0 引言
作为水利工程的重要组成部分，泵站承担着防洪、排涝、灌溉、供水等重要任务[1]。在新时期社会主义新农村建设中，泵站工程对于保证人民生命财产和国家粮食生产安全，提高农业综合生产能力,促进农业增效、农民增收和农村稳定，以及保证工农业及居民生活用水、改善生态环境、改善交通航运条件等发挥着重要作用[2-3]。
浙江省现有机电排灌面积1044万ha，固定排灌泵站73068处，总装机功率108 万kW，其中大中型排灌泵站装机容量8.55万kW，灌排面积230余万亩，且84%位于杭嘉湖和绍兴等低洼易涝区。据统计，浙江省2/3以上的泵站已有三、四十年的运行时间，机电设备多已超过或接近使用年限，机泵效率下降、故障频繁发生、工程效益降低，严重影响安全生产。全省大型泵站的平均装置效率为57. 75%,中型泵站平均装置效率为45%，小型泵站平均效率为30%，效率低下，已不符合《泵站技术管理规程》要求[4-5]。
本文研究了浙江省低洼易涝区排涝泵站的进出水流道，提出了断流设施拍门的更新改造。
1 进出水流道效率研究
管路效率的公式:
ηp i = Hsy / (Hsy + h损) (1)
式中:Hsy——水泵实际扬程;
h损——管路损失。
由式(1)可知，管路阻力越大，管路漏水量越大、管路越长、管路内壁不光滑、管路附件(如各种阀件、弯道、变径管等)越多，则管路效率越低，反之，管路效率越高。
根据管路效率公式，提高管路效率的主要途径有:
(1) 选择合适的管路直径
管路直径减少会导致管路效率的显著下降。因此，在设计时应尽量增大管路直径，减少管路损失,提高管路效率。但是，管路直径的增大会增加管路投资，因此，应进行技术经济分析，选择合适的管路直径。
(2) 尽量减少管路长度
管路越长，则管路效率越低。因此，尽可能减少管路长度，可以减少管路投资，节约能源。
(3) 减少不必要的管路附件
管路附件主要包括各种阀件(如底阀、闸阀和拍门等)，异径管(如渐扩管、渐缩管等)以及不同曲率半径的弯管等，管路附件越多，形状变化越复杂,致使管路局部阻力系数增大，从而降低管路效率。
(4) 确保管路的密封性
当管路中的法兰或承插接头连接不好，或因不均匀沉陷等原因使伸缩缝的止水遭到破坏或管路产生裂缝时，在负压处，会使空气进入管内，增加了管路损失，使管路效率下降; 在正压处，管路的水流会向外渗漏，降低管路效率。
1. 1 进水流道效率研究
浙江省泵站以立式轴流泵为主，该泵型轴向尺寸较大，应尽量降低泵房高度和泵房底板深度，但是，过小的泵房高度和泵房底板开挖深度又会恶化进水条件，甚至引起水泵汽蚀和机组振动，降低泵站效率。不同的流道类型对开挖深度的要求是不一样的，进出水流道的类型和尺寸对泵站效率有很大的影响[4]。
1. 1. 1 进水流道类型
立式轴流泵的进水流道形式主要有肘形和钟形两种形式，见图1。
(1) 肘形进水流道
由进口段、弯曲段、出口段三部分组成，见图1(a)。进口段在流道宽度方向不收缩，长度方向沿中心线矩形断面逐渐收缩; 弯曲段从矩形断面逐渐收缩至圆形断面; 出口段从圆形断面逐渐收缩至水泵进口。
水流在90°转向时受弯曲段离心力的影响，同时伴随急剧的侧向收缩，因此，在肘形流道出口处会形成不均匀流场，影响水泵的吸入性能，降低水泵效率。
(2) 钟形进水流道
由进口段和吸水段两部分组成，见图1(b)。进口段与肘形流道相似，在长度方向沿中心线矩形断面逐渐收缩; 吸水段由吸水室、导流锥、喇叭管组成，几何形状比较复杂。钟形流道所要求的高度较小，而宽度则较大，且对宽度大小要求非常严格。流道尺寸设计不当，易在流道内产生涡带。
1. 1. 2 进水流道尺寸对效率的影响分析
1. 1. 2. 1 提高肘形进水流道效率的措施
(1) 肘形流道要保证足够长的圆锥段。该段过短不利于流速的调整，但太长也会给流道弯曲段调整带来困难。圆锥段的长度应以满足水泵安装要求(水泵套管和座环)为准，一般可取0. 133 D (D为水泵叶轮直径)。圆锥段的锥角不宜太大，一般应小于8°。
(2) 水泵叶轮中心高度是影响弯曲段布置方式和流态分布及入泵平均角的主要因素，其值不宜过小，在不影响投资的情况下，应不小于1.8 D。
(3) 弯曲段的形状对水流转向和收缩有较大影响，由于型线曲率变化较大，因此宜采用四次多项式曲线。
(4) 直线段的布置方式对流道出口流速场影响不大，可按水工布置要求确定各项尺寸，布置时要保证流速沿轴线均匀递增。
1. 1. 2. 2 提高钟形进水流道效率的措施
(1) 流道的高度对出口流场影响很大，在(1.2~ 1.4) D范围内，高度愈大，水力性能愈好，在可能情况下，宜取大值。
(2) 流道进口宽度愈大，对改善水力性能愈有利，为防止产生涡带，流道宽度应不小于2. 74 D。
( 3) 流道长度对水力性能影响不大，可按水工布置要求确定。
( 4) 导水锥是钟形流道的重要部分，对消除涡带和导流起着极大作用。导水锥及喇叭管型线宜采用1/ 4椭圆型曲线。
1. 2 出水流道对效率的影响
1. 2. 1 出水流道类型
出水流道有虹吸式和直管式两种，见图2。
1. 2. 2 影响出水流道效率的尺寸因素
要提高效率，须改善出水流态，减少损失，对于出水管道的形状，如果尺寸设计不当，就不能很好地引导泵压出的水，甚至会发生旋涡、回流等现象,应优化出水流道的尺寸。设计过程中，通常采用下面的方法以减少水力损失，提高效率。
1. 2. 2. 1 虹吸式出水流道
常见的虹吸式出水流道由扩散段、出水弯管段、上升段、驼峰段、下降段、出口段等部分组成，见图2(a)。
(1) 虹吸式出水流道上升段
(2) 虹吸式出水流道的驼峰段
&UPSilon;= 3. 4√R (3)
式中:υ——断面平均流速;
R——驼峰断面的水力半径。
我国现有虹吸式出水流道的驼峰断面平均流速所采用的范围为2. 0 ~ 2. 5 m/ s.
ZC = Zmax +δ(4)
式中: ZC——驼峰底部的高程;
Zmax——出水池设计最高水位;
δ——安全超高，一般取0.2 ~ 0.3 m;
驼峰断面面积A 的确定: A = Q/V;
驼峰断面高度h 的确定: h = (0.5~ 0.785) D;
驼峰顶部高程▽B :
▽B = ▽C + h (5)
式中: ▽C——驼峰底部高程;
h——驼峰断面高度。
驼峰断面宽度B:
B = A / h (6)
式中: A——驼峰断面面积;
h——驼峰断面高度。
驼峰处的曲率半径的R2确定:一般可取R2 =(1. 5 ~ 2. 0) h(其中h为驼峰断面高度) 。
(3) 虹吸式出水流道下降段
这部分，沿水流方向一般都是等宽的，但也有的呈扩散型，这主要取决于机组的间距b 和驼峰断面的宽度B 。当B = b-δ(其中δ为出口隔墩厚度)时，呈不扩散型; 当B < b –δ时，呈扩散型，采用β= 40°～70°较多。
(4) 虹吸式出水流道出口段
一般按υ= 1. 0 ~ 1. 5 m/s 来控制出口断面。出口高度h3 = F3/ B3(F3为出口断面积) 。
出口顶部高程▽3 =▽C - hs
一般采用hs = (3 ~ 4)υ32/ 2g (7)
式中:υ3——出口断面的最大平均流速;
g——重力加速度。但是h≥0. 3 m。
虹吸式出水流道可以避免不必要的能量损失。
1. 2. 2. 2 直管式出水流道
常采用拍门和快速闸门作为断流措施。流道出口在最低水位时还应有一定的淹没深度hs ，一般可取hs = 2/2g，其中，为最低外水位相应的出口断面平均流速，g为重力加速度，hs≥0. 2m。对于直管式出水流道都应该有通气孔，通气孔应该布置在流道突起的最高位置; 对于上升管应该布置在出口附近; 对于短的平管(如10 m以内)，通气孔的位置任意确定; 对于下降管或弯曲的低驼峰流道，应该布置在流道的最高位置。
通气孔的面积可按下式计算:
F = V/ μVt (8)
式中: V——出水流道内的空气体积;
μ——风量系数，可取μ= 0.71~ 0.815;
υ——最大空气速度，可取= 90~100 m/ s;
t——排气或进气的时间，可取t = 10~15 s。
根据F 可以求出通气孔的直径。
2 断流设施拍门的更新改造
随着我国泵站的发展，安全、可靠、经济的断流方式愈显重要[5-9]。在虹吸管道真空破坏阀、快速闸门、拍门三种断流方式中，拍门断流日益为人们所重视。拍门在工程上要求结构简单、施工方便、运行安全可靠。拍门的主要问题是开启角度小、撞击力大，因此更新改造主要围绕这两点展开。
2. 1 增大拍门的开启角度
小型机组的出水流道孔口尺寸较小，可采用轻质材料拍门以增大其开启角度:
(1) 铝合金材料: 强度和刚度大，一般能承受停机的撞击力，口径500 mm的铝合金拍门仅重25 kg,只有铸铁拍门的1/ 3。
(2) 玻璃钢拍门:由玻璃纤维增强塑料制成，以合成树脂为胶接材料。特点是重量轻，强度高和耐腐蚀。
(3) 酚醛玻璃丝:抗压、抗冲击强度高、韧性好、重量轻，各种强度指标均优于玻璃钢。拍门采用热压成型，具有强度高，尺寸准确、止水性能好的特点，其重量不到同类铸铁拍门的1/ 10，价格只有铸铁拍门的1/ 2，是中小型泵站拍门更新换代的替代产品。
2. 2 改变拍门的结构型式
(1) 鸭嘴阀。用橡胶制成，关闭时呈鸭嘴状，开启时靠水流冲开，只需几厘米水头差就能打开，水头损失很小，无噪声安装便利，调整橡胶的配料可以满足各种防腐要求。使用寿命20~ 25 a，直径能做到2 000 mm。
(2) 球壳拍门。结构简单、受力均匀、强度较高,可做得较轻，拍门中间为空腹结构，可进一步减小拍门的浮容重。球壳部分用10mm厚钢板经专门球形锻压设备压制而成，球壳拍门高约25~35 cm，再用钢板密封。经多年运行实践检验，效果较好。
(3) 空箱拍门。对1000 kW 以上机组，可采用浮容重小的拍门。拍门宜采用型钢梁系结构，再对整个拍门封闭，做成空腹或在腹内充填泡沫材料，拍门的浮容重可以减小，转动惯量随之减小，以达到增大拍门开启角度和减轻拍门撞击力的目的。
湖南省的某种自由侧翻式拍门[10]，较好地解决了传统拍门存在的问题，节能降耗，能够明显提高装置效率，特别适用于口径< 1. 6 m 的中小型泵站拍门改造，该产品列入《2008 年度水利先进实用重点推广指导目录》，值得在浙江省推广应用。
2. 3 减轻拍门撞击力
在拍门预埋框架上安装缓冲橡皮，施工简单、维护方便、减振效果较好。拍门受水流冲刷的上下漂动，易产生疲劳，加快铰链和铰轴的磨损。因此,除了加强拍门结构设计外，还要注意拍门铰链及铰轴的结构设计，铰链宜采用铸钢件，配铜套，铰轴应镀铬，增强铰轴硬度和耐磨性。
3 结论
(1) 提高管路效率的主要途径: 选择合适的管路直径; 尽量减少管路长度; 减少不必要的管路附件; 确保管路的密封性。
(2) 更新改造断流设施拍门的主要途径是增大开启角度、改变结构型式和减轻撞击力等。
参考文献:
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[10] 姜开鹏，李琪，石波，等. 中部四省大型排涝泵站调研报告[R/ OL] . 2009- 08- 02[2010- 07- 10] .
作者简介:崔梁萍(1956- )，女，甘肃武威人，教授. 主要从事机械制造教学研究.
