双向拍门一体式闸门泵的布局思考与应用讨论

孙文博 五邑大学智能制造学部

杨开好 陈军 广东河海泵业机械有限公司

一体式闸门泵乃是在传统水闸闸门的门体上整合有潜水泵的一种特殊闸泵型式，其特色在于潜水泵可跟随钢制闸门一道同步提升和落座，籍此可对河道实施开闸或者闭闸操作的同时，还能够根据需要进行引水或排涝，实质上是将传统泵站与闸门站两者合二为一的水利设备。一体式闸门泵十分适合于中低扬程场合，它只需在传统钢制闸门上增设一个潜水泵即告完成，在检修时仅需将闸门抬起并让其上的潜水泵露出水面即可进行维护检修工作，因此一体式闸门泵的建安成本及运维成本均比较低廉。此外，一体式闸门泵还能够与现有的钢闸门设计规范、潜水泵站技术规范等很好地结合，因此它的设计及制造可以纳入现有规程来进行约束与管理。基于上述优点，一体式闸门泵具有较广的应用前景。

但是，如同其它潜水泵一样，当闸门泵的潜水泵处在停机工况时，若内河道水位高出外河道水位而导致内水倒灌所产生的各种水力学问题，比如水锤冲击、电机逆转等不利情形依然存在。故为了解决这些问题，一体式闸门泵在实际工程应用中还需选择截流闭锁装置如拍门装置来予以应对。然而，拍门装置的加持必然会产生影响潜水泵乃至闸门的诸多负面问题，也因此，在设计闸门泵时需要对闸门与泵的耦合做适当的优化。当下，拍门装置的闭合动作对泵体产生的影响是常见的和实质性的，有关这方面的研究主要涉及拍门撞击理论、拍门在启泵停泵期间动力学行为等等。本文以配置有双向拍门装置的一体式闸门泵为研究对象，企图通过对它进行分析而获得闸门泵布局设计方面的有益提示。

1.双向拍门闸门泵的总体布局及工作状态讨论

如上所述，闸门泵兼具有泵站与闸门站两种水利设施功能，既能隔断河道又能引水排灌，因而非常适合防洪排涝、引水排水、分流灌溉等场合，尤其是那些河网分布较多的地方。一体式闸门泵主要由闸门和潜水泵两大部分组成，其中潜水泵被直接固定安装在钢制的闸门上，图1是其布局示意图。该闸门泵的构成如下：潜水泵泵体的进水端口和出水端口分别布置在闸门的两侧面且均呈突出状，一般按进水端朝向外河道、出水端朝向内河道的形式来进行布局，在进水端口处布设有一个用于防洪用的可控开合进程的拍门、在出水端口处布设有一个用轻质材料制成的用于防止内水倒灌的拍门。为便于潜水泵泵体与闸门的连接，在泵体的筒体管外壁设置有连接套，在连接套上布设有与闸门体配合的法兰板，该法兰板通过螺栓与闸门体紧固连接。此外，为了增加支撑刚度以提高潜水泵工作时闸门泵的整体稳定性及可靠性，在潜水泵泵体的外管壁与闸门外壁之间还设置有专门的支撑架，该专设的支撑架呈T形状或者呈直角三角形状并布置在潜水泵外管壁的下缘处，其功用是增加潜水泵的轴向支撑跨度以尽可能地提高支撑刚度。因为潜水泵需要连接电缆，所以在闸门内部还设置有可布设电缆的内管槽，电缆穿越内管槽而与潜水泵连接并向其输配电。

图1 双向拍门闸门泵结构与布局示意图

双向拍门闸门泵的特色在于：在潜水泵的进水端端口设置有一个可控开合的拍门，同时在潜水泵的出水端端口还设置有一个拍门。进水端拍门的一端与潜水泵泵体转动铰接连接、其另一端用钢丝绳牵引连接，钢丝绳穿过闸门上设置的钢缆转向座而与卷扬机连接，出水端拍门则仅与潜水泵泵体进行转动铰接连接。双向拍门闸门泵有四种运行工况：①当外河道的外水高过内河道的内水而处于防洪状态时，此时卷扬机放松钢丝绳而让进水端拍门合闭潜水泵的进水口，同时闸门落座以截断外河道与内河道之间的联系，这样可以防止外水涌进内水而达成防洪之目的；②当外河道的外水高于内河道的内水并处于需要引水状态时，此时既可以选择提升闸门而让外河道的外水自流流进内河道、还可以选择打开进水端拍门并启动潜水泵而进行强制引水来使外河道的外水加速流进内河道；③当内河道的内水高于外河道的外水且需要引灌之状态时，此时闸门落座并让进水端拍门开启，同时潜水泵开始运转工作并将外水强行驱进内水河道区域，籍此达成将外水引灌至高水位的内水区；④当内河道的内水高于外河道的外水而处于排涝状态时，此时提升闸门打开闸道以便让内水按自流方式流向外水区域，从而起到排涝作用。容易看出，闸门泵确实兼备有泵站与闸门站两种水利设施的功能，其中上述①和④工况中闸门泵主要呈闸门站作用，而②和③工况中的闸门泵则主要呈泵站作用。

2.闸门泵的受力分析与支撑件布局优化

2.1 双向拍门闸门泵的受力分析

闸门泵运行的稳定性与可靠性与它的受力状况密切相关，而受力显然与拍门装置的形式与布局有关。现有拍门装置的型式多种多样，有整体式拍门、多扇式拍门以及双节式拍门等等，小型泵站普遍采用的是整体式拍门，双向拍门闸门泵属小型设施范畴故采用整体式拍门。当需要启动潜水泵进行引水时，只需控制进水端拍门而让其呈打开状态，则轻质的出水端拍门会在潜水泵启动后被水流推开；当需要停止潜水泵工作时，处于高水位的内水会促使出水端拍门关闭潜水泵的出水口，籍此防止内水倒流进泵内而避免电机发生逆转。此外，当外水位较高而需隔断内水与外水时，闸门泵须关闭其进水端拍门；还有，为了保护潜水泵不工作时免遭各种水生物的侵入也需闭合潜水泵的进水端口。很显然，在断流停机时无论是进水端拍门抑或是出水端拍门，它们在水压力和重力的作用下所产生的闭合动作均会派生出较大的撞击力，这些撞击力对拍门本身乃至闸门及泵体都会造成较大的危害。一般来说，潜水泵进水端拍门连接有钢丝绳，在钢丝绳的控制下可以做到缓慢闭合来实现减小撞击力的负面影响，但潜水泵的出水端拍门其拍门撞击则完全取决于内外水水头的状况，并与自身的材质、结构和布局密切相关。根据相关资料，出水端拍门在闭合时所产生的撞击力公式如下：

式中：LN为碰撞过程的位移；My为拍门水压对门铰轴线的力矩；MR为拍门转动阻力对门铰轴线的力矩；f为缓冲材料的接触面积；E缓冲材料的弹性模量；δ为缓冲材料的厚度；JP为拍门的转动惯量；ωm为拍门撞击前瞬间的角速度。不难发现，实现拍门平稳闭合的重要可控手段之一是尽量选用转动惯量JP较小的轻质材料如铝材、复合材料等去制作拍门。尤其是出水端拍门，由于它的闭合完全是在非控制情形下完成的，故该拍门不宜选用质量过大的材质制作。

2.2 双向拍门闸门泵连接件的布局优化

2.2.1 拍门与潜水泵泵体的铰接连接

根据双向拍门闸门泵的工作原理，两拍门均与潜水泵采用铰接连接。在不计重力的情况下，进水端拍门在开启时承受有钢丝绳的拉力和动水压力，出水端拍门则在动水压力下转动。进水端拍门铰接部位的受力显然要大于出水端拍门铰接部位的受力，尤其在进水端拍门开启的初期阶段，由于钢丝绳拉力对铰接座的力臂很小，其强大的拉力对铰接部位的负面影响很大，所以进水端拍门铰接部位的结构型号其设计选用应该大于出水端拍门铰接部位的结构型号。特别地，在结构允许的前提下，布局在闸门门体上的钢缆转向座应尽量布设在更高的位置上，这样可以缓解钢丝绳对铰接座的作用力。同时，进水端拍门铰接部的设置也不宜为了过于追求大力臂而太过远离铰接部，应根据闸门泵的具体场合来设计它的位置，避免发生拍门闭合时出现钢丝绳拉力存在死角的状况。基于同样理由，潜水泵在闸门体上的布局也应兼顾考虑避免钢丝绳发生拉力死角的现象，换句话说潜水泵泵体在沿其轴线方向进行观察时其布局可考虑略为向内水一侧多偏置一些。

2.2.2 闸门体与潜水泵泵体的连接

闸门泵的闸与泵采用整体制作方式，其中潜水泵穿越闸门并紧固安装在闸门门体上，它在潜水泵启动、运行和停止等过程工况中会产生有一定的振动。此外，进水端拍门在钢丝绳牵拉下进行开启时、以及在动水压力下作闭合时均会产生撞击力，它们同样也都会作用到潜水泵上并经泵体传递到闸门上。因此，潜水泵和钢闸门之间的连接方式与连接布局都会对闸门泵的稳定性产生有较大影响。潜水泵除了利用法兰盘与闸门门体紧固连接之外，还为了增强连接支撑刚度而在潜水泵的泵体外壁与闸门外壁之间布设有专门的支撑架，所述支撑架沿着泵体的轴线方向进行布置，其一端与潜水泵外壁面连接、其另一端与闸门外壁抵接，这样可增加沿潜水泵轴向方向的支撑跨度来有效提高泵体与闸门体的支撑刚度。如前所述，为避免钢丝绳发生拉力死角，潜水泵相对于闸门的布局可偏置设置，也就是说潜水泵泵体整体上其朝向内水一侧的泵体要更加突出闸门一些，故潜水泵的重心偏于内水一侧，为减缓连接法兰盘的载荷，所以支撑架布局在内水一侧并布置在潜水泵壳体的下缘部位。支撑架的形式可以选择T形结构或者直角三角形结构。

3.结束语

闸门泵是一种将泵站与闸门站两种不同类型的水利设施整合在一起的特殊水电设备，它既能隔断河道又能提水引灌，非常适合于河网地区的防洪、排涝、引水与灌溉。配置有双拍门的闸门泵可以在潜水泵停止运转期间防止内水倒灌而损坏电机，同时还可以在防汛时阻止外侧河道的外水进入到内河道的内水一侧。通过对双拍门的合理操作组合，能有效发挥闸门泵在泵站与闸门站之间的角色转换，籍此可最大程度地发挥闸门泵的功能优势。为了提高闸门泵的工作可靠性，一方面可以通过采用轻质材料制作其出水端拍门以缓解它对潜水泵的闭合撞击，另一方面应通过优化进水端拍门钢丝绳缆施力部件的位置布局以合理操控拍门的启闭进程。综上，双拍门一体式闸门泵是一种兼具有泵站与闸门站两种功能且建安成本及运维成本均较低廉的水电设备，有一定的实用价值和推广价值。