CN108223386B - 一种大型灯泡贯流泵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型灯泡贯流泵装置，包括沿水流方向依次设置的进水口、进水流道、转轮室、导叶体段、灯泡体段、出水流道和出水口。转轮包括导水锥、轮毂和转轮主轴，轮毂外表面呈球面，转轮叶片沿轮毂周向均匀布设，且均为不对称扭曲叶片，导叶体段内置数量为4~6的不对称导叶，单张导叶出口正对进人孔，以减小进人孔对导叶出口流态的影响。灯泡体贯穿导叶体段和灯泡体段，灯泡体尾部为椭圆形，以减小尾部回流区域。本发明经数值模拟与试验验证，泵装置效率可达80%以上，泵叶轮效率可达91%以上，该泵型能够用于中低扬程大流量泵站运行，也可供现有灯泡贯流泵站更新改造使用。

Description

一种大型灯泡贯流泵装置
技术领域
本发明涉及流体机械及能源动力技术领域，特别是一种大型灯泡贯流泵装置。
背景技术
南水北调是我国一项对社会、经济、生态来说都具备重要意义的伟大工程。贯流泵是南水北调工程中低扬程、大流量泵站的优选泵型，而卧式安装的灯泡贯流泵具有进、出水流道平顺贯通、水流条件好、水力损失小等优点，因此设计开发高效的灯泡贯流泵对减少能源消耗，获得较为理想的经济效益具有较为深远的意义。
目前，大型灯泡贯流泵机组在国内外的实际应用并不多，主要是对泵型在设计、制造及运行管理方面缺乏经验。日本早在20世纪70年代就建成了新川口泵站，而我国灯泡贯流泵的建设起步较晚，上世纪90年代在江苏建成某泵站是首次采用灯泡贯流式机组，但是泵站投入运行后发现该站机组启动困难、电机超功率、装置效率低，因此已有的灯泡贯流泵站面临着泵装置水力优化设计、结构优化设计等方面需要解决的问题。未来南水北调工程更多将会采用灯泡贯流泵，为了充分实现该工程的高效经济运行，具备更优水力性能的灯泡贯流泵呼之欲出，以发挥该泵型最大优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种大型灯泡贯流泵装置，该大型灯泡贯流泵装置的效率可达80％以上，泵叶轮效率可达91％以上，能够用于中低扬程大流量泵站运行，能解决目前灯泡贯流泵装置所面临的效率低、结构复杂以及泵站轴向尺寸大、投资较高等技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种大型灯泡贯流泵装置，包括转轮、导叶、灯泡体、以及沿水流方向依次设置的进水口、进水流道、转轮室、导叶体段、灯泡体段、出水流道和出水口。
转轮设置在转轮室中，转轮包括沿水流方向依次同轴固定设置的导水锥、轮毂和转轮主轴，轮毂外表面呈球面，转轮叶片沿轮毂的周向均匀布设。
灯泡体卧式安装在导叶体段和灯泡体段中，导叶固定设置在灯泡体的头部，转轮主轴与设置在灯泡体内的电动机相连接，灯泡体的尾部呈椭圆形。
还包括进人孔和进线孔，进人孔设置在导叶体段后部且正对单张导叶出口；进线孔设置在灯泡体段，且位于灯泡体的中后部两侧。
进人孔长度L9、进人孔最大宽度B3与转轮直径D1的比值分别为0.430～0.434、0.324～0.328；进线孔截面为圆形，进线孔直径D7与转轮直径D1的比值为0.321～0.325。
导叶采用不对称导叶翼型，导叶数为4～6，导叶中线所在截面的翼型弦长c与转轮直径D1的比值为0.581～0.585，导叶中线所在截面的翼型最大厚度dmax与导叶中线所在截面的翼型弦长c的比值为0.033～0.037，导叶中线所在截面的翼型最大弯度fmax与导叶中线所在截面的翼型弦长c的比值为0.098～0.102。
导叶体段长度L4与转轮直径D1的比值为1.051～1.055，导叶体段进口直径D3、导叶体段出口直径D4与转轮直径D1的比值分别为1.017～1.021、1.696～1.700。
转轮叶片采用不对称扭曲叶片，从轮毂侧到轮缘由不等厚度、不等弦长的翼型组成，转轮叶片数为3～5，以0.5倍转轮直径D1的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度
Figure BDA0001488695140000021
为1.087～1.091。
转轮室长度L3与转轮直径D1的比值为0.385～0.389，转轮室进口直径D2、转轮室出口直径D3与转轮直径D1的比值分别为0.996～1、1.017～1.021，转轮主轴直径D0与转轮直径D1的比值为0.348～0.352；轮毂直径Dh与转轮直径D1的比值为0.398～0.402；导水锥母线由三段圆弧拟合而成，三段圆弧半径R1、R2、R3与转轮直径D1的比值分别为1.219～1.223、0.240～0.244、0.050～0.054。
灯泡体段总长L5与转轮直径D1的比值为2.056～2.060，灯泡体段的截面由圆至方，灯泡体段进口直径D4与转轮直径D1的比值为1.696～1.700，灯泡体段出口为正方形，灯泡体段出口边长B4与转轮直径D1的比值为1.696～1.70，灯泡体总长Lb与转轮直径D1的比值为3.023～3.027，灯泡体最大直径Db与转轮直径D1的比值为1.063～1.067。
进水口的进口断面呈矩形，底部为平面；进水口长度L1、进水口宽度B1、进水口高度H1与转轮直径D1的比值分别为0.498～0.502、2.098～2.102、1.986～1.900；进水流道由前直锥段和后圆台段连接而成，进水流道的截面形状由方渐变为圆；进水流道长度L2、进水流道高度H2与转轮直径D1的比值分别为3.547～3.551、1.598～1.602，前直锥段入口宽度B2和前直锥段出口直径D5与转轮直径D1的比值分别为2.008～2.102、1.598～1.602。
出水流道长度L6与转轮直径D1的比值为1.804～1.808，出水流道进口截面为正方形，出水流道进口边长B4与转轮直径D1的比值为1.696～1.70，出水流道出口宽度B5与转轮直径D1的比值为2.098～2.102，出水流道出口高度H3与转轮直径D1的比值为1.910～1.914；出水口与出水流道出口相接，出水口长度L7、出水口宽度B5、出水口高度H4与转轮直径D1的比值分别为0.807～0.811、2.098～2.102、2.266～2.270。
本发明具有的有益效果如下：
1、本发明的大型灯泡贯流泵装置经数值模拟与试验验证，在26m3/s～34m3/s流量范围内，泵扬程为3.6m左右时，泵装置效率可达80％以上，泵叶轮效率可达91％以上，能够用于中低扬程大流量泵站运行，也可供现有灯泡贯流泵站更新改造使用。
2、本发明的大型灯泡贯流泵装置中导叶翼型弦长较长，弯曲度较大且导叶各翼型相对扭角较大，导叶摆放位置为单张导叶出口正对进人孔。导叶的摆放位置能够有效消除液体环量，转换转轮出口速度能为压能，同时调整叶轮出口流态，导叶体段扬程损失仅为0.25m左右。
3、本发明的大型灯泡贯流泵装置中灯泡体尾部较以往灯泡贯流泵灯泡体加长，且型线采用椭圆形，有效减小了灯泡尾部的回流旋涡区域，灯泡体段扬程损失仅为0.1m左右。同时灯泡体上部进线孔与进人孔分离，可以保证机组检修人员的安全性，保障机组线路的可靠性，底部增设管型支座，有利于灯泡体固定与机组运行的稳定性。
附图说明
图1显示了本发明一种大型灯泡贯流泵装置的正视剖视图。
图2显示了本发明一种大型灯泡贯流泵装置的俯视剖视图。
图3显示了本发明中转轮的立体图。
图4显示了本发明中转轮的主视图。
图5显示了本发明中转轮叶片在0.5D1处的翼型分布示意图。
图6显示了本发明中导叶体段的结构示意图。
图7显示了本发明中导叶的结构示意图。
图8显示了导叶沿图7中A-A截面的翼型形状示意图。
图中：1、进水口；2、进水流道；3、导水锥；4、转轮室；5、转轮主轴；6、导叶体段；7、灯泡体段；8、进线孔；9、灯泡体；10、出水流道；11、出水口；12、管型支座；13、进人孔；14、导叶；15、轮毂；16、转轮叶片。
另外，图中各字母为：B1、进水口宽度；B2、前直锥段宽度；B3、管型支座最大宽度(也即进人孔最大宽度)；B4、灯泡体段出口边长(也即出水流道进口边长)；B5、出水口宽度(也即出水流道出口宽度)；D0、转轮主轴直径；D1、转轮直径；D2、转轮室进口直径；D3、转轮室出口直径(也即导叶体段进口直径)；D4、导叶体段出口直径(也即灯泡体段进口直径)；D5、前直锥段出口直径；D7、进线孔直径；Dh、轮毂直径；Db、灯泡体直径；H1、进水口高度；H2、进水流道高度；H3、出水流道出口高度；H4、出水口高度；L1、进水口长度；L2、进水流道长度；L3、转轮室长度；L4、导叶体段长度；L5、灯泡体段长度；L6、出水流道长度；L7、出水口长度；L8、管型支座长度；L9、进人孔长度；Lb、灯泡体长度；R1、R2、R3分别为导水锥的三段圆弧半径；l、转轮叶片翼型弦长；t、转轮叶片栅距；c、导叶翼型弦长；dmax、导叶翼型最大厚度；fmax、导叶翼型最大弯度。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种大型灯泡贯流泵装置，包括转轮、导叶14、灯泡体9、进人孔13、进线孔8、以及沿水流方向依次设置的进水口1、进水流道2、转轮室4、导叶体段6、灯泡体段7、出水流道10和出水口11。
如图1、图2所示，进水口的断面呈矩形，底部为平面，便于安装。进水口长度L1、进水口宽度B1、进水口高度H1与转轮直径D1的比值分别为0.498～0.502(优选为0.5)、2.098～2.102(优选为2.1)、1.986～1.900(优选为1.987)。
进水流道2连接进水口1与转轮室4，进水流道2由前直锥段与后圆台段连接而成，且进水流道2的水流截面逐渐收缩，优选为由方渐变为圆，用以提供足够的时间与空间整流，使得水流能够更加平顺的进入转轮室4中。
进水流道长度L2与转轮直径D1的比值为3.547～3.551(优选为3.549)；前直锥段入口宽度B2、前直锥段出口直径D5与转轮直径D1的比值分别为2.008～2.102(优选为2.1)、1.598～1.602(优选为1.6)；进水流道高度H2与转轮直径D1的比值为1.598～1.602(优选为1.6)。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，转轮室长度L3与转轮直径D1的比值为0.385～0.389(优选为0.387)，转轮室进口直径D2、转轮室出口直径D3与转轮直径D1的比值分别为0.996～1(优选为0.997)、1.017～1.021(优选为1.019)。
如图3所示，转轮设置在转轮室中，转轮包括沿水流方向依次同轴固定设置的导水锥3、轮毂15和转轮主轴5。
如图4所示，导水锥母线由三段圆弧拟合而成，三段圆弧半径R1、R2、R3与转轮直径D1的比值分别为1.219～1.223(优选为1.221)、0.240～0.244(优选为0.242)、0.050～0.054(优选为0.052)。
轮毂外表面呈球面，方便转轮叶片的安装与固定，同时根据不同运行要求，方便进行转轮叶片角度的调整。轮毂比即轮毂直径Dh与转轮直径D1的比值优选为0.398～0.402，进一步优选为0.4。
转轮叶片16沿轮毂的周向均匀布设，转轮叶片16采用不对称扭曲叶片，从轮毂侧到轮缘由不等厚度、不等弦长的翼型组成，叶片数为3～5。如图5所示，以0.5倍转轮直径D1的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度
Figure BDA0001488695140000051
为1.087～1.091(优选为1.089)。
转轮主轴5用来连接转轮与放置在灯泡体内的电动机，起传动作用。转轮主轴直径D0与转轮直径D1的比值为0.348～0.352(优选为0.350)。
如图1、图2、图6、图7、图8所示，导叶体段6位于转轮出口，导叶体段长度L4与转轮直径D1的比值为1.051～1.055(优选为1.053)，导叶体段进口直径D3与转轮直径D1的比值为1.017～1.021(优选为1.019)，导叶体段出口直径D4与转轮直径D1的比值为1.696～1.700(优选为1.697)。
导叶体段6内置数量为4～6的导叶14，单张导叶出口正对进人孔13，以减小进人孔13对导叶出口流态的影响。
如图7和图8所示，导叶14采用不对称导叶翼型，导叶中线所在截面(也即图7中的A-A截面)中导叶翼型弦长c与转轮直径D1的比值为0.581～0.585(优选为0.583)，导叶翼型最大厚度dmax与导叶翼型弦长c的比值，也即
Figure BDA0001488695140000052
为0.033～0.037(优选为0.035)，导叶翼型最大弯度fmax与导叶翼型弦长c的比值，也即
Figure BDA0001488695140000061
为0.098～0.102(优选为0.1)。
导叶体段6后部设置进人孔13，进人孔长度L9与转轮直径D1的比值为0.430～0.434(优选为0.431)，进人孔最大宽度B3与转轮直径D1的比值为0.324～0.328(优选为0.326)。
如图1、图2所示，灯泡体段总长L5与转轮直径D1的比值为2.056～2.060(优选为2.058)，灯泡体段7截面由圆至方，灯泡体段进口直径D4与转轮直径D1的比值为1.696～1.700(优选为1.697)，灯泡体段7出口为正方形，灯泡体段出口边长B4与转轮直径D1的比值为1.696～1.70(优选为1.697)。
灯泡体卧式安装在导叶体段和灯泡体段中，并贯穿导叶体段6和灯泡体段7，灯泡体9尾部型线为椭圆形，能有效减小灯泡尾部的回流旋涡区域，灯泡体段扬程损失仅为0.1m左右。
如图6所示，导叶固定设置在灯泡体的头部，形成固定导叶。
灯泡体总长Lb与转轮直径D1的比值为3.023～3.027(优选为3.025)，灯泡体最大直径Db与转轮直径D1的比值为1.063～1.067(优选为1.065)。
进线孔设置在灯泡体段，且位于灯泡体的中后部两侧。进线孔8截面为圆形，进线孔直径D7与转轮直径D1的比值为0.321～0.325(优选为0.323)。
由于灯泡体整体较长，体积较大，因而在灯泡底部增加管型支座12，用以加固灯泡体，增加机组运行稳定性。
管型支座长度L8与转轮直径D1的比值为1.430～1.434(优选为1.432)，管型支座最大宽度B3与转轮直径D1的比值为0.324～0.328(优选为0.326)。
出水流道10的断面优选为矩形，且出水流道的出口面积逐渐增大，有利于减缓水流出口流速，从而降低扬程损失。
出水流道长度L6与转轮直径D1的比值为1.804～1.808(优选为1.807)，出水流道10的进口截面为正方形，出水流道进口边长B4与转轮直径D1的比值为1.696～1.70(优选为1.697)，出水流道出口宽度B5与转轮直径D1的比值为2.098～2.102(优选为2.1)，出水流道出口高度H3与转轮直径D1的比值为1.910～1.914(优选为1.912)。
出水口11与出水流道10的出口相接，出水口长度L7与转轮直径D1的比值为0.807～0.811(优选为0.809)，出水口宽度B5与转轮直径D1的比值为2.098～2.102(优选为2.1)，出水口高度H4与转轮直径D1的比值为2.266～2.270(优选为2.268)。
以下是几个具体算例：
设泵装置转轮直径D1＝3.1m，机组额定转速n＝125r/min。
例1，转轮叶片转角为11°时，泵装置扬程为3.48m，机组实测流量28.0m3/s，泵装置效率81.86％，水泵效率91.03％，导叶体段扬程损失0.23m，灯泡体段扬程损失为0.09m；
例2，转轮叶片转角为13°时，泵装置扬程为3.63m，机组实测流量30.3m3/s，泵装置效率82.09％，水泵效率91.27％，导叶体段扬程损失0.27m，灯泡体段扬程损失为0.08m；
例3，转轮叶片转角为15°时，泵装置扬程为3.90m，机组实测流量32.0m3/s，泵装置效率81.03％，水泵效率91.33％，导叶体段扬程损失0.26m，灯泡体段扬程损失为0.11m；
例4，转轮叶片转角为17°时，泵装置扬程为4.19m，机组实测流量34.0m3/s，泵装置效率80.21％，水泵效率91.12％，导叶体段扬程损失0.28m，灯泡体段扬程损失为0.13m。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大型灯泡贯流泵装置，其特征在于：包括转轮、导叶、灯泡体、以及沿水流方向依次设置的进水口、进水流道、转轮室、导叶体段、灯泡体段、出水流道和出水口；
转轮设置在转轮室中，转轮包括沿水流方向依次同轴固定设置的导水锥、轮毂和转轮主轴，轮毂外表面呈球面，转轮叶片沿轮毂的周向均匀布设；
灯泡体卧式安装在导叶体段和灯泡体段中，导叶固定设置在灯泡体的头部，转轮主轴与设置在灯泡体内的电动机相连接，灯泡体的尾部呈椭圆形；
还包括进人孔和进线孔，进人孔设置在导叶体段后部且正对单张导叶出口；进线孔设置在灯泡体段，且位于灯泡体的中后部两侧；进人孔长度L9、进人孔最大宽度B3与转轮直径D1的比值分别为0.430～0.434、0.324～0.328；进线孔截面为圆形，进线孔直径D7与转轮直径D1的比值为0.321～0.325；
导叶采用不对称导叶翼型，导叶数为4～6，导叶中线所在截面的翼型弦长c与转轮直径D1的比值为0.581～0.585，导叶中线所在截面的翼型最大厚度dmax与导叶中线所在截面的翼型弦长c的比值为0.033～0.037，导叶中线所在截面的翼型最大弯度fmax与导叶中线所在截面的翼型弦长c的比值为0.098～0.102；
转轮叶片采用不对称扭曲叶片，从轮毂侧到轮缘由不等厚度、不等弦长的翼型组成，转轮叶片数为3～5，以0.5倍转轮直径D1的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度l/t为1.087～1.091；在26m3/s～34m3/s流量范围内，泵扬程为3.6m左右时，泵装置效率可达80％以上，泵叶轮效率可达91％以上，能够用于中低扬程大流量泵站运行，也能供现有灯泡贯流泵站更新改造使用；
导叶摆放位置为单张导叶出口正对进人孔，导叶的摆放位置能够有效消除液体环量，转换转轮出口速度能为压能，同时调整叶轮出口流态，导叶体段扬程损失仅为0.25m。
2.根据权利要求1所述的大型灯泡贯流泵装置，其特征在于：导叶体段长度L4与转轮直径D1的比值为1.051～1.055，导叶体段进口直径D3、导叶体段出口直径D4与转轮直径D1的比值分别为1.017～1.021、1.696～1.700。
3.根据权利要求1所述的大型灯泡贯流泵装置，其特征在于：转轮室长度L3与转轮直径D1的比值为0.385～0.389，转轮室进口直径D2、转轮室出口直径D3与转轮直径D1的比值分别为0.996～1、1.017～1.021，转轮主轴直径D0与转轮直径D1的比值为0.348～0.352；轮毂直径Dh与转轮直径D1的比值为0.398～0.402；导水锥母线由三段圆弧拟合而成，三段圆弧半径R1、R2、R3与转轮直径D1的比值分别为1.219～1.223、0.240～0.244、0.050～0.054。
4.根据权利要求1所述的大型灯泡贯流泵装置，其特征在于：灯泡体段总长L5与转轮直径D1的比值为2.056～2.060，灯泡体段的截面由圆至方，灯泡体段进口直径D4与转轮直径D1的比值为1.696～1.700，灯泡体段出口为正方形，灯泡体段出口边长B4与转轮直径D1的比值为1.696～1.70，灯泡体总长Lb与转轮直径D1的比值为3.023～3.027，灯泡体最大直径Db与转轮直径D1的比值为1.063～1.067。
5.根据权利要求1所述的大型灯泡贯流泵装置，其特征在于：进水口的进口断面呈矩形，底部为平面；进水口长度L1、进水口宽度B1、进水口高度H1与转轮直径D1的比值分别为0.498～0.502、2.098～2.102、1.986～1.900；进水流道由前直锥段和后圆台段连接而成，进水流道的截面形状由方渐变为圆；进水流道长度L2、进水流道高度H2与转轮直径D1的比值分别为3.547～3.551、1.598～1.602，前直锥段入口宽度B2和前直锥段出口直径D5与转轮直径D1的比值分别为2.008～2.102、1.598～1.602。
6.根据权利要求1所述的大型灯泡贯流泵装置，其特征在于：出水流道长度L6与转轮直径D1的比值为1.804～1.808，出水流道进口截面为正方形，出水流道进口边长B4与转轮直径D1的比值为1.696～1.70，出水流道出口宽度B5与转轮直径D1的比值为2.098～2.102，出水流道出口高度H3与转轮直径D1的比值为1.910～1.914；出水口与出水流道出口相接，出水口长度L7、出水口宽度B5、出水口高度H4与转轮直径D1的比值分别为0.807～0.811、2.098～2.102、2.266～2.270。
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