不同输水系统的自补水船闸演示实验装置的制作方法

本发明属于教学演示实验器械技术领域，具体涉及一种不同输水系统的自补水船闸演示实验装置。

背景技术：

船闸是在拦河坝或拦河闸处联通上下游航道的水工建筑物，在通航河流上被普遍应用。船闸的工作原理中闸室输水系统是关键，直接影响到闸室水流的波动性和船只的安全性。输水系统主要有集中式输水系统和分散式输水系统两大类，不同的输水系统特点各异，对水流的影响有所不同。但在教学中，现有的文字讲解、图片展示以及动态视频，都无法清晰地构造出输水系统的形象布置，更无法模拟不同输水系统在实际工程中的工作方式及对闸室水流的影响，如何直观的让学生们了解不同输水系统对闸室水流的影响，一直是教学中难以解决的问题。

通过对现有教学演示类船闸的专利技术研究，发现现有技术中虽有相关演示器械，但不能模拟不同输水系统充放水时闸室水位波动情况，无法实现一次灌水多次自动循环演示，不能节省水资源且操作不便，同时也不能观察到船闸闸室在承受不同水头作用下时，集中输水系统充放水时闸室镇静段的长度差异。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种不同输水系统的自补水船闸演示实验装置。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

不同输水系统的自补水船闸演示实验装置，包括由透明材料制成的主箱体，主箱体为无盖的箱型结构。主箱体内具有三个腔室，沿长度方向依次为上游引航道水箱、过闸水箱和下游引航道水箱，过闸水箱内沿着水流方向依次设置有上游闸首、闸室和下游闸首，上游引航道水箱、闸室、下游引航道水箱通过集中式输水系统或分散式输水系统连通水流。为了止水效果好以及制作操作便利，本方案采用了设置在上、下游闸首处的垂直闸门，插入时分隔航道，拔起时开通航道，闸首边墙及底板上有凹槽，闸门关闭时卡入其中，闸门左右侧及底部包有止水橡胶，防止渗水。位于上游闸首处的输水管道上连接有三通切换阀一，三通切换阀一的一个接头与上游引航道水箱连通，第二个接头连接通向闸室的集中式输水管道及出水口，第三个接头与设置在闸室侧墙中的分散式输水管道连通，分散式输水管道上沿其长度均匀开设有若干个分散式出水口。

优选地，为了更加清晰地显示不同输水系统充放水时闸室水位波动情况，更好的模拟工程实际，布置了两套输水系统，其输水管道分别位于闸室的两侧，每个输水管道在上游闸首处均连接有一个三通切换阀一，该三通切换阀一的一个接头与上游引航道水箱连通，其他两个接头分别连接通向闸室的集中式输水管道和通向闸室侧墙中的分散式输水管道；每个输水管道在下游闸首处均连接有一个三通切换阀二，三通切换阀二的一个接头与下游引航道水箱连通，其他两个接头分别连接通向闸室侧墙中的分散式输水管道和通向闸室的集中式输水管道。

优选地，为了向上游引航道水箱输水、维持其水位不变、循环演示实验等需要，在主箱体旁设置有侧位蓄水箱体，两者之间由隔板隔开。侧位蓄水箱体也为透明材料制成的无盖箱型结构，侧位蓄水箱体内由隔板分隔成两个腔室，分别为侧位一级蓄水箱和侧位二级蓄水箱：侧位一级蓄水箱位于上游引航道水箱的外侧，两者之间通过输水管道连通；侧位二级蓄水箱位于下游引航道水箱的外侧，两者之间通过较低的溢流隔板连通。

优选地，为了保持上游水位不变，侧位一级蓄水箱和上游引航道水箱之间的输水管道上设置有浮球阀，浮球阀位于上游引航道水箱内，通过浮球阀的浮球位置来控制上游引航道水箱水位保持不变。

优选地，为了保持下游水位不变，将下游引航道水箱与侧位二级蓄水箱之间的隔板做成溢流板，其高度低于其他隔板高度，与下游设置水位相当，当闸室向下游引航道水箱放水时，多余水量直接通过溢流板顶部溢流到侧位二级蓄水箱内，以保持下游水位不变。

进一步地，为实现本装置一次蓄水多次循环演示，节约水资源，侧位一级蓄水箱内设有液位开关，侧位二级蓄水箱内设有补水泵，液位开关通过电线及交流接触器与补水泵电机连接，且补水泵上连接有连通侧位一级蓄水箱和侧位二级蓄水箱的补水管。启动补水泵则可将下游引航道水箱溢流出的水升至侧位一级蓄水箱，供上游引航道用水。

优选地，为了便于摆放及搬运，在箱体底部设有两个沿长度方向布置的支承构件，在箱体底部前后边缘处的支承构件之间设有橡胶垫，便于搬运及保护手部。

优选地，为了便于操作，侧位一级蓄水箱顶部设有进水管及阀门，为侧位一级蓄水箱加水，侧位一级蓄水箱底部及下游引航道水箱底部均设有排水管及阀门，停止使用或搬运时排除箱内积水。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过三通切换阀进行集中式输水系统及分散式输水系统的切换，模拟了不同输水系统充放水时闸室水位波动情况；可以通过调整浮球阀的连杆而使得浮球放置在上游引航道水箱内的不同高度，来控制不同的上游水位，模拟不同水头不同输水系统下出水口运行时闸室水流的波动性及集中输水系统工作时闸室镇静段的长度变化；通过液位开关及补水泵，由侧位二级蓄水箱向侧位一级蓄水箱补水，起到一次灌水多次循环使用的目的，节约水资源。

附图说明

图1为本发明的主视图结构示意图；

图2为本发明的俯视图结构示意图；

图3为本发明的立体结构示意图(不含输水系统)；

图4为本发明一侧的输水系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

如图1、2，不同输水系统的自补水船闸演示实验装置，包括均由透明材料制成的主箱体1，主箱体1为无盖的箱型结构。主箱体内具有三个腔室，沿主箱体长度方向依次为上游引航道水箱3、过闸水箱和下游引航道水箱4，过闸水箱内沿着水流方向依次设置有上游闸首7、闸室8和下游闸首9，上游引航道水箱3、闸室8、下游引航道水箱4通过集中式输水系统或分散式输水系统的输水管道22、10、12连通水流。上游闸首7和下游闸首9处分别设置有垂直闸门13，闸首边墙及底板上有凹槽，闸门13关闭时卡入其中，闸门左右侧及底部包有止水橡胶，防止渗水；

位于上游闸首7处的输水管道上连接有三通切换阀一10，三通切换阀一的一个接头与上游引航道水箱连通，另一个接头连接通向闸室的集中式输水管道及出口22，第三个接头与设置在闸室侧墙中的分散式输水管道11连通，分散式输水管道11上沿其长度均匀开设有若干个分散式出水口12。

为了更好的模拟工程实际情况，本实施例中，设计两套输水系统，输水管道具有两个，分别位于闸室8的两侧。每个输水管道在上游闸首7处均连接有一个三通切换阀一10，该三通切换阀一10的一个接头与上游引航道水箱3连通，其他两个接头分别与通向闸室的集中式输水管道22和通向闸室侧墙中的分散式输水管道11连通；每个输水管道在下游闸首9处均连接有一个三通切换阀二10，三通切换阀二10的一个接头与下游引航道水箱4连通，其他两个接头分别与通向闸室侧墙中的分散式输水管道11和通向闸室的集中式输水管道22连通。分散式输水管道11上沿其长度均匀开设有若干个分散式出水口12，通向闸室8。

本实施例中，在主箱体1旁设置有侧位蓄水箱体2，两者之间设有透明隔板。侧位蓄水箱体2也为透明材料制成的无盖箱型结构，侧位蓄水箱体2内由隔板分隔成两个腔室，分别为侧位一级蓄水箱14和侧位二级蓄水箱15；侧位一级蓄水箱14位于上游引航道水箱3的外侧，侧位二级蓄水箱15位于下游引航道水箱4的外侧。侧位一级蓄水箱14与上游引航道水箱3通过输水管道连通，该输水管道上设置有浮球阀5，浮球阀5位于上游引航道水箱内，由浮球阀5和侧位一级蓄水箱14保证上游引航道水箱3内的上游水位不变。其原理是：当上游引航道水箱3内的水位下降并低于浮球阀5的开启设计值时，浮球阀5开启，侧位一级蓄水箱14通过输水管向上游引航道水箱3输水；当水位上升并达到浮球阀5的关闭设计值时，浮球阀5关闭，阻止侧位一级蓄水箱14向上游引航道水箱3输水，由此浮球阀5和侧位一级蓄水箱14保证上游引航道水箱3内的水位不变。

为了保持下游水位不变，将下游引航道水箱4与侧位二级蓄水箱15之间的隔板做成溢流板6，其高度低于其他隔板高度，与下游设置水位相当，当闸室8向下游引航道水箱4放水时，多余水量直接通过溢流板6顶部溢流到侧位二级蓄水箱15内，以保持下游水位不变。

本实施例中，侧位一级蓄水箱14顶部设有进水管及阀门20，为本演示实验装置首次使用时加水，下游引航道水箱4及侧位一级蓄水箱14的底部设有排水管21，供演示实验结束后箱体排水用，实验结束后，可通过排水管及阀门排水。

本实施例的具体使用过程如下：

(1)打开侧位一级蓄水箱14的进水管阀门20，侧位一级蓄水箱14蓄水至限制水位。同时上游引航道水箱3、闸室8、下游引航道水箱4的输水系统阀门打开，蓄水至给定的上下游及闸室水位线，上游引航道水箱、下游引航道水箱分别由浮球阀5和侧位溢流板6控制水位。

(2)当模拟船只从上游驶向下游时，打开上游闸首7输水系统阀门(由三通切换阀一10选择一个输水系统的阀门)，上游引航道水箱3的水流入闸室8进行充水，当闸室8内水位上升至与上游水位齐平时，打开上游闸首7处的闸门13，船只驶入闸室。此时上游引航道水箱3的浮球阀5持续工作，由浮球阀5和侧位一级蓄水箱14保证上游引航道水箱3内的水位不变，即上游水位不变。

(3)关闭上闸首7处的输水系统阀门及闸门13，打开下闸首9处的输水系统阀门(由三通切换阀二10选择与步骤(2)相同输水系统的一个阀门)，闸室8放水，闸室8内的水流向下游引航道水箱4，当闸室8水位下降至与下游水位齐平时，打开下游闸首9处的闸门13，船只驶出闸室。当闸室8向下游引航道水箱4放水时，下游引航道水箱内高于侧位溢流板6的水量将持续通过溢流板6的顶部流向侧位二级蓄水箱15，如此保证下游引航道水箱4的水位不变，即下游水位不变。

(4)当模拟船只从下游驶向上游时，上述操作按相反步骤进行。

(5)当模拟不同的输水系统，即集中式输水系统和分散式输水系统时，通过上游闸首7和下游闸首9中的三通切换阀10控制。当闸室8充水时，打开上游闸首7内的三通切换阀一10通向集中式输水管道及出口22的阀门，以及当闸室8放水时，打开下游闸首9内的三通切换阀二10通向集中式输水管道及出口22的阀门，水流从上游引航道水箱3流经上游闸首的集中式输水管道及出口22、闸室8、下游的集中式输水管道及出口22，流向下游引航道水箱4，则形成集中式输水系统；当闸室8充水时，打开上游闸首7内的三通切换阀一10通向闸室侧墙中的分散式输水管道11的阀门，以及当闸室8放水时，打开下游闸首9内的三通切换阀二10通向闸室侧墙中的分散式输水管道11的阀门，水流从上游引航道水箱3流经闸室侧墙中的分散式输水管道11、分散式出水口12(流入闸室)、闸室8、分散式出水口12(流出闸室)、分散式输水管道11，流向下游引航道水箱4，则形成分散式输水系统。

(6)本实施例中，为了便于搬运及保护手部，在主箱体1及侧位蓄水箱体2的底部设有两个沿长度方向布置的支承构件18，在主箱体1和侧位蓄水箱体2的底部前后边缘处的支承构件18之间设有橡胶垫19。

本实施例使用透明材料制成的主箱体1和侧位蓄水箱体2，可以全方位观察到船闸的内部结构、不同输水系统工作时闸室充放水过程及水流变动情况，对掌握船闸的工作原理、内部构造及不同输水系统等相关知识十分有益。该装置操作便利、接近工程实际，为船闸相关知识的教学演示活动提供了一个较优的选择。

实施例2

如图1、2，不同输水系统的自补水船闸演示实验装置，本实施例的结构与实施例1基本相同，其区别在于，在实施例1的基础上，做了如下改进，进一步提高了其使用性能：

当船只过闸结束后，侧位一级蓄水箱14因向上游引航道水箱3放水而水位下降，将会影响下一次船闸运行，需要向侧位一级蓄水箱14补水。为了实现一次灌水多次自动循环演示实验，实现水的循环利用，节约水资源，可利用闸室8放水而使得下游多余水量通过溢流板6流入至侧位二级蓄水箱15的水来给侧位一级蓄水箱充水。为此侧位一级蓄水箱14内设有液位开关16，侧位二级蓄水箱内设有补水泵17，液位开关通过电线及交流接触器与补水泵电机连接，且补水泵17上连接有连通侧位一级蓄水箱14和侧位二级蓄水箱15的补水管。

实施例2的具体使用过程如下：

当侧位一级蓄水箱14内水位下降至无法再对上游引航道水箱3供水的低水位时，侧位一级蓄水箱14内设置的液位开关16发出启泵信号，侧位二级蓄水箱15内的补水泵17自动开启，通过补水管向侧位一级蓄水箱14补水；当侧位一级蓄水箱水位经补水上升至设定高水位时，液位开关16发出停泵信号，补水泵17停止工作，至此可实现本装置一次蓄水多次循环演示，节约水资源。

液位开关可以是现有技术中常见的浮球式开关，或其他能实现同等功能的液位继电器等。补水泵也是现有技术中常见的的一种水泵，其型号和种类颇多，在此选用能与液位开关连用，且受液位开关的自动控制、能将侧位二级蓄水箱内的水自动抽入侧位一级蓄水箱内即可。

实施例3

如图1、2，不同输水系统的自补水船闸演示实验装置，本实施例的结构与实施例1、2基本相同，其区别在于，在实施例1、2的基础上，增加了实验内容，进一步提高了其使用性能。

本实施例中，由于只需要观察记录闸室8充放水情况，故闸门13始终处于关闭状态。

在该水闸演示实验装置中，根据上游引航道水箱3的高度，上游引航道水箱3的侧壁上，自上而下设置若干级不同水位线标志，可通过调整浮球阀5的连杆而使得浮球放置在上述不同水位线处，以此控制不同的上游水位。可在闸室8侧墙上沿长度方向标刻测距数值，来观察记录不同水头不同输水系统下闸室灌水时间及水流波动范围和程度。在集中输水系统工作时，观察闸室8出入流引起的镇静段长度的变化并做好记录，达到实验目的。

实施例3的具体使用过程如下：

(1)调整上游引航道水箱3的浮球阀5为设定水位线，打开侧位一级蓄水箱14的进水管阀门20，侧位一级蓄水箱14蓄水至限制水位。侧位一级蓄水箱内的水通过浮球阀5流入上游引航道水箱3，上游引航道水箱3通过浮球阀5蓄水至设定水位线。

(2)选择打开上游闸首7处的三通切换阀一10的集中输水系统阀门，水通过布置在上闸首7的集中式输水管道22流入闸室8，闸室充水，观察记录闸室灌水时间、水流波动范围及程度。由闸室侧墙上沿长度方向标刻的测距数值，记录该设定水位线下闸室8内镇静段的长度。此时浮球阀5持续工作，保证上游引航道水箱水位维持不变。

(3)当闸室8内水位上升至与上游水位齐平时，关闭上闸首7处的集中式输水管道22上的阀门。选择打开下闸首9处的三通切换阀二10的集中输水管道阀门，闸室放水，水通过下闸首9的集中输水管道22流入下游引航道水箱4，此时可参照闸室充水时的情况，观察记录闸室泄水时间、水流波动范围及镇静段的长度。

(4)当闸室8水位下降至与下游水位齐平时，关闭下闸首9处的集中输水管道阀门。至此完成上游某一水位线(与闸室水位构成某一水头)下闸室灌水时间、水流波动范围、镇静段长度的观测记录。

(5)当采用分散式输水系统时，按照上述步骤操作，区别是选择打开和关闭上闸首7处三通切换阀一10的分散式输水管道阀门，和下闸首9处三通切换阀二10的分散式输水管道的阀门，实现分散式输水系统的闸室充放水过程，观察并记录闸室灌水时间、水流波动范围和程度，并与集中式输水系统运行时的情况做比较。

(6)调整上游引航道水箱3的浮球阀5，改变上游引航道水箱3内的设定水位线，可让设定水位线依次递减或依次递增，在不同设定水位下重复上述步骤，观测并记录每次不同水位线(水头)下及不同输水系统工作时闸室灌水时间、水流波动情况及集中输水系统时镇静段长度的变化。

通过实验可以得出：分散式输水系统波动情况好于集中式输水系统，对船只有利，但分散式输水系统由于水流的惯性作用，停止输水后闸室水位有一定的惯性升高。集中式输水系统在高水位线情况下的镇静段长度较低水位情况长。

本实施例在现有的结构条件下，忽略了部分水力因素如消能措施等，并假设输水系统的阀门均匀启闭，通过模拟不同水头不同输水系统工况下的充放水过程对闸室水流的影响，可以让学生直观的了解到不同输水系统的特点，有益于相关知识的掌握，对于低成本的该演示实验装置来说，有较好的效果。

本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。