太浦河泵站多葉拍門設計

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1、概述

　　太浦河泵站工程位于江蘇省吳江市境內(nèi)廟港鎮(zhèn)太浦河節(jié)制閘附近，泵站裝設六臺斜15°軸伸泵，泵站設計總流量為300m3/s.單機容量為50m3/s，設計凈揚程1.39m，葉輪直徑4.1m，是目前國內(nèi)最大的斜軸伸泵。由于進出水流道尺寸大，中間設有隔墩，所以每臺水泵的進口設置兩孔檢修閘門，出口設置兩扇快速多葉拍門和兩扇快速事故閘門。整個泵站共設有12扇快速多葉拍門和12扇快速事故閘門，均采用液壓啟閉機操作。啟閉機安裝在出水口6.0m的高程平臺上。該平臺設置一臺2×65kN雙向門機，用于快速多葉拍門、快速事故閘門以及液壓啟閉機的安裝、維護和檢修。

　　2、閘門的運行要求及布置型式

　　泵站的水泵運行都有啟動和斷流兩種要求，可采用虹吸式出水流道、快速閘門和拍門三種方式。虹吸式出水流道適應于立式軸流泵，對太浦河泵站不適用；在保證閘門起升和關閉速度的條件下，快速閘門可以滿足啟動和斷流的要求，太浦河泵站流道兩孔斷面尺寸均為寬4.00m，高4.703m，平板門提升和關閉速度很快，對啟閉設備要求很高；拍門啟動和斷流的可靠性都比較高，但大尺寸拍門關閉時撞擊力很大，雖然采用液壓緩閉裝置可以減小撞擊力，但結構復雜要求很高，更主要是對特低揚程泵站，拍門的水力損失是泵站揚程的一部分，使水泵裝置效率難以滿足泵站設計規(guī)范要求。根據(jù)工程的具體情況，吸收快速閘門和拍門的特點，借鑒國內(nèi)有關工程的經(jīng)驗，采用直升式快速多葉拍門，操作設備為快速液壓啟閉機。

　　快速多葉閘門的結構型式是在平板門上開設拍門，特點是水力損失小、結構較簡單、檢修方便、使用安全可靠，與虹吸真空破壞截流閉鎖方式相比，還可以縮短出水管（流道）長度，并利于泵系統(tǒng)啟動。

　　快速多葉閘門的工作方式為，水泵啟動時，大拍門自由開啟過流，以減小水泵啟動阻力，啟動完畢后，提起多葉拍門。當水泵停機或出現(xiàn)事故時，閘門快速關閉截斷水流。

　　多葉拍門布置在水泵出口處快速事故閘門的上游側，閘門孔口尺寸為寬4.00m，高4.703m，底檻高程-4.45m，擋水水頭為7.99m，運行水頭為1.39m.閘門為懸臂輪支承，每側布置兩個輪子，每扇閘門四個輪子。閘門單向止水，采用P型水封橡皮止水。在閘門門體上布置三個大拍門，大拍門上下排列，每個大拍門的孔口尺寸均為寬3.0m，高1.0m.閘門與液壓啟閉機單吊點聯(lián)接。每臺水泵出口的兩扇拍門同步動作。

　　3、模型實驗

　　為了確定多葉拍門的水力損失、拍門的孔口面積及結構布置型式，在設計過程中，利用了太浦河泵站斜15°軸伸式水泵模型裝置，對水泵出口設置的拍門進行了模型水力損失試驗。

　　試驗先后進行了二排8個小拍門自由開啟、三排12個小拍門自由開啟和三排12個小拍門開啟55°、70°的不同流量水力損失試驗。為進一步減少水力損失，又增加三排6個大拍門自由開啟和三排6個大拍門開啟55°、60°、70°的不同流量水力損失試驗。

　　根據(jù)上述八種工況不同流量水力損失試驗結果分析：

　?。?）拍門阻力損失與過水面積大小關系密切，即三排拍門過水面積比二排拍門大，大拍門過水面積比小拍門大，故相應阻力損失小。同理，三排排門開啟70°比開啟55°、60°的過水面積大，所以相應阻力損失亦小。

　?。?）從三排12個小拍門自由開啟、開啟55°和開啟70°的三條試驗曲線對比來看：三排小拍門自由開啟的水力損失最小，說明在該工況下，三排小拍門自由開啟的角度比70°大。按開啟70°相同流量的水力損失值的比例計算，三排小拍門自由開啟的角度約為87.1°左右。同樣，從三排6個大拍門自由開啟、和開啟55°、60°、70°的四條試驗曲線對比來看：三排6個大拍門自由開啟的水力損失最小，說明在該工況下，三排6個大拍門自由開啟的角度比70°大。按開啟55°相同流量的水力損失值的比例計算，三排6個大拍門自由開啟的角度約為74°左右。

　?。?）由于拍門出流仍屬于孔口出流，故流量與拍門阻力損失成直線關系，即Q=K√Δh.從二排8個小拍門自由開啟、三排12個小拍門自由開啟和三排6個大拍門自由開啟三個工況對流量系數(shù)（K）計算看出，三種拍門自由開啟工況Q與√Δh基本成直線關系。流量系數(shù)K值誤差與流量大小、水流沖擊力和鉸鏈連接摩擦力等有關。其K值平均值分別為K8=0.247；K12=0.396；K6=0.479.

　　結論：

　　1）在模型額定流量為Q=260l/s時，二排8個小拍門自由開啟的水力損失Δh=1.10m；三排12個小拍門自由開啟的水力損失Δh=0.45m；三排6個大拍門自由開啟的水力損失Δh=0.306m.由于太浦河泵站的水泵揚程特低，設計凈揚程僅為1.39m，在結構允許下拍門的面積越大，水力損失最小，可保證水泵的啟動安全。

　　2）流量系數(shù)：二排8個小拍門自由開啟時K8=0.247；三排12個小拍門自由開啟時K12=0.396；三排6個大拍門自由開啟時K6=0.479.

　　4、閘門設計

　　4.1 閘門結構布置

　　泵站快速多葉拍門為平面定輪焊接鋼結構閘門，設計時采用了模型試驗的成果，在門體上布置三排拍門，每排布置一個大拍門，即三排三個大拍門的結構布置型式，以進一步減小水力損失。每個大拍門的孔口凈寬為3.0m，凈高為1.0m.

　　根據(jù)閘門的這一布置型式，快速多葉拍門門體采用四根主梁，除頂梁為箱型梁外，其余主梁均為工字型結構，邊梁為箱型梁。面板設在下游側（即泵站出水口側），水封設在上游側（即泵站進水口側），為P型橡膠水封。

　　三個拍門結構型式相同，均布置三根主梁，為槽型型鋼斷面，縱梁和邊梁均為工字型型鋼，拍門面板均設在上游側（即泵站進水口側）。水封安裝在快速多葉拍門門體的下游側，為P型橡膠水封。水封止水座面設在拍門上。

　　4.2 鉸鏈結構設計

　　大拍門上部通過兩個鉸鏈與快速多葉拍門門體聯(lián)結。以往拍門設計的鉸鏈為園柱鉸，這種結構存在封水不良的問題，即當拍門擋水的水位差較小時，作用于拍門上的水壓力不足以克服拍門頂水封壓縮的反力，可能導致底水封與水封座面不能很好接觸，如要保證底水封與水封座密切接觸，則當拍門擋水的水位差較大時，頂水封密封因無壓縮而效果不好。

　　因此在拍門鉸鏈設計時，對鉸鏈結構進行了優(yōu)化，采用水平長園孔和圓柱軸結構，保證了拍門在任何水位差下，四周水封均可與水封座面均勻接觸，使封水始終處以良好狀態(tài)。

　　同時，封水面設計成傾斜式，斜面與垂直面的夾角為5°，使拍門依靠自重即可與水封密切接觸。

　　4.3 閘門支承型式

　　太浦河泵站快速快速多葉拍門為工作閘門，需動水啟閉，并有快速閉門的要求。一般工作閘門的支承可采用定輪支承和滑道支承，為降低啟閉機的容量，多葉拍門采用簡支式定輪支承。

　　定輪支承的軸承材質(zhì)直接影響閘門在工作中的穩(wěn)定性和可靠性，對啟閉設備的啟閉能力也有很大的影響。通常，定輪支承的軸承采用青銅或自潤滑復合材料，考慮到青銅的磨擦系數(shù)值相對較高，同時需設置較完善的潤滑系統(tǒng)，否則易造成“燒瓦”或“抱軸”等故障。因此，設計中軸承材料采用自潤滑復合材料，這種材料磨擦系數(shù)低，單位比壓大，可免去潤滑維護。

　　快速多葉拍門雖然水頭不大，但由于布置了三排三個拍門，主梁結構為工字型斷面，閘門整體剛度相對較弱，軸承型式采用具有自動調(diào)心功能的自潤滑關節(jié)軸承（軸瓦材料為自潤滑復合材料），可很好的適應閘門的變形，始終保持定輪踏面與軌道面為線接觸，可自行潤滑、無需維護，提高了定輪的使用壽命，耐泥沙浸蝕，穩(wěn)定性好，適應性強。

　　閘門側向?qū)л啿捎米詽櫥瑥秃喜牧系膱@柱軸承。

　　5、結束語

　　快速多葉拍門在我國水利工程中已有運用，但像太浦河泵站規(guī)模的閘門，采用三排三個大拍門，拍門開孔尺寸占閘門孔口尺寸面積大于50%的布置尚不多見。由于設計周期短，時間緊，根據(jù)快速多葉拍門方案要求所采取的一些技術措施尚屬探索，有待于工程投入運行后予以檢驗和總結。

作者：張政偉