景洪升船機(jī)500噸級(jí)船舶實(shí)船試驗(yàn)船廂水面波動(dòng)特性研究*

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(diǎn)試驗(yàn)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(duì)接過程和船廂提升過程。其中船廂對(duì)接過程即臥倒門啟閉和船舶進(jìn)出船廂過程，對(duì)廂內(nèi)水面波動(dòng)影響較大。船廂內(nèi)的水面波動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的船廂縱向傾斜力矩會(huì)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(dòng)對(duì)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(shí)，升船機(jī)船廂斷面系數(shù)較小，導(dǎo)致船廂內(nèi)水面波動(dòng)問題更為復(fù)雜，通過景洪升船機(jī)500噸級(jí)船舶實(shí)船試驗(yàn)，研究升船機(jī)對(duì)接過程中船廂水面波動(dòng)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(yàn)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(duì)接方案。傳統(tǒng)升船機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)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(dòng)承船廂升降。同時(shí)，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(diǎn)，船廂對(duì)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(shí)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(jí)船舶設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)期通航500噸級(jí)船舶，于2016年11月正式進(jìn)入試通航運(yùn)行。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及工況

本次500噸級(jí)實(shí)船試驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，選用滿載排水745 t 的貨船進(jìn)行重載實(shí)船試驗(yàn)。試驗(yàn)中，船舶保持吃水d=2.0 m不變，斷面系數(shù)n=1.744。試驗(yàn)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(yàn)工況見表1，重點(diǎn)研究了臥倒門啟閉速率為2 min時(shí)，不同對(duì)接水位差對(duì)船廂水面波動(dòng)的影響。船舶進(jìn)出船廂試驗(yàn)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(yàn)。

表1 臥倒門啟閉試驗(yàn)工況

表2 船舶進(jìn)出廂試驗(yàn)工況

1.3 測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)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(jì)，測(cè)量船廂對(duì)接過程中廂內(nèi)水面波動(dòng)變化特性，具體位置見圖1。5支波高計(jì)信號(hào)線沿船廂甲板集中到承船廂0層測(cè)站，通過信號(hào)放大進(jìn)入WaveBook數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 船廂波高計(jì)測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

2 臥倒門啟閉過程船廂內(nèi)水面波動(dòng)變化特性

2.1 船廂水面波動(dòng)變化規(guī)律

臥倒門啟閉在承船廂內(nèi)引起的水面波動(dòng)屬淺水長波[3]。當(dāng)臥倒門開啟時(shí)，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(dòng)幅值越大。靠近引航道的開門側(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(cè)點(diǎn)的水面波動(dòng)值越小。

臥倒門關(guān)閉時(shí)，隨著門板的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，波動(dòng)在300 s后開時(shí)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(dòng)幅值基本相同，且水面波動(dòng)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(dòng)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(dòng)幅值越小。平水開門與平水關(guān)門的波動(dòng)幅值相差不大，臥倒門在不同水位差條件下啟閉時(shí)廂內(nèi)各測(cè)點(diǎn)最大波高見圖2。

圖2 不同水位差下臥倒門啟閉時(shí)船廂內(nèi)最大波高

2.2 波動(dòng)特征值變化特性

本次試驗(yàn)主要研究船廂內(nèi)外不同水位差Δh對(duì)廂內(nèi)波動(dòng)的影響，表 3為廂內(nèi)波動(dòng)特征值數(shù)據(jù)。可以看出，臥倒門開啟后受引航道水面波動(dòng)影響，船廂內(nèi)水面波動(dòng)反射疊加距離加長，水面波動(dòng)周期T比臥倒門關(guān)閉時(shí)長，為110 s左右。臥倒門關(guān)閉時(shí)，根據(jù)賴東亮[4]研究得到臥倒門啟閉時(shí)承船廂內(nèi)水面波動(dòng)的固有頻率表達(dá)式，代入本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與臥倒門關(guān)閉時(shí)廂內(nèi)波動(dòng)周期較為吻合。

當(dāng)臥倒門啟閉速度保持不變時(shí)，波長λ近似為常量。臥倒門關(guān)閉時(shí)，λ近似為1.3L；臥倒門開啟時(shí)，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(dòng)特征值數(shù)據(jù)

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

(1)

式中：Ab為波動(dòng)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(duì)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(dòng)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(shí)，開門引起的水面波動(dòng)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(shí)，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(dòng)，但不會(huì)引起船廂重力改變，僅對(duì)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(shí)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(shí)會(huì)引起船廂側(cè)重力減小，水位差為負(fù)時(shí)會(huì)引起船廂側(cè)重力增加。在水位差分別為10、5、-5、-10 cm時(shí)，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(shí)，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(huì)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(duì)接水位差的關(guān)系

根據(jù)本次實(shí)船試驗(yàn)與早先試驗(yàn)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(dòng)影響，船廂波動(dòng)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(shí)，引起的縱向傾斜力矩均小于臥倒門以tv=1 min啟閉時(shí)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(dòng)影響，臥倒門平水關(guān)閉時(shí)，船廂各點(diǎn)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(shí)，船廂各點(diǎn)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(shí)，不同對(duì)接水位差條件下，臥倒門啟閉過程縱向水面坡降試驗(yàn)結(jié)果匯總見表5。由表5可見，對(duì)接水位差對(duì)臥倒門啟閉引起的最大縱向水面坡降有一定影響，對(duì)接水位差越大，最大縱向水面坡降越大。當(dāng)對(duì)接水位差達(dá)到10 cm時(shí)，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(duì)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(dòng)變化特性

3.1 船廂水面波動(dòng)變化規(guī)律

船舶進(jìn)出船廂過程中，由于阻塞效應(yīng)，會(huì)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(dòng)下，船廂內(nèi)水體進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)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(dòng)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(dòng)較大。船舶出廂時(shí)，廂內(nèi)水面波動(dòng)遠(yuǎn)大于船舶進(jìn)廂時(shí)廂內(nèi)水面波動(dòng)。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(dòng)。形成這一波谷的原因是船舶出廂時(shí)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(dòng)

3.2 廂內(nèi)水面波動(dòng)特性

從表6可以看出，船舶進(jìn)出廂過程中，試驗(yàn)范圍內(nèi)航速對(duì)船廂內(nèi)水面波動(dòng)周期影響不大。船舶進(jìn)廂時(shí)，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(dòng)反射疊加距離變短，波動(dòng)周期減小，約為90 s。船舶出廂時(shí)，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(dòng)周期增加。因此出廂過程中廂內(nèi)水面波動(dòng)周期約為120 s。

表6 船舶進(jìn)出船廂水面波動(dòng)幅值

此外，船廂內(nèi)水面波動(dòng)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(dòng)變化越大。本次試驗(yàn)中，當(dāng)船舶航速為0.7 m/s，船舶進(jìn)廂時(shí)廂內(nèi)水面各測(cè)點(diǎn)波動(dòng)幅值最大達(dá)11.1 cm，船舶出廂時(shí)廂內(nèi)水面各測(cè)點(diǎn)波動(dòng)幅值最大達(dá)27.0 cm。根據(jù)國際航運(yùn)協(xié)會(huì)( PIANC)建議的最大波高值計(jì)算公式[6](式(3))，代入本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以算出，船廂水面最大波動(dòng)幅值在9.0～34.8 cm，與試驗(yàn)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(dòng)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(shí)同步軸扭矩波動(dòng)的允許范圍，一般為40～70 kN·m，從而得到船廂最大水面波動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(shí)，船廂縱向傾斜力矩最大值為8.42 MN·m。

由于船廂下游對(duì)接受引航道水面波動(dòng)影響較大，船舶進(jìn)出船廂時(shí)的縱向傾斜力矩要大于船廂上游對(duì)接時(shí)的縱向傾斜力矩，故在下游出廂時(shí)更應(yīng)嚴(yán)格控制出廂速度，以降低下游引航道水面波動(dòng)對(duì)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(dòng)周期較短，可通過船廂內(nèi)波動(dòng)固有頻率計(jì)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(dòng)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(dòng)周期不同，船廂內(nèi)水面波動(dòng)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(jí)滿載船舶進(jìn)出廂速度應(yīng)限制在0.5 m/s以內(nèi)。