一种水力升降机 |
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| 申请号 | CN202211384565.5 | 申请日 | 2022-11-07 | 公开(公告)号 | CN115478524B | 公开(公告)日 | 2023-11-17 |
| 申请人 | 易坚浩; | 发明人 | 易坚浩; 易煊恺; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 水 力 升降机，该水力升降机包括平衡体和动力组件及控制组件，平衡体被设置用于漂浮于竖井的 水体 上，且被设置用于承载通航 船舶 或其它物体；动力组件和平衡体相互连接，且动力组件被设置用于驱动平衡体，控制组件连接平衡体与动力组件，用于控制平衡体起停及上浮下沉的速度。本发明水力升降机应用于竖井中，通过平衡体使其漂浮于竖井的水体上后，再通过动力组件实现平衡体的运动，进而起到船闸或升船机或两者合一的功能，其具有设备投资少、能耗低，仅基于竖井和上下游水位既能实现船闸通行效率高和升船机省水的特点，能够最大限度省水节能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种水力升降机，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种水力升降机技术领域背景技术[0002] 通常有通航要求的航道，在上下游存在水位差的情况下，需要建设船闸或升船机等通航设施来解决船舶通行需要；现有通航设施主要有船闸和升船机两种型式，但无论哪种型式，都需要在建设初期依据航道年流量大小做出选择和决策。如选择建设升船机，建成后即使发现上游水量充沛也不能以船闸模式运行；如选择建设船闸，运行中一旦出现没有足够可供消耗的水资源就可能断航，两者在建成后都不可能按航道流量变化做出运行模式上的切换。并且，在船闸模式下，上下游水位高差越大，通行一次耗水就越多，虽可外接省水池达到一定省水效果，但会增加征地面积及工程量、加长输水时间、降低运行效率；升船机虽不耗水，但通行效率低，通常一次只适合通行一艘船舶，且起升设备投资大，运行维护成本高。因此，无论哪种通航设施，在技术上都存在需要改进的地方，尤其有必要综合船闸和升船机的技术特点，达到省水节能、且通行效率高的效果，并使其建设决策及选择不再需要依赖通航水量的充沛与否，提高通航设施对水资源条件的适应性。 [0003] 在交通运输部和科学技术部关于印发《交通领域科技创新中长期发展规划纲要(2021～2035年)》的通知中明确提出要突破国家重大战略通道建设技术，开展跨江越海通道、西部陆海新通道、运河连通工程等重大基础设施建设技术研究，突破高坝通航船闸、省水船闸等关键技术，提升复杂地质、水文、气候等自然环境条件下交通基础设施可靠性设计和智能建造技术水平。 [0004] 据报道，2016年云南景洪水电站投运了一种水力升船机，该水力式升船机是我国原创并具有完全自主知识产权的新型升船机，在国内外升船机建设史上也尚属首创，其最大提升高度为66.86米，过船吨位500吨，升降时间全程约17分钟，年货运量124.5万吨。该升船机以水能提升动力，通过输水管道对竖井充泄水，驱动浮筒的升降，带动承船厢升降运行，即输水管道对竖井充水时，竖井中的浮筒升起，驱动承船厢从水库水位下降至下游水位；反之，输水管道泄水时，竖井中的浮筒下降，承船厢从下游水位升至水库水位，从而实现船舶在景洪电站高达近68米落差间的通行。与国内外传统升船机相比，景洪水力升船机首次采用水力驱动代替传统电机驱动方式，依靠水力驱动并自动适应荷载变化实现稳定平衡，不仅大大简化了传动机构及控制系统，还提高了运行的安全性、可靠性和适应性，同时避免了突然停电带来的隐患。但是，该水力升船机一次通行船舶数量有限，不及船闸通行效率高；虽简化了升船机固有的传动机构，但依然可能存在钢丝绳磨损问题，且省水效果也无升船机无需耗水的特点，耗水程度可能近似船闸。该水力升船机，只是用水力驱动取代了电力驱动，没有提升机械式升船机较低的通行效率，也没有实现省水船闸关键技术上的有效突破。 发明内容[0005] 鉴于上述，本发明提供了一种水力升降机，只要在有水位差的地方，即可成为一台由水力直接驱动的巨型升降梯；该升降机用于通航设施，能综合船闸和升船机技术特点，仅基于竖井和上下游水位落差，既能实现船闸通行效率高和升船机省水的特效，还能在船闸模式和升船机模式之间方便地选择切换。 [0006] 一种水力升降机，包括： [0007] 平衡体，其设置漂浮于竖井的水体上，用于承载通航船舶或其它物体； [0008] 动力组件，与平衡体相互连接，用于驱动平衡体上浮下沉； [0009] 控制组件，连接平衡体与动力组件，用于控制平衡体起停及上浮下沉的速度。 [0012] 进一步地，所述动力组件包括蓄水槽、管道、气道以及阀门，所述蓄水槽通过气道与外界大气或浮性件连通，所述蓄水槽的设置位置可以为上置式、下置式或双蓄水槽夹置式，所述上置式即蓄水槽位于节流箱上方，下置式即蓄水槽位于节流箱下方，双蓄水槽夹置式即节流箱位于两蓄水槽之间。 [0013] 进一步地，所述控制组件中管道的一端接节流箱的进出水口，另一端与竖井内水体相互连通，阀门即设置在管道上，使得节流箱可向竖井排出水体或自竖井中注入水体。 [0014] 进一步地，所述动力组件中管道的一端接蓄水槽的进出水口，另一端与上游水位、下游水位或竖井内水体相互连通，阀门即设置在管道上，使得蓄水槽可选择地向上游、下游、竖井排出水体或自上游、下游、竖井中注入水体。 [0015] 进一步地，所述浮性件内部分隔设置有气体存储腔体，该腔体通过气道从蓄水槽顶部引入与蓄水槽连通。 [0016] 进一步地，所述动力组件中的管道上还连接有水泵。 [0017] 进一步地，所述承船池内有流体时，其两端设有闸门，闸门可以升降方式向下开启。 [0018] 本发明提供的新型节水节能的水力升降机综合船闸和升船机技术特点，能够按通航水量大小灵活选择不同的运行模式，模拟船闸或升船机通航功能，尤其能以升船机模式、以船闸通航效率应用于船舶通航天桥，地下通航隧道等任何需要船舶升降实现高效通航的地方，甚至还可以取消下游侧闸门的设置，简化通航设施建设规模。相对于现有技术，本发明具有以下有益技术效果： [0019] 1.本发明水力升降机利用浮力与自重的平衡与再平衡，实现升降，从运行机制分析，在升降机本身物理极限及通航设施结构可接受的升降行程范围内，采用升降机作为通航设施理论上是可行的，相比现有通航设施，具有较广泛的通用性和适用性，可最大限度省水、节能是其最大优点。 [0020] 2.本发明水力升降机综合了船闸和升船机的功能和特点，可具备船闸或升船机或兼具两者的运行模式，能根据航道通航水量的充沛与否选择运行，既可以以船闸模式独立运行，也可以以升船机模式独立运行，且选择方便、可靠，可适用于船舶通航天桥，船舶地下通航隧道等任何需要船舶升降实现高效通航的地方。 [0022] 图1为本发明蓄水槽上置式水力升降机的结构示意图。 [0023] 图2为本发明蓄水槽下置式水力升降机的结构示意图。 [0024] 图3为本发明双蓄水槽夹置式水力升降机的结构示意图。 [0025] 图4(a)为本发明上置式水力升降机的横断面布置示意图。 [0026] 图4(b)为本发明上置式水力升降机的纵断面布置示意图。 [0027] 图5为本发明上置式水力升降机在下游位置示意图。 [0028] 图6为本发明水力升降机应用于船舶通航天桥场景下的示意图。 [0029] 图7为本发明水力升降机应用于地下船舶通航隧道场景下的示意图。 具体实施方式[0030] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。 [0031] 如图4(b)所示，本发明水力升降机借助浮力运行在竖井内，竖井内水体按运行需要自成体系，竖井纵向与上下游引航道闸门相接，横向宽度稍大于上下游引航道宽度；如图1～图3所示，升降机本体包括承船池、节流箱、蓄水槽以及浮筒，升降机自重与浮筒浮力构成平衡体，蓄水槽蓄水和排水可引起升降机自重或浮力变化以驱动平衡体升降，节流箱容纳或回吐竖井水的过程即为升降机的升降过程；具体地： [0032] 承船池容纳通航船舶，位于升降机顶部，池内水位满足船舶吃水，承船池在船舶进出的两端设有闸门，当升降机升至最高位(承船池水位与上游水位平)或最低位时(承船池水位与下游水位平)，承船池闸门便与上游或下游引航道闸门对接。承船池大小按需要设计，可满足承载多艘船舶要求，在船舶数量上达到和船闸相同的一次通行效率。 [0033] 节流箱位置于承船池和浮筒之间，其高度依升降行程确定，底侧阀门控制竖井水进出节流箱，顶部1#气道与外部大气压相通，便于下沉和上浮过程中竖井水进出节流箱时其内外部气体可自由进出，节流箱大小形状能影响升降机升降速率，节流箱进出水孔流量大小和气道开闭亦可控制升降及其速度。 [0034] 浮筒位于升降机底部，高度为H，在水面上能近乎承载整个升降机自重，其内部开辟部分空间高度为Hs，使整个浮筒分成Hs高度的第一储气空间和Hz高度的第二储气空间及剩余保留空间，两个储气空间分别由0#和2#气道与蓄水槽连通。 [0035] 蓄水槽位于节流箱上方或下方，蓄水槽进出口端接可折叠管或软管，经阀门切换后可通过输水廊道连通上游或下游或竖井水体。当蓄水槽从上游蓄水或通过水泵从竖井蓄水，升降机自重增加或浮力减少，升降机下降；当蓄水槽向下游排水或向竖井放水，升降机自重减少或浮力增加，升降机上升。蓄水槽和节流箱按次序不断重复蓄水和进水、排水和放水，浮筒就能承载蓄水槽、节流箱和承船池在竖井中循环完成上下升降运动。 [0036] 本发明按升降机结构和组成要求，经理论分析，蓄水槽位置相对节流箱可以有上置式、下置式之分，按个数蓄水槽有一个或二个之分，单蓄水槽可以理解为储水箱同侧的双蓄水槽合并形成的。图1为蓄水槽上置式即蓄水槽布置在节流箱上方，图2为蓄水槽下置式即蓄水槽布置在节流箱下方，图3为双蓄水槽，并且蓄水槽上下夹置式，双蓄水槽且其中一个下置可以实现竖井水与下游水一体，取消下游侧一端的闸门，承船池水位与下游水位平，下游引航道船舶可直接进出承船池。 [0037] 实施例 [0038] 三种布置型式运行原理基本相同，本实施例将分别说明升降机运行原理及相关计算。 [0039] 为便于更好描述升降机升降过程，我们对相关符号定义如下： [0040] p为大气压强，以水的高度表示，约10.33m； [0041] Hg为最大上下游水位落差，即节流箱高度； [0042] Hc为承船池水深与承船池底结构高度之和； [0043] Hx为蓄水槽高度，以升降机上升或下降的动力为Hx(1‑k)重力或浮力要求确定，其中上置式中k＝(p+Hc+Hx)/(2p+Hc+Hx)，下置式中k＝(p+Hg+Hc+Hx)/(2*(p+Hg)+Hc+Hx)，双蓄水槽情况下k＝0.5，且每个蓄水槽高度为k*Hx，总高度为Hx。 [0044] Hs为浮筒内开辟的空间的高度； [0045] Hz为浮筒内空间的高度； [0046] Hk为蓄水槽充满Hx*k空间后气体充入Hz空间所要求的升降机最小下降高度； [0047] H为浮筒空间总高度，约为升降机吃水，H≥Hs+Hz； [0048] S为竖井宽度；Sa为升降机宽度。 [0049] 假设：Sa/S近似为0；升降机各部件的形状是规则的，不计各种充放水孔口及气道大小、各部件间隙和厚度，在断面宽度相同条件下，体积与高度成比例关系，同时压强和水的高度可以简化互为表达。 [0050] 本发明水力升降机运行利用上下游水位落差或水泵驱动，前者消耗势能(类似船闸运行模式)，后者消耗电力(类似升船机运行模式)。无论哪种模式，都需要在上游位对蓄水槽充水，在下游位使蓄水槽排水；充水后，升降机重量增加或浮力减少，升降机下降；放水后，升降机重量减少或浮力增大，升降机上升。 [0051] 接下去，我们按船闸运行模式和升船机运行模式分别说明升降机运行原理。 [0052] (1)船闸运行模式： [0053] 在蓄水槽充放水运行过程中，当蓄水槽上置，运行时Hs内保证最小基础气压为p，浮筒内Hz空间最小基础气压为Hc+Hx+p。当蓄水槽下置，运行时Hs内最小基础气压为Hg+p，浮筒内Hz空间最小基础气压为Hc+Hx+Hg+p。当双蓄水槽夹置式下，Hs内保证最小基础气压为p，浮筒内Hz空间最小基础气压为Hc+Hx+Hg+p。 [0054] 1.1下降运行 [0055] 升降机在上游位，蓄水槽需要蓄水自上游水体，如图4(a)所示。 [0056] 蓄水槽连接上游水体的阀门贯通，上游水体在Hc+Hx高度压差驱使下，经输水廊道及连接管件充入蓄水槽，通过计算Hs大小可实现当蓄水槽充入Hx(1‑k)水量后，槽内压力增大至充水自阻终止，此时升降机重量增加Hx(1‑k)水重，槽内Hx(1‑k)气体通过0#气道被压入浮筒空间Hs，升降机高度下降Hx(1‑k)使节流箱进水口位于竖井水位下。 [0057] 上置式情况下，在初始Hx(1‑k)下降阶段，与Hs相关的压力与容积变化可表达为以下等式： [0058] Hx(p+Hc+Hx)+Hs*p＝(Hs+Hx*k)(p+Hc+Hx) [0059] 下置式情况下： [0060] Hx(p+Hc+Hx+Hg)+Hs(p+Hg)＝(Hs+Hx*k)(p+Hc+Hx+Hg) [0061] 双蓄水槽夹置式情况下： [0062] (Hs+Hx/2)p＝Hs(Hc+Hx+p) [0063] 当1#气道和储水箱阀门打开，储水箱进水，升降机下降；与此同时，关闭0#气道，打开2#气道，蓄水槽随升降机下降继续充水，下降Hk后蓄水槽满水，蓄水槽剩余的k*Hx气体被压入浮筒空间Hz。 [0064] 上置式情况下，在Hk下降阶段后，与Hz相关的压力与容积变化可表达为以下等式： [0065] (Hx*k+Hz)(Hc+Hx+p)＝Hz(Hc+Hx+p+Hk) [0066] 下置式情况下： [0067] (Hx*k+Hz)(Hc+Hx+Hg+p)＝Hz(Hc+Hx+Hg+p+Hk) [0068] 双蓄水槽夹置式情况下： [0069] (Hx/2+Hz)(Hc+Hx+p+Hg)＝Hz(Hc+Hx+p+Hg+Hk) [0070] 当蓄水槽一旦充满，关闭2#气道，打开0#气道，蓄水槽阀门连通下游水位，Hs空间存储的压强迫使蓄水槽内相应的部分水体向下游排放(也可利用重力排放，0#气道接与大气相通)；排放后，Hs空间压强恢复为基础压强p，恢复后即关闭0#气道，保证Hs空间基础压强不变，直至再次接入上游水体，开启下一次升降循环。 [0071] 上置式情况下，在下降Hk高度后，Hs空间内部压力排放蓄水槽内水体y阶段，相关的压力与容积变化为： [0072] Hs(p+Hc+Hx)＝(y+Hs)p，简化后有y＝Hx*k。 [0073] 下置式情况下： [0074] Hs(p+Hc+Hx+Hg)＝(y+Hs)(p+Hg)，简化后有y＝Hx*k。 [0075] 双蓄水槽夹置式情况下： [0076] Hs(Hc+Hx+p)＝(Hs+Hx/2)p [0077] 此时升降机还未下降到位，承船池水位距下游水位>＝Hc+Hx，保持2#气道关闭，并关闭蓄水槽阀门，以蓄水槽内未排出的剩余水重Hx(1‑k)为动力，升降机继续在节流箱阀门流量控制下下降，直至节流箱顶或节流箱阀门关闭，升降机下降终止，如图5所示，升降机下沉至下游水位。 [0078] 1.2上升运行 [0079] 升降机在下游位，蓄水槽需要排水至下游水体，如图5所示。 [0080] 蓄水槽连接下游水体的阀门贯通，当2#气道打开，浮筒空间Hz内部的气压Hk迫使蓄水槽内水体向下游排放；排放后，升降机重量减少Hx(1‑k)，浮筒Hz空间恢复基础压强，恢复后随即关闭2#气道，保证Hz内部基础压强不变，并继续关闭0#气道，直至升降机上升至上游位置，重新接入上游水开启下一次升降循环。 [0081] 上置式情况下，升降机在下游水位，Hz空间内部气压排放蓄水槽内剩余水体阶段，相关的压力与容积变化为： [0082] Hz(Hk+p+Hc+Hx)+y*p＝(Hz+Hx)(p+Hc+Hx) [0083] 下置式情况下，则： [0084] Hz(Hk+p+Hc+Hx+Hg)+y(p+Hg)＝(Hz+Hx)(p+Hc+Hx+Hg) [0085] 双蓄水槽夹置式情况下： [0086] Hz(Hc+Hx+p+Hg+Hk)＝(Hx/2+Hz)(Hc+Hx+p+Hg) [0087] 经变换后可证得等式成立，槽内水体全部排空。此时，当1#气道和节流箱阀门打开，节流箱内水返至竖井内，升降机在阀门流量控制下以Hx(1‑k)为浮力上升，直至节流箱内部水体放空或阀门关闭，升降机上升终止，如图4(a)所示。 [0088] (2)升船机运行模式： [0089] 在升船机运行模式下只需一个气道连通浮筒内一个储能空间，或蓄水槽在上游充水和在下游放水均由水泵参与完成。 [0090] 2.1下降运行 [0091] 升降机在上游位，蓄水槽蓄水自竖井水，如图4(a)所示。 [0092] 水泵抽取竖井水充入蓄水槽，选择的水泵扬程约大于Hg+Hx，蓄水槽充满Hx/2满足下降动力要求，槽内气体Hx/2被压入浮筒空间Hz，升降机下降Hx/2至储水箱进水口。 [0093] 当1#气道和储水箱阀门打开，储水箱进水，升降机在储水箱阀门流量控制下下降，直至储水箱顶或储水箱阀门关闭，升降机下降终止，如图5所示，升降机下降至下游水位。 [0094] 2.2上升运行 [0095] 升降机在下游位，蓄水槽水排至坚井内，如图5所示。 [0096] 蓄水槽连通竖井水体的阀门贯通，打开2#气道，蓄水槽水排入竖中，升降机重量减少，当1#气道和储水箱阀门打开，储水箱内水返至竖井内，升降机在阀门流量控制下上升，直至储水箱内部水体放空或阀门关闭，升降机上升终止，如图4(a)所示。 [0097] 本实施方式中浮筒位于升降机底部，在水面上承载整个升降机自重，浮筒内部开辟的空间Hs和浮筒空间Hz与蓄水槽Hx通过气道在蓄水槽顶部连通，蓄水槽蓄满Hx高度水体时，Hx(1‑k)和Hx*k高度的气体分别压入浮筒空间Hs和Hz，其所获得的压强，可使升降机在下游位时迫使蓄水槽水体向下游排出。 [0098] 蓄水槽的水体自重变化要保证升降机有足够的下沉和上浮动力，假设其最低要求约为0.42m水重，则设Hx＝1m，当Hg＝15m，p＝10.33m，Hc＝3m，H＝6m，得k＝0.58，由等式Hx(p+Hx+Hc)+Hs*p＝(Hs+Hx*k)(p+Hc+Hx)，得Hs＝1.5m，进而有：Hz＝H‑Hs，Hz＝4.5m。 [0099] 由等式(Hx*k+Hz)(Hc+Hx+p)＝Hz(Hc+Hx+p+Hk)，得Hx充满时，Hk＝1.85m。 [0100] 充满后，当Hs释放内部气压，由等式Hs(p+Ht)＝(y+Hs)p，得y＝Hx*k＝0.58m，升降机保证槽内剩余水重约0.42m可继续下降。 [0101] 由等式Hz(Hk+p+Hc+Hx)+y*p＝(Hz+Hx)(p+Hc+Hx)，经变换后可证明成立，升降机在下游时能将槽内剩余水体全部排出，升降机可上升。 [0102] 计算结果得出：Hg≥Hc+Hx+Hk，是升降机满足通航设施的运行条件，本发明三种蓄水槽型式都能满足上下游落差为15m的通航设施布置要求，但显然上置式布置适用性更强。其中，当蓄水槽水体约0.4m的自重变化能够满足升降机上升和下降的动力需要，那么运行一次只需耗水1m，远小于普通船闸一次通行耗水，因此采用本发明水力升降机作为通航设施省水效果十分明显，同时在升船机模式下，水泵效率高于机械传动效率，采用水力升降机节能效果也十分明显，且运行可靠，维护费用低。 [0103] 按上述运行原理，在必要条件下，当升降机采用如图3所示的双蓄水槽夹置式结构，且使下置蓄水槽约等于承船池吃水高度Hc，增加外置储能空间，即以外置形式扩大Hz空间，升降机就可以在较小上下游水位落差情况下，使承船池沉入下游水体中，竖井水与下游水一体，船舶直接进出承船池，达到取消下游侧闸门的可能。双蓄水槽升降机，循环运行一次耗水最多为Hx+Hc，依然有着较良好的省水效果。 [0104] 本发明水力升降机作为通航设施具备省水、节能且综合船闸和升船机优点，除可实现常规通航设施的功能及其场景应用外，还可拓展应用于无法提供充沛水力资源、且需达到船闸通行效率的场所，尤其适用于需建设省水池的通航场合。 [0106] 如图7所示的船舶地下通航隧道场景中，以本发明水力升降机作为通航设施方案，在隧道进口端和出口端设置水力升降机，以升船机模式运行，可以达到不同水系高效立体交叉通航，一次通行船舶数量与船闸相同。 [0107] 双蓄水槽夹置式或双蓄水槽下置结构的升降机，其承船池还可全部沉入下游水体中，船舶可直接进出承船池，承船池内船舶可抬升至需要的高度，便于船舶维修。 [0108] 在有水位差的地方，本发明升降机可被视为一台由水力直接驱动的巨型升降梯，上置的蓄水槽水量的增减协同承载物体的重量变化，可实现升降机自重与浮力的平衡与再平衡，完成升降循环。 [0109] 上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。 |
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