。这种形式闸门的下吸力大小可以通过布置在闸门顶部和底部的测量元件获取。

2　用于下吸力测试的闸门

用于下吸力测试的闸门详见图2，共计采用了14种闸门。

关于在下文中的闸门，我们引用了图2中的序号。例如，闸门①就是图4中所示的序号①。

图2　用于测试取水口闸门下吸力的闸门

2.1下吸力测试结果

相比较与闸门①，闸门⑧A的下吸力减少了1/3.2。如果考虑到门叶结构的制造成本，闸门⑨B更加具有优势。在这种情况下，相比较于闸门①，闸门⑨B的下吸力减少了1/2.9。

从中，我们可以很清楚的看出，不同形式的闸门能引起下吸力的巨大变化。所以说，减少闸门和启闭设备的成本不仅可以通过关注减小闸门的制造成本来达到目的，亦可通过选择选择具有下吸力小的门叶结构形式。

根据研究结果，在给尼日利亚设计的闸门就采用了上述闸门⑨B，目前，闸门正在制造中。这种闸门的形式正在申请专利。

2.2关于闸门和下吸力二者关系的讨论

我们通过研究闸门与下吸力的关系中，获取了一些数据，从这些数据中，我们得出在多重要求下设计闸门的普遍性原则。

2.2.1最大下吸力与倾斜角度

根据那些具有底缘倾角θ为0°（例如闸门①和②）模型实验所获取的数据，我们给出了倾斜角度与最大下吸力系数之间的关系，同时也给出了纳屋达司齐关于管道中闸门下吸力的数据。

当可以清晰的看到当θ=0时，最大下吸力几乎取决于倾角α。假定闸门下游底部弯曲部分半径r/t为定值，当倾角e/t增加时，下吸力反而减小；假定e/t为定值，如果r/t增加，下吸力相应却减小。

2.2.2底部分离区、下吸力、最合适的底缘长度之间的关系

具有底缘的闸门并不能阻止水流与其靠近闸门底缘部分的分离和涡流的产生。涡流区所产生的压强下降能引起闸门下吸力的增加。

但是，如果分离区完全被覆盖，底缘长度减少至0（例如闸门③和④的闸门），下吸力反而增加了。所以非常有必要研究底部分离区的减小范围和底缘长度的减小范围，对于下吸力的减小会产生什么样的效果。关于这个问题，根据研究实验结果，我们可以总结出规律，如果闸门的底缘长度，即θ/α在0.6～0.7之间，那么闸门的下吸力将会变得非常小。

2.2.3比较一下曲面底缘和平面底缘的效果

曲面底缘和平面底缘的效果可以从闸门⑦R和闸门⑨B的下吸力特性看出。相对于闸门⑨B，闸门⑦R具有更大的底缘倾角α，没有产生涡流，对下吸力减小也有一定的趋势。

接下来，谈一下底缘形状，相比较曲面底缘闸门的⑦R，θ/α= 0.68的闸门⑨B对于减小下吸力来说，形状更适宜。闸门⑦R和闸门⑨B的下吸力特性曲线几乎差不多。通过闸门⑦R和闸门⑨B的下吸力特性比较来看，两种闸门的效果一样，但从进口角度和分离区的方面看，闸门⑨B比曲面底缘闸门⑦R在减小下吸力方面更具有优势。所以，假如减小下吸力仅仅只是个目的的话，相对于曲面底缘来说，可以选取更佳的底缘形式。

3　管道中的闸门下吸力

根据实验数据来看，即使闸门的底缘形式和开度γ/t一样的情况下，当Y0/t这个数据变化时，闸门底部的压强分布区也会有很大的变化。前面所提到的进水口闸门，具有很大的Y0/t，如果只根据水力特性把这种形式的闸门也布置在管道中，那就是很危险的。所以非常有必要研究一下管道中的闸门。

关于管道中闸门的下吸力，在一定的程度上可以参考和利用纳屋达司齐的数据。

我们公司投入极大的热情研究了高水压的滑动闸门，但是现在用于研究闸门下吸力的数据却很少。所以接下来会专注研究高水压滑动闸门下吸力特性。

3.1底部压强测试结果

底部具有相似形状的纳屋达司齐的数据，可以说两种测试结果具有同一种趋势。我们的数据有些偏大，那是因为我们采用的闸门具有底缘。

3.2管道进口的压强测试结果

要想计算闸门的下吸力，获取闸门顶部的压强是必不可缺的。闸门顶部压强取决于管道进口的压强以及在管道和闸门上下游的间隙所产生的水头损失。

式中：Δhμ——在闸门和管道上游的间隙所产生水头损失；

Δhd——在闸门和管道下游的间隙所产生水头损失。

Δhμ和Δhd的大小取决于每扇闸门前后的间隙。

在水力测试中，测试闸门本顶部的压强不是很重要，但是非常有必要获知管道进口的压强，因为这样可以通过式（1）和式（2）计算出实际闸门顶部的压强。

3.3实际闸门的下吸力

实际闸门的下吸力可这样获得，将上述实际闸门的压强系数转换成闸门的压强，再由式（1）和式（2）得到闸门顶部的压强，从而得到下吸力值。在管道中的闸门，还应该注意负的下吸力（即上托力）。经常有关于闭门失败这方面的报道。本文研究所获得数据，很好地解释了一些问题，同时在设计闸门启闭设备时，对于选择一个合适的启闭容量更能提供有力依据。

4　结论

当闸门底部倾斜角度为0时，最大下吸力取决于这样一个角度，那就是连接闸门底部底缘与弯曲部分的切线与水平线的夹角（本文中的角度α）。

当闸门底部的分离区减小时，下吸力也随之降低。然而，当去掉底缘完全覆盖分离区时，下吸力反而增大。如果把闸门底部的表面与水平线间的夹角定义为θ，那么一个适宜的底缘长度就可以定位了，关系就是这样的，θ/α=0.6～0.7。

这种形式的闸门的确能够减小下吸力，而且其研究结果已经被推广。在给尼日利亚设计的闸门已经采用了上述闸门，并且闸门正在加工制造。

[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

喻体军（1965-），男，重庆永川人，工程师，本科，从事工程管理工作。