雙向拍門一體式閘門泵的布局思考與應用討論

孫文博 五邑大學智能制造學部

楊開好 陳軍 廣東河海泵業機械有限公司

一體式閘門泵乃是在傳統水閘閘門的門體上整合有潛水泵的一種特殊閘泵型式，其特色在于潛水泵可跟隨鋼制閘門一道同步提升和落座，籍此可對河道實施開閘或者閉閘操作的同時，還能夠根據需要進行引水或排澇，實質上是將傳統泵站與閘門站兩者合二為一的水利設備。一體式閘門泵十分適合于中低揚程場合，它只需在傳統鋼制閘門上增設一個潛水泵即告完成，在檢修時僅需將閘門抬起并讓其上的潛水泵露出水面即可進行維護檢修工作，因此一體式閘門泵的建安成本及運維成本均比較低廉。此外，一體式閘門泵還能夠與現有的鋼閘門設計規范、潛水泵站技術規范等很好地結合，因此它的設計及制造可以納入現有規程來進行約束與管理。基于上述優點，一體式閘門泵具有較廣的應用前景。

但是，如同其它潛水泵一樣，當閘門泵的潛水泵處在停機工況時，若內河道水位高出外河道水位而導致內水倒灌所產生的各種水力學問題，比如水錘沖擊、電機逆轉等不利情形依然存在。故為了解決這些問題，一體式閘門泵在實際工程應用中還需選擇截流閉鎖裝置如拍門裝置來予以應對。然而，拍門裝置的加持必然會產生影響潛水泵乃至閘門的諸多負面問題，也因此，在設計閘門泵時需要對閘門與泵的耦合做適當的優化。當下，拍門裝置的閉合動作對泵體產生的影響是常見的和實質性的，有關這方面的研究主要涉及拍門撞擊理論、拍門在啟泵停泵期間動力學行為等等。本文以配置有雙向拍門裝置的一體式閘門泵為研究對象，企圖通過對它進行分析而獲得閘門泵布局設計方面的有益提示。

1.雙向拍門閘門泵的總體布局及工作狀態討論

如上所述，閘門泵兼具有泵站與閘門站兩種水利設施功能，既能隔斷河道又能引水排灌，因而非常適合防洪排澇、引水排水、分流灌溉等場合，尤其是那些河網分布較多的地方。一體式閘門泵主要由閘門和潛水泵兩大部分組成，其中潛水泵被直接固定安裝在鋼制的閘門上，圖1是其布局示意圖。該閘門泵的構成如下：潛水泵泵體的進水端口和出水端口分別布置在閘門的兩側面且均呈突出狀，一般按進水端朝向外河道、出水端朝向內河道的形式來進行布局，在進水端口處布設有一個用于防洪用的可控開合進程的拍門、在出水端口處布設有一個用輕質材料制成的用于防止內水倒灌的拍門。為便于潛水泵泵體與閘門的連接，在泵體的筒體管外壁設置有連接套，在連接套上布設有與閘門體配合的法蘭板，該法蘭板通過螺栓與閘門體緊固連接。此外，為了增加支撐剛度以提高潛水泵工作時閘門泵的整體穩定性及可靠性，在潛水泵泵體的外管壁與閘門外壁之間還設置有專門的支撐架，該專設的支撐架呈T形狀或者呈直角三角形狀并布置在潛水泵外管壁的下緣處，其功用是增加潛水泵的軸向支撐跨度以盡可能地提高支撐剛度。因為潛水泵需要連接電纜，所以在閘門內部還設置有可布設電纜的內管槽，電纜穿越內管槽而與潛水泵連接并向其輸配電。

圖1 雙向拍門閘門泵結構與布局示意圖

雙向拍門閘門泵的特色在于：在潛水泵的進水端端口設置有一個可控開合的拍門，同時在潛水泵的出水端端口還設置有一個拍門。進水端拍門的一端與潛水泵泵體轉動鉸接連接、其另一端用鋼絲繩牽引連接，鋼絲繩穿過閘門上設置的鋼纜轉向座而與卷揚機連接，出水端拍門則僅與潛水泵泵體進行轉動鉸接連接。雙向拍門閘門泵有四種運行工況：①當外河道的外水高過內河道的內水而處于防洪狀態時，此時卷揚機放松鋼絲繩而讓進水端拍門合閉潛水泵的進水口，同時閘門落座以截斷外河道與內河道之間的聯系，這樣可以防止外水涌進內水而達成防洪之目的；②當外河道的外水高于內河道的內水并處于需要引水狀態時，此時既可以選擇提升閘門而讓外河道的外水自流流進內河道、還可以選擇打開進水端拍門并啟動潛水泵而進行強制引水來使外河道的外水加速流進內河道；③當內河道的內水高于外河道的外水且需要引灌之狀態時，此時閘門落座并讓進水端拍門開啟，同時潛水泵開始運轉工作并將外水強行驅進內水河道區域，籍此達成將外水引灌至高水位的內水區；④當內河道的內水高于外河道的外水而處于排澇狀態時，此時提升閘門打開閘道以便讓內水按自流方式流向外水區域，從而起到排澇作用。容易看出，閘門泵確實兼備有泵站與閘門站兩種水利設施的功能，其中上述①和④工況中閘門泵主要呈閘門站作用，而②和③工況中的閘門泵則主要呈泵站作用。

2.閘門泵的受力分析與支撐件布局優化

2.1 雙向拍門閘門泵的受力分析

閘門泵運行的穩定性與可靠性與它的受力狀況密切相關，而受力顯然與拍門裝置的形式與布局有關。現有拍門裝置的型式多種多樣，有整體式拍門、多扇式拍門以及雙節式拍門等等，小型泵站普遍采用的是整體式拍門，雙向拍門閘門泵屬小型設施范疇故采用整體式拍門。當需要啟動潛水泵進行引水時，只需控制進水端拍門而讓其呈打開狀態，則輕質的出水端拍門會在潛水泵啟動后被水流推開；當需要停止潛水泵工作時，處于高水位的內水會促使出水端拍門關閉潛水泵的出水口，籍此防止內水倒流進泵內而避免電機發生逆轉。此外，當外水位較高而需隔斷內水與外水時，閘門泵須關閉其進水端拍門；還有，為了保護潛水泵不工作時免遭各種水生物的侵入也需閉合潛水泵的進水端口。很顯然，在斷流停機時無論是進水端拍門抑或是出水端拍門，它們在水壓力和重力的作用下所產生的閉合動作均會派生出較大的撞擊力，這些撞擊力對拍門本身乃至閘門及泵體都會造成較大的危害。一般來說，潛水泵進水端拍門連接有鋼絲繩，在鋼絲繩的控制下可以做到緩慢閉合來實現減小撞擊力的負面影響，但潛水泵的出水端拍門其拍門撞擊則完全取決于內外水水頭的狀況，并與自身的材質、結構和布局密切相關。根據相關資料，出水端拍門在閉合時所產生的撞擊力公式如下：

式中：LN為碰撞過程的位移；My為拍門水壓對門鉸軸線的力矩；MR為拍門轉動阻力對門鉸軸線的力矩；f為緩沖材料的接觸面積；E緩沖材料的彈性模量；δ為緩沖材料的厚度；JP為拍門的轉動慣量；ωm為拍門撞擊前瞬間的角速度。不難發現，實現拍門平穩閉合的重要可控手段之一是盡量選用轉動慣量JP較小的輕質材料如鋁材、復合材料等去制作拍門。尤其是出水端拍門，由于它的閉合完全是在非控制情形下完成的，故該拍門不宜選用質量過大的材質制作。

2.2 雙向拍門閘門泵連接件的布局優化

2.2.1 拍門與潛水泵泵體的鉸接連接

根據雙向拍門閘門泵的工作原理，兩拍門均與潛水泵采用鉸接連接。在不計重力的情況下，進水端拍門在開啟時承受有鋼絲繩的拉力和動水壓力，出水端拍門則在動水壓力下轉動。進水端拍門鉸接部位的受力顯然要大于出水端拍門鉸接部位的受力，尤其在進水端拍門開啟的初期階段，由于鋼絲繩拉力對鉸接座的力臂很小，其強大的拉力對鉸接部位的負面影響很大，所以進水端拍門鉸接部位的結構型號其設計選用應該大于出水端拍門鉸接部位的結構型號。特別地，在結構允許的前提下，布局在閘門門體上的鋼纜轉向座應盡量布設在更高的位置上，這樣可以緩解鋼絲繩對鉸接座的作用力。同時，進水端拍門鉸接部的設置也不宜為了過于追求大力臂而太過遠離鉸接部，應根據閘門泵的具體場合來設計它的位置，避免發生拍門閉合時出現鋼絲繩拉力存在死角的狀況。基于同樣理由，潛水泵在閘門體上的布局也應兼顧考慮避免鋼絲繩發生拉力死角的現象，換句話說潛水泵泵體在沿其軸線方向進行觀察時其布局可考慮略為向內水一側多偏置一些。

2.2.2 閘門體與潛水泵泵體的連接

閘門泵的閘與泵采用整體制作方式，其中潛水泵穿越閘門并緊固安裝在閘門門體上，它在潛水泵啟動、運行和停止等過程工況中會產生有一定的振動。此外，進水端拍門在鋼絲繩牽拉下進行開啟時、以及在動水壓力下作閉合時均會產生撞擊力，它們同樣也都會作用到潛水泵上并經泵體傳遞到閘門上。因此，潛水泵和鋼閘門之間的連接方式與連接布局都會對閘門泵的穩定性產生有較大影響。潛水泵除了利用法蘭盤與閘門門體緊固連接之外，還為了增強連接支撐剛度而在潛水泵的泵體外壁與閘門外壁之間布設有專門的支撐架，所述支撐架沿著泵體的軸線方向進行布置，其一端與潛水泵外壁面連接、其另一端與閘門外壁抵接，這樣可增加沿潛水泵軸向方向的支撐跨度來有效提高泵體與閘門體的支撐剛度。如前所述，為避免鋼絲繩發生拉力死角，潛水泵相對于閘門的布局可偏置設置，也就是說潛水泵泵體整體上其朝向內水一側的泵體要更加突出閘門一些，故潛水泵的重心偏于內水一側，為減緩連接法蘭盤的載荷，所以支撐架布局在內水一側并布置在潛水泵殼體的下緣部位。支撐架的形式可以選擇T形結構或者直角三角形結構。

3.結束語

閘門泵是一種將泵站與閘門站兩種不同類型的水利設施整合在一起的特殊水電設備，它既能隔斷河道又能提水引灌，非常適合于河網地區的防洪、排澇、引水與灌溉。配置有雙拍門的閘門泵可以在潛水泵停止運轉期間防止內水倒灌而損壞電機，同時還可以在防汛時阻止外側河道的外水進入到內河道的內水一側。通過對雙拍門的合理操作組合，能有效發揮閘門泵在泵站與閘門站之間的角色轉換，籍此可最大程度地發揮閘門泵的功能優勢。為了提高閘門泵的工作可靠性，一方面可以通過采用輕質材料制作其出水端拍門以緩解它對潛水泵的閉合撞擊，另一方面應通過優化進水端拍門鋼絲繩纜施力部件的位置布局以合理操控拍門的啟閉進程。綜上，雙拍門一體式閘門泵是一種兼具有泵站與閘門站兩種功能且建安成本及運維成本均較低廉的水電設備，有一定的實用價值和推廣價值。