CN106886646A - 一种泵站用的斜式进水流道的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于泵站的应用领域，涉及一种泵站用的斜式进水流道的设计方法。给定泵站用泵的设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况转速n、泵站用泵的叶轮直径D₀、进口倾角θ几个参数，来计算一种泵站用的斜式进水流道的主要几何参数，流道出口锥角γ，水泵叶轮的中心相对流道底部的高度H_w，流道进口宽度B_j，流道长度X_L，流道底部倾角β，进口段的进口高度H_j，圆锥段长度H_Z，流道顶部倾角α，管口淹水深H₁。采用本发明设计的泵站用的钟形进水流道在一定程度上改善了进水流态，大大降低了进水流道的水力损失，从而提高了泵站运行的稳定性和高效性，而且实用性强、应用方便，保证了斜式进水流道的设计质量,确保泵站的安全、稳定和高效运行。

Description

一种泵站用的斜式进水流道的设计方法

技术领域

本发明属于泵站的应用领域,特别涉及一种斜式进水流道的设计方法。

背景技术

斜式进水流道是适用于大型低扬程泵站的一种泵装置型式。根据泵轴轴线与水平线的夹角，斜式进水流道采用的泵轴倾角一般为15°，30°和45°等3种。与立式泵装置相比，斜式进水流道具有流道弯曲程度小、水力损失较小、厂房高度小和散热条件好等优点，因而特别适用于低扬程大型泵站，曾被南水北调东线工程作为首选装置型式。斜式进水流道二十多年前在我国开始得到应用。由于斜式泵装置的泵轴倾斜安装，轴承的受力相对较为复杂，对轴承有较高要求。国内大型斜式进水流道所采用的轴承曾一度受到质疑，因而目前这种型式的泵装置在大型低扬程泵站的实际应用还比较少。随着我国近一些年来机械制造业整体水平的快速提高，解决大型泵站斜式进水流道轴承问题的条件己具备。

大型斜式泵站必须配置斜式进水流道，将进水池中的水流平顺地引至水泵进口，为水泵提供良好的进水流态，以充分发挥斜式水泵效率高和水力性能优良等优点。斜式进水流道的出口离弯曲段很近，其出口断面的流速和压力分布受弯曲段离心力的影响又很大，故要求进水流道必须具有合理的几何参数。

由于斜式进水流道的应用时间还不长，对斜式进水流道的水力设计方法尚缺乏研究。为使斜式进水流道的水力设计更加合理，实现以尽可能少的投资达到最佳的水泵装置性能，本人提供了一种泵站用的斜式进水流道的设计方法。

专利号为CN201520043127.1号的中国发明专利中公开了一种斜式进水流道的优化设计方法，并公开了水力性能优异的系列斜式进水流道及其应用方法。提供倾角为15°、20°、25°、30°、35°和40°的斜式轴伸泵配套使用的6种斜式进水流道的立面图(含断面位置线)、平面展开图(含断面位置线)和断面数据表。然而其并没有给出任意倾角斜式的设计方法。

发明内容

针对以上存在的不足之处，本发明人发明了一种泵站用的斜式进水流道的设计方法。不仅给出了任意倾角斜式流道的设计方法，而且实用性强、应用方便,对保证斜式进水流道的设计质量,确保泵站的安全、稳定和高效运行具有重要意义。

斜式进水流道的作用是为了尽可能降低进水流态的水力损失，因此对吸水室的设计要求比较高。传统的设计只是相对降低其水力损失，对于其稳定性、安全性以及经济性考虑较少，而这些恰恰都是泵站设计中不可忽略的地方，因此，对其进一步进行优化设计显得尤为重要。本发明为了解决上述的问题，给出了不同于传统设计的斜式进水流道的设计方法。

本发明通过改善斜式进水流道的几个重要几何参数，尽可能降低在进水流道内的水力损失，以此提高泵站的高效性和稳定性。

为了实现以上所述得目的而所采用的技术方案是：给定泵站用泵的设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况转速n、泵站用泵的叶轮直径D₀、进口倾角θ等几个参数，来计算一种泵站用的斜式进水流道的主要几何参数：包括：流道出口锥角γ，水泵叶轮的中心相对流道底部的高度H_w，流道进口宽度B_j，流道长度X_L，流道底部倾角β，进口段的进口高度H_j，圆锥段长度H_Z，流道顶部倾角α，管口淹水深H₁，

(1)流道出口锥角γ的设计公式为：

式中：

θ—斜式进水流道进口倾角，度；

γ—流道出口锥角，度。

(2)水泵叶轮的中心相对流道底部的高度H_w的设计公式为：

式中：

θ—斜式进水流道进口倾角，度；

D₀—叶轮直径，米；

H_w—水泵叶轮的中心相对流道底部的高度，米。

(3)流道进口宽度B_j的设计公式为：

B_j＝-1.23Q^-0.591·D₀ ^2.182+3.919·D₀ (3)

式中：

D₀—叶轮直径，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒；

B_j—流道进口宽度，米。

(4)流道长度X_L的设计公式为：

X_L＝(3.043e^0.0002778Q-0.0432e^-0.03845Q)·D₀ (4)

式中：

D₀—叶轮直径，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒；

X_L—流道长度，米。

(5)流道底部倾角β的设计公式为：

β＝0.6178e^0.06366θ (5)

式中：

θ—斜式进水流道进口倾角，度；

β—流道底部倾角，度。

(6)进口段的进口高度H_j的设计公式为：

式中：

D₀—叶轮直径，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒；

H_j—进口段的进口高度，米。

(7)流道顶部倾角α的设计公式为：

α＝81.67-17.15cos(0.05764θ)-77.74sin(0.05764θ)-23.44cos(0.11528θ)-1.025sin(0.11528θ)

(7)

式中：

θ—斜式进水流道进口倾角，度；

α—流道顶部倾角，度。

(8)圆锥段长度H_Z的设计公式为：

H_Z＝(1.353+0.3432cos(1.11H)-1.322sin(1.11H)-0.09652cos(2.22H)-0.475sin(2.22H))D₀

(8)

式中：

H—泵站用泵的扬程，米；

D₀—叶轮直径，米；

H_Z—圆锥段长度，米。

(9)管口淹水深H₁的设计公式为：

式中：

n—泵站用泵的转速，转/分钟；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒；

H—泵站用泵的扬程，米。

H₁—管口淹水深，米；

n_s—泵站用泵比转速。

本发明的有益效果为：

根据本发明设计方法确定斜式进水流道的主要几何参数，包括：斜式进水流道进口倾角θ，流道出口锥角γ，水泵叶轮的中心相对流道底部的高度H_w，流道进口宽度B_j，流道长度X_L，流道底部倾角β，进口段的进口高度H_j，圆锥段长度H_Z，流道顶部倾角α，管口淹水深H₁后，一定程度上改善了进水流态，大大降低了进水流道的水力损失，从而提高了泵站运行的稳定性和高效性。

附图说明

图1是泵站用的斜式进水流道的剖面图。

图2是泵站用的斜式进水流道的平面图。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明通过以下几个公式来确定一种泵站用的斜式进水流道的主要几何参数，包括流道出口锥角γ，水泵叶轮的中心相对流道底部的高度H_w，流道进口宽度B_j，流道长度X_L，流道底部倾角β，进口段的进口高度H_j，圆锥段长度H_Z，流道顶部倾角α，管口淹水深H₁。

此实施例是在给定泵站用泵的设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况转速n、泵站用泵的叶轮直径D₀、进口倾角θ等几个参数来计算一种泵站用的斜式进水流道的主要几何参数，例如Q＝250米³/秒，H＝17米，n＝1470转/分钟，D₀＝0.25米，θ＝28度：

B_j＝-1.23Q^-0.591·D₀ ^2.182+3.919·D₀＝0.977m

X_L＝(3.043e^0.0002778Q-0.0432e^-0.03845Q)·D₀＝0.815m

β＝0.6178e^0.06366θ＝3.67°

α＝81.67-17.15cos(0.05764θ)-77.74sin(0.05764θ)-23.44cos(0.11528θ)-1.025sin(0.11528θ)＝28.2°H_Z＝(1.353+0.3432cos(1.11H)-1.322sin(1.11H)-0.09652cos(2.22H)-0.475sin(2.22H))D₀＝0.22m

本发明采用相对准确的公式对一种泵站用的斜式进水流道的主要几何参数进行设计，主要是通过改善斜式进水流道的相关参数以达到降低其内部水力损失的效果。这不仅提高了泵站运行的稳定性和高效性，还降低了其维修周期，这对于大型水力工程建筑有十分重要的意义。

上述为本发明专利参照实施例做出的详细说明，但是本发明并不局限于以上的实施例，也包括本发明构思范围内的其他实施例以及变形例。

Claims (9)

1.一种泵站用的斜式进水流道的设计方法，给定泵站用泵的设计工况流量Q、设计工况扬程H、设计工况转速n、泵站用泵的叶轮直径D₀、进口倾角θ，来计算一种泵站用的斜式进水流道的主要几何参数，包括：流道出口锥角γ，其特征关系如下：

$\mathrm{\γ}=4.07e^{-{\left(\frac{\mathrm{\θ}-0.959}{45.95}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中：

θ—斜式进水流道进口倾角，度；

γ—流道出口锥角，度。

2.根据权利要求1所述的一种泵站用的斜式进水流道的设计方法,其特征在于，所述斜式进水流道的设计参数还包括水泵叶轮的中心相对流道底部的高度H_w，设计公式为：

$H_w=(13.3e^{-{\left(\frac{\mathrm{\θ}-171.8}{64.03}\right)}^2}+1.103e^{-{\left(\frac{\mathrm{\θ}-215.7}{328.1}\right)}^2})\·D_0---\left(2\right)$

式中：

θ—斜式进水流道进口倾角，度；

D₀—叶轮直径，米；

H_w—水泵叶轮的中心相对流道底部的高度，米。

3.根据权利要求1所述的一种泵站用的斜式进水流道的设计方法,其特征在于，所述斜式进水流道的设计参数还包括流道进口宽度B_j，设计公式为：

B_j＝-1.23Q^-0.591·D₀ ^2.182+3.919·D₀ (3)

式中：

D₀—叶轮直径，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒；

B_j—流道进口宽度，米。

4.根据权利要求1所述的一种泵站用的斜式进水流道的设计方法,其特征在于，所述斜式进水流道的设计参数还包括流道长度X_L，设计公式为：

X_L＝(3.043e^0.0002778Q-0.0432e^-0.03845Q)·D₀ (4)

式中：

D₀—叶轮直径，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒；

X_L—流道长度，米。

5.根据权利要求1所述的一种泵站用的斜式进水流道的设计方法,其特征在于，所述斜式进水流道的设计参数还包括流道底部倾角β，设计公式为：

β＝0.6178e^0.06366θ (5)

式中：

θ—斜式进水流道进口倾角，度；

β—流道底部倾角，度。

6.根据权利要求1所述的一种泵站用的斜式进水流道的设计方法,其特征在于，所述斜式进水流道的设计参数还包括进口段的进口高度H_j，设计公式为：

$H_j=(2.417+0.04185sin(2.295QH)-0.849e^{-0.0467H^2})\·D_0---\left(6\right)$

式中：

D₀—叶轮直径，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒；

H_j—进口段的进口高度，米。

7.根据权利要求1所述的一种泵站用的斜式进水流道的设计方法,其特征在于，所述斜式进水流道的设计参数还包括流道顶部倾角α，设计公式为：

α＝81.67-17.15cos(0.05764θ)-77.74sin(0.05764θ)-23.44cos(0.11528θ)-1.025sin(0.11528θ)

(7)

式中：

θ—斜式进水流道进口倾角，度；

α—流道顶部倾角，度。

8.根据权利要求1所述的一种泵站用的斜式进水流道的设计方法,其特征在于，所述斜式进水流道的设计参数还包括圆锥段长度H_Z，设计公式为：

H_Z＝(1.353+0.3432cos(1.11H)-1.322sin(1.11H)-0.09652cos(2.22H)-0.475sin(2.22H))D₀

(8)

式中：

H—泵站用泵的扬程，米；

D₀—叶轮直径，米；

H_Z—圆锥段长度，米。

9.根据权利要求1所述的一种泵站用的斜式进水流道的设计方法,其特征在于，所述斜式进水流道的设计参数还包括管口淹水深H₁，设计公式为：

$n_s=3.65\frac{n\sqrt{Q}}{H^{0.75}}$

$H_1=(37.96e^{-{\left(\frac{n_s+1107}{446.6}\right)}^2}+0.7187e^{-{\left(\frac{n_s+7.144}{928.7}\right)}^2})\·H_w---\left(9\right)$

式中：

n—泵站用泵的转速，转/分钟；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒；

H—泵站用泵的扬程，米；

H₁—管口淹水深，米；

n_s—泵站用泵比转速。