太浦河泵站多叶拍门设计

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太浦河泵站多叶拍门设计

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-18 2166


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

防渗膜标准名称为聚乙烯土工膜,主要是乳白色半透明至不透明的热塑性树脂材料-聚乙烯树脂制作而成。聚乙烯是高分子聚合物,是无毒、无味、无臭的白色颗粒,熔点约为110℃-130℃,相对密度0.918—0.965;防渗膜具有良好的耐热性和耐寒性。化学稳定性好,具有较高的刚性和韧性,机械强度好,耐环境应力开裂与耐撕裂强度性能好,随着密度的上升,机械性能和阻隔性能会相应提高,耐热,和抗拉强度也更高;可耐酸、碱、有机溶剂等腐蚀。

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计算,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总结。

作者:张政伟


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