CN110593187B - 前置竖井式贯流泵装置系列出水流道及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了前置竖井式贯流泵装置系列出水流道及其应用方法，属于水利工程泵站技术领域。其特征是：提供前置竖井式贯流泵装置系列出水流道12种方案的断面位置图和断面数据表；根据拟应用本发明的泵站的出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速在所提供的系列出水流道方案中确定适合的出水流道方案；本发明提供的系列出水流道不仅水力性能优异、应用方便，而且适应性强、覆盖面宽，可适用于各种不同出水流道出口宽度与不同水泵名义平均流速的多种组合情况，流道扩散段底边倾角、流道闸门段长度和中隔墩尺寸等可根据泵站的实际需要进行必要调整。本发明对保证前置竖井式贯流泵装置出水流道的水力设计质量，确保泵站的稳定和高效运行具有重要意义。

Description

前置竖井式贯流泵装置系列出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，具体涉及应用于前置竖井式贯流泵装置的系列出水流道及其应用方法，主要用于保证大中型泵站前置竖井式贯流泵装置出水流道的水力设计质量。

背景技术

前置竖井式贯流泵装置具有水力性能优异、结构简单、电机通风散热条件较好、安装检修较方便和投资较少等优点，近10年来在净扬程为3m以下的大中型低扬程泵站得到十分广泛的应用。前置竖井式贯流泵装置出水流道的作用是引导水流在从水泵导叶体出口流向出水池的过程中平缓扩散，以尽可能多地回收水流动能、减少出水流道的水头损失和提高泵装置效率。对于净扬程3m以下的大中型低扬程泵站，出水流道水头损失相对于泵站净扬程的比例很大，所以，设计水力性能优异的出水流道是获得较高泵装置效率的必要条件。前置竖井式贯流泵装置的应用面广量大，所应用的泵站扬程、流量差别很大，水泵叶轮直径、流道尺寸相差很多，出水流道出口断面宽度与水泵名义平均流速之间存在多种不同组合。同时，各地设计院设计人员掌握前置竖井式贯流泵装置出水流道水力设计方法的程度相差较大，导致一些泵站的出水流道效率和泵装置效率偏低，与应该达到的高水平相比存在着较大差距，不同程度地影响到泵站的安全、稳定和高效运行。

发明内容

本发明的目的就是针对前置竖井式贯流泵装置工程应用中存在的上述问题，对数十座已建泵站的主要水力设计参数和几何尺寸进行了统计、分析；根据统计和分析结果，确定前置竖井式贯流泵装置出水流道主要水力设计参数和几何尺寸的取值范围，提出前置竖井式贯流泵装置出水流道水力设计的关键水力设计参数；在满足工程应用的实际需要和分档方案不过于繁多的前提下，对出水流道水力设计系列方案进行了合理分档，得到了出水流道水力设计系列化的12种方案；对这12种方案逐一进行流道型线的优化水力设计研究，使其水力性能达到最优。这12种方案组成的系列进水流道不仅水力性能优异、应用方便，而且适应性强、覆盖面宽，可适用于各种不同出水流道出口断面宽度与不同水泵名义平均流速的多种组合情况，对于保证面广量大的低扬程泵站前置竖井式贯流泵装置出水流道的水力设计水平、实现泵站稳定和高效运行的目标具有重要意义。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的：

前置竖井式贯流泵装置出水流道的几何尺寸均以水泵叶轮直径D为基准值的相对值表示；将前置竖井式贯流泵装置出水流道分为圆台段、扩散段和闸门段；圆台段的形体特征：断面形状为圆形，母线为直线的扩散形圆台；扩散段的形体特征：断面形状由圆形渐变为矩形，断面面积逐步扩大；闸门段的形体特征：流道平面和立面型线均为直线，流道断面形状为矩形；圆台段承接从导叶体流出的较大流速的水流，经初步扩散、减速后进入扩散段，在扩散段内，随着流道断面面积的逐步扩大，水流得到充分的扩散、减速，最终以较小的流速平顺地流入闸门段，经闸门段流入出水池；闸门段用于布置工作闸门和事故闸门；

对数十座已建泵站的水力设计参数和几何尺寸进行了统计，根据统计和分析结果，确定前置竖井式贯流泵装置出水流道主要水力设计参数和几何尺寸的取值范围，提出前置竖井式贯流泵装置出水流道水力设计的关键水力设计参数,选定出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速为前置竖井式贯流泵装置系列出水流道的两个关键参数，确定圆台段的进口断面直径D_yj为1.052D、圆台段的长度L_yt为0.5D和圆台段的出口断面直径D_yc为1.156D，扩散段的平面扩散角θ_pm为17°，闸门段的长度L_zm为2.2D；

流道出口断面高度相对值根据水泵名义平均流速、流道出口断面流速控制要求和出口断面宽度相对值计算得到；在满足工程应用的实际需要和分档方案不过于繁多的前提下，在常用范围内，将出水流道的出口断面宽度B_c分为2.3D、2.4D、2.5D、2.6D、2.7D 5档，将水泵名义平均流速分为3.0m/s、3.5m/s、4.0m/s和4.5m/s 4档；将5档出口断面宽度与4档水泵名义平均流速两两组合，得到出水流道的20种组合方案；在所述出水流道20种组合方案中，按扩散段立面扩散角θ_lm≥0和扩散段当量扩散角θ_dl≤12°的要求剔除不合格方案，得到符合前置竖井式贯流泵装置出水流道基本要求的12种出水流道组合方案，12种出水流道方案的组合方式及对应的编号见表1；然后计算符合要求的12种方案出水流道的出口断面高度H_c见表2；

表1流道出口断面宽度与水泵名义平均流速12种组合所对应的系列出水流道方案的编号

表2 12种方案出水流道的出口断面高度

进一步地，在出水流道出口断面平均流速满足要求的条件下，分别对所述出水流道12种组合方案进行流道型线的优化水力设计(优化计算方法参见扬州大学于2016年5月25日申请的中国发明专利《高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计方法》，专利号：ZL201610018693.6)，使各出水流道方案的水力性能达到最优，最终得到本发明由12种方案组成的前置竖井式贯流泵装置系列出水流道。

进一步地，所述前置竖井式贯流泵装置系列出水流道12种方案的三维形体提供流道扩散段的断面位置图和所对应的断面数据表，所述断面数据表中的数据包括流道扩散段的断面号、纵剖面上边线坐标(X₁，Y₁)、纵剖面下边线坐标(X₂，Y₂)、断面高度H_w、断面宽度B_w和断面形状由圆形渐变为矩形的过渡圆半径R_w；所述12种方案出水流道数据均为以水泵叶轮直径D为基准值的相对值，其中：

第1种方案编号为SC13，所对应的流道出口断面宽度为2.3D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表3；

第2种方案编号为SC14，所对应的流道出口断面宽度为2.3D、水泵名义平均流速为3.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表4；

第3种方案编号为SC22，所对应的流道出口断面宽度为2.4D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表5；

第4种方案编号为SC23，所对应的流道出口断面宽度为2.4D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表6；

第5种方案编号为SC32，所对应的流道出口断面宽度为2.5D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表7；

第6种方案编号为SC33，所对应的流道出口断面宽度为2.5D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表8；

第7种方案编号为SC41，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为4.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表9；

第8种方案编号为SC42，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表10；

第9种方案编号为SC43，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表11；

第10种方案编号为SC51，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为4.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表12；

第11种方案编号为SC52，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为4.0m/s，扩散段断面数据列于表13；

第12种方案编号为SC53，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表14；

所述12种方案出水流道设计流量时的流道水头损失Δh＜0.15m；

表3方案编号为SC13的出水流道扩散段断面数据表

表4方案编号为SC14的出水流道扩散段断面数据表

表5方案编号为SC22的出水流道扩散段断面数据表

表6方案编号为SC23的出水流道扩散段断面数据表

表7方案编号为SC32的出水流道扩散段断面数据表

表8方案编号为SC33的出水流道扩散段断面数据表

表9方案编号为SC41的出水流道扩散段断面数据表

表10方案编号为SC42的出水流道扩散段断面数据表

表11方案编号为SC43的出水流道扩散段断面数据表

表12方案编号为SC51的出水流道扩散段断面数据表

表13方案编号为SC52的出水流道扩散段断面数据表

表14方案编号为SC53的出水流道扩散段断面数据表

本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现的，水力性能优异的系列出水流道的应用方法，在上述方案的基础上，还包括以下步骤：

(1)根据拟应用本发明的泵站的机组中心距和所确定的进水流道进口断面宽度，确定出水流道出口断面宽度B_c的适宜取值；

(2)根据所述泵站的单泵设计流量和水泵叶轮直径，根据下式计算水泵名义平均流速：

式中，

－－水泵名义平均流速，m/s；

Q－－单泵设计流量，m³/s；

D－－水泵叶轮直径，m；

(3)根据已确定的所述泵站出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速，在表1中选择对应的出水流道方案的编号；

(4)根据所选择的出水流道方案的编号，在本发明的系列出水流道中找到所对应的流道立面图(含断面位置线)、平面图(含断面位置线)和断面数据表；

(5)将第(5)步骤所找到的流道立面图(含断面位置线)、平面图(含断面位置线)和断面数据表中各几何尺寸相对值乘以所述泵站拟采用的水泵叶轮直径D进行换算，得到所述泵站出水流道的实际所需尺寸；

(6)所述系列出水流道扩散段的底边为平底，根据所述泵站出水池翼墙布置的实际需要，可在保持扩散段出口断面高度和流道平面尺寸不变的条件下将第(5)步骤换算后的出水流道扩散段的底边适当上抬；

(7)所述系列出水流道的闸门段长度L_zm为2.2D，根据所述泵站上部结构布置的实际需要，可对第(5)步骤换算后的闸门段长度L_zm进行调整，调整所述闸门段长度L_zm时保持闸门段的宽度和高度不变；

(8)所述系列出水流道内未设中隔墩，根据所述泵站泵房及闸门结构设计方面的需要，可在出水流道内增设适当尺寸的中隔墩；

(9)根据所述换算并调整后的出水流道的实际几何尺寸，在CAD绘图软件中绘制可供泵站工程设计采用的出水流道单线图。

本发明提供前置竖井式贯流泵装置系列出水流道12种方案的断面位置图和断面数据表；根据拟应用本发明的泵站的出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速在所提供的系列出水流道方案中确定适合的出水流道方案。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明提供的由12种方案组成的系列出水流道适应性强、应用面宽，可适用于各种不同出水流道出口断面宽度与不同水泵名义平均流速的多种组合情况；本发明的前置竖井式贯流泵装置系列出水流道的所有尺寸均用相对值表示，将这些相对值乘以水泵叶轮直径D即可得到实际所需的流道尺寸；扩散段底边倾角、闸门段长度和中隔墩可根据泵站的实际需要进行必要的调整；

第二，本发明提供的由12种方案组成的系列出水流道经系统的优化水力设计研究，各个方案均达到水力性能优异，其设计流量时的流道水头损失Δh＜0.15m；

第三，本发明提供的由12种方案组成的系列出水流道应用方法简单，便于广大工程技术人员采用，避免了对前置竖井式贯流泵装置出水流道进行优化水力设计计算和模型试验等大量的重复性研究工作，提高了工程设计质量、缩短了设计工作周期，对于保证前置竖井式贯流泵装置出水流道水力设计的高质量和泵站安全、稳定和高效运行具有重要意义。

附图说明

图1(a)是本发明提供的出水流道的流道立面尺寸示意图；

图1(b)是本发明提供的出水流道的流道平面尺寸示意图；

图1(c)是图1(a)和图1(b)中的A_i—A_i断面图；

图2(a)是本发明提供的出水流道的流道断面位置线(立面图)；

图2(b)是本发明提供的出水流道的流道断面位置线(平面图)；

图3(a)是出水流道扩散段底边上抬示意图(立面图)；

图3(b)是出水流道扩散段底边上抬示意图(平面图)；

图4(a)是出水流道闸门段长度调整示意图(立面图)；

图4(b)是出水流道闸门段长度调整示意图(平面图)；

图5(a)是出水流道内增设中隔墩的示意图(立面图)；

图5(b)是出水流道内增设中隔墩的示意图(平面图)；

图6(a)是换算并调整后的出水流道单线图(立面图)；

图6(b)是换算并调整后的出水流道单线图(平面图)；

图中：1圆台段，2扩散段，3闸门段，4纵剖面上边线，5纵剖面下边线，6平面宽度边线，7断面形状由圆形渐变成矩形的过渡圆圆心轨迹线，8中隔墩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

1.本发明的技术方案；

(1)所提供的前置竖井式贯流泵装置出水流道的几何尺寸均以水泵叶轮直径D为基准值的相对值表示；

(2)将前置竖井式贯流泵装置出水流道分为圆台段1、扩散段2和闸门段3，如图1a和1b所示；

(3)根据设计经验及统计结果，确定圆台段1的进口断面直径D_yj为1.052D、圆台段1的长度L_yt为0.5D和圆台段1的出口断面直径D_yc为1.156D，扩散段2的平面扩散角θ_pm为17°，闸门段3的长度L_zm为2.2D；流道出口断面高度相对值则根据水泵名义平均流速、流道出口断面流速控制要求和出口断面宽度相对值计算得到；

(4)根据统计结果，在常用范围内，将出水流道的出口断面宽度B_c分为2.3D、2.4D、2.5D、2.6D、2.7D 5档，将水泵名义平均流速分为3.0m/s、3.5m/s、4.0m/s和4.5m/s 4档；将5档出口断面宽度与4档水泵名义平均流速两两组合，得到出水流道的20种组合方案；

(5)在所述出水流道20种组合方案中，按扩散段立面扩散角θ_lm≥0和扩散段当量扩散角θ_dl≤12°的要求剔除不合格方案，得到符合前置竖井式贯流泵装置出水流道要求的12种出水流道组合方案(见表1)，所述12种方案出水流道的出口断面高度H_c见表2；

(6)在出水流道出口断面平均流速满足要求的条件下，分别对所述出水流道12种组合方案的扩散段的纵剖面上边线4、纵剖面下边线5、平面宽度边线6和断面形状由圆形渐变成矩形的过渡圆圆心轨迹线7分别进行专门的优化水力设计研究，使它们的水力性能均达到最优，得到本发明由12种方案组成的系列进水流道；

(7)所述系列出水流道的扩散段2提供详细的断面位置和断面数据；

(8)根据拟应用本发明的泵站出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速在系列出水流道中选择对应的出水流道方案的编号；

(9)所述对应编号出水流道方案的各几何尺寸相对值乘以所述泵站拟采用的水泵叶轮直径D即可得所述泵站出水流道实际所需尺寸；

(10)所述对应编号出水流道方案的扩散段2和闸门段3的参数可根据所述泵站的实际需要在一定范围内调整；

2.提供的系列出水流道水力性能优异；

(1)根据出水流道的实际应用要求，经过专门的优化水力设计研究得到；

(2)主要水力性能指标为：设计流量时的流道水头损失Δh＜0.15m。

3.所提供的系列出水流道几何形体的表达方式；

(1)将前置竖井式贯流泵装置出水流道分为圆台段1、扩散段2和闸门段3，如图1(a)和图1(b)所示；

(2)所述扩散段2是出水流道设计的核心部分，其作用是使水流进行平缓扩散，该段流道宽度逐步增大，同时断面形状由进口的圆形断面渐变为出口的矩形断面，扩散段2的纵剖面上边线4、纵剖面下边线5和平面宽度边线6起始于圆台段1的出口断面、结束于闸门段3的进口断面；为准确表达该段的三维形体，提供扩散段2的断面位置图和断面数据表，所述流道断面位置图示于图2a和图2b，所述断面数据表中的数据包括扩散段2的纵剖面上边线4的坐标(X₁，Y₁)、纵剖面下边线5的坐标(X₂，Y₂)、断面高度H_w、断面宽度B_w和断面过渡圆半径R_w，流道断面形状如图1c所示；

(3)所述圆台段1位于扩散段2进口断面之前，是水泵导叶体和扩散段2之间的过渡段；圆台段1的断面形状为圆形，其作用是承接从水泵导叶体流出的较大流速的水流，经初步扩散、减速后进入扩散段2中；圆台段1的几何参数包括进口断面直径D_yj、长度L_yt、出口断面直径D_yc，如图1(a)和图1(b)所示；

(4)所述闸门段3位于扩散段2出口断面之后，闸门段3是用于布置工作闸门和事故闸门，闸门段3的平面和立面型线均为直线，流道断面形状为矩形；闸门段3的几何参数包括长度L_zm、流道出口断面高度H_c和流道出口断面宽度B_c，如图1(a)和图1(b)所示；

(5)所提供的系列出水流道分为12种方案，其几何尺寸均为以水泵叶轮直径D为基准值的相对值；其中：第1种方案编号为SC13，所对应的流道出口断面宽度为2.3D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表3；第2种方案编号为SC14，所对应的流道出口断面宽度为2.3D、水泵名义平均流速为3.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表4；第3种方案编号为SC22，所对应的流道出口断面宽度为2.4D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表5；第4种方案编号为SC23，所对应的流道出口断面宽度为2.4D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表6；第5种方案编号为SC32，所对应的流道出口断面宽度为2.5D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表7；第6种方案编号为SC33，所对应的流道出口断面宽度为2.5D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表8；第7种方案编号为SC41，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为4.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表9；第8种方案编号为SC42，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表10；第9种方案编号为SC43，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表11；第10种方案编号为SC51，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为4.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表12；第11种方案编号为SC52，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为4.0m/s，扩散段断面数据列于表13；第12种方案编号为SC53，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表14；

4.系列出水流道应用方法；

(1)根据拟应用本发明的泵站的出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速，在表1中选定对应的出水流道方案的编号；

(2)根据所选择的出水流道方案的编号，在本发明的系列出水流道中找到所对应的出水流道方案的立面图(含断面位置线)、平面图(含断面位置线)和断面数据表；

(3)将第(2)步骤所找到的出水流道立面图(含断面位置线)、平面图(含断面位置线)和断面数据表中各几何尺寸相对值乘以所述泵站拟采用的水泵叶轮直径D进行换算，得到所述泵站出水流道实际所需尺寸；

(4)根据所述泵站的出水池翼墙布置的实际情况，在保持所述对应编号方案的出水流道扩散段2的出口断面高度和流道平面尺寸不变的条件下，可将扩散段2的底边在已有尺寸基础上适当上抬；

(5)根据所述泵站上部结构布置的实际需要，所述对应编号方案的出水流道闸门段3的长度L_zm可在已有尺寸基础上适当增加或减少；调整闸门段3的长度L_zm时保持闸门段3的宽度和高度不变；

(6)根据所述泵站泵房及闸门结构设计方面的需要，所述对应编号方案的出水流道内可增设适当尺寸的中隔墩8；

(7)根据所述第(3)步骤换算和第(4)、(5)、(6)步骤调整后的出水流道的实际几何尺寸，在CAD绘图软件中绘制可供所述泵站工程设计采用的出水流道单线图。

实施例

某大型泵站A设计扬程为3.0m，单泵设计流量为33.5m³/s，拟采用前置竖井式贯流泵装置，水泵叶轮直径D为3.3m，水泵叶轮中心高程

为14.6m，出水池底高程

为13.5m。根据泵站A平面方向机组布置及机组之间隔墩厚度的要求，所需机组中心距为9.9m，进水流道进口断面宽度为8.4m；根据泵站A上部结构的布置要求，所需出水流道总长度为22.5m。应用本发明设计泵站A前置竖井式贯流泵装置的出水流道的步骤如下：(1)本发明提供的出水流道的圆台段1的进口断面直径D_yj＝1.052D＝3.472m，圆台段1的长度L_yt＝0.5D＝1.65m，圆台段1的出口断面直径D_yc＝1.156D＝3.815m，扩散段2的平面扩散角θ_pm＝17°，闸门段3的长度L_zm＝2.2D＝7.26m；(2)泵站A的机组中心距为9.9m，进水流道的进口断面宽度为8.4m，所采用的水泵叶轮直径D＝3.3m，以水泵叶轮直径D为基准，进水流道的进口断面宽度为2.55D，故确定出水流道出口断面宽度B_c的适宜取值为2.5D；

(3)泵站A的单泵设计流量为33.5m³/s，所采用的水泵叶轮直径D＝3.3m，根据水泵名义平均流速计算公式得到水泵名义平均流速为3.919m/s；

(4)根据泵站A确定的出水流道出口断面宽度2.5D和水泵名义平均流速3.919m/s，在表1中选择对应的出水流道方案的编号为SC32；

(5)根据所选择的出水流道方案的编号SC32，在本发明的系列出水流道中找到所对应的扩散段2的断面数据表为表8；

(6)将表8中的各几何尺寸相对值乘以应用泵站A的水泵叶轮直径D＝3.3m进行换算，可得泵站A出水流道扩散段2的各断面实际几何尺寸，列于表15(表中的尺寸单位为m)；

表15泵站A出水流道扩散段的流道断面实际几何尺寸数据表 (m)

(7)泵站A的水泵叶轮中心高程

为14.6m，根据表15中的换算结果，计算出本发明提供的出水流道扩散段2的出口断面底高程为12.693m，而泵站A实际所需出水池底板高程

为13.5m，前者低于后者0.807m；将扩散段2的出口断面底高程上抬0.807m(由12.693m上抬至13.5m)；上抬方式示于图3a和图3b，上抬时保持扩散段2的出口断面高度和流道平面尺寸不变，上抬后的流道出口断面高度用H′_c表示，H′_c＝H_c；

(8)本发明提供的泵站A出水流道圆台段1的长度L_yt＝1.65m，扩散段2的长度为14.838m(根据表15)，闸门段3的长度L_zm＝7.26m，出水流道总长度为23.748m；泵站A实际所需出水流道总长度为22.5m，故将闸门段3的长度L_zm减少1.248m，使出水流道总长度由23.748m减少至22.5m，减少方式示于图4a和图4b，减少后的闸门段3的长度用L′_zm表示；

(9)根据表15中的换算结果，本发明提供的出水流道出口断面宽度为8.25m，泵站A为了减小工作闸门和事故闸门的宽度，在出水流道内增设中隔墩8，增设方式示于图5a和图5b；

(10)根据第(6)步骤换算和第(7)步骤、第(8)步骤、第(9)步骤调整后的出水流道的几何参数，在绘图软件AUTO CAD中绘制泵站A工程设计所需的出水流道单线图(图6a和图6b)。

Claims (5)

1.前置竖井式贯流泵装置系列出水流道，其特征是，前置竖井式贯流泵装置出水流道的几何尺寸均以水泵叶轮直径D为基准值的相对值表示；将前置竖井式贯流泵装置出水流道分为圆台段、扩散段和闸门段；圆台段的形体特征：断面形状为圆形，母线为直线的扩散形圆台；扩散段的形体特征：断面形状由圆形渐变为矩形，断面面积逐步扩大；闸门段的形体特征：流道平面和立面型线均为直线，流道断面形状为矩形；圆台段承接从导叶体流出的较大流速的水流，经初步扩散、减速后进入扩散段，在扩散段内，随着流道断面面积的逐步扩大，水流得到充分的扩散、减速，最终以较小的流速平顺地流入闸门段，经闸门段流入出水池；闸门段用于布置工作闸门和事故闸门；

对数十座已建泵站的水力设计参数和几何尺寸进行了统计，根据统计和分析结果，确定前置竖井式贯流泵装置出水流道主要水力设计参数和几何尺寸的取值范围，提出前置竖井式贯流泵装置出水流道水力设计的关键水力设计参数,选定出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速为前置竖井式贯流泵装置系列出水流道的两个关键参数，确定圆台段的进口断面直径D_yj、圆台段的长度L_yt和圆台段的出口断面直径D_yc、扩散段的平面扩散角θ_pm、闸门段的长度L_zm；

流道出口断面高度相对值根据水泵名义平均流速、流道出口断面流速控制要求和出口断面宽度相对值计算得到；在满足工程应用的实际需要和分档方案不过于繁多的前提下，在常用范围内，将出水流道的出口断面宽度B_c分档，将水泵名义平均流速分档；将出口断面宽度与水泵名义平均流速两两组合，得到出水流道的若干种组合方案；在所述出水流道若干种组合方案中，按扩散段立面扩散角θ_lm≥0和扩散段当量扩散角θ_dl≤12°的要求剔除不合格方案，得到符合前置竖井式贯流泵装置出水流道基本要求的出水流道组合方案，然后计算符合要求的各方案中出水流道的出口断面高度H_c。

2.根据权利要求1所述的前置竖井式贯流泵装置系列出水流道，其特征是，根据设计经验及统计结果，确定圆台段的进口断面直径D_yj为1.052D、圆台段的长度L_yt为0.5D和圆台段的出口断面直径D_yc为1.156D，扩散段的平面扩散角θ_pm为17°，闸门段的长度L_zm为2.2D；

将出水流道的出口断面宽度B_c分为2.3D、2.4D、2.5D、2.6D、2.7D 5档，将水泵名义平均流速分为3.0m/s、3.5m/s、4.0m/s和4.5m/s 4档；将5档出口断面宽度与4档水泵名义平均流速两两组合，得到出水流道的20种组合方案；在所述出水流道20种组合方案中，按扩散段立面扩散角θ_lm≥0和扩散段当量扩散角θ_dl≤12°的要求剔除不合格方案，得到符合前置竖井式贯流泵装置出水流道基本要求的12种出水流道组合方案，12种出水流道方案的组合方式及对应的编号见表1；所述12种方案出水流道的出口断面高度H_c见表2；

表1 流道出口断面宽度与水泵名义平均流速12种组合所对应的系列出水流道方案的编号

表2 12种方案出水流道的出口断面高度

3.根据权利要求2所述的前置竖井式贯流泵装置系列出水流道，其特征是，在出水流道出口断面平均流速满足要求的条件下，分别对所述出水流道12种组合方案进行流道型线的优化水力设计，使各出水流道方案的水力性能达到最优，最终得到本发明由12种方案组成的前置竖井式贯流泵装置系列出水流道。

4.根据权利要求3所述的前置竖井式贯流泵装置系列出水流道，其特征是，由所述前置竖井式贯流泵装置系列出水流道12种方案的三维形体提供流道扩散段的断面位置图和所对应的断面数据表，所述断面数据表中的数据包括流道扩散段的断面号、纵剖面上边线坐标(X₁，Y₁)、纵剖面下边线坐标(X₂，Y₂)、断面高度H_w、断面宽度B_w和断面形状由圆形渐变为矩形的过渡圆半径R_w；所述12种方案出水流道数据均为以水泵叶轮直径D为基准值的相对值，其中：

第1种方案编号为SC13，所对应的流道出口断面宽度为2.3D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表3；

第2种方案编号为SC14，所对应的流道出口断面宽度为2.3D、水泵名义平均流速为3.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表4；

第3种方案编号为SC22，所对应的流道出口断面宽度为2.4D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表5；

第4种方案编号为SC23，所对应的流道出口断面宽度为2.4D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表6；

第5种方案编号为SC32，所对应的流道出口断面宽度为2.5D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表7；

第6种方案编号为SC33，所对应的流道出口断面宽度为2.5D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表8；

第7种方案编号为SC41，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为4.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表9；

第8种方案编号为SC42，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表10；

第9种方案编号为SC43，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表11；

第10种方案编号为SC51，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为4.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表12；

第11种方案编号为SC52，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为4.0m/s，扩散段断面数据列于表13；

第12种方案编号为SC53，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表14；

所述12种方案出水流道设计流量时的流道水头损失△h＜0.15m；

表3 方案编号为SC13的出水流道扩散段断面数据表

表4 方案编号为SC14的出水流道扩散段断面数据表

表5 方案编号为SC22的出水流道扩散段断面数据表

表6 方案编号为SC23的出水流道扩散段断面数据表

表7 方案编号为SC32的出水流道扩散段断面数据表

表8 方案编号为SC33的出水流道扩散段断面数据表

表9 方案编号为SC41的出水流道扩散段断面数据表

表10 方案编号为SC42的出水流道扩散段断面数据表

表11 方案编号为SC43的出水流道扩散段断面数据表

表12 方案编号为SC51的出水流道扩散段断面数据表

表13 方案编号为SC52的出水流道扩散段断面数据表

表14 方案编号为SC53的出水流道扩散段断面数据表

5.根据权利要求4所述的前置竖井式贯流泵装置系列出水流道的应用方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)所提供的系列出水流道的几何尺寸均以水泵叶轮直径D为基准值的相对值表示；将前置竖井式贯流泵装置出水流道分为圆台段、扩散段和闸门段；圆台段的形体特征：断面形状为圆形，母线为直线的扩散形圆台；扩散段的形体特征：断面形状由圆形渐变为矩形，断面面积逐步扩大；闸门段的形体特征：流道平面和立面型线均为直线，流道断面形状为矩形；圆台段承接从导叶体流出的较大流速的水流，经初步扩散、减速后进入扩散段，在扩散段内，随着流道断面面积的逐步扩大，水流得到充分的扩散、减速，最终以较小的流速平顺地流入闸门段，经闸门段流入出水池；闸门段用于布置工作闸门和事故闸门；

对数十座已建泵站的水力设计参数和几何尺寸进行了统计，根据统计和分析结果，确定前置竖井式贯流泵装置出水流道主要水力设计参数和几何尺寸的取值范围，提出前置竖井式贯流泵装置出水流道水力设计的关键水力设计参数,选定出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速为前置竖井式贯流泵装置系列出水流道的两个关键参数；确定圆台段的进口断面直径D_yj为1.052D、圆台段的长度L_yt为0.5D和圆台段的出口断面直径D_yc为1.156D，扩散段的平面扩散角θ_pm为17°，闸门段的长度L_zm为2.2D；

流道出口断面高度相对值根据水泵名义平均流速、流道出口断面流速控制要求和出口断面宽度相对值计算得到；在满足工程应用的实际需要和分档方案不过于繁多的前提下，在常用范围内，将出水流道的出口断面宽度B_c分为2.3D、2.4D、2.5D、2.6D、2.7D 5档，将水泵名义平均流速分为3.0m/s、3.5m/s、4.0m/s和4.5m/s 4档；将5档出口断面宽度与4档水泵名义平均流速两两组合，得到出水流道的20种组合方案；在所述出水流道20种组合方案中，按扩散段立面扩散角θ_lm≥0和扩散段当量扩散角θ_dl≤12°的要求剔除不合格方案，得到符合前置竖井式贯流泵装置出水流道基本要求的12种出水流道组合方案，12种出水流道方案的组合方式及对应的编号见表1；所述12种方案出水流道的出口断面高度H_c见表2；

在出水流道出口断面平均流速满足要求的条件下，分别对所述出水流道12种组合方案进行流道型线的优化水力设计，使各出水流道方案的水力性能达到最优，最终得到本发明由12种方案组成的前置竖井式贯流泵装置系列出水流道；

所述前置竖井式贯流泵装置系列出水流道12种方案的三维形体提供流道扩散段的断面位置图和所对应的断面数据表，所述断面数据表中的数据包括流道扩散段的断面号、纵剖面上边线坐标(X₁，Y₁)、纵剖面下边线坐标(X₂，Y₂)、断面高度H_w、断面宽度B_w和断面形状由圆形渐变为矩形的过渡圆半径R_w；所述12种方案出水流道数据均为以水泵叶轮直径D为基准值的相对值，其中：

第1种方案编号为SC13，所对应的流道出口断面宽度为2.3D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表3；第2种方案编号为SC14，所对应的流道出口断面宽度为2.3D、水泵名义平均流速为3.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表4；第3种方案编号为SC22，所对应的流道出口断面宽度为2.4D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表5；第4种方案编号为SC23，所对应的流道出口断面宽度为2.4D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表6；第5种方案编号为SC32，所对应的流道出口断面宽度为2.5D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表7；第6种方案编号为SC33，所对应的流道出口断面宽度为2.5D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表8；第7种方案编号为SC41，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为4.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表9；第8种方案编号为SC42，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为4.0m/s，出水流道扩散段断面数据列于表10；第9种方案编号为SC43，所对应的流道出口断面宽度为2.6D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表11；第10种方案编号为SC51，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为4.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表12；第11种方案编号为SC52，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为4.0m/s，扩散段断面数据列于表13；第12种方案编号为SC53，所对应的流道出口断面宽度为2.7D、水泵名义平均流速为3.5m/s，出水流道扩散段断面数据列于表14；所述12种方案出水流道设计流量时的流道水头损失△h＜0.15m；

(2)根据拟应用泵站的机组中心距和所确定的进水流道进口断面宽度，确定出水流道出口断面宽度B_c的适宜取值；

(3)根据所述泵站的单泵设计流量和水泵叶轮直径，根据下式计算水泵名义平均流速：

式中，

－－水泵名义平均流速，m/s；

Q－－单泵设计流量，m³/s；

D－－水泵叶轮直径，m；

(4)根据已确定的所述泵站出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速，在表1中选择对应的出水流道方案的编号；

(5)根据所选择的出水流道方案的编号，在12种方案组成的系列出水流道中找到所对应的流道立面图并含断面位置线、平面图并含断面位置线和断面数据表；

(6)将第(5)步骤所找到的流道立面图并含断面位置线、平面图并含断面位置线和断面数据表中各几何尺寸相对值乘以所述泵站拟采用的水泵叶轮直径D进行换算，得到所述泵站出水流道的实际所需尺寸；

(7)所述系列出水流道扩散段的底边为平底，根据所述泵站出水池翼墙布置的实际需要，可在保持扩散段出口断面高度和流道平面尺寸不变的条件下将第(6)步骤换算后的出水流道扩散段的底边适当上抬；

(8)所述系列出水流道的闸门段长度L_zm为2.2D，根据所述泵站上部结构布置的实际需要，可对第(6)步骤换算后的闸门段长度L_zm进行调整，调整所述闸门段长度L_zm时保持闸门段的宽度和高度不变；

(9)所述系列出水流道内未设中隔墩，根据所述泵站泵房及闸门结构设计方面的需要，可在出水流道内增设适当尺寸的中隔墩；

(10)根据所述换算并调整后的出水流道的实际几何尺寸，在CAD绘图软件中绘制可供泵站工程设计采用的出水流道单线图。

Images