水泵拍门技术改造的研讨

宋建村 张 律 张朝利

（1.江阴市农田水利建设管理处，江苏 无锡 214400；2.江苏省水利科教中心，江苏 南京 210029；3.南京市水利规划设计院，江苏 南京 210006）

0 引言

拍门是泵站工程中主要的断流装置，由于使用简单、维修方便、节省投资、便于启动而被广泛运用，但是目前泵站拍门断流存在两大缺陷：一是出口损失偏大；二是停机时在水压和拍门自重作用下产生较大的撞击力，对拍门本身和水工建筑物会造成较大的损害。笔者主要针对目前水泵出水拍门的开启方式进行技术改造方面的探讨，经测试，拍门改造后可以降低出口损失，节省能耗，提高水泵机组的运行效率。

1 技术内容

在现有的中小型排涝或灌溉用水泵中，拍门作为主要的断流装置被广泛应用，拍门是水泵重要的结构配件，主要作用是在水泵停机时，阻止将已抽至渠道中的水回流。常规的拍门是向上掀起的，拍门与水泵管的连接轴在水泵出水管口上部，在水泵抽水时，抽水冲力要持续顶起拍门，而停机时拍门在自身重力和水压作用下合上会产生较大的撞击力，对机组运行及建筑物有一定的损害。苏南地区用于排灌的主要泵型为混流泵与轴流泵，小型泵如250HW 混流泵，铸铁拍门重量为35 kg，500ZLB 轴流泵拍门重量为110 kg，1000ZLB 轴流泵拍门重量为350 kg。机组运行时一直要依靠水泵抽水冲力将拍门持续顶起，停机时靠重力作用合上拍门，铸铁拍门长期压在水头上消耗了很多电能，降低了水泵的运行效率。

为减少能源消耗，提高泵站运行效率，提出一种设置在水泵出水口下部、开启角度大、抽水时无阻力的节能型自动翻转式拍门。根据力学原理，将原本安装在出水口上部的拍门改为安装在出水口下部，拍门设置在平衡臂支撑左端，配重体设置在平衡臂支撑右端，拍门在打开时，位于支撑左端的拍门和位于支撑右端的配重体重量平衡，因此对出水口阻力较小。在水泵运行时，由于拍门一直在管口的下端，无需消耗电能将拍门持续顶起；停止抽水时，拍门因右端力矩略大及回水吸力作用下回到出水管口上，从而起到阻挡水流顺着水管回流的作用。

拍门设有垫片，垫片为配合出水口的环形垫片，环形垫片上设有两个环形凸起，在两个环形凸起之间设有环形凹槽，凹槽与出水口前端管壁配合紧密。出水口设为倾斜出水口，倾斜角度为40°～80°，优选倾斜角度为45°。平衡臂上设有支撑，支撑与支座通过轴活动连接。

拍门设有环形垫片槽，环形垫片设置在环形垫片槽内。配重体为金属或非金属球体或矩形体，优先选用铸铁球体作为配重体。拍门背面圆心处设有拍门连接件，拍门连接件上设有连接孔，在连接孔的上部2～5 cm 距离设有挡片，此距离可以保证拍门具有一定的活动空间，挡片的作用是阻挡拍门，防止拍门在打开后翻转到平衡臂顶端或平衡臂下方。垫片为橡胶材质，其与出水口管壁配合的凹槽为乳胶材质，采用更软的材质，可以保证凹槽与出水口贴合得更紧密。

参照图1，设计平衡臂质量、力臂长度、拍门、配重分别为：支撑前部为60 cm，支撑后部为20 cm，拍门质量为20 kg，支撑前部平衡臂质量为3 kg，支撑后部平衡臂质量为1 kg，配重体质量为64.5 kg，水泵出水口面与水平面夹角为45°，左侧力矩为M1，右侧力矩为M2，设备摩擦力、水的浮力以及水流旋涡的影响暂且不计。

（1）抽水时平衡臂处于水平状态，两端力矩为：

因两端力矩相差不大，所以拍门对水泵出水的水头影响较小。

（2）当水泵停机时，由于右端力矩略大及回水拉力的作用使拍门自动合在泵管出水口上，这时平衡臂支撑两端的力矩为：

图1 拍门结构示意图

右端力矩大于左端力矩，所以拍门合上后处于稳定的封闭状态。

为调节右端力矩大小，配重球型铸铁在平衡臂上可左右微调。

2 装置制作与测试实例

2.1 装置制作

（1）拍门制作。拍门为钢板制作，直径大于所配套的水泵出水口10 cm左右，在其与水泵出水口接触面设置垫片槽，将环形橡胶垫片固定在垫片槽内，在拍门背面圆心处设置拍门连接件，拍门连接件上设有连接孔，在连接孔的上部预定距离设置挡片，在水泵出水口下部管壁上设置支座，支座上设有连接孔。

（2）平衡臂制作。平衡臂为矩形，在平衡臂下部3/4 处设置支撑，支撑上设有连接孔，以轴活动连接在支座上。在平衡臂上部距离顶端预定距离设置连接孔，以轴活动连接在拍门连接件的连接孔上；在平衡臂下端设置活动连接件，在活动连接件上设置配重连接件，在配重连接件下端设置配重体。

（3）垫片制作。垫片为橡胶制造，环形凹槽采用更软的发泡橡胶或乳胶制作。

（4）拍门的应用。在开启水泵时，水流冲开出水口外的拍门，拍门平放在出水口下部，平衡臂后部的配重体与前部的拍门在支座连接处为前后平衡状态，拍门不影响出水口，对出水没有阻力；水泵停止抽水时，由于回水拉力和配重体压力的作用使拍门自动抬起闭合在出水口上，出水口的前端管壁与设置在拍门上的环形橡胶垫片凹槽紧密贴合，可避免水顺着管道回流。

2.2 测试实例

在苏南地区灌溉最常用的泵型为混流泵，为此选择一座具有代表性的灌溉泵站进行测试。通过对装机300HW-7S 型水泵1 台、配套功率22 kW 的泵站出水拍门进行改造，加装自动翻转式拍门，经过调试后运行良好。

（1）在加装之前对该站的装置效率进行了测试，结果如下：

净扬程4.8 m，水泵实测转速980 r/min，电动机实测转速1483 r/min，电流A=32、B=32、C=31，电压A=400、B=400、C=400，流量Q=0.2258 m3/s。

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

输入功率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%

能源单耗e=N入/3.6QH净=18.84/3.6×0.2258×4.8=4.8 kW·h

（2）改造出水拍门，加装自动翻转式拍门之后，对该机组进行了测试，结果如下：

净扬程4.8 m，水泵实测转速980 r/min，电动机实测转速1483 r/min，电流A=31、B=31、C=31，电压A=400、B=400、C=400，流量Q=0.2258 m3/s。

有效功率N效=9.8QH净=9.8×0.2258×4.8=10.62 kW

输入功率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%

能源单耗e=N入/3.6QH净=18.255/3.6×0.2258×4.8=4.66 kW·h

从测试结果来看，改装前能源单耗为4.8 kW·h，改装后能源单耗为4.66 kW·h，具有一定的节能效果。当然，影响测试结果的因素是多方面的，这里仅作初步探讨。

3 结论

经改造的拍门具有以下技术特点：

（1）无需任何启闭装置，能自动启闭；

（2）安全稳定，节能高效；

（3）拍门运行时无阻力，闭门时撞击力小，消除了水锤和出水时产生的漩涡；

（4）无需手、电、气、液控制和人工操作，节省了大量人力物力，提高了泵站运行可靠性和装置效率，降低了运行维护成本；

（5）降低泵站能耗；

（6）拍门及其配件采用不锈钢材料，不易锈蚀，橡胶垫片更换方便，密封性能强；

（7）产品结构简单合理，预计使用寿命可达30年以上，且维护方便。

但是，由于改造的拍门需加装平衡装置，提高了拍门的造价，也相应增加了制作费用。综上，改造拍门技术具有一定的应用价值，对其使用成效需进行长期的监测，综合考虑多种因素，才能得出更准确的测试数据。