宋建村 張 律 張朝利

（1.江陰市農(nóng)田水利建設(shè)管理處，江蘇 無錫 214400；2.江蘇省水利科教中心，江蘇 南京 210029；3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210006）

0 引言

拍門是泵站工程中主要的斷流裝置，由于使用簡(jiǎn)單、維修方便、節(jié)省投資、便于啟動(dòng)而被廣泛運(yùn)用，但是目前泵站拍門斷流存在兩大缺陷：一是出口損失偏大；二是停機(jī)時(shí)在水壓和拍門自重作用下產(chǎn)生較大的撞擊力，對(duì)拍門本身和水工建筑物會(huì)造成較大的損害。筆者主要針對(duì)目前水泵出水拍門的開啟方式進(jìn)行技術(shù)改造方面的探討，經(jīng)測(cè)試，拍門改造后可以降低出口損失，節(jié)省能耗，提高水泵機(jī)組的運(yùn)行效率。

1 技術(shù)內(nèi)容

在現(xiàn)有的中小型排澇或灌溉用水泵中，拍門作為主要的斷流裝置被廣泛應(yīng)用，拍門是水泵重要的結(jié)構(gòu)配件，主要作用是在水泵停機(jī)時(shí)，阻止將已抽至渠道中的水回流。常規(guī)的拍門是向上掀起的，拍門與水泵管的連接軸在水泵出水管口上部，在水泵抽水時(shí)，抽水沖力要持續(xù)頂起拍門，而停機(jī)時(shí)拍門在自身重力和水壓作用下合上會(huì)產(chǎn)生較大的撞擊力，對(duì)機(jī)組運(yùn)行及建筑物有一定的損害。蘇南地區(qū)用于排灌的主要泵型為混流泵與軸流泵，小型泵如250HW 混流泵，鑄鐵拍門重量為35 kg，500ZLB 軸流泵拍門重量為110 kg，1000ZLB 軸流泵拍門重量為350 kg。機(jī)組運(yùn)行時(shí)一直要依靠水泵抽水沖力將拍門持續(xù)頂起，停機(jī)時(shí)靠重力作用合上拍門，鑄鐵拍門長(zhǎng)期壓在水頭上消耗了很多電能，降低了水泵的運(yùn)行效率。

為減少能源消耗，提高泵站運(yùn)行效率，提出一種設(shè)置在水泵出水口下部、開啟角度大、抽水時(shí)無阻力的節(jié)能型自動(dòng)翻轉(zhuǎn)式拍門。根據(jù)力學(xué)原理，將原本安裝在出水口上部的拍門改為安裝在出水口下部，拍門設(shè)置在平衡臂支撐左端，配重體設(shè)置在平衡臂支撐右端，拍門在打開時(shí)，位于支撐左端的拍門和位于支撐右端的配重體重量平衡，因此對(duì)出水口阻力較小。在水泵運(yùn)行時(shí)，由于拍門一直在管口的下端，無需消耗電能將拍門持續(xù)頂起；停止抽水時(shí)，拍門因右端力矩略大及回水吸力作用下回到出水管口上，從而起到阻擋水流順著水管回流的作用。

拍門設(shè)有墊片，墊片為配合出水口的環(huán)形墊片，環(huán)形墊片上設(shè)有兩個(gè)環(huán)形凸起，在兩個(gè)環(huán)形凸起之間設(shè)有環(huán)形凹槽，凹槽與出水口前端管壁配合緊密。出水口設(shè)為傾斜出水口，傾斜角度為40°～80°，優(yōu)選傾斜角度為45°。平衡臂上設(shè)有支撐，支撐與支座通過軸活動(dòng)連接。

拍門設(shè)有環(huán)形墊片槽，環(huán)形墊片設(shè)置在環(huán)形墊片槽內(nèi)。配重體為金屬或非金屬球體或矩形體，優(yōu)先選用鑄鐵球體作為配重體。拍門背面圓心處設(shè)有拍門連接件，拍門連接件上設(shè)有連接孔，在連接孔的上部2～5 cm 距離設(shè)有擋片，此距離可以保證拍門具有一定的活動(dòng)空間，擋片的作用是阻擋拍門，防止拍門在打開后翻轉(zhuǎn)到平衡臂頂端或平衡臂下方。墊片為橡膠材質(zhì)，其與出水口管壁配合的凹槽為乳膠材質(zhì)，采用更軟的材質(zhì)，可以保證凹槽與出水口貼合得更緊密。

參照?qǐng)D1，設(shè)計(jì)平衡臂質(zhì)量、力臂長(zhǎng)度、拍門、配重分別為：支撐前部為60 cm，支撐后部為20 cm，拍門質(zhì)量為20 kg，支撐前部平衡臂質(zhì)量為3 kg，支撐后部平衡臂質(zhì)量為1 kg，配重體質(zhì)量為64.5 kg，水泵出水口面與水平面夾角為45°，左側(cè)力矩為M1，右側(cè)力矩為M2，設(shè)備摩擦力、水的浮力以及水流旋渦的影響暫且不計(jì)。

（1）抽水時(shí)平衡臂處于水平狀態(tài)，兩端力矩為：

因兩端力矩相差不大，所以拍門對(duì)水泵出水的水頭影響較小。

（2）當(dāng)水泵停機(jī)時(shí)，由于右端力矩略大及回水拉力的作用使拍門自動(dòng)合在泵管出水口上，這時(shí)平衡臂支撐兩端的力矩為：

圖1 拍門結(jié)構(gòu)示意圖

右端力矩大于左端力矩，所以拍門合上后處于穩(wěn)定的封閉狀態(tài)。

為調(diào)節(jié)右端力矩大小，配重球型鑄鐵在平衡臂上可左右微調(diào)。

2 裝置制作與測(cè)試實(shí)例

2.1 裝置制作

（1）拍門制作。拍門為鋼板制作，直徑大于所配套的水泵出水口10 cm左右，在其與水泵出水口接觸面設(shè)置墊片槽，將環(huán)形橡膠墊片固定在墊片槽內(nèi)，在拍門背面圓心處設(shè)置拍門連接件，拍門連接件上設(shè)有連接孔，在連接孔的上部預(yù)定距離設(shè)置擋片，在水泵出水口下部管壁上設(shè)置支座，支座上設(shè)有連接孔。

（2）平衡臂制作。平衡臂為矩形，在平衡臂下部3/4 處設(shè)置支撐，支撐上設(shè)有連接孔，以軸活動(dòng)連接在支座上。在平衡臂上部距離頂端預(yù)定距離設(shè)置連接孔，以軸活動(dòng)連接在拍門連接件的連接孔上；在平衡臂下端設(shè)置活動(dòng)連接件，在活動(dòng)連接件上設(shè)置配重連接件，在配重連接件下端設(shè)置配重體。

（3）墊片制作。墊片為橡膠制造，環(huán)形凹槽采用更軟的發(fā)泡橡膠或乳膠制作。

（4）拍門的應(yīng)用。在開啟水泵時(shí)，水流沖開出水口外的拍門，拍門平放在出水口下部，平衡臂后部的配重體與前部的拍門在支座連接處為前后平衡狀態(tài)，拍門不影響出水口，對(duì)出水沒有阻力；水泵停止抽水時(shí)，由于回水拉力和配重體壓力的作用使拍門自動(dòng)抬起閉合在出水口上，出水口的前端管壁與設(shè)置在拍門上的環(huán)形橡膠墊片凹槽緊密貼合，可避免水順著管道回流。

2.2 測(cè)試實(shí)例

在蘇南地區(qū)灌溉最常用的泵型為混流泵，為此選擇一座具有代表性的灌溉泵站進(jìn)行測(cè)試。通過對(duì)裝機(jī)300HW-7S 型水泵1 臺(tái)、配套功率22 kW 的泵站出水拍門進(jìn)行改造，加裝自動(dòng)翻轉(zhuǎn)式拍門，經(jīng)過調(diào)試后運(yùn)行良好。

（1）在加裝之前對(duì)該站的裝置效率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如下：

凈揚(yáng)程4.8 m，水泵實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速980 r/min，電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速1483 r/min，電流A=32、B=32、C=31，電壓A=400、B=400、C=400，流量Q=0.2258 m3/s。

有效功率N效=9.8 QH凈=9.8×0.2258×4.8=10.62 kW

輸入功率N入=3600×n×K2/K1×T=32×0.85×400/1000×1.732=18.84 kW

泵站效率η=N效/N入=10.62/18.84=56.36%

能源單耗e=N入/3.6QH凈=18.84/3.6×0.2258×4.8=4.8 kW·h

（2）改造出水拍門，加裝自動(dòng)翻轉(zhuǎn)式拍門之后，對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如下：

凈揚(yáng)程4.8 m，水泵實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速980 r/min，電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速1483 r/min，電流A=31、B=31、C=31，電壓A=400、B=400、C=400，流量Q=0.2258 m3/s。

有效功率N效=9.8QH凈=9.8×0.2258×4.8=10.62 kW

輸入功率N入=3600×n×K2/K1×T=31×0.85×400/1000×1.732=18.255 kW

泵站效率η=N效/N入=10.62/18.255=58.1%

能源單耗e=N入/3.6QH凈=18.255/3.6×0.2258×4.8=4.66 kW·h

從測(cè)試結(jié)果來看，改裝前能源單耗為4.8 kW·h，改裝后能源單耗為4.66 kW·h，具有一定的節(jié)能效果。當(dāng)然，影響測(cè)試結(jié)果的因素是多方面的，這里僅作初步探討。

3 結(jié)論

經(jīng)改造的拍門具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）無需任何啟閉裝置，能自動(dòng)啟閉；

（2）安全穩(wěn)定，節(jié)能高效；

（3）拍門運(yùn)行時(shí)無阻力，閉門時(shí)撞擊力小，消除了水錘和出水時(shí)產(chǎn)生的漩渦；

（4）無需手、電、氣、液控制和人工操作，節(jié)省了大量人力物力，提高了泵站運(yùn)行可靠性和裝置效率，降低了運(yùn)行維護(hù)成本；

（5）降低泵站能耗；

（6）拍門及其配件采用不銹鋼材料，不易銹蝕，橡膠墊片更換方便，密封性能強(qiáng)；

（7）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，預(yù)計(jì)使用壽命可達(dá)30年以上，且維護(hù)方便。

但是，由于改造的拍門需加裝平衡裝置，提高了拍門的造價(jià)，也相應(yīng)增加了制作費(fèi)用。綜上，改造拍門技術(shù)具有一定的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)其使用成效需進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，綜合考慮多種因素，才能得出更準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)。