简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院

【课题编号】水020560

【课题起止时间】2005年2月~2009年10月

【完成单位】水力学研究所、中水科技

【主要完成人】吴一红、张  蕊、陶  林、张  东、章晋雄、高季章、白剑飞、 李  伟、项亚萍、张文远

立项背景

水力浮动式升船机是一种新型的通航建筑物，它完全利用“水的浮力”来驱动承船厢运行，与传统型式升船机相比具有十分明显的优越性，具体表现在：

（1）安全可靠。水力浮动式升船机正常状态下（承船厢非漏水状态）平衡重浮筒与承船厢保持平衡，发生承船厢漏水事故时，可以通过自动调节平衡重浮筒的淹没水深予以适应，依然保持平衡。

（2）节省投资。水力浮动式升船机通过平衡重浮筒淹没深度的自动调节可以方便的操纵承船厢直接下水，能够较灵活地适应下游水位变幅较大的特点，从而无需修建下闸首及挡水设备，节省投资。

（3）机构简单，易于控制。水力浮动式升船机利用水的浮力驱使承船厢升降运行，主机房布置只有卷筒及机械同步装置，使机房布置非常简约，避开了大型升船机设计、制作、安装方面的难题，使升船机的传动机构变得十分简单，易于制造安装，提高了运行的安全可靠性；水力浮动式升船机采用带滑轮方案，降低竖井高度，土方工程量小，克服了浮筒式升船机的固有缺点；水力浮动式升船机的平衡重，能够自动调节淹没水深，始终与承船厢保持平衡，不必设置平衡链。

（4）节省能源。水力浮动式升船机比船闸省水。而且水力浮动式升船机以水力驱动代替电力驱动，较其他型式升船机省电。

水力浮动式升船机国内外无运行实例，并无经验可以借鉴，虽然也曾经对其进行过初步研究，但是仍然存在一系列复杂的技术问题需要解决：

（1）根据水力浮动式升船机的工作原理，竖井与平衡重浮筒之间的间隙大小、承船厢和平衡重浮筒的底缘外形轮廓、平衡重浮筒的重量以及充泄水阀门启闭方式都直接影响着水力浮动式升船机的平稳运行。深入研究这几个问题对水力浮动式升船机运行的影响规律，对水力浮动式升船机的设计和运行具有重要的意义。

（2）水力浮动式升船机通过输水管道向竖井中充泄水来改变平衡重浮筒的浮力以驱动承船厢运行，输水系统采用等惯性原则布置，理论上确保了通过各分支输水管道进出竖井中的流量均衡以使各竖井水位同步，而实际运行过程中，各竖井间水位不可避免的存在水位差，增加机械同步轴的受力。因此，如何最大程度地保证竖井水位的同步及平稳是水力浮动式升船机需要解决的关键问题之一。

（3）水力浮动式升船机的显著特点是便于承船厢直接下水，而在承船厢出、入水过程中，承船厢——平衡重浮筒系统受力发生突变，如何避免承船厢出现较大的加速度而影响其平稳运行，需要进行深入的研究。

（4）“电力驱动”型式的升船机，通过调节电机的功率可以精确控制承船厢的运行速度和精确定位。而水力浮动式升船机采用水力驱动，需克服水力滞后性和水力惯性对承船厢的速度变化和精确定位的影响，因此必须研究适合水力浮动式升船机特点的运行速度图。

（5）水力浮动式升船机是一种新型升船机型式，由于没有运行实例，无经验可循，对其运行规律和可能存在的问题认识不足。

（6）水力浮动式升船机增加了充泄水系统及竖井，塔柱结构更为单薄，受力状况更为复杂。塔柱作为升船机的主要支撑结构，在各种静力工况组合和地震工况下的稳定性问题十分突出。

总之，水力浮动式升船机作为载人的通航过坝建筑，关系重大，需要针对上述问题进行详细的试验研究和深入的理论论证，以弄清该类型升船机的运行规律，找出升船机在运行过程中存在的具体问题，探清升船机在运行过程中机电、水流的特性及其相互间的关系，为水力浮动式升船机的设计和运行提供理论及试验的依据。水力浮动式升船机的提出，丰富了升船机类型，给通航建筑物的设计研究工作指出了一条新的途径，对水力浮动式升船机的研究，不仅具有理论意义和重要的工程实用价值，而且对发展我国航运事业有重要意义。

详细科学技术内容

水力浮动式升船机是一个由水力系统、传动系统、机械系统和控制系统为一体的复杂结构体系，涉及到流体、机械、自动控制、结构安全等学科领域。本项研究针对“景洪水力浮动式升船机”，采用数学模型和物理模型结合的方法，对影响水力浮动式升船机稳定运行的众多关键因素及水力浮动式升船机整体运行过程进行了深入研究。

主要研究内容如下：

（1）本项研究通过建立几何比尺为1：23的竖井——平衡重浮筒单体物理模型，并通过系统地试验研究，揭示了平衡重浮筒的型式、竖井与平衡重浮筒之间的缝隙大小对水力浮动式升船机运行稳定性的影响规律。

（2）本项研究通过建立输水系统及平衡重浮筒——承船厢系统运行的局部数学模型，并通过仿真分析计算，研究竖井与平衡重浮筒之间的间隙、承船厢的外形轮廓以及充泄水阀门水力控制对升船机运行特性的影响规律。

（3）本项研究通过建立水力浮动式升船机的水力同步系统数值仿真模型，并通过仿真分析计算，研究了各竖井底部间隔之间设置连通廊道和不设置连通廊道时各个竖井之间水位的同步特性，分析了各竖井之间连通廊道尺寸对竖井水位同步性的影响规律。

（4）本项研究针对景洪水力浮动式升船机整体物理模型而建立的电气控制系统，能够满足水力浮动式升船机的平稳运行及精确停位的要求。

（5）本项研究通过建立几何比尺为1：22的景洪水力浮动式升船机整体物理模型，系统的研究了其在正常运行工况及事故工况下输水系统的水力学特性、机械同步系统的受力特性和承船厢的运行特性等方面。

（6）本项研究建立了景洪水力浮动式升船机整体系统运行过程的数学模型，研究了充泄水阀门启闭方式、输水系统尺寸、连通廊道布置和升船机正常运行特性的关系，提出了水力浮动式升船机安全、高效运行的优化原则。

（7）本项研究对景洪水力浮动式升船机塔柱结构进行了静动力有限元分析，研究了塔柱结构在运行工况、检修工况及地震工况下的位移和应力分布。

发明及创新点

（1）本项研究建立了水力浮动式升船机整体系统的物理模型，首次通过模型试验的方法，全面系统地研究了水力浮动式升船机在正常工况和事故工况下输水系统的水力学特性和承船厢的运行特性，为水力浮动式升船机的设计提供了关键的技术支撑。

（2）本项研究根据水力浮动式升船机的工作原理，首次建立了一个能够描述其整体系统运行过程的数学仿真模型，全面考虑了众多的影响因素，包括钢丝绳重量的转移、系统的阻力、因施工误差引起的竖井水位不同步和充泄水阀门处的气蚀系数等，比较真实的反映了水力浮动式升船机运行过程中的输水系统水力学特性、承船厢运行特性和钢丝绳受力特性等。水力浮动式升船机整体系统数学仿真模型的建立为研究这种新型通航建筑物型式提供了一个重要手段，对于深入认识其在运行过程中的水力特性和运行特性等提供了理论基础。

（3）本项研究首次对水力浮动式升船机等惯性输水系统的水力同步性进行了系统深入的研究，针对由于施工误差等原因造成的各竖井间水位不同步现象，提出了有效合理的措施，完善了水力浮动式升船惯性输水系统，明显改善了机械同步轴的受力条件，更加有利于水力浮动式升船机的安全可靠运行。

（4）本项研究首次系统研究了竖井与平衡重浮筒之间的间隙大小、承船厢和平衡重浮筒的底缘外形轮廓以及充泄水阀门的启闭方式等问题对水力浮动式升船机运行特性的影响规律，为水力浮动式升船机的设计和运行提供了科学依据。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

水力浮动式升船机是中国自主研发的一种新型的升船机型式。目前国内外还没有水力浮动式升船机的运行实例。

长江勘测规划设计研究院于2000年对水力浮动式升船机用于三峡工程的总体布置及升船机设备、结构布置的方案进行了比选研究。沙陀水电站作为第二批西电东送项目，其通航过坝设施推荐了水力浮动式垂直升船机，进行了升船机的总体布置，以及承船厢、平衡重浮筒装置结构的初步设计。以上设计和研究仅仅对水力浮动式升船机的充泄水水力学进行了初步计算和分析，而水力浮动式升船机的运行方式及工作条件复杂以及水力惯性的影响、升船机运行的可靠性和稳定性等问题还没有深入进行研究，因而这些设计还没有被工程采用。

本项研究针对景洪水力浮动式升船机，对其影响运行的关键因素（包括竖井与平衡重浮筒之间的间隙、平衡重浮筒底部型式、承船厢底部型式、水力同步系统、充泄水阀门的启闭方式等）以及景洪水力浮动式升船机整体运行特性进行了深入系统地研究。研究方法采用了理论分析、数值计算及模型试验多种方法，并相互验证和补充。研究结果不但可以用于景洪升船机的设计，还为水力浮动式升船机这种新型升船机型式的设计提供了理论依据和宝贵经验。

成果应用情况及社会经济效益

景洪水电站位于云南省西双版纳傣族自治州首府景洪市北郊约5km处，为澜沧江干流中下游河段规划梯级中第六级，是兼顾发电、航运的综合性水利枢纽工程。景洪水电站通航建筑物型式为水力浮动式升船机，作为快速过坝建筑，其重要性不言而喻。而水力浮动式升船机是一种新型的通航建筑物型式，国内外均无应用实例。中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院委托中国水利水电科学研究院对景洪水力浮动式升船机开展研究，全面论证了水力浮动式升船机的可行性，并且为景洪水力浮动式升船机的设计提供了大量的科学依据，其主要研究成果均在景洪水力浮动式升船机的设计中得到了应用和实施。本项研究结果还为水力浮动式升船机这种新型升船机型式的设计提供了理论依据和宝贵经验，对发展我国航运事业有重要意义。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

水力浮动式升船机虽然较船闸省水，但与传统升船机型式相比具有一定的耗水量，如何最大限度地减小水力浮动式升船机的耗水量，对其今后的应用前景具有重要的现实意义。在保证升船机安全平稳运行的前提下，应对竖井布置个数及截面尺寸进行进一步优化，以减小耗水量。

景洪水电站水力浮动式升船机1：22整体模型