CN106934104A - 一种泵站用的虹吸式出水流道的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于涉及泵站的应用领域,特别涉及一种虹吸式出水流道的设计方法。本发明主要是为了针对泵站设计的一种虹吸式出水流道，通过控制出水流道的扩散段、出水弯管段、上升段、驼峰段、下降段、出口段等主要相关参数来降低出水流道的水力损失，达到提高泵站运行的稳定性、高效性、经济性，从而能够延长泵站的维修周期。此外，还可以将其与现代化设备相结合，使参数化设计成为可能。

Description

一种泵站用的虹吸式出水流道的设计方法

技术领域

本发明属于涉及泵站的应用领域,特别涉及一种虹吸式出水流道的设计方法。

背景技术

通常来说，大型泵站都是采用立式泵，因此，从水泵导叶出口到出水池之间的过流通道，即出水流道对其就是必不可少的。一般出水流道的形式可分为虹吸式、直管式、双向出水式、屈膝式、猫背式等。

虹吸现象是指：如果将一根弯管充满水，然后把两个不同的水位连接起来，水流将会从高水位自动流向低水位。虹吸式出水流道就是一种利用虹吸原理的弯曲形出水流道，因为它可以跨过堤岸，对堤岸的安全性没有任何影响，同时其断流方式简单可靠，因此，虹吸式出水流道是大型泵站最常用的出水流道之一。

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、出口段等部分构成。当泵站正常运行时，虹吸式出水流道的驼峰为负压；当泵站停止运行时，只需将驼峰顶部的真空破坏阀打开，空气就会进入流道内，虹吸作用就会中断，从而可以防止流道内的水倒流以及水泵倒转。此外，虹吸式出水流道可以适应水位的变化，避免不必要的能量损失。

申请号为201410777674.2的中国发明专利中公开了一种水力性能优异的虹吸式出水流道及其应用方法，它通过优化主要几何参数来降低出水流道的水力损失，这对于泵站运行的稳定性、高效性、经济性具有重要意义。然而，其并没有给出相对完善的设计公式，这对泵站的建设带来诸多不便。专利号为201420795367.2的中国专利中公开了一种水力性能优异的虹吸式出水流道，其也仅仅给出了设计方法，从一定程度上降低了出水流道的水力损失，但是它也没有系统完善的设计公式。

发明内容

针对以上所述存在的不足之处，本发明人发明了一种泵站用的虹吸式出水流道的设计方法，大大降低了虹吸式出水流道的水力损失。不仅给出了其主要几何参数的具体设计公式，而且可以将其与计算机相结合，可以对虹吸式出水流道进行参数化设计。通过控制出水流道的扩散段、出水弯管段、上升段、驼峰段、下降段、出口段等主要相关参数来降低出水流道的水力损失，达到提高泵站运行的稳定性、高效性、经济性，从而能够延长泵站的维修周期。此外，还可以将其与现代化设备相结合，使参数化设计成为可能。

通过上述计算方法确定虹吸式出水流道的主要几何参数，包括：虹吸式出水流道出水弯管段的出口直径D、虹吸式出水流道扩散段的高度L₁、虹吸式出水流道出水弯管段的曲率半径R₁、虹吸式出水流道出水弯管段的弯曲角α₁、虹吸式出水流道上升段的上升角α、虹吸式出水流道上升段的长度L₂、虹吸式出水流道上升段的平面扩散角Φ、虹吸式出水流道驼峰的弯曲角α₂、虹吸式出水流道驼峰的断面宽度B、虹吸式出水流道驼峰的断面高度h、虹吸式出水流道驼峰的曲率半径R₂、虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面高度h_i、虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面过渡圆半径r_i、虹吸式出水流道下降段的下倾角β、虹吸式出水流道下降段的长度L₃、虹吸式出水流道出口段的弯曲角α₃、虹吸式出水流道出口段的曲率半径R₃、叶轮中轴线至虹吸式出水流道出口的长度L，以改善流动达到提高泵站的稳定性、安全性、高效性。

为实现上述目的所采用的技术方案是：

(1)虹吸式出水流道驼峰的断面宽度B、虹吸式出水流道出水弯管段的出口直径D、虹吸式出水流道扩散段的高度L₁、虹吸式出水流道出水弯管段的曲率半径R₁、虹吸式出水流道出水弯管段的弯曲角α₁、虹吸式出水流道上升段的上升角α、虹吸式出水流道上升段的长度L₂、虹吸式出水流道下降段的下倾角β、虹吸式出水流道下降段的长度L₃、叶轮中轴线至虹吸式出水流道出口的长度L的设计公式为：

B＝0.964e^0.5713D (1)

a₁＝-1.894Q⁴+23.69Q³-103.6Q²+167.4Q+4.73 (5)

L₂＝4.593e^-5a^3.143+1.27 (7)

β＝-25.08sin Q+0.2243Q²+42.4 (8)

式中：

B—虹吸式出水流道驼峰的断面宽度，米；

D—虹吸式出水流道出水弯管段的出口直径，米；

L₁—虹吸式出水流道扩散段的高度，米；

R₁—虹吸式出水流道出水弯管段的曲率半径，米；

α₁—虹吸式出水流道出水弯管段的弯曲角，度；

α—虹吸式出水流道上升段的上升角，度；

L₂—虹吸式出水流道上升段的长度，米；

β—虹吸式出水流道下降段的下倾角，度；

L₃—虹吸式出水流道下降段的长度，米；

L—叶轮中轴线至虹吸式出水流道出口的长度,米；

D₀—泵站用泵的叶轮直径，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒。

(2)虹吸式出水流道上升段的平面扩散角Φ、虹吸式出水流道出口段的曲率半径R₃、虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面高度h_i、虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面过渡圆半径r_i的设计公式为：

R₃＝-0.467sin Q+0.002965cos Q+0.05814tan Q+3.267 (12)

r_i＝-0.007235e^0.66Q+0.233e^0.2204Q (14)

式中：

Φ—虹吸式出水流道上升段的平面扩散角，度；

R₃—虹吸式出水流道出口段的曲率半径，米；

h_i—虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面高度，米；

r_i—虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面过渡圆半径，米；

D₀—泵站用泵的叶轮直径，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒。

(3)虹吸式出水流道驼峰的断面高度h的设计公式为：

h＝2.845e^-11+0.4333B+1.635e^-11Q+1.697e^-11B²-1.254e^-11BQ+2.304e^-12Q² (15)

式中：

h—虹吸式出水流道驼峰的断面高度，米；

B—虹吸式出水流道驼峰的断面宽度，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒。

(4)虹吸式出水流道驼峰的曲率半径R₂的设计公式为：

R₂＝5.461sin(9.568h+9.443)+3.466sin(12.27h+22.09) (16)

式中：

R₂—虹吸式出水流道驼峰的曲率半径，米；

h—虹吸式出水流道驼峰的断面高度，米。

(5)虹吸式出水流道驼峰的弯曲角α₂的设计公式为：

式中：

α₂—虹吸式出水流道驼峰的弯曲角，度；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒。

(6)虹吸式出水流道出口段的弯曲角α₃的设计公式为：

a₃＝9.443e^-21β⁵-3.911e^-18β⁴+5.835e^-16β³-4.067e^-14β²+β-1.709e^-11 (18)

式中：

α₃—虹吸式出水流道出口段的弯曲角，度；

β—虹吸式出水流道下降段的下倾角，度。

由以上步骤可以得到相对系统准确的泵站用的虹吸式出水流道的主要几何参数的设计方法。

本发明的有益效果为：

本发明所述设计方法通过分别对扩散段和上升段的长度和管径的设计，在一定程度上降低了沿程水力损失。此外，通过对出水弯管段，驼峰和出口段的曲率半径，长度以及管径的优化设计，来减少涡流以及降低冲撞水力损失。不仅如此，下降段的下倾角等相关几何参数的调整大大改善了流道内水流流态的平稳性。对于泵站运行的稳定性、高效性、经济性和安全性具有重要意义。

附图说明

图1是一种泵站用的虹吸式出水流道的剖面图。

图2是一种泵站用的虹吸式出水流道的平面图。

图3是一种泵站用的虹吸式出水流道的下降段及出口段的断面图。

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。

本发明通过以下公式来确定一种泵站用的虹吸式出水流道的的主要几何参数，包括：虹吸式出水流道出水弯管段的出口直径D、虹吸式出水流道扩散段的高度L₁、虹吸式出水流道出水弯管段的曲率半径R₁、虹吸式出水流道出水弯管段的弯曲角α₁、虹吸式出水流道上升段的上升角α、虹吸式出水流道上升段的长度L₂、虹吸式出水流道上升段的平面扩散角Φ、虹吸式出水流道驼峰的弯曲角α₂、虹吸式出水流道驼峰的断面宽度B、虹吸式出水流道驼峰的断面高度h、虹吸式出水流道驼峰的曲率半径R₂、虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面高度h_i、虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面过渡圆半径r_i、虹吸式出水流道下降段的下倾角β、虹吸式出水流道下降段的长度L₃、虹吸式出水流道出口段的弯曲角α₃、虹吸式出水流道出口段的曲率半径R₃、叶轮中轴线至虹吸式出水流道出口的长度L等。

此实施例是在给定设计工况流量Q、泵站用泵的叶轮直径D₀来计算一种泵站用的虹吸式出水流道的主要几何参数：

B＝0.964e^0.5713D (1)

a₁＝-1.894Q⁴+23.69Q³-103.6Q²+167.4Q+4.73 (5)

L₂＝4.593e^-5a^3.143+1.27 (7)

β＝-25.08sin Q+0.2243Q²+42.4 (8)

R₃＝-0.467sin Q+0.002965cos Q+0.05814tan Q+3.267 (12)

r_i＝-0.007235e^0.66Q+0.233e^0.2204Q (14)

h＝2.845e^-11+0.4333B+1.635e^-11Q+1.697e^-11B²-1.254e^-11BQ+2.304e^-12Q² (15)

R₂＝5.461sin(9.568h+9.443)+3.466sin(12.27h+22.09) (16)

a₃＝9.443e^-21β⁵-3.911e^-18β⁴+5.835e^-16β³-4.067e^-14β²+β-1.709e^-11 (18)以本发明上升段为例：

当Q＝3.02m³/s,D＝1.6m，L₂＝3.2m时，

由可得，v＝1.5m/s,

由达西公式：可得，且对于大型泵站通常采用混凝土管道：即，λ＝0.0139

得H_f＝0.002m，此沿程水力损失远远小于传统经验法给出的水力损失，

式中：H_f—沿程水力损失，m；

λ—摩擦系数；

L₂—上升段管道长度，m；

v—管道内有效截面上的平均流速,m/s；

D—上升段管道直径，m；

g—重力加速度，m/s²。

因此，本发明给出的上升段沿程水力损失比传统经验法得出的水力损失更为可靠，其他各部分水力损失算法与之类似。

本发明采用系统准确的公式设计法进行一种泵站用的虹吸式出水流道的主要几何参数的设计，通过对相关参数的优化设计来降低其水力损失，从而提高泵站运行的稳定性，同时延长了泵的使用寿命和泵站的维修周期。不仅如此，其还具有良好的经济效应。

综上所述，为本发明专利参照实施例做出的具体说明，但是本发明并不局限于上述实施例，也包含本发明构思范围内的其他实施例以及变形例。

Claims (6)

1.一种泵站用的虹吸式出水流道的设计方法，其特征在于，所述虹吸式出水流道的主要几何参数包括：虹吸式出水流道驼峰的断面宽度B、虹吸式出水流道出水弯管段的出口直径D、虹吸式出水流道扩散段的高度L₁、虹吸式出水流道出水弯管段的曲率半径R₁、虹吸式出水流道出水弯管段的弯曲角α₁、虹吸式出水流道上升段的上升角α、虹吸式出水流道上升段的长度L₂、虹吸式出水流道下降段的下倾角β、虹吸式出水流道下降段的长度L₃、叶轮中轴线至虹吸式出水流道出口的长度L，其特征关系如下：

B＝0.964e^0.5713D (1)

$D=0.5581e^{0.6807D_0}+7.103e^{20.1D_0-18}---\left(2\right)$

$\begin{array}{c}{L}_1=-0.06566\cos \left(11.75D_0\right)+0.05635\sin \left(11.75D_0\right)+0.02037\cos \left(23.5D_0\right)-\\ 0.0011\sin \left(23.5D_0\right)+0.8793\end{array}---\left(3\right)$

$R_1=4.448e^{-{\left(\frac{Q-6.978}{5.048}\right)}^2}+0.906e^{-{\left(\frac{Q-2}{2.812}\right)}^2}---\left(4\right)$

α₁＝-1.894Q⁴+23.69Q³-103.6Q²+167.4Q+4.73 (5)

$\mathrm{\α}=-9.243e^{-3.826Q^2}+3.71sin\left(0.4031{\mathrm{\π\α}}_{1}Q\right)+38.78---\left(6\right)$

L₂＝4.593e^-5a^3.143+1.27 (7)

β＝-25.08sin Q+0.2243Q²+42.4 (8)

$L_3=15.8e^{-{\left(\frac{\mathrm{\β}-160.1}{79.1}\right)}^2}---\left(9\right)$

$L=9.452+9.869e^{-22.081{L_3}^2}-0.9522sin\left(0.09826{\mathrm{\πL}}_2{L}_3\right)---\left(10\right)$

式中：

B—虹吸式出水流道驼峰的断面宽度，米；

D—虹吸式出水流道出水弯管段的出口直径，米；

L₁—虹吸式出水流道扩散段的高度，米；

R₁—虹吸式出水流道出水弯管段的曲率半径，米；

α₁—虹吸式出水流道出水弯管段的弯曲角，度；

α—虹吸式出水流道上升段的上升角，度；

L₂—虹吸式出水流道上升段的长度，米；

β—虹吸式出水流道下降段的下倾角，度；

L₃—虹吸式出水流道下降段的长度，米；

L—叶轮中轴线至虹吸式出水流道出口的长度,米；

D₀—泵站用泵的叶轮直径，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒。

2.根据权利要求1所述的一种泵站用的虹吸式出水流道的设计方法，其特征在于，所述虹吸式出水流道的几何参数还包括虹吸式出水流道上升段的平面扩散角Φ、虹吸式出水流道出口段的曲率半径R₃、虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面高度h_i、虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面过渡圆半径r_i，设计公式为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{0.6294tan\left(0.1985D_{0}Q\right)}{D_0+Q}+207.5e^{0.0002095Q}-206.7---\left(11\right)$

R₃＝-0.467sin Q+0.002965cos Q+0.05814tan Q+3.267 (12)

$\begin{array}{c}{h}_i=0.9191+0.06791\cos \left(2.981Q\right)-0.01386\sin \left(2.981Q\right)+0.001356\cos \left(5.962Q\right)+\\ 0.01662\sin \left(5.962Q\right)\end{array}---\left(13\right)$

r_i＝-0.007235e^0.66Q+0.233e^0.2204Q (14)

式中：

Φ—虹吸式出水流道上升段的平面扩散角，度；

R₃—虹吸式出水流道出口段的曲率半径，米；

h_i—虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面高度，米；

r_i—虹吸式出水流道下降段以及出口段的断面过渡圆半径，米；

D₀—泵站用泵的叶轮直径，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒。

3.根据权利要求1所述的一种泵站用的虹吸式出水流道的设计方法，其特征在于，所述虹吸式出水流道的几何参数还包括虹吸式出水流道驼峰的断面高度h，设计公式为：

h＝2.845e^-11+0.4333B+1.635e^-11Q+1.697e^-11B²-1.254e^-11BQ+2.304e^-12Q² (15)

式中：

h—虹吸式出水流道驼峰的断面高度，米；

B—虹吸式出水流道驼峰的断面宽度，米；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒。

4.根据权利要求3所述的一种泵站用的虹吸式出水流道的设计方法，其特征在于，所述虹吸式出水流道的几何参数还包括虹吸式出水流道驼峰的曲率半径R₂，设计公式为：

R₂＝5.461sin(9.568h+9.443)+3.466sin(12.27h+22.09) (16)

式中：

R₂—虹吸式出水流道驼峰的曲率半径，米；

h—虹吸式出水流道驼峰的断面高度，米。

5.根据权利要求1所述的一种泵站用的虹吸式出水流道的设计方法，其特征在于，所述虹吸式出水流道的几何参数还包括虹吸式出水流道驼峰的弯曲角α₂，设计公式为：

${\mathrm{\α}}_2=\frac{2744Q^2+2.522e^{4}Q-1.352e^4}{Q^3+248.2Q^2-748.5Q+769.2}---\left(17\right)$

式中：

α₂—虹吸式出水流道驼峰的弯曲角，度；

Q—泵站用泵的流量，米³/秒。

6.根据权利要求1所述的一种泵站用的虹吸式出水流道的设计方法，其特征在于，所述虹吸式出水流道的几何参数还包括虹吸式出水流道出口段的弯曲角α₃，设计公式为：

a₃＝9.443e^-21β⁵-3.911e^-18β⁴+5.835e^-16β³-4.067e^-14β²+β-1.709e^-11 (18)

式中：

α₃—虹吸式出水流道出口段的弯曲角，度；

β—虹吸式出水流道下降段的下倾角，度。