拍门研究进展及应用探析

我国是世界上建设泵站最多的国家。由于多数情况下泵站流道出口水位高于入口，为防止停泵时出现水倒流的现象，因此在流道出口处必须安装有可靠的断流装置。GB/T50265—2010《泵站设计规范》[15]规定，当泵站单台泵流量在8m3/s及以下（尤其是口径1.6m及以下的轴流泵或导叶式混流泵），其出口可选用整体自由式拍门；当单台泵流量较大时，可选用快速闸门、双节自由式或液压控制式及机械控制式拍门。对于扬程不高的泵站，可用拍门代替逆止阀[16]。在实际工程应用中，泵站止回装置常见的有拍门和快速闸门等[17]。拍门相对于闸门因其结构简单、造价低、运行可靠、故障率低和维修方便等优点，已经被广泛使用[18]。根据资料显示，当今世界上的泵站大部分（80%以上）都采用拍门断流，包括扬程20m以下的离心泵站[19]。拍门断流更多地用于平原湖区的排涝泵站，对防洪保安至关重要。《泵站更新改造技术规范》对我国大、中、小型泵站的装置效率都提出了明确的考核指标[20]，全国各地纷纷进行泵站技术改造，取得了令人满意的成果，装置效率得到了提高。实践经验表明，改造泵站时不仅要从提高动力机、水泵、传动装置、管路和进出水池的效率等方面着手，还要考虑出口处拍门的开度等实际情况及其对水流流态的影响[15，16，21，22]。

传统的悬挂式铸铁型拍门，由于其结构简单、成本低廉、施工与管理方便、可靠性高等特点，在工程应用中比较普遍。但由于受拍门自身重力的影响，悬挂式拍门开启度较小、运行阻力大、水头损失大、闭门时撞击力大，并且此类拍门由于采用铸铁材质，在长期的使用过程中容易产生比较明显的锈蚀，尤其是在拍门铰链处更易产生锈蚀和磨损，并直接影响到拍门的开度和启闭时的灵活性，对于泵站的安全、装置的效率和能耗造成较大影响。文献[23]指出，在停泵时，拍门还存在多次反拍的现象。文献[24-27]中谈到，止回装置的类型对泵机组起动有影响，对于安装拍门的泵机组，通气孔过小将引起管中气压过大，泵易进入“马鞍区”，电机易超载，机组启动困难。这些缺点都是泵站设计、运行和维护时应尽量避免的。这就要求在拍门的设计和运行中，除了要考虑机泵的启动，还要考虑停机时拍门在关闭的瞬间，不至由于逆向水流和拍门自身重力的作用产生巨大的撞击力，危及拍门自身结构和水工建筑物的安全，此外，还要尽量增大拍门开启角度，减少水头损失，提高水泵装置效率[28]。

大中型泵站常采用整体自由式拍门，但是拍门断流停机时在水压力和拍门自重作用下会产生较大的撞击力，对拍门本身和建筑物造成较大的危害[19]。许多学者对拍门进行了力学分析研究[29-39]，包括拍门开度、拍门的运动及作用力、撞击力的计算和实验等。文献[35]研究了泵站拍门在缓冲橡皮老化失效甚至脱落的情况下，拍门及门铰所受到的撞击冲量及其衰减规律。文献[40]分析了已建轴流泵抽水装置中拍门受破坏的原因，指出以往的研究和设计只强调拍门的阻力和撞击力，存在重要的遗漏，提出了由于流道出口水流不稳定产生一种扭振惯性力而导致拍门破坏的新概念，对新建大型轴流泵抽水装置断流方式的选择和已建泵站的技术改造具有十分重要的价值。文献[41]指出，解决大型泵站拍门撞击力问题的方法，可通过优化设计来实现并达到减小撞击力的目的。文献[42]针对大型电力抽水站启动过程中不稳定运行和拍门反拍剧烈的问题，依据运行记录和现场观测，从理论上分析其成因，进而通过对该站拍门多种改造方案的论证和比较，确定了减轻拍门重量并在大拍门上增开小拍门的方案。文献[43]根据碰撞原理和减振技术，对拍门闭门撞击力方程进行简化，从而找出了几种减小闭门撞击力的方法。通过方案比较，最后决定采用更换缓冲橡胶的方法来减小撞击力，在实践中取得了较好效果。文献[44]对水泵模型装置拍门进行试验后发现，水泵扬程损失与拍门的形状、面积、厚度、出水水流旋转程度等有关，按经验公式计算将出现很大误差。通过优化拍门尺寸，可以减少扬程损失和降低出口边墙高度，具有明显经济效益。文献[45]分析了中部地区大型泵站在断流设施方面存在的问题，总结了一些大型泵站断流设施的改造及运用情况，指出可以采用减小拍门的浮容重来增大拍门开启角度，采用空腹结构、油压控制、在拍门预埋框架上安装专用缓冲橡皮等方式以减小闭门时的撞击力。

为降低运行时的电能损耗和减小闭门时的撞击力，目前国内外大中型泵站采用的拍门，许多都在原来的基础上作了部分改进[46-50]，如采用球壳式、双节浮箱式、整体浮箱式、液压控制式等，日本还出现了双扇斜挂式的，这些都是在自由起落式的基础上所作的改进，由于受拍门重力的影响较大，其改善效果有限，仍存在一些问题。这类拍门主要存在以下几个方面的缺点：（1）笨重，受拍门自身重力影响，在机组正常运行时的开度小，水力损失严重（ζp=0.4～0.5），能耗高；（2）关闭机泵时，拍门的瞬间撞击力很大；（3）机组正常运行期间，拍门受重力影响开度较小，导致拍门处流态不好，甚至在出水池底部有卧轴漩涡出现的现象，这将导致泵站效率进一步降低，并且严重冲刷和侵蚀水工建筑物的底部[51]。(www.xing528.com)

自由侧翻式拍门[52]是近年来出现的节能新产品，这种拍门的工作原理介于无自闭能力的“自由侧翻式”和“自由起落式”两种拍门之间，其关键技术是采用侧翻式设计，且将门轴倾斜一定角度（存在δ或γ角），使门板倾斜，当拍门开启后离开管口位置时，拍门在门体自重分力的作用下可自动关闭。文献[53]结合传统拍门的研究方法，从理论上分析和研究了自由侧翻式拍门的运动规律和撞击力。主要内容包括：拍门的结构和工作原理、无水空翻时拍门的运动规律和撞击力、停泵闭门过程中拍门的运动规律和撞击力、拍门撞击力的求解方法、拍门的流态和水力损失分析等，得出一般拍门的运动方程和撞击力近似表达式，并结合百里洲泵站更新改造工程拍门改造实例进行计算。结果表明该新型拍门克服了传统拍门的缺陷，运行时阻力小、开启角度大、水流流态好，无需配套设备，造价低廉，安装与检修方便。为满足目前大型泵站拍门更新改造需要，文献[51]研究了大口径自由侧翻式拍门的结构、运行时的开启角和闭门时的撞击力，并以某泵站DN2200的拍门为例，对单扇平板和双扇平板、带腹板和无腹板双扇柱形4种形式拍门，计算了开启角及撞击力。研究表明：（1）将大口径自由侧翻式拍门分成对称的两扇，受力条件得到改善，可大大减小撞击力；（2）双扇拍门的撞击力差不多；（3）双扇柱形拍门可以增大运行时的开启角，无腹板的双扇柱形拍门增大的效果更明显。文献[54]还对自由侧翻式拍门运用三维建模软件和ANSYS有限元分析软件相结合的方法，分析了最大开度时拍门门板和铰链处的应变和应力，结果表明，门板边缘处的变形最大，铰轴处的应力最大。从这种自由侧翻式拍门的特点及应用[54，55]来看，节能型自由侧翻式拍门与传统的悬挂式拍门相比有重大的改进，自由侧翻式拍门能有效地增大拍门开启的角度（最大可达85°），从而大大改善拍门的过流条件，侧翻式拍门的水流阻力系数由传统悬挂式的0.4～0.5降到0.1左右，可显著提高泵站的运行效率。除此之外，侧翻式拍门还能有效地减小撞击力，减少对泵站基础设施的破坏作用。可见，侧翻式拍门具有开启角度大、运行时阻力小、流量大、能耗低、效率高等优点，符合国家节能降耗的要求。

另外，在供、排水泵站中，容易出现水泵机组超载起动、烧坏电机的现象，为防止类似情况出现，通常做法是，起动水泵机组后再缓慢开启泵出口阀门；在停泵时，除了要防止介质倒流导致水泵反转，还要防止在瞬时关闭出口阀门时造成停泵水锤而危害系统。目前使用较多的方法是将电动蝶阀（闸阀）与液控蝶阀、微阻缓闭止回阀等组成组合设备或采用水力控制阀，而组合设备在现场使用中也存在一些问题，如出现电动装置烧坏，电动机构损坏或阀门关闭不严等故障，水力控制阀也存在不足之处，如体积大、成本高，而且大口径阀门的加工制造也比较困难。鉴于此，文献[56]研究设计了一种多功能液力自动阀，该阀结构简单，与其他阀不同之处在于将启闭件设计成具有快关慢关相结合的特点。快关采用了阀板与转动轴偏离方式，其推动力是利用了水力及压缩弹簧的恢复力；慢关采用活塞阻尼方式控制，最大限度地降低停泵水锤压力。液力自动阀与水力控制阀、微阻缓闭止回阀相比，流阻系数小，且有一定的节能效果。

由此可知，对止回装置的研究主要集中在两个方面：一是降低止回装置关闭时的撞击力，提高装置本身及机泵系统的安全性，二是降低装置的阻力损失，提高能源利用率。可以预见的是，随着对止回装置的进一步研究及相应技术的发展，安全可靠性高的节能型止回装置必将会得到大力推广，并产生良好的经济效益和社会效益。