CN104132000A - 一种水力性能优异的肘形进水流道及其应用方法 - Google Patents

Abstract

一种水力性能优异的肘形进水流道及其应用方法，属于水利工程泵站技术领域。所述肘形进水流道其几何形体的特征是由直线段、肘弯段和圆台段3个部分组成，直线段中设置中隔墩；其中，几何形体简单的平直段、直线段和圆台段提供取值范围，几何形体复杂的肘弯段提供详细的断面位置和断面数据；流道所有尺寸均用相对值表示，将这些相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮直径即可得该泵站进水流道的实际所需尺寸，所述直线段和圆台段的参数可根据泵站的实际需要在一定范围内调整，以适应不同泵站对流道长度、高度和底边倾角等主要几何参数的不同需要。本发明可保证每座泵站肘形进水流道的设计质量，水力性能优异、适用面宽、应用方便，对于确保大中型泵站的安全、稳定和高效运行具有重要意义。

Description

一种水力性能优异的肘形进水流道及其应用方法

技术领域

本发明属于水利工程泵站技术领域，具体涉及一种水力性能优异的肘形进水流道及其应用方法，主要用于指导广大工程技术人员设计水力性能优异的肘形进水流道，保证每座大中型立式泵站肘形进水流道设计的质量。

背景技术

立式泵站在我国的应用最为广泛，肘形进水流道是大中型立式轴流泵站最常用的进水流道，其作用是在引导水流从前池流向水泵叶轮室的过程中有序转向和均匀收缩，为水泵叶轮室进口提供符合要求的流态。设计性能优异的肘形进水流道是保证水泵安全、稳定、高效运行的必要条件。南水北调东线一期工程14座新建立式泵站全部采用了肘形进水流道。肘形进水流道三维形体复杂，传统的水力设计方法采用基于一维理论的“平均流速法”，与流道内实际的三维湍流流动差距很大，肘形进水流道的水力设计质量缺少保证，所设计的流道不能满足水泵叶轮对流场的要求，有时甚至会在流道内产生旋涡等有害流态，严重影响泵站的安全、稳定和高效运行。

发明内容

本发明的目的是提供了一种水力性能优异的肘形进水流道及其应用方法，应用本发明得到的肘形进水流道水流转向有序、均匀，流道内无任何不良流态，水力性能优异，确保实现泵站安全、稳定、高效运行的目标。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的，一种水力性能优异的肘形进水流道，包括直线段、肘弯段和圆台段，肘弯段进水端设置直线段，肘弯段出水端设置圆台段，直线段内设有中隔墩；以水泵叶轮直径D为基准值，所述肘形进水流道长度L为4.2D、进口宽度B₁为2.4D、高度H为1.85D；所述直线段的长度L₁为2.92D、进口高度H₁为1.65D、底边倾角β为5°、进口顶板圆弧半径R＝0.25D+0.2m；所述圆台段的高度H₃＝0.1065D+0.4367m、锥角γ为8°、进口直径D₁为1.008D、出口直径D₂为0.973D；所述中隔墩的长度L_g为2.5D、厚度B_g＝0.1739D+0.1913m、头部圆弧半径R_g1＝0.3D、尾部圆弧半径R_g2＝3D；所述肘弯段的长度L₂为1.08D、高度H_w为1.42D、进口宽度B₂为2.4D、进口高度H₂为0.83D。

进一步地，所述肘弯段的三维形体采用断面位置图和断面数据表示，断面数据包括肘弯段各断面的纵剖面上边线坐标(X_1i，Y_1i)、纵剖面下边线坐标(X_2i，Y_2i)、断面高度H_wi、断面宽度B_wi和断面过渡圆半径R_wi等。

本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现的，一种水力性能优异的肘形进水流道的应用方法，包括以下步骤：

(1)肘形进水流道包括直线段、肘弯段和圆台段，直线段内设有中隔墩；以水泵叶轮直径D为基准值，所述肘形进水流道长度L为4.2D、进口宽度B₁为2.4D、高度H为1.85D；所述直线段的长度L₁为2.92D、进口高度H₁为1.65D、底边倾角β为5°、进口顶板圆弧半径R＝0.25D+0.2m；所述圆台段的高度H₃＝0.1065D+0.4367m、锥角γ为8°、进口直径D₁为1.008D、出口直径D₂为0.973D；所述中隔墩的长度L_g为2.5D、厚度B_g＝0.1739D+0.1913m、头部圆弧半径R_g1＝0.3D、尾部圆弧半径R_g2＝3D；所述肘弯段的长度L₂为1.08D、高度H_w为1.42D、进口宽度B₂为2.4D、进口高度H₂为0.83D；

(2)将所述肘形进水流道各几何尺寸的相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮直径D得该泵站进水流道直线段、肘弯段和圆台段的实际所需尺寸；

(3)所述肘形进水流道直线段的长度L₁为2.92D，根据泵站上部结构布置的需要在此基础上改变L₁，L₁改变时相应改变所述中隔墩的长度L_g；

(4)所述肘形进水流道直线段的底边倾角β为5°，根据肘弯段与泵站前池衔接的需要在此基础上改变β，其改变量Δβ小于等于5°，β改变后该段各断面的高度保持不变；

(5)所述肘形进水流道圆台段的高度H₃＝0.1065D+0.4367m、锥角γ为8°，根据泵站的实际需要改变H₃，该段的进口直径D₁和出口直径D₂保持不变，其锥角则相应改变为γ′，圆台段高度H₃的减少量不大于0.15D；

(6)根据换算和调整后的所述肘形进水流道的几何参数，在绘图软件中绘制所需的肘形进水流道单线图。

进一步地，所述肘弯段的三维形体采用断面位置和断面数据表示，断面数据包括肘弯段各断面的纵剖面上边线坐标(X_1i，Y_1i)、纵剖面下边线坐标(X_2i，Y_2i)、断面高度H_wi、断面宽度B_wi和断面过渡圆半径R_wi等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明的肘形进水流道水力性能优异，使用方法简单，便于面广量大的工程技术人员采用；可保证每座泵站肘形进水流道设计的质量，对于确保大中型泵站的安全、稳定和高效运行具有重要意义。

第二，本发明提供的肘形进水流道由直线段、肘弯段和圆台段等3个部分组成，在直线段内设置中隔墩，所述直线段用于消除泵站前池来流中的横向流速；所述肘弯段用于使水流作90°转向，并同时作快速、有序的侧向收缩，阻止水流在作90°转向时产生脱流、旋涡等不良流态；所述圆台段用于调整作90°转向后的水流，使其均匀、顺直地流向水泵叶轮室进口；应用本发明得到的肘形进水流道水流转向有序、均匀，流道内无任何不良流态，水力性能优异。

第三，根据对已建泵站肘形进水流道主要尺寸的统计，其长度、宽度和高度的相对值(以水泵叶轮直径D为基准值)比较接近。流道所有尺寸均用相对值表示，对于一般大中型立式泵站，将这些相对值乘以水泵叶轮直径D即可得到所需的流道尺寸(单位为m)；流道的长度、高度和底板倾角可根据泵站的实际需要在一定范围内很方便地进行调整。

第四，本发明提供的肘形进水流道水力性能优异：①根据20多年来对肘形进水流道的研究成果，选择其中经过充分优化水力设计和严格性能测试、并得到普遍成功应用的肘形进水流道；②所述肘形进水流道的主要水力性能指标如下：流道出口水流速度分布均匀度V_u≥97％；流道出口水流进入水泵叶轮室的平均角度设计流量的流道水力损失Δh≤0.12m。

附图说明

图1a是本发明肘形进水流道单线图的纵剖面图；

图1b是本发明肘形进水流道单线图的平面展开图；

图1c是图1a和图1b中的Ai—Ai断面图；

图2a是本发明肘形进水流道肘弯段的纵剖面图；

图2b是本发明肘形进水流道肘弯段的平面展开图；

图3a是本发明肘形进水流道直线段长度调整纵剖面示意图；

图3b是本发明肘形进水流道直线段长度调整平面展开示意图；

图4a是本发明肘形进水流道直线段底边倾角调整纵剖面示意图；

图4b是本发明肘形进水流道直线段底边倾角调整平面展开示意图；

图5a是本发明肘形进水流道圆台段高度调整纵剖面示意图

图5b是本发明肘形进水流道圆台段高度调整平面展开示意图；

图中：1直线段，2肘弯段，3圆台段，4中隔墩，5纵剖面上边线，6纵剖面下边线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的：(1)提供一种适用面宽的肘形进水流道，该流道已经过严格测试，证明其水力性能优异，并已在大中型泵站得到普遍的成功应用；(2)提供的肘形进水流道由直线段1、肘弯段2和圆台段3组成，其中，几何形体简单的直线段1和圆台段3提供取值范围，几何形体复杂的肘弯段2提供详细的断面位置和断面数据，流道所有几何尺寸均以相对值表示(以水泵叶轮直径D为基准值)；(3)将所述肘形进水流道各几何参数相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮直径D即可得该泵站进水流道的所需尺寸，直线段1和圆台段3的参数可根据泵站的实际需要在一定范围内调整，以适应不同泵站对流道长度、高度和底边倾角等主要几何参数的不同需要。

(1)提供的肘形进水流道水力性能优异；

①根据20多年来对肘形进水流道的研究成果，选择其中经过充分优化水力设计和严格性能测试、并得到普遍成功应用的肘形进水流道；

②所述肘形进水流道的主要水力性能指标如下：

流道出口水流速度分布均匀度V_u≥97％；

流道出口水流进入水泵叶轮室的平均角度

设计流量的流道水力损失Δh≤0.12m。

(2)所提供的肘形进水流道几何形体表达方式；

①将所述肘形进水流道分为直线段1、肘弯段2和圆台段3等3部分；

②所述肘弯段2是肘形进水流道设计的核心部分，其作用是使水流有序地进行90°转向，受离心力的影响，肘弯段的水流流态复杂，该段水力设计的优劣对流道水力性能影响很大；该段在作90°转向的同时，断面形状由方变圆，几何形体复杂；为保证流道水力设计的质量，该段的三维形体采用详细断面数据表示，提供该段断面位置图和断面数据表，数据表中包括各断面纵剖面上边线5的坐标(X_1i，Y_1i)、纵剖面下边线6的坐标(X_2i，Y_2i)、断面高度H_wi、断面宽度B_wi和断面过渡圆半径R_wi等数据；

③所述直线段1位于肘弯段2之前，是泵站前池和肘弯段之间的过渡段，该段的几何参数包括流道直线段长度L₁、进口宽度B₁、进口高度H₁、底边倾角β、流道进口的顶板圆弧半径R；

④所述圆台段3位于肘弯段2出口断面与流道出口断面之间，其作用是调整肘弯段流出的水流流态，对流道出口水流流速分布均匀度V_u和水流进入水泵叶轮室的平均角度影响很大，该段的几何参数包括圆台高度H₃、圆台锥角γ、进口直径D₁、出口直径D₂；

⑤在所述直线段1中设置中隔墩4，其作用主要是满足流道结构布置的需要，同时也有利于调整从前池进入流道的水流；所述中隔墩4分为头部圆弧段、中部直段和尾部圆弧段等3部分，其几何参数包括中隔墩长度L_g、厚度B_g、头部圆弧半径R_g1、尾部圆弧半径R_g2。

(3)建立便于推广的肘形进水流道应用方法；

①将所述肘形进水流道各几何尺寸参数相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮直径D得该泵站进水流道的所需尺寸；

②所述直线段1的长度L₁根据泵站上部结构布置的需要在已有尺寸的基础上加长或缩短，该段尺寸的调整对流道水力性能基本没有影响；

③所述直线段1的底边倾角β根据肘弯段与泵站前池衔接的需要在一定的范围内增加或减少，β改变后该段各断面的高度保持不变；

④所述圆台段3的高度H₃根据泵站的实际需要在已有尺寸的基础上适当增加或减少，H₃的增加对提高肘形进水流道水力性能是有利的。

实施例1

(1)本发明的肘形进水流道如下：

以水泵叶轮直径D为基准值。本发明提供的肘形进水流道长度L为4.2D、进口宽度B₁为2.4D、高度H为1.85D；直线段1的长度L₁为2.92D、进口高度H₁为1.65D、底边倾角β为5°、顶板圆弧半径R＝0.25D+0.2m；圆台段3的高度H₃＝0.1065D+0.4367m、锥角γ为8°、进口直径D₁为1.008D、出口直径D₂为0.973D；中隔墩4的长度L_g为2.5D、厚度B_g＝0.1739D+0.1913m、头部圆弧半径R_g1＝0.3D、尾部圆弧半径R_g2＝3D；肘弯段2的长度L₂为1.08D、高度H_w为1.42D、进口宽度B₂为2.4D、进口高度H₂为0.83D；肘弯段2各断面的纵剖面上边线5的坐标(X_1i，Y_1i)、纵剖面下边线6的坐标(X_2i，Y_2i)、断面高度H_wi、断面宽度B_wi、断面过渡圆半径R_wi等数据见表1，肘弯段2各断面的位置如图2所示；表1中肘弯段2纵剖面上边线5和纵剖面下边线6的坐标采用相对坐标系，其原点为肘弯段纵剖面进口下边线坐标；表1中各数据为相对值(以水泵叶轮直径D为基准值)。

表1  肘弯段断面数据表

(2)本发明的应用方法如下：

①将所述肘形进水流道各几何尺寸的相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮直径D得该泵站进水流道实际所需的尺寸，所述肘形进水流道肘弯段2各断面的数据可调入excel表格中进行统一处理；

②所述肘形进水流道直线段1的长度L₁为2.92D，根据泵站上部结构布置的需要在此基础上改变L₁，L₁改变时相应改变所述中隔墩4的长度L_g，L₁和L_g改变的方式如图3所示，图中，虚线表示L₁和L_g改变后的直线段1和中隔墩4的型线，ΔL为L₁的改变量；

③所述肘形进水流道直线段1的底边倾角β为5°，根据肘弯段2与泵站前池衔接的需要在此基础上改变β，其改变量Δβ不大于5°，β改变后该段各断面的高度保持不变，倾角改变的方式如图4所示，图中虚线表示β改变后的直线段1型线；

④所述肘形进水流道圆台段3的高度H₃＝0.1065D+0.4367m、锥角γ为8°，根据泵站的实际需要改变H₃，改变方式如图5中所示，圆台段3的进口直径D₁和出口直径D₂保持不变、锥角相应改变为γ′，图中：虚线表示H₃改变后的流道型线、ΔH₃为H₃的改变量，圆台段高度H₃的减少量不大于0.15D；

⑤上述直线段1和圆台段3几何参数的调整均不改变肘弯段的几何形体。

(3)根据换算和调整后的所述肘形进水流道的几何参数，在AUTO CAD软件中绘制所需的肘形进水流道单线图。

Claims (4)

1.一种水力性能优异的肘形进水流道，其特征是，所述肘形进水流道包括直线段、肘弯段和圆台段，肘弯段进水端设置直线段，肘弯段出水端设置圆台段，直线段内设有中隔墩；以水泵叶轮直径D为基准值，所述肘形进水流道长度L为4.2D、进口宽度B₁为2.4D、高度H为1.85D；所述直线段的长度L₁为2.92D、进口高度H₁为1.65D、底边倾角β为5°、进口顶板圆弧半径R＝0.25D+0.2m；所述圆台段的高度H₃＝0.1065D+0.4367m、锥角γ为8°、进口直径D₁为1.008D、出口直径D₂为0.973D；所述中隔墩的长度L_g为2.5D、厚度B_g＝0.1739D+0.1913m、头部圆弧半径R_g1＝0.3D、尾部圆弧半径R_g2＝3D；所述肘弯段的长度L₂为1.08D、高度H_w为1.42D、进口宽度B₂为2.4D、进口高度H₂为0.83D。

2.根据权利要求1所述的水力性能优异的肘形进水流道，其特征是，所述肘弯段的三维形体采用断面位置和断面数据表示，断面数据包括肘弯段各断面的纵剖面上边线坐标(X_1i，Y_1i)、纵剖面下边线坐标(X_2i，Y_2i)、断面高度H_wi、断面宽度B_wi和断面过渡圆半径R_wi。

3.一种水力性能优异的肘形进水流道的应用方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)肘形进水流道包括直线段、肘弯段和圆台段，直线段内设有中隔墩；以水泵叶轮直径D为基准值，所述肘形进水流道长度L为4.2D、进口宽度B₁为2.4D、高度H为1.85D；所述直线段的长度L₁为2.92D、进口高度H₁为1.65D、底边倾角β为5°、进口顶板圆弧半径R＝0.25D+0.2m；所述圆台段的高度H₃＝0.1065D+0.4367m、锥角γ为8°、进口直径D₁为1.008D、出口直径D₂为0.973D；所述中隔墩的长度L_g为2.5D、厚度B_g＝0.1739D+0.1913m、头部圆弧半径R_g1＝0.3D、尾部圆弧半径R_g2＝3D；所述肘弯段的长度L₂为1.08D、高度H_w为1.42D、进口宽度B₂为2.4D、进口高度H₂为0.83D；

(2)将所述肘形进水流道各几何尺寸的相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮直径D得该泵站进水流道直线段、肘弯段和圆台段的实际所需尺寸；

(3)所述肘形进水流道直线段的长度L₁为2.92D，根据泵站上部结构布置的需要在此基础上改变L₁，L₁改变时相应改变所述中隔墩的长度L_g；

(4)所述肘形进水流道直线段的底边倾角β为5°，根据肘弯段与泵站前池衔接的需要在此基础上改变β，其改变量Δβ小于等于5°，β改变后该段各断面的高度保持不变；

(5)所述肘形进水流道圆台段3的高度H₃＝0.1065D+0.4367m、锥角γ为8°，根据泵站的实际需要改变H₃，圆台段3的进口直径D₁和出口直径D₂保持不变、锥角相应改变为γ′，圆台段高度H₃的减少量不大于0.15D；

(6)根据换算和调整后的所述肘形进水流道的几何参数，在绘图软件中绘制所需的肘形进水流道单线图。

4.根据权利要求3所述的水力性能优异的肘形进水流道的应用方法，其特征是，所述肘弯段的三维形体采用断面位置图和断面数据表示，断面数据包括肘弯段各断面的纵剖面上边线坐标(X_1i，Y_1i)、纵剖面下边线坐标(X_2i，Y_2i)、断面高度H_wi、断面宽度B_wi和断面过渡圆半径R_wi。