水泵拍門技術改造的研討

宋建村 張 律 張朝利

（1.江陰市農田水利建設管理處，江蘇 無錫 214400；2.江蘇省水利科教中心，江蘇 南京 210029；3.南京市水利規(guī)劃設計院，江蘇 南京 210006）

0 引言

拍門是泵站工程中主要的斷流裝置，由于使用簡單、維修方便、節(jié)省投資、便于啟動而被廣泛運用，但是目前泵站拍門斷流存在兩大缺陷：一是出口損失偏大；二是停機時在水壓和拍門自重作用下產生較大的撞擊力，對拍門本身和水工建筑物會造成較大的損害。筆者主要針對目前水泵出水拍門的開啟方式進行技術改造方面的探討，經測試，拍門改造后可以降低出口損失，節(jié)省能耗，提高水泵機組的運行效率。

1 技術內容

在現有的中小型排澇或灌溉用水泵中，拍門作為主要的斷流裝置被廣泛應用，拍門是水泵重要的結構配件，主要作用是在水泵停機時，阻止將已抽至渠道中的水回流。常規(guī)的拍門是向上掀起的，拍門與水泵管的連接軸在水泵出水管口上部，在水泵抽水時，抽水沖力要持續(xù)頂起拍門，而停機時拍門在自身重力和水壓作用下合上會產生較大的撞擊力，對機組運行及建筑物有一定的損害。蘇南地區(qū)用于排灌的主要泵型為混流泵與軸流泵，小型泵如250HW 混流泵，鑄鐵拍門重量為35 kg，500ZLB 軸流泵拍門重量為110 kg，1000ZLB 軸流泵拍門重量為350 kg。機組運行時一直要依靠水泵抽水沖力將拍門持續(xù)頂起，停機時靠重力作用合上拍門，鑄鐵拍門長期壓在水頭上消耗了很多電能，降低了水泵的運行效率。

為減少能源消耗，提高泵站運行效率，提出一種設置在水泵出水口下部、開啟角度大、抽水時無阻力的節(jié)能型自動翻轉式拍門。根據力學原理，將原本安裝在出水口上部的拍門改為安裝在出水口下部，拍門設置在平衡臂支撐左端，配重體設置在平衡臂支撐右端，拍門在打開時，位于支撐左端的拍門和位于支撐右端的配重體重量平衡，因此對出水口阻力較小。在水泵運行時，由于拍門一直在管口的下端，無需消耗電能將拍門持續(xù)頂起；停止抽水時，拍門因右端力矩略大及回水吸力作用下回到出水管口上，從而起到阻擋水流順著水管回流的作用。

拍門設有墊片，墊片為配合出水口的環(huán)形墊片，環(huán)形墊片上設有兩個環(huán)形凸起，在兩個環(huán)形凸起之間設有環(huán)形凹槽，凹槽與出水口前端管壁配合緊密。出水口設為傾斜出水口，傾斜角度為40°～80°，優(yōu)選傾斜角度為45°。平衡臂上設有支撐，支撐與支座通過軸活動連接。

拍門設有環(huán)形墊片槽，環(huán)形墊片設置在環(huán)形墊片槽內。配重體為金屬或非金屬球體或矩形體，優(yōu)先選用鑄鐵球體作為配重體。拍門背面圓心處設有拍門連接件，拍門連接件上設有連接孔，在連接孔的上部2～5 cm 距離設有擋片，此距離可以保證拍門具有一定的活動空間，擋片的作用是阻擋拍門，防止拍門在打開后翻轉到平衡臂頂端或平衡臂下方。墊片為橡膠材質，其與出水口管壁配合的凹槽為乳膠材質，采用更軟的材質，可以保證凹槽與出水口貼合得更緊密。

參照圖1，設計平衡臂質量、力臂長度、拍門、配重分別為：支撐前部為60 cm，支撐后部為20 cm，拍門質量為20 kg，支撐前部平衡臂質量為3 kg，支撐后部平衡臂質量為1 kg，配重體質量為64.5 kg，水泵出水口面與水平面夾角為45°，左側力矩為M1，右側力矩為M2，設備摩擦力、水的浮力以及水流旋渦的影響暫且不計。

（1）抽水時平衡臂處于水平狀態(tài)，兩端力矩為：

因兩端力矩相差不大，所以拍門對水泵出水的水頭影響較小。

（2）當水泵停機時，由于右端力矩略大及回水拉力的作用使拍門自動合在泵管出水口上，這時平衡臂支撐兩端的力矩為：

圖1 拍門結構示意圖

右端力矩大于左端力矩，所以拍門合上后處于穩(wěn)定的封閉狀態(tài)。

為調節(jié)右端力矩大小，配重球型鑄鐵在平衡臂上可左右微調。

2 裝置制作與測試實例

2.1 裝置制作

（1）拍門制作。拍門為鋼板制作，直徑大于所配套的水泵出水口10 cm左右，在其與水泵出水口接觸面設置墊片槽，將環(huán)形橡膠墊片固定在墊片槽內，在拍門背面圓心處設置拍門連接件，拍門連接件上設有連接孔，在連接孔的上部預定距離設置擋片，在水泵出水口下部管壁上設置支座，支座上設有連接孔。

（2）平衡臂制作。平衡臂為矩形，在平衡臂下部3/4 處設置支撐，支撐上設有連接孔，以軸活動連接在支座上。在平衡臂上部距離頂端預定距離設置連接孔，以軸活動連接在拍門連接件的連接孔上；在平衡臂下端設置活動連接件，在活動連接件上設置配重連接件，在配重連接件下端設置配重體。

（3）墊片制作。墊片為橡膠制造，環(huán)形凹槽采用更軟的發(fā)泡橡膠或乳膠制作。

（4）拍門的應用。在開啟水泵時，水流沖開出水口外的拍門，拍門平放在出水口下部，平衡臂后部的配重體與前部的拍門在支座連接處為前后平衡狀態(tài)，拍門不影響出水口，對出水沒有阻力；水泵停止抽水時，由于回水拉力和配重體壓力的作用使拍門自動抬起閉合在出水口上，出水口的前端管壁與設置在拍門上的環(huán)形橡膠墊片凹槽緊密貼合，可避免水順著管道回流。

2.2 測試實例

在蘇南地區(qū)灌溉最常用的泵型為混流泵，為此選擇一座具有代表性的灌溉泵站進行測試。通過對裝機300HW-7S 型水泵1 臺、配套功率22 kW 的泵站出水拍門進行改造，加裝自動翻轉式拍門，經過調試后運行良好。

（1）在加裝之前對該站的裝置效率進行了測試，結果如下：

凈揚程4.8 m，水泵實測轉速980 r/min，電動機實測轉速1483 r/min，電流A=32、B=32、C=31，電壓A=400、B=400、C=400，流量Q=0.2258 m3/s。

有效功率N效=9.8 QH凈=9.8×0.2258×4.8=10.62 kW

輸入功率N入=3600×n×K2/K1×T=32×0.85×400/1000×1.732=18.84 kW

泵站效率η=N效/N入=10.62/18.84=56.36%

能源單耗e=N入/3.6QH凈=18.84/3.6×0.2258×4.8=4.8 kW·h

（2）改造出水拍門，加裝自動翻轉式拍門之后，對該機組進行了測試，結果如下：

凈揚程4.8 m，水泵實測轉速980 r/min，電動機實測轉速1483 r/min，電流A=31、B=31、C=31，電壓A=400、B=400、C=400，流量Q=0.2258 m3/s。

有效功率N效=9.8QH凈=9.8×0.2258×4.8=10.62 kW

輸入功率N入=3600×n×K2/K1×T=31×0.85×400/1000×1.732=18.255 kW

泵站效率η=N效/N入=10.62/18.255=58.1%

能源單耗e=N入/3.6QH凈=18.255/3.6×0.2258×4.8=4.66 kW·h

從測試結果來看，改裝前能源單耗為4.8 kW·h，改裝后能源單耗為4.66 kW·h，具有一定的節(jié)能效果。當然，影響測試結果的因素是多方面的，這里僅作初步探討。

3 結論

經改造的拍門具有以下技術特點：

（1）無需任何啟閉裝置，能自動啟閉；

（2）安全穩(wěn)定，節(jié)能高效；

（3）拍門運行時無阻力，閉門時撞擊力小，消除了水錘和出水時產生的漩渦；

（4）無需手、電、氣、液控制和人工操作，節(jié)省了大量人力物力，提高了泵站運行可靠性和裝置效率，降低了運行維護成本；

（5）降低泵站能耗；

（6）拍門及其配件采用不銹鋼材料，不易銹蝕，橡膠墊片更換方便，密封性能強；

（7）產品結構簡單合理，預計使用壽命可達30年以上，且維護方便。

但是，由于改造的拍門需加裝平衡裝置，提高了拍門的造價，也相應增加了制作費用。綜上，改造拍門技術具有一定的應用價值，對其使用成效需進行長期的監(jiān)測，綜合考慮多種因素，才能得出更準確的測試數據。