[建筑]浅析电站闸门和启闭机设计

1、浅析电站闸门和启闭机设计摘要：水电站泄洪洞、放空洞、引水隧洞和厂房尾水洞的闸门与启闭机的总体布置，对放空洞的工作闸门和事故闸门作了重点介绍。关键词：平面闸门；启闭机；特点；放空洞； 1闸门、启闭机的总体布置1.1泄洪洞闸门、启闭机的布置泄洪洞长466343m，进水口为有压短管型式，无压洞身，通过竖井消能后与放空洞的下游段结合。进口设工作闸门，孔口尺寸为34m×4m（宽×高，下同），底坎高程263000 m，平台高程264350m，设计水头21m。该门操作频繁，并有局部开启工况，考虑到弧形闸门水流条件相对较好，因此采用弧形闸门作为工作闸门。因闸门需借助启闭机的下压力

2、才能关闭，故利用一台摇摆式双作用液压启闭机操作闸门，启门容量为320kN，闭门容量为30kN，活塞杆行程6m。为保证工作闸门因故障不能闭门时能及时截断水流，使库区水位不再降低，在工作闸门上游设事故闸门，孔口尺寸为34m×45m，底坎高程263000m，平台高程266500m，设计水头21m，当工作闸门检修维护时，作为检修闸门挡水。该门采用平面滑动闸门，设计工况为动水闭门，静水启门，由一台固定卷扬式启闭机操作，启闭机容量630kN，扬程40m。1.2放空（导流）洞闸门、启闭机的布置放空洞长1 120177m，在桩号（放）0696733m处设工作闸门，工作闸门前为有压洞，后为无

3、压洞。工作闸门孔口尺寸为3m×45m，底坎高程254011m，平台高程254950m，设计水头11089m。该门的作用主要为放空水库，但根据水库来水流量，要求能在校核水位开门宣泄洪水，因此其操作水头也为11089m。经过对弧形闸门和窄门槽平面闸门的结构刚度、止水严密性、闸室空间布置等方面的比较，考虑到孔口处流速大，门槽前后采用钢板衬护。闸门由一台垂直式双作用液压启闭机操作，启门容量2×4 500kN，闭门容量2×3 000kN，活塞杆行程5m。为保证工作闸门发生故障不能闭门时能及时截断水流，使库区水位不再降低，在工作闸门上游，桩号（放）0519

4、704m处设事故闸门，孔口尺寸为3m×43m，底坎高程254175m，检修平台高程265200m，启闭机平台高程266400m，设计水头10925m，当工作闸门检修维护时，该门采用平面滑动闸门，设计工况为动水闭门，静水启门，由一台固定卷扬式启闭机操作，启闭机容量2 500kN，扬程9m，通过拉杆与闸门连接。1.3引水隧洞闸门、启闭机的布置引水隧洞位于大坝左岸，全长7 11878m，进口处设三孔拦污栅，呈拱形布置，孔口中心线间的夹角为60°，底坎高程259000m，每孔孔口尺寸为36m×8m，按4m水压差设计。因受地形限制，引水隧洞进口伸入水库，

5、平台高程260130m，位于正常蓄水位以下约50m处，因此难以布置永久性起吊设备。在桩号（引）016100 m处设工作闸门，底坎高程259000m，孔口尺寸为46m×46m，设计水头61m。该门的作用为控制进入引水隧洞的水流，当隧洞因故需要维护检修时，动水关闭闸门截断水流。由于引水隧洞长，为提高对隧洞充水的效率，闸门为动水开启，因此考虑为平面工作闸门，动水启闭，定轮支承，上游止水，闭门需加重。闸门由一台高扬程固定卷扬式启闭机操作，容量为2 500kN，扬程75m，启闭机设置在267450m高程的启闭机房内。平时，闸门锁定在门槽顶部265850m高程处。由于隧洞进口

6、水头较高，为检修工作闸门门槽，在工作闸门上游桩号（引）015627m处设置一扇平面滑动检修闸门。底坎高程259000m，孔口尺寸为46m×46m，设计水头61m，下游止水，采用滑道支承。闸门为静水启闭，启门时，先开启门顶充水阀进行充水，待上、下游水压差小于3m时启门，由一台高扬程固定卷扬式启闭机操作，容量为630kN，扬程80m，启闭机设置在267450m高程的启闭机房内。平时，闸门锁定在门槽顶部265850m高程处。电站施工时，通过3个施工支洞对引水隧洞进行施工，考虑到发电后对隧洞维修检查方便，在2号、3号施工支洞封堵处留进人门，并安装封堵闸门。封堵闸门孔口尺寸为24m×

7、18m，设计水头为871m。闸门为铰链推拉式，封闭时用螺栓与埋件固定。闸门在无水情况下开启或封闭。1.4厂房尾水闸门、启闭机的布置地下厂房枢纽为两洞室，即主、副主厂房洞室和尾水闸门室，水轮机为2台冲击式机组。为便于检修机组和尾水管，在尾水管出口设置检修闸门。考虑到闸门操作空间较小，为方便使用，在两孔尾水出口设置两扇平面滑动检修闸门。底坎高程199828m，校核尾水位200140m，孔口尺寸为42m×36m，设计水头322m，采用滑道支承，上游止水，下游设弹性反轮对水封进行预压。闸门为静水启闭，起门时，闸门小开度充水，待上、下游平压后，提起闸门。由一台移动式双吊点电动葫芦操作，容量2&

8、#215;50kN，扬程6m，通过拉杆与闸门相连。电动葫芦轨道安装在201140m高程处梁的底面。平时，闸门锁定在门槽顶部200428m高程平台上。2设计特点2.1放空洞工作闸门放空洞工作闸门孔口尺寸为3×4511089m，作为放空水库控制闸门的同时，在洪水期还可能参与泄洪。鉴于该工作闸门的工况，综合水工水道布置，比较了弧形闸门和平面闸门两种形式。弧形闸门门槽虽然水流条件好，但在高水头工况下上游止水效果不易得到满足，需要采取专门的止水设备，如液压变形止水或偏心铰压紧式止水，但构造复杂，检修维护繁琐。由于该孔口尺寸不大，闸门承受水平水压力为16 500kN，故采用窄门槽平面高

9、压滑动闸门，下游止水，止水为青铜对不锈钢的硬止水型式，有一定的技术优势。因此在工程中，也采用了这种型式。窄门槽高压滑动闸门因最早作为高压阀门而又称闸阀，门叶为6根主梁与面板、边梁组成的刚体结构，面板在上游侧。为保证闸门在动水启闭过程中水流顺畅，避免负压，底缘设计成45°倾角的斜面并采用圆弧与垂直面板过渡，边梁为一厚板（195mm）；下游支承面设计有青铜滑道，同时兼作硬止水，其加工精度要求高，与门叶的装配采用螺栓连接，为保证止水的严密，装配好后用环氧树脂充填缝隙。门槽段分为上、下游框架及腰箱，分块加工，安装时用螺栓连接成整体结构，与门叶配合面设有材质为1Cr13的不锈钢作为支承面及止水

10、座板。为了保证门叶支承滑道兼硬止水与门槽的配合精度，在门叶焊接后应进行整体退火处理，对配合面整体加工，并在厂内整体组装，厂内组装和工地安装调试对配合面的要求均为“用003mm塞尺每隔30mm量一次，不得贯穿”。平面闸门有门槽，高速水流流经门槽时由于边界条件发生了变化，水力学问题比较突出，因此针对该闸门，委托南科院水工所作了闸门水力学及流激振动试验，依据试验结果，对门槽附近流道体型进行了优化，改善了出口压坡斜度、跌坎高度、挑坎尺寸、扩散角等窄门槽平面滑动闸门的几个关键参数，提高了门槽的抗空化、空蚀能力，所有测点的门槽空化数均大于规范的规定值（K0406），并具有一定的安全裕度。为保证工作闸门门槽

11、后水流上部自由水面挟气和表面拖曳力产生的输气量，以及由于设置跌坎而形成的射流底空腔的输气量，在门槽后设有两处通气孔，一处在洞顶，一处在跌坎侧面，尺寸分别为圆孔1 000mm和方孔（600×600）mm2。试验表明，洞顶通气孔的输气量大于跌坎侧面通气孔的输气量，最大输气量出现在闸门开度为n05时，风速分别为50ms和45ms，当工作闸门全开时，分别降为16ms和11ms，说明通气孔的尺寸是合适的。启闭闸门的设备选用双缸双作用式液压启闭机，容量为2×45002×300kN，油缸安装在门槽腰箱上端法兰盘上，为钢性支座、螺栓连接并设有密封装置以封水。液压启闭机活

12、塞杆上加工有螺纹，直接与门叶上的套筒相连并采用承载螺母固定。启闭机活塞杆最大行程5m，工作行程47 m，缸径630mm，杆径300mm；液压系统采用插装阀组，先导阀为YUKEN产品，高压球阀为HYDAC产品，其余阀组均为榆次油研产品；行程监测装置由两套CAP2000内置式传感器组成，测得的数据通过PLC汇总分析，达到监测两个油缸活塞杆位置的目的，从而监测闸门的开度。双缸同步精度要求为10mm，是通过行程监测装置和液压系统中的旁路纠偏回路以及PLC等控制元件实现的。泵站为卧式布置，两套电动机油泵组互为备用，油箱及管路材料均为不锈钢。2.2放空洞事故闸门的设计放空洞事故闸门孔口尺寸为3&

13、#215;4310925m，在工作闸门出现故障不能闭门时，需要放下事故闸门及时截断水流，避免造成水的损失，因此其工况为动水闭门、静水启门。事故闸门一般为平面闸门，就支承型式而言有定轮和滑道之分，就封水方式而言有上游封水和下游封水之别。由于水头高，水压力达15 450kN，若采用上游封水，仅利用闸门自重动水闭门不能实现，需设置加重，而采用下游止水，可以利用门上水柱动水闭门。该门尺寸较小，定轮装置结构较复杂，定轮的布置与梁格的布置易产生冲突。最近几年随着滑道材料技术的发展，其摩擦系数可以达到一个较低的水平（008012），计算闭门力时对水柱的利用可以相对较少，而计算持住力时取较高的最小摩

14、擦系数有利于降低启闭机容量。因此，放空洞事故闸门采用了平面滑动闸门。闸门由5根主梁与下游面板、边梁组成刚体结构，为使动水闭门过程中水流平顺，避免负压，底缘上游倾角取60°，下游倾角取30°，动水闭门时水柱作用在最下面的主梁上。门槽为型门槽，宽深比为1683，错距比为005，二期混凝土范围内设有钢板衬砌。模型试验表明，该门槽体型抗空化、空蚀能力较强。事故闸门门槽后洞顶设有通气孔，尺寸为800mm×2000mm，其运行控制条件为在工作闸门全开情况下，事故闸门局部开启的输气量。模型试验表明，最大通气孔风速出现在n0103开度时，为65ms，已经超出了隧洞设计规范要求的60ms、闸门设计规范要求的4050ms之值。这是由于闸后流态特殊，闭门过程中水流冲击门槽后产生反弹，加剧了紊动，导致水流挟气显著增加而致。由于闸门底缘负压量实测值在常规范围内，且该门的事故闭门工况较少出现，因此通气孔的尺寸是适宜的。操作事故闸门的启闭设备为固定卷扬式启闭机。由于闸门为下游止水，启闭机钢丝绳有可能长期浸入水中，为保证动水闭门过程中与闸门的连接可靠，采用拉杆装置与闸门门叶相连。经计算，初选启闭机容量为2 0