水力式升船机应用前景广阔

　　8月31日，景洪升船机通过试通航前验收，标志着世界上首座水力浮动式升船机具备试通航条件。截至11月底，该升船机已经安全通航70余航次。

　　景洪水力浮动升船机的建成验收，有力推动了世界升船机技术的发展和应用，为大型垂直升船机建设积累了宝贵经验。“水力式升船机是我国具有自主知识产权的新型升船机，国内外缺乏相关工程经验，建设实践过程充满挑战，是一次对水力式升船机不断探索、总结、深化的过程，最终实现技术跨越。”中国工程院马洪琪院士在日前召开的“流域水资源安全与工程防灾国际学术研讨会”上表示，“水力式升船机在船厢漏水等极端事故状态下的安全保障性及下游水位快速变化的适应性等方面更具优势，应用前景广阔，尤其在山区型河流通航方面效果显著。”

　　自动适应任何工况

　　我国正在构建“两横一纵”国家高等级航道。通航建筑物是沟通不同水系的重要建筑形式，直接关系到航道网的通畅。通航建筑物按克服集中落差的原理可以分为船闸和升船机两大类。升船机为船舶通过大坝设置“垂直电梯”或“自动扶梯”，具有耗水少、运行速度快、占地面积小等优点。

　　目前，传统升船机主要有两大类型，一种是钢丝绳卷扬提升式，比如闽江口、乌江思林水电站；另一种是齿轮齿条爬升式，比如长江三峡、向家坝水电站。“我国河流水位变幅大、变化快，采用传统升船机存在一定困难。”马洪琪解释，“如果是船厢不下水式升船机，下闸首工作闸门需根据水位变化进行调整，运行困难；如果是船厢下水式升船机，船厢提升重量过大时，机械提升系统及电机布置困难。所以，急需一种在任何情况下都能自我平衡的新型升船机。”

　　据介绍，水力式升船机的工作原理是，以安装在竖井中的浮筒作为平衡重，利用输水系统使竖井充水或泄水，依靠竖井水深的变化，使浮筒升降来带动船厢的降升，其最大的特点是不管船厢侧载荷如何变化，浮筒能自动调整其在竖井中的淹没水深，使系统始终保持平衡的条件，安全性有保障。

　　景洪水电站水力式升船机于2007年11月开工建设，于2016年8月12日完成300载重吨设计船型船舶试通航实船试验。该升船机按V级航道、300吨级船型标准（远期500吨级）设计，采用一级布置、水力垂直提升、湿运过坝方案，最大提升高度66.86米。上游最高通航水位602米，最低通航水位591米，下游最高通航水位544.9米，最低通航水位535.14米。景洪升船机由充水阀室、泄水阀室、机械同步系统、承船厢、导向系统等组成，年货运量达124.5万吨。

　　三系统联合作用

　　虽然水力式升船机能自动适应船厢严重漏水或者超载等工况，具有简化机械提升设备和运行控制简单等优势，但国内外并无任何经验可以借鉴。“在无电机纠偏情况下，如何保障船厢平稳运行？在平衡重-竖井-船厢流固耦合作用下，如何实现多个竖井水力同步？在变速运行方式下，如何实现船厢精确对接？方案确定后，很多技术难题摆在我们面前。”马洪琪表示。

　　据了解，水力式升船机从原理提出、方案设计到工程建设、实际运行，花了十多年的时间探索和实践，提出了保障水力式升船机安全稳定运行的三大系统及联合工作机制，即以同步稳定的水力提升系统为基础，具备主动抗倾覆能力的机械同步系统为核心，船厢自反馈抗倾覆导向系统为保障，通过三系统联合作用解决水力式升船机安全运行的核心问题。

　　“安全保障机构类似于水口沿程锁定及三峡安全机构，能在极端情况下保障船厢安全。主动抗倾覆，则解决了水力同步系统偏差及制造安装误差引起的倾斜力矩造成船厢倾斜问题。”马洪琪解释，“三系统联合作用，既是驱动机构，又是安全稳定运行的基础。”

　　其中，输水系统相当于传统升船机动力提升系统，直接影响升船机的运行特性和安全。“我们通过理论、模型实验研究及景洪升船机的工程实践，揭示了非恒定流作用下，水力式升船机船厢运行平稳机理，成功解决其非恒定、大流量、高流速下的多竖井水位同步及承船厢运行平稳性难题。”马洪琪介绍。

　　机械同步系统则是升船机最重要的组成部分之一。一方面，将升船机动力传递到船厢，驱动船厢升降；另一方面，平衡动力源的不均匀荷载，反馈到驱动装置纠偏。

　　此外，在后期调试过程中，科研团队采用提高同步系统刚度、采用膜片联轴器减小同步系统传动间隙、恢复承船厢导向系统、充水阀掺气和设置突扩体、泄水阀掺气的升船机改造方案，成功解决了承船厢倾斜的难题。首次开展了升船机防撞装置的可靠性和有效性试验，揭示其工作原理，检验了装置的防撞效果，并通过多项极端事故工况现场验证试验，确保升船机安全可靠运行。

　　“水力升船机船厢荷载发生变化时，利用浮筒淹没水深的变化，使船厢与浮筒之间达到新的平衡状态，能较好解决船厢出入水时重量大幅快速变化问题，具有传统电机驱动的升船机不可比拟的技术优势。”马洪琪补充。