低揚程泵站拍門水壓消能關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

蔣 濤，薛海鵬，戴慶云，嚴(yán)登豐

（1.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210022；3.揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225000）

我國南方大部分地區(qū)江河縱橫、湖泊遍布，汛期需要排水，遇旱需要灌溉，興建了大量低揚程泵站［1］。大中型泵站截流閉鎖裝置（工作門）常用虹吸真空破壞閥、油壓快速閘門或拍門。泵站閉鎖裝置要求啟門迅速，閉門可靠，水力損失小，為限制停泵時出現(xiàn)飛逸（無拘束倒轉(zhuǎn)）或飛逸時間超長，要求快速閉門。相比之下，拍門有突出的優(yōu)點，采用拍門的泵站，水泵啟動后門頁受水流頂托自動開啟。水泵正常運行中，門頁在水流頂托力與浮重力作用下，平衡于一定張起角度，設(shè)計合理的拍門水力損失很小。停泵時，水流頂托力漸小直至回零、變向，拍門下落，其后在自重及反向水頭作用下可靠閉門［2］。拍門結(jié)構(gòu)簡單，特別是停泵后閉門歷時短，利于保護(hù)主機(jī)泵安全［3］。但是，常用懸吊式拍門若門體過重，可能開啟不足，增大水力損失。停泵時，若門體過輕，門后無通氣孔或通氣不佳，則可能產(chǎn)生危害性撞擊。結(jié)合武定門和秦淮新河泵站實際運行中拍門存在的問題，研制了一種新型拍門水壓消能裝置，安裝于拍門底部，借以消減落門動能，避免危害性撞擊，實際應(yīng)用效果良好。

1 工程概況

1.1 武定門泵站

武定門泵站位于南京市武定門外秦淮河右堤，下游距入江口12.6 km，上游距河定橋10.8 km，是秦淮河流域主要控制水利樞紐工程之一。泵站工程于1967年11月動工興建，1969年5月竣工。泵站為“X”型流道雙向灌排兩用泵站，設(shè)計流量46 m3/s，灌溉設(shè)計揚程2.8 m，排澇設(shè)計揚程2.5 m。泵站上、下游出水流道口采用2.0 m×2.0 m整體式拍門控制。實際運用發(fā)現(xiàn)，拍門張起角度能達(dá)到65°左右，水力損失小，水泵停機(jī)后第一階段（正轉(zhuǎn)正流）拍門開始下落，第二階段（正轉(zhuǎn)逆流）或第三階段（逆轉(zhuǎn)逆流）初始時閉門。但是，因平衡重裝置作用，落門受阻，第三階段初始仍有較大張起角度，直至產(chǎn)生較大的反向水頭時才閉門，閉門速度大，易造成撞擊和門頁、止水破壞。

1.2 秦淮新河泵站

秦淮新河泵站位于南京市雨花臺區(qū)天后街道秦淮新河入江口處，于1982年建成，2002年進(jìn)行加固改造，為雙向灌排兩用泵站，Ⅱ級水工建筑物，安裝1700ZWSQ10-2.5型雙向臥式軸流泵，配用Y500-6/630kW型臥式異步電動機(jī)5臺套，B2SH11齒輪箱5臺套，總裝機(jī)容量3 150 kW，正反向設(shè)計流量50 m3/s，正向（灌溉）設(shè)計揚程2.5 m，反向（排澇）設(shè)計揚程2.0 m，平面“S”型流道，快速閘門斷流。泵站閉鎖裝置采用油壓快速閘門，為避免水泵啟動時閘門提升過慢出現(xiàn)“閉閥啟動”，閘門上加了溢流孔，另設(shè)1.2 m×1.2 m小拍門。實際運用發(fā)現(xiàn)，小拍門亦有停泵撞擊現(xiàn)象存在，并有閉門不嚴(yán)問題，甚至出現(xiàn)過水泵倒轉(zhuǎn)。

2 水壓消能器設(shè)計

水壓消能裝置是流體力學(xué)基礎(chǔ)研究成果的實際應(yīng)用，屬于液壓機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域。水壓消能裝置帶有泄流孔，其工作機(jī)理是通過泄水水力能與拍門機(jī)械能之間的傳遞轉(zhuǎn)換，消減動能避免危害性撞擊。拍門閉門旋轉(zhuǎn)運動具有動能，定量計算消能效果根據(jù)能量平衡原理實現(xiàn)。水壓消能裝置包括帶空腔的緩沖缸及帶有撞擊桿的活塞，活塞安裝于緩沖缸空腔內(nèi)，活塞桿上銑出導(dǎo)向槽，與緩沖缸腔壁對應(yīng)位置處設(shè)有導(dǎo)向螺釘，緩沖缸底部有座板，空腔內(nèi)有復(fù)位彈簧。水壓消能裝置可以做成雙腔型或單腔型，武定門與秦淮新河泵站單腔型消能裝置示意圖見圖1。水壓消能裝置安裝于拍門門頁底部，與門頁成一體型結(jié)構(gòu)，緩沖缸的泄水孔連通腔壁內(nèi)外?；钊麠U端撞擊體承受撞擊力，通過泄水孔泄水形成緩沖，緩沖結(jié)束再啟門時，帶有活塞桿的活塞在復(fù)位彈簧作用下自動復(fù)位。

圖1 單腔式消能裝置示意

3 水壓消能裝置緩沖壓力

對照單腔消能裝置，通過相關(guān)計算式［4］求解儲水容積內(nèi)瞬時壓力，可知武定門泵站拍門轉(zhuǎn)動慣量為1 200 kg·m2，設(shè)閉門角速度為2.0 rad/s，旋轉(zhuǎn)動能為2 400 kg·m2/s2。對照單腔消能裝置可計算繪制出如圖2所示的緩沖效果，由圖2可知，拍門接觸消能裝置后旋轉(zhuǎn)角速度急速下降，約0.02 s停止，缸內(nèi)最大壓力約180 MPa。旋轉(zhuǎn)動能相同條件下，若加大泄水孔，則撞擊歷時減短，缸內(nèi)最大壓力降低。圖2為泄水孔d=4 mm消能裝置緩沖效果，圖3為泄水孔d=6 mm消能裝置緩沖效果。

4 水壓消能裝置檢測試驗

針對圖2、圖3緩沖效果系理論計算結(jié)果，帶水壓消能裝置拍門現(xiàn)場測試比較復(fù)雜，為實際驗證，室內(nèi)檢測很有必要。水壓消能裝置檢測試驗采用IEPE壓電式加速度傳感器，測試系統(tǒng)PCB9155D。加速度傳感器試驗時與消能裝置活塞聯(lián)結(jié)，所測得的加速度即消能裝置活塞的運動加速度，試驗方案為撞擊錘（270 N）以自由落體方式撞擊消能裝置。

圖2 消能裝置緩沖效果（泄水孔d=4 mm）

圖3 消能裝置緩沖效果（泄水孔d=6 mm）

實際試驗時分為3種情況，即重錘自由下落高度H分別為0.5 m、1.0 m和1.5 m。以H=1.0 m為例進(jìn)行計算，剪斷吊索0.452 s重錘撞擊消能裝置，撞擊時速度為4.43 m/s，撞擊能量為260 kg·m2/s2。由H=1.0 m時的水壓消能裝置撞擊（活塞運動）波線可知，水壓消能裝置撞擊初始最大加速度為1.102 m/s2，震蕩中最小加速度為-0.129 m/s2。水壓消能裝置緩沖過程中，加速度由正至負(fù)漸減，直至回零。當(dāng)H=0.5 m時，撞擊初始最大加速度為0.678 m/s2，震蕩中最小加速度為-0.074 m/s2。通過對比可知，不同重錘下落高度消能裝置緩沖過程規(guī)律一致，對照理論計算緩沖過程中拍門運動與活塞運動趨勢一致。

5 結(jié)語

在工程實際運用中，拍門水壓消能裝置可根據(jù)實際條件設(shè)計成多種型式。緩沖腔數(shù)可單腔、可雙腔，消能機(jī)理可為泄水式或彈性緩沖體等。本文研制的武定門和秦淮新河新型拍門水壓消能裝置經(jīng)科學(xué)檢測試驗，檢測結(jié)果與設(shè)計計算結(jié)果一致，并在實際安裝拍門時也注意了合理確定安裝位置，設(shè)置可靠的撞擊支承以及對門頁局部強(qiáng)化處理等。就水力性能而言，上述裝置經(jīng)現(xiàn)場試用能滿足工程需要，該水壓消能裝置結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，運行安全，值得推廣。