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        景洪升船機(jī)500噸級船舶實船試驗船廂水面波動特性研究*

        2020-07-27 02:19:00傅陸志丹胡亞安劉精凱
        水運(yùn)工程 2020年7期
        關(guān)鍵詞:引航道升船機(jī)水面

        傅陸志丹,胡亞安,王 新,劉精凱

        (南京水利科學(xué)研究院,通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點試驗室,江蘇 南京 210029)

        承船廂是升船機(jī)的主體之一,水力式升船機(jī)承船廂運(yùn)行全過程包括船廂對接過程和船廂提升過程。其中船廂對接過程即臥倒門啟閉和船舶進(jìn)出船廂過程,對廂內(nèi)水面波動影響較大。船廂內(nèi)的水面波動直接影響廂內(nèi)船舶的安全停靠和系纜力的大小,且水面波動產(chǎn)生的船廂縱向傾斜力矩會通過鋼絲繩和卷筒傳遞到同步軸,直接關(guān)系到水力式升船機(jī)同步軸工作條件。因此,廂內(nèi)的水面波動對升船機(jī)船廂的安全運(yùn)行有十分重要的影響[1]。與此同時,升船機(jī)船廂斷面系數(shù)較小,導(dǎo)致船廂內(nèi)水面波動問題更為復(fù)雜,通過景洪升船機(jī)500噸級船舶實船試驗,研究升船機(jī)對接過程中船廂水面波動特性及其影響因素,論證了升船機(jī)通航的安全性,為工程運(yùn)行管理提供依據(jù)。

        1 試驗內(nèi)容

        1.1 工程概況

        景洪水力式升船機(jī)是我國自主研發(fā)的新型升船機(jī),并采用了船廂下水式對接方案。傳統(tǒng)升船機(jī)采用電力驅(qū)動的工作原理,水力式升船機(jī)通過控制豎井中的水位,進(jìn)而控制豎井中浮筒的淹沒深度,利用浮筒所受浮力的變化來驅(qū)動承船廂升降。同時,船廂下水式升船機(jī)不僅具備適應(yīng)我國河流下游引航道水位變幅大、變率快的特點,船廂對接準(zhǔn)確可靠,還省去了下閘首及其相應(yīng)的附屬設(shè)備,包括頂緊、密封機(jī)構(gòu)等,運(yùn)行流程大大減少,從而縮短船只過壩時間,提高運(yùn)行效率[2]。景洪升船機(jī)最大提升高度66.86 m,船廂有效水域58 m×12 m×2.5 m( 長×寬×水深),按300噸級船舶設(shè)計,遠(yuǎn)期通航500噸級船舶,于2016年11月正式進(jìn)入試通航運(yùn)行。

        1.2 試驗內(nèi)容及工況

        本次500噸級實船試驗根據(jù)現(xiàn)場試驗條件,選用滿載排水745 t 的貨船進(jìn)行重載實船試驗。試驗中,船舶保持吃水d=2.0 m不變,斷面系數(shù)n=1.744。試驗船舶參數(shù)為:船長53.4 m,船寬8.6 m,型深3.0 m,最大船高14.08 m,空載排水量245 t,空載吃水0.765 m,滿載排水量745 t,滿載吃水2.0 m。臥倒門啟閉試驗工況見表1,重點研究了臥倒門啟閉速率為2 min時,不同對接水位差對船廂水面波動的影響。船舶進(jìn)出船廂試驗工況見表2,分別開展了3種船舶航速0.5、0.6、0.7 m/s的試驗。

        表1 臥倒門啟閉試驗工況

        表2 船舶進(jìn)出廂試驗工況

        1.3 測試方法與測點布置

        在船廂一側(cè)沿程布置5支量程1.5 m的高精度波高計,測量船廂對接過程中廂內(nèi)水面波動變化特性,具體位置見圖1。5支波高計信號線沿船廂甲板集中到承船廂0層測站,通過信號放大進(jìn)入WaveBook數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

        圖1 船廂波高計測點布置(單位:mm)

        2 臥倒門啟閉過程船廂內(nèi)水面波動變化特性

        2.1 船廂水面波動變化規(guī)律

        臥倒門啟閉在承船廂內(nèi)引起的水面波動屬淺水長波[3]。當(dāng)臥倒門開啟時,門板向船廂側(cè)臥倒擠壓水體,在船廂內(nèi)形成由船廂開門端向封閉端傳遞的推進(jìn)波,引起船廂內(nèi)水面壅高。受推進(jìn)波影響,越靠近船廂封閉端,廂內(nèi)水位波動幅值越大??拷降赖拈_門側(cè),由于船廂內(nèi)的水面壅高可以迅速向引航道段擴(kuò)散,因此在臥倒門開啟過程中,船廂內(nèi)越靠近臥倒門處測點的水面波動值越小。

        臥倒門關(guān)閉時,隨著門板的轉(zhuǎn)動向船廂外推出部分水體,當(dāng)臥倒門完全關(guān)閉后,船廂內(nèi)水位略低于引航道水位。與臥倒門開啟過程不同,臥倒門關(guān)閉引起的水面振蕩在船廂內(nèi)來回傳遞衰減。當(dāng)下游水位漲幅變化不大時,波動在300 s后開時衰減,振幅也逐漸變低。臥倒門關(guān)閉后船廂內(nèi)各斷面水面波動幅值基本相同,且水面波動幅值較小,為1~2 cm。

        在有水位差條件下開啟臥倒門,船廂內(nèi)不同位置水面波動幅值變化規(guī)律與平水開啟臥倒門相似,越靠近引航道水面波動幅值越小。平水開門與平水關(guān)門的波動幅值相差不大,臥倒門在不同水位差條件下啟閉時廂內(nèi)各測點最大波高見圖2。

        圖2 不同水位差下臥倒門啟閉時船廂內(nèi)最大波高

        2.2 波動特征值變化特性

        本次試驗主要研究船廂內(nèi)外不同水位差Δh對廂內(nèi)波動的影響,表 3為廂內(nèi)波動特征值數(shù)據(jù)??梢钥闯觯P倒門開啟后受引航道水面波動影響,船廂內(nèi)水面波動反射疊加距離加長,水面波動周期T比臥倒門關(guān)閉時長,為110 s左右。臥倒門關(guān)閉時,根據(jù)賴東亮[4]研究得到臥倒門啟閉時承船廂內(nèi)水面波動的固有頻率表達(dá)式,代入本次試驗數(shù)據(jù)計算后,發(fā)現(xiàn)計算值與臥倒門關(guān)閉時廂內(nèi)波動周期較為吻合。

        當(dāng)臥倒門啟閉速度保持不變時,波長λ近似為常量。臥倒門關(guān)閉時,λ近似為1.3L;臥倒門開啟時,λ近似為9.25L。L為船廂兩端臥倒門之間的距離,景洪升船機(jī)船廂有效水域長度為58 m。

        表3 臥倒門啟閉過程波動特征值數(shù)據(jù)

        由于臥倒門關(guān)閉時船廂內(nèi)外沒有水位差,且水面波動幅值較小,下面主要討論臥倒門開啟時廂內(nèi)波動幅值的變化特性。賴東亮給出了船廂內(nèi)有船舶時,波動振幅的表達(dá)式:

        (1)

        式中:Ab為波動振幅;ω為臥倒門啟閉速率;h為船廂水深;L為船廂長度;Δh為對接水位差;B為船廂寬度;b為船舶橫斷面寬度。

        (2)

        圖3 臥倒門開啟廂內(nèi)波動振幅Ab與K的關(guān)系

        2.3 縱向傾斜力矩變化特性

        臥倒門開啟時,開門引起的水面波動在船廂及引航道內(nèi)來回傳遞,從而引起船廂重力及縱向傾斜力矩發(fā)生周期性變化。臥倒門關(guān)閉時,將船廂內(nèi)水體向外推出,關(guān)閉后,船廂內(nèi)雖然存在水面波動,但不會引起船廂重力改變,僅對船廂產(chǎn)生縱向傾斜力矩。在開啟下閘首檢修門的條件下,臥倒門以tv=2 min速率啟閉時船廂縱向傾斜力矩變化見圖4。

        從圖5可以看出,在船廂內(nèi)外有水位差的條件下開啟臥倒門,水位差為正時會引起船廂側(cè)重力減小,水位差為負(fù)時會引起船廂側(cè)重力增加。在水位差分別為10、5、-5、-10 cm時,以2 min速率開啟臥倒門,引起的最大縱向傾斜力矩分別為1.8、1.27、 1.18、 1.48 MN·m;在相同水位差值情況下,船廂內(nèi)水位高于船廂外水位時,開啟臥倒門引起的最大傾斜力矩變化值要大于船廂內(nèi)水位低于船廂外的情況。水位差增大會引起船廂縱向傾斜力矩發(fā)生較大變化。

        圖4 臥倒門啟閉引起的縱向傾斜力矩

        圖5 臥倒門開啟過程中船廂傾斜力矩與對接水位差的關(guān)系

        根據(jù)本次實船試驗與早先試驗數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn),在下閘首檢修門開啟條件下,受下游引航道波動影響,船廂波動傾斜力矩明顯大于下閘首檢修門關(guān)閉條件下的傾斜力矩。從表4中還可發(fā)現(xiàn),當(dāng)臥倒門以tv=2 min啟閉時,引起的縱向傾斜力矩均小于臥倒門以tv=1 min啟閉時引起的縱向傾斜力矩。

        表4 臥倒門啟閉引起的船廂縱向傾斜力矩變化

        2.4 船舶停泊條件

        船廂內(nèi)船舶縱向力P主要受船廂水面坡降影響。臥倒門以tv=2 min速率平水啟閉條件下的船廂最大水面坡降見圖6、7。

        圖6 臥倒門關(guān)閉引起的縱向水面線

        圖7 臥倒門開啟引起的縱向水面線

        由圖可見,下閘首檢修門開啟條件下,船廂臥倒門受引航道水面波動影響,臥倒門平水關(guān)閉時,船廂各點水面最大差值達(dá)2.3 cm,船廂水面坡降最大為1.46‰。臥倒門平水開啟時,船廂各點水面最大差值1.5 cm,船廂水面坡降最大為0.5‰。

        下閘首檢修門開啟時,不同對接水位差條件下,臥倒門啟閉過程縱向水面坡降試驗結(jié)果匯總見表5。由表5可見,對接水位差對臥倒門啟閉引起的最大縱向水面坡降有一定影響,對接水位差越大,最大縱向水面坡降越大。當(dāng)對接水位差達(dá)到10 cm時,船廂水面坡降最大為1.77‰。為保證船廂內(nèi)船舶停泊安全并留有一定安全余量,建議景洪升船機(jī)船廂臥倒門采用tv=2 min速率啟閉,對接水位差不超過10 cm。

        表5 臥倒門啟閉引起的縱向水面坡降

        3 船舶進(jìn)出廂船廂內(nèi)水面波動變化特性

        3.1 船廂水面波動變化規(guī)律

        船舶進(jìn)出船廂過程中,由于阻塞效應(yīng),會引起船廂內(nèi)水面的雍高或下降,并在重力及慣性的驅(qū)動下,船廂內(nèi)水體進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動,對船廂產(chǎn)生不斷變化的偏心力矩。研究表明,船舶進(jìn)出船廂波動特性與船速、阻塞比、進(jìn)廂或出廂等因素有關(guān)[5]。

        從圖8可以看出,船舶在進(jìn)出船廂過程中,廂內(nèi)水面波動較大。船舶出廂時,廂內(nèi)水面波動遠(yuǎn)大于船舶進(jìn)廂時廂內(nèi)水面波動。船舶出廂過程中,船廂內(nèi)各斷面均先經(jīng)歷水面下降后再上升的波動。形成這一波谷的原因是船舶出廂時在船首形成了推進(jìn)波,將廂內(nèi)的水體推出船廂,導(dǎo)致船廂水面先降低后升高。

        圖8 船舶進(jìn)出船廂水面波動

        3.2 廂內(nèi)水面波動特性

        從表6可以看出,船舶進(jìn)出廂過程中,試驗范圍內(nèi)航速對船廂內(nèi)水面波動周期影響不大。船舶進(jìn)廂時,由于船首推進(jìn)波引起船廂內(nèi)水面雍高且方向朝船廂封閉端,廂內(nèi)水面波動反射疊加距離變短,波動周期減小,約為90 s。船舶出廂時,因船舶駛出船廂帶出一部分水體導(dǎo)致船廂內(nèi)水面下降,根據(jù)淺水波的特性,水深越淺,波速越慢,相應(yīng)的波高越大,波動周期增加。因此出廂過程中廂內(nèi)水面波動周期約為120 s。

        表6 船舶進(jìn)出船廂水面波動幅值

        此外,船廂內(nèi)水面波動幅值與船舶進(jìn)出廂航速有關(guān),船舶航行速度越大,廂內(nèi)水面波動變化越大。本次試驗中,當(dāng)船舶航速為0.7 m/s,船舶進(jìn)廂時廂內(nèi)水面各測點波動幅值最大達(dá)11.1 cm,船舶出廂時廂內(nèi)水面各測點波動幅值最大達(dá)27.0 cm。根據(jù)國際航運(yùn)協(xié)會( PIANC)建議的最大波高值計算公式[6](式(3)),代入本次試驗數(shù)據(jù)可以算出,船廂水面最大波動幅值在9.0~34.8 cm,與試驗數(shù)據(jù)相符。

        (3)

        式中:Hm為距船舶x處的波高值;d為船舶吃水;vm為船舶航速;D為航道水深。

        根據(jù)李學(xué)義的研究,同步軸扭矩波動最大值與最大波高線性相關(guān)。為保證升船機(jī)運(yùn)行安全,可限定船舶進(jìn)出船廂時同步軸扭矩波動的允許范圍,一般為40~70 kN·m,從而得到船廂最大水面波動的限制范圍,再用此公式給出船舶航速的限制范圍。若限定同步軸扭矩波動不超過70 kN·m,船舶進(jìn)出廂航速應(yīng)小于0.6 m/s。

        3.3 縱向傾斜力矩變化特性

        由表7可見,在船廂水深不變、航速一致的情況下,船舶進(jìn)廂過程的船廂縱向傾斜力矩最大值均小于船舶出廂過程。當(dāng)船舶進(jìn)出廂航速提高,船廂縱向傾斜力矩最大值也隨之變大。進(jìn)廂航速為0.7 m/s時,船廂縱向傾斜力矩最大值為3.55 MN·m;出廂航速為0.7 m/s時,船廂縱向傾斜力矩最大值為8.42 MN·m。

        由于船廂下游對接受引航道水面波動影響較大,船舶進(jìn)出船廂時的縱向傾斜力矩要大于船廂上游對接時的縱向傾斜力矩,故在下游出廂時更應(yīng)嚴(yán)格控制出廂速度,以降低下游引航道水面波動對船廂穩(wěn)定性的影響,從而保證升船機(jī)運(yùn)行安全性,建議船舶出廂航速控制在0.5 m/s以內(nèi)。

        表7 船舶進(jìn)出廂引起的船廂縱向傾斜力矩極值

        4 結(jié)論

        2)船廂臥倒門關(guān)閉引起的廂內(nèi)水面波動周期較短,可通過船廂內(nèi)波動固有頻率計算得出;若閉門速率不變,波長近似為一常數(shù),約為1.3L;水面波動幅值較小,為1~2 cm。

        3)船舶進(jìn)廂、出廂引起的廂內(nèi)水面波動周期不同,船廂內(nèi)水面波動及縱向傾斜力矩隨船速增大而增大,為保證升船機(jī)運(yùn)行安全,500噸級滿載船舶進(jìn)出廂速度應(yīng)限制在0.5 m/s以內(nèi)。

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