太浦河泵站多叶拍门设计(一)

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。