太浦河泵站多叶拍门设计

摘要：抽水泵站断流保护装置是泵站安全、可靠运行的重要保障。太浦河泵站断流保护装置的设计，综合考虑了泵站的总体布置型式及泵组运行工况和运行要求，比选了现有的几种断流保护装置，吸收了各断流保护装置的优点，确定直升式快速多叶拍门为泵站的断流保护装置，并进行了直升式快速多叶拍门的模型试验。根据拍门模型试验结果，吸取了国内已建工程的成功经验，确定了多叶拍门的结构型式，对多叶拍门的结构、支承和拍门铰链进行了优化设计。 

关键词：太浦河 泵站 多叶拍门 设计 

1 概述
太浦河泵站工程位于江苏省吴江市境内庙港镇太浦河节制闸附近，泵站装设六台斜15°轴伸泵，泵站设计总流量为300m3/s。单机容量为50m3/s，设计净扬程1.39m，叶轮直径4.1m，是目前国内最大的斜轴伸泵。由于进出水流道尺寸大，中间设有隔墩，所以每台水泵的进口设置两孔检修闸门，出口设置两扇快速多叶拍门和两扇快速事故闸门。整个泵站共设有12扇快速多叶拍门和12扇快速事故闸门，均采用液压启闭机操作。启闭机安装在出水口6.0m的高程平台上。该平台设置一台2×65kN双向门机，用于快速多叶拍门、快速事故闸门以及液压启闭机的安装、维护和检修。
2 闸门的运行要求及布置型式
泵站的水泵运行都有启动和断流两种要求，可采用虹吸式出水流道、快速闸门和拍门三种方式。虹吸式出水流道适应于立式轴流泵，对太浦河泵站不适用；在保证闸门起升和关闭速度的条件下，快速闸门可以满足启动和断流的要求，太浦河泵站流道两孔断面尺寸均为宽4.00m，高4.703m，平板门提升和关闭速度很快，对启闭设备要求很高；拍门启动和断流的可靠性都比较高，但大尺寸拍门关闭时撞击力很大，虽然采用液压缓闭装置可以减小撞击力，但结构复杂要求很高，更主要是对特低扬程泵站，拍门的水力损失是泵站扬程的一部分，使水泵装置效率难以满足泵站设计规范要求。根据工程的具体情况，吸收快速闸门和拍门的特点，借鉴国内有关工程的经验，采用直升式快速多叶拍门，操作设备为快速液压启闭机。
快速多叶闸门的结构型式是在平板门上开设拍门，特点是水力损失小、结构较简单、检修方便、使用安全可靠，与虹吸真空破坏截流闭锁方式相比，还可以缩短出水管（流道）长度，并利于泵系统启动。
快速多叶闸门的工作方式为，水泵启动时，大拍门自由开启过流，以减小水泵启动阻力，启动完毕后，提起多叶拍门。当水泵停机或出现事故时，闸门快速关闭截断水流。
多叶拍门布置在水泵出口处快速事故闸门的上游侧，闸门孔口尺寸为宽4.00m，高4.703m，底槛高程-4.45m，挡水水头为7.99m，运行水头为1.39m。闸门为悬臂轮支承，每侧布置两个轮子，每扇闸门四个轮子。闸门单向止水，采用P型水封橡皮止水。在闸门门体上布置三个大拍门，大拍门上下排列，每个大拍门的孔口尺寸均为宽3.0m，高1.0m。闸门与液压启闭机单吊点联接。每台水泵出口的两扇拍门同步动作。
3 模型实验
为了确定多叶拍门的水力损失、拍门的孔口面积及结构布置型式，在设计过程中，利用了太浦河泵站斜15°轴伸式水泵模型装置，对水泵出口设置的拍门进行了模型水力损失试验。
试验先后进行了二排8个小拍门自由开启、三排12个小拍门自由开启和三排12个小拍门开启55°、70°的不同流量水力损失试验。为进一步减少水力损失，又增加三排6个大拍门自由开启和三排6个大拍门开启55°、60°、70°的不同流量水力损失试验。
根据上述八种工况不同流量水力损失试验结果分析：
（1）拍门阻力损失与过水面积大小关系密切，即三排拍门过水面积比二排拍门大，大拍门过水面积比小拍门大，故相应阻力损失小。同理，三排排门开启70°比开启55°、60°的过水面积大，所以相应阻力损失亦小。
（2）从三排12个小拍门自由开启、开启55°和开启70°的三条试验曲线对比来看：三排小拍门自由开启的水力损失最小，说明在该工况下，三排小拍门自由开启的角度比70°大。按开启70°相同流量的水力损失值的比例，三排小拍门自由开启的角度约为87.1°左右。同样，从三排6个大拍门自由开启、和开启55°、60°、70°的四条试验曲线对比来看：三排6个大拍门自由开启的水力损失最小，说明在该工况下，三排6个大拍门自由开启的角度比70°大。按开启55°相同流量的水力损失值的比例计算，三排6个大拍门自由开启的角度约为74°左右。
（3）由于拍门出流仍属于孔口出流，故流量与拍门阻力损失成直线关系，即Q=K√Δh。从二排8个小拍门自由开启、三排12个小拍门自由开启和三排6个大拍门自由开启三个工况对流量系数（K）计算看出，三种拍门自由开启工况Q与√Δh基本成直线关系。流量系数K值误差与流量大小、水流冲击力和铰链连接摩擦力等有关。其K值平均值分别为K8=0.247；K12=0.396；K6=0.479。
结论：1）在模型额定流量为Q=260l/s时，二排8个小拍门自由开启的水力损失Δh=1.10m；三排12个小拍门自由开启的水力损失Δh=0.45m；三排6个大拍门自由开启的水力损失Δh=0.306m。由于太浦河泵站的水泵扬程特低，设计净扬程仅为1.39m，在结构允许下拍门的面积越大，水力损失最小，可保证水泵的启动安全。
2）流量系数：二排8个小拍门自由开启时K8=0.247；三排12个小拍门自由开启时K12=0.396；三排6个大拍门自由开启时K6=0.479。4 闸门设计
4.1 闸门结构布置
泵站快速多叶拍门为平面定轮焊接钢结构闸门，设计时采用了模型试验的成果，在门体上布置三排拍门，每排布置一个大拍门，即三排三个大拍门的结构布置型式，以进一步减小水力损失。每个大拍门的孔口净宽为3.0m，净高为1.0m。
根据闸门的这一布置型式，快速多叶拍门门体采用四根主梁，除顶梁为箱型梁外，其余主梁均为工字型结构，边梁为箱型梁。面板设在下游侧（即泵站出水口侧），水封设在上游侧（即泵站进水口侧），为P型橡胶水封。
三个拍门结构型式相同，均布置三根主梁，为槽型型钢断面，纵梁和边梁均为工字型型钢，拍门面板均设在上游侧（即泵站进水口侧）。水封安装在快速多叶拍门门体的下游侧，为P型橡胶水封。水封止水座面设在拍门上。
4.2 铰链结构设计
大拍门上部通过两个铰链与快速多叶拍门门体联结。以往拍门设计的铰链为园柱铰，这种结构存在封水不良的问题，即当拍门挡水的水位差较小时，作用于拍门上的水压力不足以克服拍门顶水封压缩的反力，可能导致底水封与水封座面不能很好接触，如要保证底水封与水封座密切接触，则当拍门挡水的水位差较大时，顶水封密封因无压缩而效果不好。
因此在拍门铰链设计时，对铰链结构进行了优化，采用水平长园孔和圆柱轴结构，保证了拍门在任何水位差下，四周水封均可与水封座面均匀接触，使封水始终处以良好状态。
同时，封水面设计成倾斜式，斜面与垂直面的夹角为5°，使拍门依靠自重即可与水封密切接触。
4.3 闸门支承型式
太浦河泵站快速快速多叶拍门为工作闸门，需动水启闭，并有快速闭门的要求。一般工作闸门的支承可采用定轮支承和滑道支承，为降低启闭机的容量，多叶拍门采用简支式定轮支承。
定轮支承的轴承材质直接影响闸门在工作中的稳定性和可靠性，对启闭设备的启闭能力也有很大的影响。通常，定轮支承的轴承采用青铜或自润滑复合材料，考虑到青铜的磨擦系数值相对较高，同时需设置较完善的润滑系统，否则易造成“烧瓦”或“抱轴”等故障。因此，设计中轴承材料采用自润滑复合材料，这种材料磨擦系数低，单位比压大，可免去润滑维护。
快速多叶拍门虽然水头不大，但由于布置了三排三个拍门，主梁结构为工字型断面，闸门整体刚度相对较弱，轴承型式采用具有自动调心功能的自润滑关节轴承（轴瓦材料为自润滑复合材料），可很好的适应闸门的变形，始终保持定轮踏面与轨道面为线接触，可自行润滑、无需维护，提高了定轮的使用寿命，耐泥沙浸蚀，稳定性好，适应性强。
闸门侧向导轮采用自润滑复合材料的园柱轴承。
5 结束语
快速多叶拍门在我国水利工程中已有运用，但像太浦河泵站规模的闸门，采用三排三个大拍门，拍门开孔尺寸占闸门孔口尺寸面积大于50%的布置尚不多见。由于设计周期短，时间紧，根据快速多叶拍门方案要求所采取的一些技术措施尚属探索，有待于工程投入运行后予以检验和。