滚弄水电站溢流表孔弧形工作闸门的设计研究,水利水电论文

滚弄水电站溢流表孔弧形工作闸门的设计研究,水利水电论文滚弄水电站位于缅甸联邦丹伦江上游的掸邦滚弄县户里乡境内，为怒江出境后第一个梯级水电站，也是丹伦江梯级开发方案中的第一级。水库正常蓄水位为EL.519m，最大坝高103m，对应库容为659106m3，具日调节性能，装机规模为1400MW，保证出力301.27MW，年发电量7.09GWh，年利用小时5064h。电站电能质量好，具有向缅甸和中国等地区的送电能力和区位优势，是开发条件好、技术经济指标较为优越的水电工程。枢纽工程主要由混凝土重力坝，左岸坝后式地面发电厂房，坝身溢流表孔、坝身冲沙底孔，左右非溢流坝段和右岸导流兼泄洪洞组成。坝身溢流表孔是本工程的主要泄洪设施，布置6孔表孔，堰顶高程EL.496.00m，平台高程EL.523.00m，孔口宽度为16m，设有溢洪道表孔检修闸门和溢洪道表孔工作弧门。采用WES堰型，后接1:0.8斜坡段和反弧段，下接消力池底板，采用底流消能作为基本消能方案。2、表孔弧形工作闸门及启闭设备的布置溢流表孔金属构造设备由6孔1扇平面滑动叠梁闸门、6孔6扇弧形工作闸门及相应启闭设备组成。弧形工作闸门孔口尺寸〔净宽净高〕16.0m23.0m，堰顶高程EL.496.00m，底槛高程EL.497.49m，以正常蓄水位EL519.00m，作为弧门设计挡水位和操作运行水位，考虑涌浪高度和风荷载门叶取超高0.6m，弧门总高度为24.11m，弧门支铰高度根据泄放最高水位时不被冲刷和规范要求，确定为EL.508.99m。弧门面板半径取26.0m。FH5000属于超大型闸门，对于超大型、窄高型弧形钢闸门，若采用传统的双支臂闸门则整体刚度较差，在上支臂以上的门叶悬臂段将很大，其刚度很难保证，其内力也较大。对于大型弧形闸门，从构造布置的合理性与经济性看双支臂构造都不如三支臂构造。本闸门设计初步考虑为三斜支臂、主横梁、圆柱铰支承的露顶式弧形闸门。闸门的操作条件为动水启闭，能够局部开启以控制流量，局开时要求避开闸门的振动区。闸门为双吊点，每套闸门采用1台悬挂式液压启闭机进行操作。液压启闭机的油缸一端设置在闸墩上，另一端和闸门吊轴连接。每套启闭机配置一套泵站，设置在闸墩内，每套泵站设两台互为备用的油泵电动机组，其控制方式按现地手动、现地自动和预留远方自动三种方式进行设计。启闭设备设置工作、备用双电源。其油箱，泵站和电气设备布置在位于闸墩上的启闭机房内。3、门叶及支臂构造的设计计算该闸门门叶和支臂构造按现行的钢闸门设计规范采用平面体系计算方式方法，平面体系计算方式方法分为主横梁框架构造计算方式方法和主纵梁框架构造结算方式方法，滚弄电站表孔三支臂弧形闸门采用主横梁同层布置框架构造，利用Mathcad进行计算。根据初始构造基本布置情况，总水压力作用线和水平线的夹角为12.9406，采用三主梁荷载基本均分的原则，中支臂选择位于总水压力合力作用线上，为了减少上悬臂段，设计时尽量向上布置上主梁，下主梁在知足主梁下翼板与底槛水平夹角及构造布置要求的条件下，尽量向下布置。上、中支臂的夹角采用15.8665，中、下支臂的夹角采用14.3239。重点对门叶面板、主梁、次梁、纵梁、支臂和支铰、吊耳等进行了强度、刚度和稳定性计算，经过计算，门叶面板选用主梁与支臂的单位刚度比取5.4682；根据对闸门和启闭设备的总体布置进行了启闭力计算，选用容量为25000kN，工作行程为9.2m的悬挂式液压启闭机进行操作。该闸门属超大型工作闸门，操作条件为动水启闭，有局部开启控制泄流量要求，因而材料容许应力调整系数根据规范取0.9，动力系数取1.2，根据计算结果，确定采用主横梁同层布置方案，上、中、下主梁和上、中、下支臂均采用箱形断面，门叶水平次梁均采用工字钢，纵梁采用焊接工字型，上、中支臂之间，中、下支臂之间均采用纵向连接系连接，这种构造形式具有闸门整体刚度好，便于加工制造等优点。在弧门两侧的边梁上各布置有6个侧导向轮，能够有效的控制闸门偏斜，保证闸门运行平稳。弧门的侧止水为L形橡塑水封，其摩擦系数低，经工程验证，止水效果较理想，底止水采用常规的板形水封。闸门支铰轴承采用自润滑滑动轴承，但设计中仍保存有常规注油润滑油孔，作为自润滑不理想或失效时的后备措施。闸墩顶部设有机械锁定装置。门槽底槛埋件和侧轨埋件均为钢构造件，侧轨上设有水封和侧轮不锈钢座板。4、三支臂弧形闸门的Inventor模型及ANSYS有限元计算斜支臂弧形闸门的门叶构造、支臂构造、支铰装置属于复杂的空间构造，在以往的采用AutoCAD二维平台设计二斜支臂弧形闸门中，斜支臂的扭角只能通过经历体验公式计算后，反过来表示在图中，闸门重心位置也是通过经历体验选用。而三支臂弧形工作闸门的支臂扭角更为复杂，用经历体验公式计算出的数据精到准确度差。而三维模型的建立，解决了这一在二维图中碰到的问题，根据闸门构造计算成果，运用Inventor软件进行三维建模，直接以弧门主横梁的空间端点和支铰点的位置，即可做出支臂模型，直接测量到精到准确的支臂扭角，还能精到准确的测量出闸门重心的位置，有利于对弧门的启闭力进行较准确计算。对于采用悬挂式油缸作为闸门启闭设备，闸门在启闭经过中能否会和油缸有干预的问题，通过三维模型的旋转，也能较准确、简单的进行判定，避免了要对不同位置组合进行计算的复杂程序。利用有限元法对该三支臂闸门从强度、刚度和稳定性等方面进行分析和复核，确定合理的整体构造型式及主要构件截面尺寸，同时针对三支臂弧形闸门构造设计计算中存在的问题进行研究，借助有限元软件ANSYSWorkbench进行了仿真模拟分析以力求闸门的设计科学、合理、安全、经济，为当前工程经历体验少的三支臂弧形闸门提供了更多的构造优化设计技术支撑。针对滚弄水电站三支臂弧形闸门这一工程实例，采用空间有限元法对三支臂弧形钢闸门进行构造计算，较好地具体表现出出闸门的空间构造效应，更准确地反映出闸门各构件的受力情况，不仅能够到达验算传统计算方式方法的准确性，还能够节约材料、减轻闸门自重、优化闸门整体构造以及提高闸门的整体安全度。将平面体系计算和空间有限元两种计算方式方法计算出的闸门各构件上应力荷载及变形进行了比照与分析，进而验证了平面体系法计算的安全性。同时根据有限单元法解决在平面体系计算方式方法中存在的一些疑惑与问题，也为三支臂弧形闸门的优化提出一定的方向。由整个闸门的ANSYSWorkbench的计算结果可知，滚弄水电站三支臂弧形工作闸门的构造设计最大应力和刚度均未超过材料和构件的许用值，都有一定的充裕度，存在可优化的空间。能够考虑面板厚度，上支臂与上主梁的横截面，起支撑作用的槽钢等构造的进一步优化。考虑启门力的闸门计算，在平面体系计算经过中，下面主梁与下支臂的剪力作为控制条件，但有限元计算结果表示清楚，中主梁与中支臂也遭到启闭力的影响，闸门的上主梁与上支臂等效应力、最大剪应力以及综合变形有所减小。中主梁和中支臂对应的各值有一定程度的增加。下主梁与下支臂的等效应力与最大剪应力的各值有明显的提高