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        低揚(yáng)程泵站拍門水壓消能關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

        2023-02-08 02:57:52薛海鵬戴慶云嚴(yán)登豐
        江蘇水利 2023年1期
        關(guān)鍵詞:泵站

        蔣 濤,薛海鵬,戴慶云,嚴(yán)登豐

        (1.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處,江蘇 宿遷 223800;2.江蘇省秦淮河水利工程管理處,江蘇 南京 210022;3.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225000)

        我國(guó)南方大部分地區(qū)江河縱橫、湖泊遍布,汛期需要排水,遇旱需要灌溉,興建了大量低揚(yáng)程泵站[1]。大中型泵站截流閉鎖裝置(工作門)常用虹吸真空破壞閥、油壓快速閘門或拍門。泵站閉鎖裝置要求啟門迅速,閉門可靠,水力損失小,為限制停泵時(shí)出現(xiàn)飛逸(無(wú)拘束倒轉(zhuǎn))或飛逸時(shí)間超長(zhǎng),要求快速閉門。相比之下,拍門有突出的優(yōu)點(diǎn),采用拍門的泵站,水泵啟動(dòng)后門頁(yè)受水流頂托自動(dòng)開啟。水泵正常運(yùn)行中,門頁(yè)在水流頂托力與浮重力作用下,平衡于一定張起角度,設(shè)計(jì)合理的拍門水力損失很小。停泵時(shí),水流頂托力漸小直至回零、變向,拍門下落,其后在自重及反向水頭作用下可靠閉門[2]。拍門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,特別是停泵后閉門歷時(shí)短,利于保護(hù)主機(jī)泵安全[3]。但是,常用懸吊式拍門若門體過(guò)重,可能開啟不足,增大水力損失。停泵時(shí),若門體過(guò)輕,門后無(wú)通氣孔或通氣不佳,則可能產(chǎn)生危害性撞擊。結(jié)合武定門和秦淮新河泵站實(shí)際運(yùn)行中拍門存在的問(wèn)題,研制了一種新型拍門水壓消能裝置,安裝于拍門底部,借以消減落門動(dòng)能,避免危害性撞擊,實(shí)際應(yīng)用效果良好。

        1 工程概況

        1.1 武定門泵站

        武定門泵站位于南京市武定門外秦淮河右堤,下游距入江口12.6 km,上游距河定橋10.8 km,是秦淮河流域主要控制水利樞紐工程之一。泵站工程于1967年11月動(dòng)工興建,1969年5月竣工。泵站為“X”型流道雙向灌排兩用泵站,設(shè)計(jì)流量46 m3/s,灌溉設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.8 m,排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.5 m。泵站上、下游出水流道口采用2.0 m×2.0 m整體式拍門控制。實(shí)際運(yùn)用發(fā)現(xiàn),拍門張起角度能達(dá)到65°左右,水力損失小,水泵停機(jī)后第一階段(正轉(zhuǎn)正流)拍門開始下落,第二階段(正轉(zhuǎn)逆流)或第三階段(逆轉(zhuǎn)逆流)初始時(shí)閉門。但是,因平衡重裝置作用,落門受阻,第三階段初始仍有較大張起角度,直至產(chǎn)生較大的反向水頭時(shí)才閉門,閉門速度大,易造成撞擊和門頁(yè)、止水破壞。

        1.2 秦淮新河泵站

        秦淮新河泵站位于南京市雨花臺(tái)區(qū)天后街道秦淮新河入江口處,于1982年建成,2002年進(jìn)行加固改造,為雙向灌排兩用泵站,Ⅱ級(jí)水工建筑物,安裝1700ZWSQ10-2.5型雙向臥式軸流泵,配用Y500-6/630kW型臥式異步電動(dòng)機(jī)5臺(tái)套,B2SH11齒輪箱5臺(tái)套,總裝機(jī)容量3 150 kW,正反向設(shè)計(jì)流量50 m3/s,正向(灌溉)設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.5 m,反向(排澇)設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.0 m,平面“S”型流道,快速閘門斷流。泵站閉鎖裝置采用油壓快速閘門,為避免水泵啟動(dòng)時(shí)閘門提升過(guò)慢出現(xiàn)“閉閥啟動(dòng)”,閘門上加了溢流孔,另設(shè)1.2 m×1.2 m小拍門。實(shí)際運(yùn)用發(fā)現(xiàn),小拍門亦有停泵撞擊現(xiàn)象存在,并有閉門不嚴(yán)問(wèn)題,甚至出現(xiàn)過(guò)水泵倒轉(zhuǎn)。

        2 水壓消能器設(shè)計(jì)

        水壓消能裝置是流體力學(xué)基礎(chǔ)研究成果的實(shí)際應(yīng)用,屬于液壓機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域。水壓消能裝置帶有泄流孔,其工作機(jī)理是通過(guò)泄水水力能與拍門機(jī)械能之間的傳遞轉(zhuǎn)換,消減動(dòng)能避免危害性撞擊。拍門閉門旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有動(dòng)能,定量計(jì)算消能效果根據(jù)能量平衡原理實(shí)現(xiàn)。水壓消能裝置包括帶空腔的緩沖缸及帶有撞擊桿的活塞,活塞安裝于緩沖缸空腔內(nèi),活塞桿上銑出導(dǎo)向槽,與緩沖缸腔壁對(duì)應(yīng)位置處設(shè)有導(dǎo)向螺釘,緩沖缸底部有座板,空腔內(nèi)有復(fù)位彈簧。水壓消能裝置可以做成雙腔型或單腔型,武定門與秦淮新河泵站單腔型消能裝置示意圖見圖1。水壓消能裝置安裝于拍門門頁(yè)底部,與門頁(yè)成一體型結(jié)構(gòu),緩沖缸的泄水孔連通腔壁內(nèi)外。活塞桿端撞擊體承受撞擊力,通過(guò)泄水孔泄水形成緩沖,緩沖結(jié)束再啟門時(shí),帶有活塞桿的活塞在復(fù)位彈簧作用下自動(dòng)復(fù)位。

        圖1 單腔式消能裝置示意

        3 水壓消能裝置緩沖壓力

        對(duì)照單腔消能裝置,通過(guò)相關(guān)計(jì)算式[4]求解儲(chǔ)水容積內(nèi)瞬時(shí)壓力,可知武定門泵站拍門轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1 200 kg·m2,設(shè)閉門角速度為2.0 rad/s,旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為2 400 kg·m2/s2。對(duì)照單腔消能裝置可計(jì)算繪制出如圖2所示的緩沖效果,由圖2可知,拍門接觸消能裝置后旋轉(zhuǎn)角速度急速下降,約0.02 s停止,缸內(nèi)最大壓力約180 MPa。旋轉(zhuǎn)動(dòng)能相同條件下,若加大泄水孔,則撞擊歷時(shí)減短,缸內(nèi)最大壓力降低。圖2為泄水孔d=4 mm消能裝置緩沖效果,圖3為泄水孔d=6 mm消能裝置緩沖效果。

        4 水壓消能裝置檢測(cè)試驗(yàn)

        針對(duì)圖2、圖3緩沖效果系理論計(jì)算結(jié)果,帶水壓消能裝置拍門現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試比較復(fù)雜,為實(shí)際驗(yàn)證,室內(nèi)檢測(cè)很有必要。水壓消能裝置檢測(cè)試驗(yàn)采用IEPE壓電式加速度傳感器,測(cè)試系統(tǒng)PCB9155D。加速度傳感器試驗(yàn)時(shí)與消能裝置活塞聯(lián)結(jié),所測(cè)得的加速度即消能裝置活塞的運(yùn)動(dòng)加速度,試驗(yàn)方案為撞擊錘(270 N)以自由落體方式撞擊消能裝置。

        圖2 消能裝置緩沖效果(泄水孔d=4 mm)

        圖3 消能裝置緩沖效果(泄水孔d=6 mm)

        實(shí)際試驗(yàn)時(shí)分為3種情況,即重錘自由下落高度H分別為0.5 m、1.0 m和1.5 m。以H=1.0 m為例進(jìn)行計(jì)算,剪斷吊索0.452 s重錘撞擊消能裝置,撞擊時(shí)速度為4.43 m/s,撞擊能量為260 kg·m2/s2。由H=1.0 m時(shí)的水壓消能裝置撞擊(活塞運(yùn)動(dòng))波線可知,水壓消能裝置撞擊初始最大加速度為1.102 m/s2,震蕩中最小加速度為-0.129 m/s2。水壓消能裝置緩沖過(guò)程中,加速度由正至負(fù)漸減,直至回零。當(dāng)H=0.5 m時(shí),撞擊初始最大加速度為0.678 m/s2,震蕩中最小加速度為-0.074 m/s2。通過(guò)對(duì)比可知,不同重錘下落高度消能裝置緩沖過(guò)程規(guī)律一致,對(duì)照理論計(jì)算緩沖過(guò)程中拍門運(yùn)動(dòng)與活塞運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)一致。

        5 結(jié)語(yǔ)

        在工程實(shí)際運(yùn)用中,拍門水壓消能裝置可根據(jù)實(shí)際條件設(shè)計(jì)成多種型式。緩沖腔數(shù)可單腔、可雙腔,消能機(jī)理可為泄水式或彈性緩沖體等。本文研制的武定門和秦淮新河新型拍門水壓消能裝置經(jīng)科學(xué)檢測(cè)試驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果一致,并在實(shí)際安裝拍門時(shí)也注意了合理確定安裝位置,設(shè)置可靠的撞擊支承以及對(duì)門頁(yè)局部強(qiáng)化處理等。就水力性能而言,上述裝置經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試用能滿足工程需要,該水壓消能裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,運(yùn)行安全,值得推廣。

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