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太浦河泵站多葉拍門設計

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標簽:水利工程管理,水利水電論文, 太浦河泵站多葉拍門設計,http://www.tljciu.live

  1、概述

  太浦河泵站工程位于江蘇省吳江市境內廟港鎮太浦河節制閘附近,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范要求。根據工程的具體情況,吸收快速閘門和拍門的特點,借鑒國內有關工程的經驗,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。

  根據上述八種工況不同流量水力損失試驗結果分析:

  (1)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。

  (2)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。

  (3)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(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: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。

  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直接影響閘門在工作中的穩定性和可靠性,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值相對較高,同時需設置較完善的潤滑系統,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心功能的自潤滑關節軸承(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,穩定性好,適應性強。

  閘門側向導輪采用自潤滑復合材料的園柱軸承。

  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

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