CN109468996B - 一体化泵闸装置及闸门泵站系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种一体化泵闸装置及闸门泵站系统，涉及水利工程技术领域和市政水务领域。一体化泵闸装置包括闸门、水泵和导流结构。闸门包括活动闸体和启闭装置，启闭装置用于开启或关闭活动闸体；水泵安装于活动闸体上，水泵包括一吸液口；导流结构设置于水泵上游，邻近于吸液口位置，导流结构越靠近吸液口，导流结构的过流截面越小。本发明一体化泵闸装置占用空间小、使用方便。

Description

一体化泵闸装置及闸门泵站系统

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域和市政水务领域，尤其涉及一种泵闸装置及闸门泵站系统。

背景技术

闸门泵站系统通常包括河道或进水池以及安装于河道或引水渠内的至少一个泵闸装置。泵闸装置包括水泵和闸门，二者均是水利工程中常见的水工建筑物。闸门包括活动闸体以及启闭机构，启闭机构用来关闭或开启活动闸体，使其能在截流与泄流之间切换，水泵用于辅助给水或排水。

传统的泵闸装置中，水泵和活动闸体是相互分开各自独立布置的，通常活动闸体安装于河道或进水池内，水泵安装于岸边陆地上的泵站中，因而占用了岸边陆地空间，建造泵站也会增加整个工程的施工时间及成本，此外在一些岸边陆地窄小的情况下无法安装泵站，使用不便。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的一个目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种占用空间小、使用方便的一体化泵闸装置；

本发明的另一个目的在于提供一种包含本发明的一体化泵闸装置的闸门泵站系统。

根据本发明的一个方面，一种一体化泵闸装置，包括闸门、水泵和导流结构。闸门包括活动闸体和启闭装置，所述启闭装置用于开启或关闭所述活动闸体；水泵安装于所述活动闸体上，所述水泵包括一吸液口；导流结构设置于所述水泵上游，邻近于所述吸液口位置，所述导流结构越靠近所述吸液口，所述导流结构的过流截面越小。

根据本发明的另一个方面，一种闸门泵站系统，包括进水池、出水池，以及设置于所述进水池和所述出水池之间的本发明所述的一体化泵闸装置。

由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：本发明中，水泵安装于闸门的活动闸体，即水泵与闸门集成为一体，这样水泵就无需占用岸边陆地空间，节省了占地面积；并且在岸边陆地面积有限的情况下，仍能成功安装一体化泵闸装置；无需在岸边陆地建造泵站，缩短工程施工周期，降低工程成本，因此本发明使用方便，应用范围广。同时，本发明中设有导流结构，从吸入口流线分布上着手，限制了不规则的流动区域并且有利于消除底部涡带，使得进入水泵吸液口的流体流态均匀，避免了性能曲线偏移，径向力分布不均，水泵汽蚀，振动以及机械部件的损坏等等，有利于延长水泵进而延长一体化泵闸装置的使用寿命，并能有效减小运行振动及噪声，且能有效减小水泵的淹没深度。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1A是本发明一体化泵闸装置第一实施方式的俯视结构示意图；

图1B、图1C、图1D分别示出本发明一体化泵闸装置中的导流结构的不同过流截面的示意图；

图2示出图1A所示的一体化泵闸装置中侧部凸台的变形形状示意图；

图3是图1A中沿面A-A剖开的剖视图；

图4是图1A中沿B-B面剖开的剖视图，示出一种底部凸台的结构；

图5是图1A中沿B-B面剖开的剖视图，示出另一种底部凸台的结构；

图6是本发明一体化泵闸装置第二实施方式的俯视结构示意图；

图7是图6中沿面C-C剖开的剖视图；

图8是本发明闸门泵站系统的结构示意图；

图9示出水泵的安装深度与吸液口直径之间的关系；

图10示出本发明的闸门泵站系统中未安装导流结构情况下的模拟流线图；

图11示出本发明的闸门泵站系统中已安装导流结构情况下的模拟流线图。

图中：100、进水池；110、侧壁；120、底床；130、隔墙；3、活动闸体；4、水泵；40、吸液口；51、侧部凸台；511、侧部导流面；512、限流面；53、底部凸台；531、底部导流面；6、导流罩；200、出水池；300、检修闸门；400、平板格栅。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”、“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“顶”、“底”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。“进水”、“出水”，“上游”、“下游”用来描述闸门关闭并且水泵运转时，水流的流向。当闸门开启时，水流是由重力作用下自由流动的。

本发明一体化泵闸装置的应用范围非常广泛，例如用于防洪排涝、河道调水、雨水调蓄、黑臭河道整治、雨水或污水强制入廊，等等。以上列举的这些应用场合中大都需要包括供流体流动的引水渠、河道、支流等，本发明一体化泵闸装置设置在这些引水渠、河道、支流等中，为了描述简洁起见，以下仅以能代表供流体流动的引水渠为例进行详细说明。

一体化泵闸装置实施方式1

参见1图1A至图5，本发明一体化泵闸装置第一实施方式，设置于进水池100与出水池200之间，进水池100具有两个相对的侧壁110和连接两个侧壁110的底床120。本发明一体化泵闸装置第一实施方式包括闸门、水泵4和导流结构5。

闸门包括活动闸体3和启闭装置(图中未示出)。其中活动闸体3可通过常规的安装结构安装于进水池100。活动闸体3上设有一贯通的安装孔，水泵4通过法兰与活动闸体3相连。启闭装置用于开启或关闭活动闸体3，从而调节活动闸体3两侧的水位。在一实施方式中，启闭装置采用闸门垂直开启的结构。在另一实施方式中，启闭装置采用闸门上翻开启的结构。

水泵4例如可以是一轴流泵，其安装于活动闸体3的安装孔，水泵4的吸液口40悬置在活动闸体3的一侧。

导流结构5设置于水泵4的吸液口40上游，邻近吸液口40位置，用于改善水泵4的吸液口40附近的流体流态。导流结构5越靠近所吸液口40，导流结构5的过流截面越小，但不小于吸液口40的直径。如图1A、图1B、图1C、图1D所示，导流结构5的过流截面FS是指垂直于水流流动方向的截面，导流结构5的入水口为最大过流截面FS1，导流结构5的出水口为最小过流截面FS2，水泵4的吸液口40设置在导流结构5的出水口附近。也就是说，导流结构5随着水泵运转时的水流方向逐渐向水泵4的吸液口40缩小。

导流结构5的多个过流截面中至少包括一个宽度为吸液口40直径2倍、2.5倍或者3倍的过流截面。该过流截面可以是最大过流截面，但不是最小过流截面，即不是最靠近(对齐)吸液口40的过流截面。

导流结构5可以是至少两个相对设置的侧部导流面511，水泵4水平设置，吸液口40位于两个侧部导流面511中间。所述水泵4轴线与进水池100、出水池200轴线重合。侧部导流面511固定在进水池100的两个侧壁110上，并随着水流方向向进水池100中央延伸，直至水泵4的吸液口40附近。侧部导流面511由混凝土板、金属板或玻璃钢板制成。

在该第一实施方式中，导流结构5包括两个相对设置的侧部凸台51。两个侧部凸台51分别固定于进水池100的两个侧壁110上，并向进水池100中央方向延伸。侧部凸台51是实心结构，并由混凝土制成。侧部凸台51上游一侧为具有斜面的侧部导流面511。这种情况下，在建造进水池100时，可以一并建造侧部凸台51，省时省力。当然也可以在现有的进水池的侧壁上加装侧部凸台51。此外，侧部凸台51也可以是由混凝土、金属、塑料或玻璃钢中的一种材料或多种材料复合，制成实心或空心结构。

如图1A所示，在一实施方式中，活动闸体3采用上翻开启的结构，侧部凸台51的水平截面轮廓呈梯形形状，梯形侧部凸台51的下底固定于进水池100的侧壁110，上底向水泵4延伸，两个腰均是倾斜的。梯形侧部凸台51的其中一个腰为侧部导流面511，另一个腰的设置避免了活动闸体3在开启或关闭过程中发生干涉或碰撞，也减少了水泵4、侧部凸台51与活动闸体3之间形成的空间，从而减少淤积。图1A所示的导流结构5对侧部凸台51的尺寸精度要求较低，易于建造。梯形侧部凸台51的上底为限流面512，用于限制水泵4的吸液口40后方的水吸入水泵4中，从而影响流态。限流面512的设置能够提高水泵4的吸水效率，避免水泵4发生汽蚀，避免产生振动和噪声。限流面512与水泵4的吸液口40之间的间隙G的最大值为100mm。

本发明中，侧部凸台51的横截面轮廓不限于图1A所示的形状，其还可以是直角梯形、三角形或弧形等，只要具有倾斜的导流面都是可行的。例如，如图2所示，在另一实施方式中，活动闸体3采用垂直开启的结构，侧部凸台51的横截面轮廓呈直角梯形，在远离水泵4的吸液口40的腰与下底垂直，即将限流面512延伸至活动闸体3，进一步减少水泵4、侧部凸台51与活动闸体3之间形成的空间，进一步减少淤积。

参见图1A，为了将进水池100中的流体顺畅地导向水泵4的吸液口40，如图1A所示，侧部凸台51的侧部导流面511与水泵4轴线之间的夹角α设置为35°，当然该角度α不限于35°，其范围在30°～60°，例如40°、45°、50°、55°等，都是可行的。两侧部导流面511之间的最小过流截面FS2与所述吸液口之间的距离小于或等于0.5倍的吸液口直径。在一实施方式中，两侧部导流面511之间的最小过流截面FS1与吸液口40前端平齐，也就是说侧部导流面511的末端的端棱与吸液口40前端面在同一个平面上(见图2)。

侧部凸台51的限流面512沿着水流方向的长度至少是吸液口直径D的0.5倍。

在一实施方式中，导流结构5还进一步包括底部的底部导流面531，底部导流面531随着水流方向吸液口40延伸。底部导流面531由混凝土板、金属板或玻璃钢板制成。参见图3、图4，本发明一体化泵闸装置第一实施方式中，底部导流面531是底部凸台53的斜面，底部凸台53固定于进水池100的底床120，两端分别连接两个侧部凸台51。活动闸体3关闭时，水泵吸液口40中心线与底部导流面531顶部的距离不大于吸液口40直径，例如为1倍或0.5倍的吸液口40直径都是可行的。底部凸台53的形状、结构、材料以及其与其他结构的尺寸关系等与侧部凸台51形状、结构、材料以及其与其他结构的尺寸关系等类似，这里不再赘述。

本发明中，各种不同的底部凸台53可以与各种不同的侧部凸台51任意组配使用。

活动闸体3关闭，水泵4运转时，水由进水池100依次流经导流结构5、水泵4和出水池200。

一体化泵闸装置实施方式2

参见图6、图7，本发明一体化泵闸装置第二实施方式，与第一实施方式的不同之处仅在于导流结构5不同。

该第二实施方式中，导流结构5是安装于水泵4的吸液口40的导流罩6。导流罩6可采用碳钢、不锈钢、玻璃钢、塑料等材料制造，通过法兰与水泵4吸液口40连接，易于安装和维修。导流罩6呈锥筒形状，可以是圆锥筒或棱锥筒，具有小开口端和大开口端，小开口端连接于水泵4，并将吸液口40包围其中。大开口端过流截面为矩形、圆形或椭圆形。该第二实施方式中，由于进水池100截面是矩形，因此大开口端的过流截面同样为矩形，这样更有利于流体的过渡。

该第二实施方式的其他结构与第一实施方式基本相同，这里不再赘述。

闸门泵站系统实施方式

本发明闸门泵站系统一实施方式包括进水池100、出水池200，以及设置于进水池100与出水池200之间的一体化泵闸装置，其中一体化泵闸装置是本发明前面所述的任意一种一体化泵闸装置。活动闸体3关闭水泵4运转时，水由进水池100依次流经导流结构5、水泵4和出水池200。

参见图8，该实施方式闸门泵站系统包括两套一体化泵闸装置，进水池100和出水池200中设有隔墙130，两套一体化泵闸装置分别在隔墙130与两个侧壁110之间。进水池100和出水池200中分别设置有检修闸门300，检修闸门300位于隔墙130与侧壁110之间，当一体化泵闸装置需要检修时，同时关闭进水池100和出水池200的检修闸门300既可开展检修工作。进水池100中还设置有平板格栅400，平板格栅400是一种可以连续自动拦截并清除流体中各种形状杂物的水处理设备，防止杂物吸入水泵4中造成水泵4损坏。

两套一体化泵闸装置分别为前面所述的第一实施方式和第二实施方式的一体化泵闸装置。在其他一些实施方式中，两套一体化泵闸装置也可以相同，即均为前面所述的第一实施方式或者第二实施方式的一体化泵闸装置。特殊情况下，例如当河道宽度大于3倍的吸液口40直径，但又不足以容纳两套一体化泵闸装置时，两个侧壁110之间的距离L大于水泵4的吸液口40直径D的3倍是可行的，即最大过流截面的宽度大于3倍的吸液口40直径D。

为了节约整个工程的施工周期，一体化泵闸装置可以是在工厂内提前制作完成，将成品运输至现场后安装。此时，进水池100及出水池200可以由混凝土、金属或玻璃钢提前制作完成；进水池100、出水池200可以是分别制作，进水池100和出水池200也可以制作成一体。提前制作的结构例如，进水池100是具有两个相对的侧壁110和连接两个侧壁110的底床120，亦或者是两个相对的侧壁110和连接两个侧壁110的底床120，底床120上连接有至少一道隔墙130，隔墙130平行设置在两侧壁110之间。同时，活动闸体3、水泵4、平板格栅400和检修闸门300也可以提前完成制作和安装。

参见图9，图9示出水泵的安装深度与吸液口直径之间的关系。

进水池100内的流体通常流量较大、流速较高，对水泵4的入口侧水流稳定性要求很高。当水泵4在低液位(淹没深度浅)运行时，在水泵吸液口40处易发生漩涡和紊流等不稳定的流态。为了减少发生汽蚀、振动等不利的运行工况，通常将水泵4安装于很高淹没深度处。如图9所示，水泵4的最低淹没深度S与水泵4吸液口40的直径D的关系需满足：S≥D≥NPSHr，其中NPSHr代表必需汽蚀余量。

本发明一体化泵闸装置中，设有导流结构5，进水池100内的流体经导流结构5整流后，消除了底部涡带和附壁涡带，形成均匀的吸液口40入水流态，避免了汽蚀、振动现象。因此，本发明在导流结构5的作用下，有效降低了水泵4运行所需的最低淹没深度。特别是本发明一体化泵闸装置第一实施方式中的导流结构5，上述效果更为显著。

参见图10、图11，下面以上述闸门泵站系统实施方式为例，说明本发明一体化泵闸装置中的导流结构5所带来的有益技术效果：

图10示出CFD(Computational Fluid Dynami，计算流体动力学)模拟图，其中没有设置导流结构5；图11示出CFD模拟图，其中设置有导流结构5。两者在相同的条件下：淹没深度等于吸液口40的直径D、流速0.6m³/s进行模拟，将图10与图11进行对比可见，采用导流结构5的流道内的流体流态分布要明显优于未导流结构5的流道内的流体流态分布。因此，本发明一体化泵闸装置中的导流结构5能有效消除漩涡，改善水泵4的吸液口40附近的流体流态。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种一体化泵闸装置，设置于进水池与出水池之间，其中所述进水池具有两个相对的侧壁，其特征在于，包括：

闸门，包括活动闸体和启闭装置，所述启闭装置用于开启或关闭所述活动闸体；

水泵，安装于所述活动闸体上，所述水泵包括一吸液口；

导流结构，设置于所述水泵上游，邻近于所述吸液口位置，所述导流结构越靠近所述吸液口，所述导流结构的过流截面越小，

其中，所述导流结构包括至少两个相对设置的侧部导流面，所述水泵的吸液口设置在两个侧部导流面中间，

其中，所述导流结构包括至少两个相对设置的侧部凸台，所述侧部凸台的斜面为所述侧部导流面，

其中，至少两个所述侧部凸台分别固定于两个所述相对的侧壁上。

2.根据权利要求1所述的一体化泵闸装置，其特征在于，所述导流结构最小过流截面与所述吸液口之间的距离不大于0.5倍的吸液口直径。

3.根据权利要求1所述的一体化泵闸装置，其特征在于，所述侧部导流面与水泵轴线的夹角为30°～60°。

4.根据权利要求1所述的一体化泵闸装置，其特征在于，所述导流结构包括一个宽度为所述吸液口直径2～3倍的过流截面。

5.根据权利要求1所述的一体化泵闸装置，其特征在于还包括设置于底部的底部导流面。

6.根据权利要求5所述的一体化泵闸装置，其特征在于，所述活动闸体关闭时，所述水泵吸液口中心线与底部导流面顶部的距离不大于吸液口直径。

7.根据权利要求1所述的一体化泵闸装置，其特征在于，所述的侧部导流面的下游还连接有一限流面，所述限流面位于所述水泵的吸液口下游。

8.一种闸门泵站系统，包括进水池和出水池，其特征在于，还包括如权利要求1～7任一项所述的一体化泵闸装置，所述一体化泵闸装置设置在所述进水池和所述出水池之间。

9.根据权利要求8所述闸门泵站系统，其特征在于，所述进水池和出水池中设有至少一个隔墙，所述一体化泵闸装置的数量为多套，多套一体化泵闸装置相同或不相同，且分别设置于所述进水池的侧壁与隔墙之间以及相邻的两个隔墙之间。

10.根据权利要求8所述闸门泵站系统，其特征在于，所述水泵轴线与进水池、出水池轴线重合。

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