拍门是泵站不可缺少的重要设备，它由门页、门铰、门座和密封件组成，门页通过门铰安装在门座上，靠橡胶密封止水，并兼作门页关闭的缓冲措施，拍门在开机时受水流的冲力作用，引言拍门是泵站不可缺少的重要设备，它由门页、门铰、门座和密封件组成，门页通过门铰安装在门座上，靠橡胶密封止水，并兼作门页关闭的缓冲措施，拍门在开机时受水流的冲力作用，当前对拍门运用比较关心的问题主要是：增大运行期间的开启角，减小阻力，降低能耗；减小停机闭门时的撞击力。此外，在开机过程中拍门还会出现反复的拍击现象，长时间的拍击会危及拍门自身结构和建筑物的安全。所以，采用何种形式的拍门，使其开启角大、撞击力小，一直是拍门研究领域和工程设计关注的重要课题。本文基于能量法，首先列出拍门运动的通用方程，然后以典型泵站为例，针对不同类型拍门（不同的安装形式、门页数和材质等），分析计算同等条件下拍门的开启角和撞击力，通过分析对比，综合评价他们的优缺点，提出相关的结论及建议。论文对拍门的研究和工程设计有重要参考意义。 １拍门运动的通用方程 停泵闭门期间拍门的运动可分为正转正流和正转逆流２种情况。当在正流阶段关闭时，拍门主要受水流冲力、运动阻力、附加阻力及浮重力的作用；逆流阶段关闭时，拍门主要受动水压力、运动阻力、附加阻力、浮重力的作用。其中，后３种力对门轴的力矩与正流阶段相同。图１为流道出口拍门的几何倾角及安装示意图，由此可推导拍门运动的通用方程［１］。依次求得水流冲力、运动阻力、附加阻力、浮重和动水压力对拍门产生的力矩Ｍ１、ＭＲ、ＭＤ、Ｍｓ和ＭＹ［４］，并按照动量矩定理，可得拍门的运动方程为：上述２个方程均可转变为关于α的二阶微分方程，从而求得拍门关闭时运动角速度表达式。首先求解方程（２）得拍门关闭时运动角速度的表达式，然后采用分段积分近似求解关闭历时ｔ，若ｔ≤ＴＢ，则拍门在正流阶段关闭，得闭门角速度ωｍ；若ｔ＞ＴＢ，则拍门在逆流阶段关闭［２］，求得正流结束时拍门的角度αＢ，并运用公式（３）求得拍门从αＢ至０的关闭历时ｔ′，通过试算，直至ｔ′与ＴＢＣ的比值和所设的最终作用水头与*可能作用水头比值相同［４］，得出最终的角速度ωｍ。当有缓冲橡皮且布置在撞击中心时，撞击力的计算公式为：式中：Ｎ为拍门闭门*撞击力；ＰＹ为门外水压力；Ｒ为运动阻力；ｍ、ｎ为ＰＹ、Ｒ的作用点距门铰轴的距离与撞击中心距门铰轴的距离之比；ｓ为缓冲橡皮块与拍门的接触面积；Ｅ为像皮块的弹性模量；ｌ为橡皮块厚度；Ｊｐ为计及附加阻力影响时拍门的转动惯量；ωｍ为拍门闭门前角速度；ＬＮ为撞击力作用点到铰轴线的距离；ＭＹ、ＭＲ分别为水压力、水流阻力对门铰所造成的力矩。以上是不同安装形式、淹没状态正逆流条件下拍门运动的通用方程。在拍门口径一定、工况条件相同时，这些方程仅是图１中倾角δ和γ的函数。取不同的δ和γ，可得特定安装形式拍门的运动方程。如当δ＝９０°时，可推得自由起落式拍门的运动方程；当δ不等于０°或９０°时，可推得有自闭能力的自由侧翻式拍门的运动方程；当γ＝９０°时，可推得井盖式拍门的运动方程。他们都是后面分析计算的重要依据。 ２不同安装形式拍门的开启角和撞击力以典型泵站———百里洲泵站为例，该站装机４×８００ｋＷ，单台泵流量７．９５ｍ３／ｓ，扬程８．４０ｍ，效率８７．０％，出水流道内径２．０ｍ，流速２．５３ｍ／ｓ，机组转动惯量Ｊ＝１１５２ｋｇ•ｍ２，转速２５０ｒ／ｍｉｎ，拍门口径２．２ｍ，体积０．１３ｍ３，重量８００ｋｇ，门顶距铰轴的距离为０，淹没水头３．８ｍ，*可能作用水头５．２ｍ。根据上述参数，利用公式（１），代入不同的δ和γ，求得不同的θ和ＭＧ，在求出拍门运行稳定时Ｍｃ后，通过试算，可求得不同安装形式拍门的开启角α０；再算出各安装形式拍门的Ｍ１、ＭＲ、ＭＤ、Ｍ２和ＭＹ，利用公式（２）和公式（３），求得各闭门角速度ωｍ，*将数据代入公式（４）求得不同安装形式拍门的撞击力。按照以上方法，得到的分析计算结果见表１和表２。由以上分析计算可知：（１）根据表１的计算结果，拍门稳定运行时的开启角α０随门轴倾角δ增大而减小，因而采用较小的倾角δ，可获得较大的开启角α０。相比，自由起落式拍门（δ＝９０°）的开启角要比自由侧翻式拍门（δ＝５°）的开启角小２２°，这是因为拍门开启时，自由起落式拍门的水流要克服全部的重力做功，而自由侧翻式拍门的水流仅需克服拍门的部分重力。井盖式拍门（γ＝９０°）的开启角比自由起落式拍门开启角（δ＝５°，γ＝１０°）的开启角大１２°，比自由侧翻式拍门小１０°左右。同等条件下，３种安装形式拍门开启角大小趋势为自由侧翻式拍门开启角比井盖式拍门开启角大１０％左右，而井盖式拍门开启角比自由起落式拍门也大１０％左右。开启角度大，能大大改善拍门的过流条件，从而减小了拍门的水流阻力、降低能耗。（２）根据表２的计算结果，对于百里洲泵站的算例，无论采用何种形式的拍门，一旦停机，都能在正转正流阶段完全关闭，且关闭历时ｔ随着δ的增大略有增大、随着γ的增大略有减小；闭前角速度ωｑ也随着δ的增大略有减小、随着γ的增大略有增加，但总体上差别微小。根据停泵正转正流阶段拍门关闭时的撞击力表达式也可看出：当拍门放置的δ角越小，关闭时间ｔ越短，闭前角速度ωｑ越大，但相应地闭门时水流冲力也越大，垂直于门页的重力分力越小，故撞击力随着拍门放置角度变化的趋势不明，这与人们预估的情况有出入。但根据无水空翻拍门的分析计算结果可知［１］（计算与定性分析结果相一致），出现上述情况的主要原因是：当拍门处于淹没状态，其重力相对于动水压力和水阻力要小得多（相差４００倍），故重力在淹没状态下对拍门的运动影响不大，因此自由侧翻式拍门在淹没状态下对减小闭门时的撞击力改善效果不甚明显。 ３不同门页扇数拍门的开启角和撞击力 常用的拍门主要分单扇和双扇二种，特别是口径较大的自由侧翻式拍门，一般都采用对开的二扇。那么对同口径的自由侧翻式拍门，采用单扇和双扇对开启角和撞击力有什么影响呢？这里仍以百里洲泵站为例进行分析。当该站的拍门由单扇平板改成双扇平板后，拍门的重心距铰轴的距离变为０．６２９ｍ，拍门绕铰轴的转动惯量为１９１ｋｇ／ｍ２。为便于比较，这里通过前述方程计算，分别得到单扇自由起落、单／双扇自由侧翻和单／双扇井盖式拍门的开启角和撞击力，计算结果见表３。其中，双扇拍门的计算是针对其中一扇进行的。方法是：先计算一扇门绕铰轴的浮重力矩ＭＧ，再求出该门运行稳定时一半流量的水流冲力对拍门产生的力矩Ｍｃ，利用公式（１）试算，求得双扇拍门的开启角α０；再算出双扇拍门其中一扇在关闭过程中受到的力矩Ｍ１、ＭＲ、ＭＤ、Ｍ２和ＭＹ，利用公式（２）和公式（３），求得其闭门角速度ωｍ，*将数据代入公式（４）求得双扇拍门其中一扇的撞击力。由表３可知，①双扇拍门的开启角α０略大于单扇拍门，由于在开启角相差不大的情况下，双扇拍门出流条件优于单扇拍门，所以相同条件下，双扇拍门较单扇拍门能够获得较好的过流条件并受到较小的出流阻力。②闭门撞击力方面，自由侧翻式双扇拍门闭门撞击力是单扇的４２％左右，井盖式双扇拍门闭门撞击力是单扇的４９％。由此可见，对于百里洲泵站，自由侧翻式双扇拍门减小闭门撞击力效果比井盖式双扇拍门好。③双扇拍门绕铰轴的转动惯量远小于单扇拍门，并且水流在单、双扇拍门上的作用点不同，双扇拍门的作用点更接近于出流一侧，这使得水流对双扇拍门产生的力矩大于单扇拍门，故双扇拍门能够获得较大的开启角和较小的撞击力。由此可以推断，对同口径、同条件下的拍门，当采用２个以上的多扇拍门时，可获得更大的开启角和更小的撞击力。 ４不同材质拍门的开启角和撞击力 制造拍门的材料可以是钢铁、木材或人工复合材料，他们对拍门水力特性的影响主要反映在拍门的浮重上（含浮箱式拍门）。为便于比较，这里仍以百里洲泵站为例，且拍门的材料分别为钢质和人工复合材料（复合材料的密度ρ＝１５００～２０００ｋｇ／ｍ３，相对密度为１．５～２．０，只有碳钢密度的１／４～１／５，取复合材料的比重为１．８，分析同口径、同条件下不同材质拍门对开启角和撞击力的影响。根据上述条件，利用公式（１）先求出不同材质拍门的浮重Ｇ，再计算浮重对门轴的力矩ＭＧ，并且在求出拍门运行稳定时的Ｍｃ后，通过试算可得不同材质拍门在不同安装情况下的开启角α０；再算出不同材质拍门的Ｍ１、ＭＲ、ＭＤ、Ｍ２和ＭＹ，利用公式（２）和公式（３）求得闭门角速度ωｍ，*将数据代入公式（４）求得不同材质拍门的撞击力，计算结果见表４。由以上分析计算可知：采用比重小的复合材料，在其质量与钢质拍门相同时，会增大拍门体积，减小拍门浮重。同理，在保证拍门体积不变的情况下，会减小拍门质量，亦可减小拍门浮重。由表４可以看出，①同等条件下，采用比重小的复合材料后，拍门的开启角大于钢质拍门的开启角。其中自由起落式拍门和井盖式拍门，其复合材料拍门开启角比钢质拍门大１０％～１５％；而自由侧翻式复合材料拍门开启角仅比其钢质拍门开启角大４％左右。这是由于自由侧翻式拍门在使用复合材料后，其浮重力对门轴的力矩ＭＧ变化量远小于自由起落式和井盖式，而水流冲力对门轴的力矩是不变的，故使用复合材料后，自由侧翻式拍门的开启角变化小于自由起落式和井盖式。②闭门撞击力方面，复合材料拍门也比钢质拍门小很多，其中自由侧翻式复合材料拍门闭门撞击力比钢质拍门减小９．６％，自由起落式复合材料拍门比钢质拍门减小３９．５％，井盖式复合材料拍门比钢质拍门减小２８．５％。３种安装形式中，自由侧翻式复合材料拍门闭门撞击力减小幅度较小，这是由于采用复合材料后，整个闭门过程中，自由侧翻式拍门浮重力对门轴的力矩ＭＧ变化量小于自由起落式拍门和井盖式拍门，并且自由侧翻式拍门起始关闭角α０变化幅度也小于自由起落式拍门和井盖式拍门。 ５结论 （１）就安装形式而言，自由侧翻式、自由起落式和井盖式３种拍门形式相比较，在开启角方面，正常运行时自由侧翻式拍门张开角度比井盖式拍门大１０％左右，而井盖式拍门比自由起落式拍门大１０％左右，故自由侧翻式拍门正常运行时出流状态*，水力损失最小；在撞击力方面，３种安装形式拍门的闭门撞击力相差不大，自由侧翻式拍门相比于自由起落式拍门，其自由出流关闭时拍门的撞击力小，淹没出流关闭时撞击力有所改善，但效果不明显，井盖式拍门闭门撞击力随拍门开启角度的变化不大，拍门开启角度小时，其闭门撞击力比自由侧翻式拍门和自由起落式拍门略大。（２）单扇平板式拍门结构简单，但是重量、转动惯量比较大，特别是大口径的拍门，撞击力会很大。因此，大口径的拍门不宜采用单扇整块式，一般口径Ｄ＜２０００ｍｍ的拍门可采用单扇式，大于该口径的采用双扇式。双扇平板拍门的转动惯量比单扇平板拍门大大减小［３］，减小拍门的转动惯量可以减小拍门的闭门撞击力，自由侧翻式双扇拍门闭门撞击力是单扇的４２％左右，井盖式双扇拍门闭门撞击力是单扇的４９％。双扇拍门和单扇拍门正常运行时开启角相差不大，但双扇拍门较单扇拍门能获得更好的出流流态，运行水力损失小。（３）采用比重小的复合材料，当维持拍门质量不变时可以减小拍门的浮重，当维持拍门体积不变时可以减小拍门的转动惯量，此２种方式均可增大拍门的开启角、减小拍门的闭门撞击力，就效果而言，自由起落式拍门和井盖式拍门效果较显著。依照材质的影响可以推断，采用球壳或浮箱等浮重小的轻质拍门也可达到这个目的。一般８００～１０００ｋＷ机组，由于出水流道孔口尺寸相对较小，可以采用球壳拍门。球壳拍门由于结构简单、受力均匀、强度较高，可以做得较轻，拍门中间为空腹结构，可以进一步减小拍门的浮容重。对于１０００ｋＷ以上的机组，拍门宜采用型钢梁系结构，再用面板对整个拍门的两边进行封闭，做成空腹或在腹内充填泡沫材料。（４）就水力性能而言，自由侧翻式和复合材料拍门值得推崇，并且其价格便宜、应用广泛、运行安全。