景洪升船機500噸級船舶實船試驗船廂水面波動特性研究*

傅陸志丹，胡亞安，王 新，劉精凱

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

承船廂是升船機的主體之一，水力式升船機承船廂運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出船廂過程，對廂內水面波動影響較大。船廂內的水面波動直接影響廂內船舶的安全?？亢拖道|力的大小，且水面波動產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，直接關系到水力式升船機同步軸工作條件。因此，廂內的水面波動對升船機船廂的安全運行有十分重要的影響[1]。與此同時，升船機船廂斷面系數(shù)較小，導致船廂內水面波動問題更為復雜，通過景洪升船機500噸級船舶實船試驗，研究升船機對接過程中船廂水面波動特性及其影響因素，論證了升船機通航的安全性，為工程運行管理提供依據(jù)。

1 試驗內容

1.1 工程概況

景洪水力式升船機是我國自主研發(fā)的新型升船機，并采用了船廂下水式對接方案。傳統(tǒng)升船機采用電力驅動的工作原理，水力式升船機通過控制豎井中的水位，進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動承船廂升降。同時，船廂下水式升船機不僅具備適應我國河流下游引航道水位變幅大、變率快的特點，船廂對接準確可靠，還省去了下閘首及其相應的附屬設備，包括頂緊、密封機構等，運行流程大大減少，從而縮短船只過壩時間，提高運行效率[2]。景洪升船機最大提升高度66.86 m，船廂有效水域58 m×12 m×2.5 m( 長×寬×水深)，按300噸級船舶設計，遠期通航500噸級船舶，于2016年11月正式進入試通航運行。

1.2 試驗內容及工況

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 船舶進出廂試驗工況

1.3 測試方法與測點布置

在船廂一側沿程布置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引起的水面波動屬淺水長波[3]。當臥倒門開啟時，門板向船廂側臥倒擠壓水體，在船廂內形成由船廂開門端向封閉端傳遞的推進波，引起船廂內水面壅高。受推進波影響，越靠近船廂封閉端，廂內水位波動幅值越大?？拷降赖拈_門側，由于船廂內的水面壅高可以迅速向引航道段擴散，因此在臥倒門開啟過程中，船廂內越靠近臥倒門處測點的水面波動值越小。

臥倒門關閉時，隨著門板的轉動向船廂外推出部分水體，當臥倒門完全關閉后，船廂內水位略低于引航道水位。與臥倒門開啟過程不同，臥倒門關閉引起的水面振蕩在船廂內來回傳遞衰減。當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。臥倒門關閉后船廂內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外不同水位差Δh對廂內波動的影響，表 3為廂內波動特征值數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，臥倒門開啟后受引航道水面波動影響，船廂內水面波動反射疊加距離加長，水面波動周期T比臥倒門關閉時長，為110 s左右。臥倒門關閉時，根據(jù)賴東亮[4]研究得到臥倒門啟閉時承船廂內水面波動的固有頻率表達式，代入本次試驗數(shù)據(jù)計算后，發(fā)現(xiàn)計算值與臥倒門關閉時廂內波動周期較為吻合。

當臥倒門啟閉速度保持不變時，波長λ近似為常量。臥倒門關閉時，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)

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

(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 臥倒門開啟廂內波動振幅Ab與K的關系

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。臥倒門關閉時，將船廂內水體向外推出，關閉后，船廂內雖然存在水面波動，但不會引起船廂重力改變，僅對船廂產生縱向傾斜力矩。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重力減小，水位差為負時會引起船廂側重力增加。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閉條件下的傾斜力矩。從表4中還可發(fā)現(xiàn)，當臥倒門以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，臥倒門平水關閉時，船廂各點水面最大差值達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。當對接水位差達到10 cm時，船廂水面坡降最大為1.77‰。為保證船廂內船舶停泊安全并留有一定安全余量，建議景洪升船機船廂臥倒門采用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 船舶進出廂船廂內水面波動變化特性

3.1 船廂水面波動變化規(guī)律

船舶進出船廂過程中，由于阻塞效應，會引起船廂內水面的雍高或下降，并在重力及慣性的驅動下，船廂內水體進行往復運動，對船廂產生不斷變化的偏心力矩。研究表明，船舶進出船廂波動特性與船速、阻塞比、進廂或出廂等因素有關[5]。

從圖8可以看出，船舶在進出船廂過程中，廂內水面波動較大。船舶出廂時，廂內水面波動遠大于船舶進廂時廂內水面波動。船舶出廂過程中，船廂內各斷面均先經(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波，將廂內的水體推出船廂，導致船廂水面先降低后升高。

圖8 船舶進出船廂水面波動

3.2 廂內水面波動特性

從表6可以看出，船舶進出廂過程中，試驗范圍內航速對船廂內水面波動周期影響不大。船舶進廂時，由于船首推進波引起船廂內水面雍高且方向朝船廂封閉端，廂內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致船廂內水面下降，根據(jù)淺水波的特性，水深越淺，波速越慢，相應的波高越大，波動周期增加。因此出廂過程中廂內水面波動周期約為120 s。

表6 船舶進出船廂水面波動幅值

此外，船廂內水面波動幅值與船舶進出廂航速有關，船舶航行速度越大，廂內水面波動變化越大。本次試驗中，當船舶航速為0.7 m/s，船舶進廂時廂內水面各測點波動幅值最大達11.1 cm，船舶出廂時廂內水面各測點波動幅值最大達27.0 cm。根據(jù)國際航運協(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)李學義的研究，同步軸扭矩波動最大值與最大波高線性相關。為保證升船機運行安全，可限定船舶進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，船舶進出廂航速應小于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。當船舶進出廂航速提高，船廂縱向傾斜力矩最大值也隨之變大。進廂航速為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嚴格控制出廂速度，以降低下游引航道水面波動對船廂穩(wěn)定性的影響，從而保證升船機運行安全性，建議船舶出廂航速控制在0.5 m/s以內。

表7 船舶進出廂引起的船廂縱向傾斜力矩極值

4 結論

2)船廂臥倒門關閉引起的廂內水面波動周期較短，可通過船廂內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)船舶進廂、出廂引起的廂內水面波動周期不同，船廂內水面波動及縱向傾斜力矩隨船速增大而增大，為保證升船機運行安全，500噸級滿載船舶進出廂速度應限制在0.5 m/s以內。