造波机在水上乐园的应用

造波机在水上乐园的应用王秋旺一、前言水上乐园作为一个综合性的戏水乐园，深受人们的欢迎和喜爱，尤其是在炎热的夏季。水上乐园是由多种功能不同的娱乐项目加上配套的服务设施，环境艺术等组合而成。而在众多的水上娱乐项目中，戏水造波是最受人们喜爱的项目之一。游客之所以喜爱戏水造波，是因为在人工造波池中也能够体验得到置身于大海中的感受，你可与浪搏击，在浪尖上追逐嬉戏，体验战胜大风大浪后的喜悦，使你整个身心都可以得到放松。同时在这里游玩，还不用担心安全问题，因为每个水上乐园里都有严格的管理制度和防范措施，这些是在大海中游泳所不能做到的，戏水造波可适合不同年龄不同层次的游客。对于水上乐园的经营者来说，戏水造波的客容量又是诸多戏水项目之最，可带来丰厚的经济效益；同时，还是乐园的一道风景，为整个乐园起装点和衬托作用。也正是因为如此，在国内外众多水上乐园中几乎都有她的身影，我相信每一位从事水上乐园工作的同志，都会有同样的感受。既然造波机（又称造浪机）在水上乐园中这么重要，作为水上乐园的经营者定会提出一系列问题，国内外造波机的发展状况怎样？可供我们选择的造波机有哪些种类？根据它们的优缺点应如何有针对性地进行选择？造波机目前的发展方向如何？等等。下面就这些问题作一简单的论述，以期与同行们共同探讨。二、造波机的发展历史造波机及造波技术，是随着海洋工程的发展而发展起来的。当初为了解决沿海船舶工程的问题，世界上主要的工业国家，对造波技术早有研究。在历次国际船模水池会议和海岸工程会上，陆续发表了有关造波系统的某些研究论文，并解决了许多实际问题，但那时大部用规则波进行研究。后来随着工业技术的发展，把电液伺服控制系统和微机应用到造波机，并在试验室水池中采用随机波模拟技术进行模型试验，使人们对造波机的研究工作更进了一步。但把造波机应用到娱乐行业中来，作为一种水上娱乐项目，应该是在六十年代未、七十年代初。据有关资料介绍，把造波机应用到水上乐园比较早一点的国家有瑞士的因塔明公司，美国“水上发展集团（ADG）”等。美国的WaveTek公司作为“水上发展集团”的一员，自1968年以来在世界各地已安装了170多个造波池，实际上美国95％的人到海浪池都装有WaveTek公司的造波设备，WaveTek依靠ADG的强大工程技术力量，造波设备无疑称得上是世界上最优秀的。在我们国家，从事海洋和船舶工作的科学家们对造波技术早有研究，而造波机在我们国内水上乐园里出现还是在80年代末。广州市旺明水之乐设计咨询有限公司正是乘着这股时代的东风，高起点地对WaveTek公司的尖端造波技术进行吸收、消化，并在适合我国国情的基础上进行了有意义的探索与改进。三、有关造波机的种类及工作原理目前应用在国内水上乐园的造波机归纳起来有三种形式，一种是摇板式造波机，一种是冲箱式造波机，再一种是气动造波机。㈠摇板式造波机它由电机（或液压伺服转动装置）、曲柄连杆机构、摆板等几个主要部分构成。摆板式造波机所产生的波可分二段：稳定段和不稳定段，即在远离摇板处为稳定段，离造波机约20米以外存在单一的规则波；在摆板附近除规则波外有扰动驻波存在，这里通常为不稳段。因此，为减少扰动，应该合理选择摇板形状、结构和接连的位置，这样可缩短不稳定段长度。（如图1）在设计摆板式造波机时应注意以下参数和问题：⑴摇板摆幅和波高的关系；⑵摆板高度的选择；⑶板面压力的计算（静水压力、规则波动压力、惯性波动压力）；⑷摇板造波机的功率计算。㈡冲箱式造波机（如图2）冲箱式造波机的波长是由冲箱上下振动的周期T决定的，在深水情况下，波长和周期的关系式为λ＝gT2／2π如果这种冲箱式造波机在技术上有新突破，它会非常受人们欢迎的，因为它能节省大量土建费用，而且不要配置机房，但目前我国水上乐园还很少使用此类造波机，所以关于这种形式的造波机在这里我就不多谈了。㈢气动造波机这种形式的造波机被水上乐园普遍接受也是最受欢迎的一种造波机。目前，国内许多水上乐园生产厂家都在生产这种类型的造波机，虽然各种结构方式有所不同，但其工作原理都是一样的。⑴气动造波机的基本部件包括造波风罩、空气供给系统和配气阀门控制系统。（如图3）⑵其工作原理是依靠附加在风罩所限制的水域上，并随时间作周期性变化。鼓风机作为造波机的气源，鼓风机通过管路与风罩相连接，风罩内的空气靠配气阀门来实现周期性变化。配气阀门每一个工作周期均分为二个半周期，在前半周期空气自大气压入风罩，而水便从风罩内排出，在风罩前形成波峰；而后半周期空气返回大气，水被吸入风罩，即在风罩前形成波谷。因此，波浪的周期与阀门的摆动周期相等，而波长与阀门的工作周期T和水深H有关。（如图4）当波长和水深均为一定时，波幅根据鼓风机的转速N，空气阻尼开关大小S和风罩浸深HK来决定。⑶针对造波机的工作原理，我们在设计造波机时就应注意以下参数及问题：①风罩的几何尺寸和下降深度；②鼓风机的全压，流量及鼓风机驱动电机的功率；③空气主管道及配气阀门装置的截面大小；④配气阀门的运动性能。⑷下面给出有关技术参数的参考计算公式：①在以上所示参数中风罩的宽度ａ是最重要的几何尺寸，该值应该按下式确定：λ／6≥ａ最大值≥λ／7公式（1）但值得注意的是，风罩宽度ａ必须小于最小波长λ的一半，因为试验证明此时的波浪不稳定。②浸深HK是另一重要参数从提高造波机效率看，风罩浸深越小越好，但HK大水上会产生付波而使波形破坏。合理的浸深是由波长和波高来决定的。HK＝（0.05～0.07）λ公式（2）③风罩顶部从理论上说做成R＝0.5ａ的圆顶最相宜，但实际上为了施工方便，造波机的风罩（顶部）一般做成平顶。这部分空间是为了保证其上部有足够大的平稳空气压力的空间。④风罩长度由水深宽度来决定，为防止产生横波，风罩内装置横向隔板。⑤鼓风机压头ρ＝ρmax＋Δρ公式（3）其中，Δρ——管路损耗量值ρmax——风罩下空气压力的最大幅⑥鼓风机流量（可参照下式确定）Q＝1.1Qmax公式（4）＝1.1×7200L·SK(g／2πλmax)1/2米3／h＝7920L·SK(g／2πλmax)1/2米3／h其中，L——风罩长度（米）SK——风罩横截面面积（米2）⑦鼓风机的功率可根据鼓风机的性能按下式计算W＝ρQ／（102×3600）千瓦公式（5）四、水上乐园造波机的选择及相关设计目前，在国内造波设备中主要采用空气式造波机和摇板式造波机，在水上乐园中采用空气造波机的尤多，这是由空气造波机的特点决定的。空气式造波机的优缺点：⑴可以产生多种波形的波，浪形好；⑵其设备结构简单，便于维修；⑶功率较高，噪音较大。既然我们知道了空气式造波机的特点，那么在选择时就要有针对性。首先根据场地大小（造浪面积的大小）来选择造波机的数量，这对用户来说相当重要，一般来说750～800米2水域面积要想达到800～1000mm高的浪可选择一台45kw的造波机，由此可推算出需要购买的造浪机的台数；其次，就是造波池的形状和结构，它直接关系到客容量的大小，土建成本的高低；第三，就要看此设备产生的波形如何，其波形种类多少，效果如何；第四，看此设备结构如何，是否便于操作和维修；第五，要考虑噪音问题；第六，就是考虑其通风性能如何；第七，所有造波设备必须有相应保护措施。其中噪音问题是气动造波机存在的一个大问题，根据游艺机安全规范GB8408-87中2.18之要求，游艺机产生的噪音对区域环境的影响，必须符合国家标准GB3096-82《城市区域环境噪声标准》的规定，一般要求游乐场对区域的影响不大于65dB(A)。造波机噪音主要来源于鼓风机壳体、管路、风门的振动，鼓风机、闸门，机架等一般都可能在工作中发生弹性变形。变形力与反变形刚度的相互作用，以及随着机械运转时的作用力而产生周期性的交变运动，就形成这些部件的振动。具有弹性的机械部件又是各种形式的振动的良性传导体，将振动沿相接触件往外传播而不断将周围空气激振，在空气中付出声波。目前人们在控制机械噪声方面常用的材料有四种，对于空气噪声有吸声材料及隔声材料。对于结构发生的噪音有阻尼材料及隔振材料。对于结构发生的噪声每个生产厂家在生产和安装时都已采取了相应措施，但是还不能达到规范要求，所以还要对空气发生噪音加以控制。即采用吸声材料及隔声材料，常用的吸声材料及隔声材料。常用的吸声材料有矿棉、玻璃棉、泡沫、胶合板、硬（软）纤维板、石棉水泥板等，它们的吸声效果都很好，最高吸声指数可高达0.98～0.99。另外，我们一般机房多为砖墙结构或混凝土墙，在机房设计时把其设计成为封闭式隔声单元。隔声间的空间尺寸以满足造浪设备的安装和维修需要的最小空间为宜，声间应选用密封性好的隔音门，窗户玻璃的隔声量按“等传声量”原理计算选用，封闭式隔音间完整的设施应具有良好的通风性能。砖墙、混凝土墙是很好的廉价的隔音材料，其构件隔音量如下：12cm砖平均隔音量为44.75dB24cm中空砖墙平均隔音量为45.50dB单层混凝土墙平均隔音量为39.50dB双层混凝土墙平均隔音量为49.33dB两面嵌0.7mm铁皮的10mm木板墙平均隔音量为45.20dB双层玻璃窗平均隔音量为44.33dB五、学习国外先进技术，赶超世界先进水平通过上面的介绍我们知道，气动造浪机有噪音大和能耗高的缺点，为了攻破这一难关，广州市旺明水之乐设计咨询有限公司组织科技人员到国外考察，对WaveTek公司等国外造浪技术进行消化研究，对原有造浪设备进行改造，终于研制了成功了一种新型式气动造浪机，现已在济南东方夏威夷乐园投入运营，反馈效果非常好，改进后的造浪机，由于其结构和工作原理与原来造浪机有所不同，其结构简图职改进后结构图㈠、㈡所示。图㈠所示为半地下式，这种结构可以充分利用机房顶部，例如做表演舞台，游客在水中追逐戏浪的同时，还可以观看舞台表演。图㈡所示可以以减少机房占地，提高土地利用，同时还可以减少土建造价。它们的工作原理是依靠附加在混凝土风罩所限制的水域上，依靠鼓风机通过气体分配室（器）、管路、阀门和风罩相连接，风罩内的空气靠阀门来实现周期性变化。同样，配气阀门的每一个周期也分为二个半周期。在前半周期，高压大流量的气体从鼓风机通过配气阀门进气口（此时排气口关闭）压入风罩，水便从风罩内排出，在风罩前形成波峰，而后半周期，配气阀门进气口关闭，排气口打开，这时风罩内和大气压瞬间形成一定压差，水被压入风罩，风罩内气体通过排口排入大气，在风罩前形成波谷。我们通过对改进前后的造浪机进行对比实验，结果发现产生同等波形的波时，改进后的造浪机能节约1／4能量。实验还证明，由于结构变化，使鼓风机工况也得到了较大改善，电机不会出现过载发热现象，同时噪音也降低了20dB。这种形式的造浪设备由于用了PCL微机操作可产生多种波形的浪，如排浪、交叉浪、钻石浪，并且由于采用了新型闸门控制机构，使其起动性能进一步提高，在此基础上，广州市旺明水之乐设计咨询有限公司又开发了环流造浪，同时根据用户的需求，可以为多种形状浪池、泳池配套，提供令你满意的造波设备。参考文献：⒈杨森华：“造波机的理论计算”，国外舰船技术-船舶力学类，1979.9⒉《游艺机和游乐设施安全标准》作者：广州市旺明水之乐设计咨询有限公司·王秋旺