CN110593188B - 前置竖井式贯流泵装置系列进水流道及其应用方法 - Google Patents

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CN110593188B CN201910859495.6A CN201910859495A CN110593188B CN 110593188 B CN110593188 B CN 110593188B CN 201910859495 A CN201910859495 A CN 201910859495A CN 110593188 B CN110593188 B CN 110593188B
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Abstract

本发明公开了前置竖井式贯流泵装置系列进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进水流道12种方案的流道断面位置图及断面数据表、竖井断面位置图及断面数据表和导流圆台断面位置图及断面数据表；根据拟应用本发明的泵站的竖井外壁最大宽度和水泵名义平均流速在所提供的系列进水流道方案中确定适合的进水流道方案；本发明提供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，可适用于各种不同竖井外壁最大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进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。

Description

前置竖井式贯流泵装置系列进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进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进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进水流道的作用是引导水流在从泵站前池流向水泵叶轮室的过程中均匀收缩，为水泵叶轮室进口提供保证叶轮稳定和高效工作的进水流态。设计水力性能优异的进水流道是保证前置竖井式贯流泵装置安全、稳定和高效运行的必要条件。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、水泵机组设备尺寸、竖井内部布置尺寸等相差很多，竖井外壁最大宽度与水泵名义平均流速之间存在多种不同组合。同时，由于各地设计院设计人员掌握前置竖井式贯流泵装置进水流道水力设计方法的程度相差较大，导致很难根据各个泵站的具体情况设计出可以满足水泵叶轮室进口流场要求的进水流道，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进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进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，对进水流道水力设计系列方案进行了合理分档，得到了进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，可适用于各种不同竖井外壁最大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进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进水流道的尺寸均以水泵叶轮直径D为基准值的相对值表示；将前置竖井式进水流道分为流道和竖井两大部分，其中，流道由流道直线段和流道收缩段组成，竖井由竖井段和导流圆台段组成；由流道内壁与竖井段外壁、导流圆台段外壁共同构成进水流道的过流通道；来自泵站前池的水流在流经所述过流通道的过程中均匀加速和流场调整，最终均匀垂直地流入水泵叶轮室；
流道直线段的断面形状为矩形，平面和立面型线均为直线，但进口上边缘为圆弧形；流道收缩段的断面形状从矩形渐变为圆形，断面面积不断减小；竖井段为薄壁井式结构，平面形状为流线型，在其内部放置泵装置的相关机电设备并留有工作人员通道；导流圆台段是细长的中空圆台，水泵主轴从其中间穿过；
对若干座已建泵站的水力设计参数和几何尺寸进行统计、分析，根据统计和分析结果，确定前置竖井式贯流泵装置进水流道主要水力设计参数和几何尺寸的取值范围，选定竖井外壁最大宽度和水泵名义平均流速为前置竖井式贯流泵装置系列进水流道的两个关键参数，确定进水流道长度Lld为5.12D，进水流道直线段的进口顶板上边缘圆弧半径R＝0.2D+0.2(单位为m)，流道收缩段的出口断面直径D2为0.984D，进水流道的竖井长度Lsj为4.87D，进水流道的导流圆台长度Lyt为1.4D；
流道高度相对值根据水泵名义平均流速、竖井外壁最大宽度处断面流速控制要求和竖井外壁最大宽度处过流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，将竖井外壁最大宽度Bsj分为1.5D、1.6D和1.7D 3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3档竖井外壁最大宽度与4档水泵名义平均流速两两组合，得到进水流道的12种组合方案，12种进水流道方案的组合方式及对应的编号见表1；然后计算出12种方案进水流道的直线段长度L1、直线段进口断面宽度B1、直线段进口断面高度H1、收缩段长度L2、收缩段进口断面宽度B2和收缩段进口断面高度H2见表2；
表1竖井外壁最大宽度与水泵名义平均流速12种组合所对应的系列进水流道方案的编号
Figure GDA0002820927820000031
表2 12种方案进水流道的主要控制尺寸
Figure GDA0002820927820000032
Figure GDA0002820927820000041
进一步地，在进水流道进口断面和竖井外壁最大宽度处断面的平均流速满足要求的条件下，分别对所述进水流道12种组合方案进行流道型线、竖井外壁型线及导流圆台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11日申请的中国发明专利《高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法》，专利号：ZL201610018554.3)，使各进水流道方案的水力性能均达到最优，最终得到本发明由12种方案组成的系列进水流道。
进一步地，所述前置竖井式贯流泵装置系列进水流道的三维形体提供流道、竖井和导流圆台的断面位置图和所对应的断面数据表，流道数据表中的数据包括流道断面号、流道纵剖面上边线坐标(X1，Y1)、纵剖面下边线坐标(X2，Y2)、断面高度Hw、断面宽度Bw和断面形状由矩形渐变为圆形的过渡圆半径Rw；竖井数据包括竖井断面号、对应断面距离原点O的水平距离和所对应断面的宽度；导流圆台断面数据包括导流圆台断面号、对应断面距离原点O的水平距离和所对应断面的直径；所述12种方案组成的系列进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SJ11，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为4.5m/s，流道断面数据列于表3a、竖井断面数据列于表3b、导流圆台断面数据列于表3c；
第2种方案编号为SJ12，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为4.0m/s，流道断面数据列于表4a、竖井断面数据列于表4b、导流圆台断面数据列于表4c；
第3种方案编号为SJ13，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为3.5m/s，流道断面数据列于表5a、竖井断面数据列于表5b、导流圆台断面数据列于表5c；
第4种方案编号为SJ14，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为3.0m/s，流道断面数据列于表6a、竖井断面数据列于表6b、导流圆台断面数据列于表6c；
第5种方案编号为SJ21，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为4.5m/s，流道断面数据列于表7a、竖井断面数据列于表7b、导流圆台断面数据列于表7c；
第6种方案编号为SJ22，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为4.0m/s，流道断面数据列于表8a、竖井断面数据列于表8b、导流圆台断面数据列于表8c；
第7种方案编号为SJ23，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为3.5m/s，流道断面数据列于表9a、竖井断面数据列于表9b、导流圆台断面数据列于表9c；
第8种方案编号为SJ24，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为3.0m/s，流道断面数据列于表10a、竖井断面数据列于表10b、导流圆台断面数据列于表10c；
第9种方案编号为SJ31，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为4.5m/s，流道断面数据列于表11a、竖井断面数据列于表11b、导流圆台断面数据列于表11c；
第10种方案编号为SJ32，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为4.0m/s，流道断面数据列于表12a、竖井断面数据列于表12b、导流圆台断面数据列于表12c；
第11种方案编号为SJ33，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为3.5m/s，流道断面数据列于表13a、竖井断面数据列于表13b、导流圆台断面数据列于表13c；
第12种方案编号为SJ34，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为3.0m/s，流道断面数据列于表14a、竖井断面数据列于表14b、导流圆台断面数据列于表14c；
所述12种方案进水流道的主要水力性能指标如下：
(1)流道出口水流的速度分布均匀度Vu＞98.0％；
(2)流道出口水流的平均角度
Figure GDA0002820927820000062
(3)设计流量时的流道水头损失△h＜0.10m；
表3a方案编号为SJ11的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000063
Figure GDA0002820927820000071
表3b方案编号为SJ11的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000072
表3c方案编号为SJ11的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000073
表4a方案编号为SJ12的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000074
Figure GDA0002820927820000081
表4b方案编号为SJ12的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000082
Figure GDA0002820927820000091
表4c方案编号为SJ12的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000092
表5a方案编号为SJ13的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000093
Figure GDA0002820927820000101
表5b方案编号为SJ13的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000102
表5c方案编号为SJ13的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000103
表6a方案编号为SJ14的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000104
Figure GDA0002820927820000111
表6b方案编号为SJ14的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000112
Figure GDA0002820927820000121
表6c方案编号为SJ14的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000122
表7a方案编号为SJ21的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000123
Figure GDA0002820927820000131
表7b方案编号为SJ21的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000132
表7c方案编号为SJ21的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000133
表8a方案编号为SJ22的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000134
Figure GDA0002820927820000141
表8b方案编号为SJ22的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000142
Figure GDA0002820927820000151
表8c方案编号为SJ22的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000152
表9a方案编号为SJ23的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000153
Figure GDA0002820927820000161
表9b方案编号为SJ23的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000162
表9c方案编号为SJ23的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000163
表10a方案编号为SJ24的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000164
Figure GDA0002820927820000171
表10b方案编号为SJ24的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000172
Figure GDA0002820927820000181
表10c编号SJ24对应的进水流道方案的导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000182
表11a方案编号为SJ31的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000183
Figure GDA0002820927820000191
表11b方案编号为SJ31的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000192
表11c方案编号为SJ31的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000193
表12a方案编号为SJ32的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000194
Figure GDA0002820927820000201
表12b方案编号为SJ32的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000202
Figure GDA0002820927820000211
表12c方案编号为SJ32的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000212
表13a方案编号为SJ33的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000213
Figure GDA0002820927820000221
表13b方案编号为SJ33的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000222
表13c方案编号为SJ33的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000223
表14a方案编号为SJ34的进水流道断面数据表
Figure GDA0002820927820000224
Figure GDA0002820927820000231
表14b方案编号为SJ34的进水流道竖井断面数据表
Figure GDA0002820927820000232
Figure GDA0002820927820000241
表14c方案编号为SJ34的进水流道导流圆台断面数据表
Figure GDA0002820927820000242
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进水流道的应用方法，包括以下步骤：
(1)根据拟应用本发明的泵站的电机、变速箱、轴承、密封设备的具体尺寸对竖井内部的设备进行合理布置，并考虑留有适当的工作人员通道和竖井壁厚，以确定所需的竖井外壁最大宽度Bsj；
(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
Figure GDA0002820927820000243
Figure GDA0002820927820000244
式中，
Figure GDA0002820927820000245
－－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)根据所述泵站已确定的竖井外壁最大宽度和水泵名义平均流速，在表1中选择对应的进水流道方案的编号；
(4)根据所选择的进水流道方案的编号，在本发明的系列进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)、断面数据表和竖井及导流圆台的平面图(含断面位置线)、断面数据表；
(5)将第(4)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)、断面数据表和竖井及导流圆台的平面图(含断面位置线)、断面数据表中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进行换算，得到所述泵站流道、竖井和导流圆台的实际所需尺寸；
(6)根据所述泵站的上部结构布置的实际需要，对第(5)步骤换算后的进水流道的流道直线段长度L1进行调整，调整所述流道直线段的长度时保持流道直线段的宽度和高度不变；
(7)根据所述泵站布置的实际需要，对第(5)步骤换算后的进水流道的流道直线段进口断面宽度B1进行必要的调整；调整所述流道直线段的进口断面宽度时，保持机组中心距和流道直线段的高度、长度不变；
(8)根据所述换算并调整后的进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进水流道单线图。
本发明提供了前置竖井式贯流泵装置系列进水流道12种方案的流道断面位置图及断面数据表、竖井断面位置图及断面数据表和导流圆台断面位置图及断面数据表；根据拟应用本发明的泵站的竖井外壁最大宽度和水泵名义平均流速在所提供的系列进水流道方案中确定适合的进水流道方案；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种方案组成的系列进水流道适应性强、应用面宽，可适用于各种不同竖井外壁最大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进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；流道直线段的尺寸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种方案组成的系列进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，其主要水力性能指标如下：流道出口水流的速度分布均匀度Vu＞98.0％，流道出口水流的平均角度
Figure GDA0002820927820000261
设计流量时的流道水头损失△h＜0.1m；
第三，本发明提供的由12种方案组成的系列进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进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进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)是本发明提供的进水流道纵剖面图；
图1(b)是本发明提供的进水流道水平剖面图；
图2(a)是本发明提供的进水流道的流道立面尺寸示意图；
图2(b)是本发明提供的进水流道的流道平面尺寸示意图；
图2(c)是图2(a)和图2(b)中的Ai—Ai断面图；
图2(d)是本发明提供的进水流道的竖井和导流圆台平面尺寸示意图；
图3(a)是本发明提供的进水流道的流道断面位置线(立面图)；
图3(b)是本发明提供的进水流道的流道断面位置线(平面图)；
图3(c)是本发明提供的进水流道的竖井断面位置线(平面图)；
图3(d)是本发明提供的进水流道的导流圆台断面位置线(平面图)；
图4(a)是进水流道直线段长度调整示意图(立面图)；
图4(b)是进水流道直线段长度调整示意图(平面图)；
图5(a)是进水流道直线段宽度调整示意图(立面图)；
图5(b)是进水流道直线段宽度调整示意图(平面图)；
图6(a)是换算并调整后的进水流道单线图(立面图)；
图6(b)是换算并调整后的进水流道单线图(平面图)；
图中：1流道直线段，2流道收缩段，3竖井段，4导流圆台段，5流道纵剖面上边线，6流道纵剖面下边线，7流道平面宽度边线，8流道断面形状由矩形渐变成圆形的过渡圆圆心轨迹线，9竖井型线，10导流圆台型线，11机组中心距。
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进水流道的尺寸均以水泵叶轮直径D为基准值的相对值表示；
(2)将前置竖井式进水流道分为流道和竖井两大部分，其中，流道由流道直线段1和流道收缩段2组成，竖井由竖井段3和导流圆台段4组成；由流道直线段1和流道收缩段2的内壁与竖井段3的外壁和导流圆台段4的外壁共同构成所述进水流道的过流通道，如图1(a)和图1(b)所示；
(3)根据设计经验及统计结果，确定进水流道长度Lld为5.12D，流道直线段的进口顶板圆弧半径R＝0.2D+0.2(单位为m)，流道收缩段2的出口断面直径D2为0.984D，竖井段3的长度Lsj为4.87D，导流圆台段4的长度Lyt为1.4D，根据水泵名义平均流速、竖井外壁最大宽度处断面流速控制要求和该处过流断面宽度相对值计算流道高度相对值；
(4)根据统计结果，在常用范围内，将竖井外壁最大宽度Bsj分为1.5D、1.6D和1.7D等3档，将水泵名义平均流速
Figure GDA0002820927820000271
分为3.0m/s、3.5m/s、4.0m/s和4.5m/s等4档；将所述3档竖井外壁最大宽度Bsj与4档水泵名义平均流速
Figure GDA0002820927820000281
两两组合，形成进水流道的12种组合方案(见表1)，所述12种方案进水流道的直线段长度L1、直线段进口断面宽度B1、直线段进口断面高度H1、收缩段长度L2、收缩段进口断面宽度B2和收缩段进口断面高度H2见表2；
(5)在进水流道进口断面和竖井外壁最大宽度处断面平均流速满足要求的条件下，对所述进水流道12种组合方案的流道纵剖面上边线5、流道纵剖面下边线6、流道平面宽度边线7和流道断面形状由矩形渐变成圆形的过渡圆圆心轨迹线8、竖井型线9及导流圆台型线10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；
(6)所述系列进水流道的流道直线段1、流道收缩段2、竖井段3和导流圆台段4提供详细的断面位置和断面数据；
(7)根据拟应用本发明的泵站的竖井外壁最大宽度和水泵名义平均流速在系列进水流道中选择对应的进水流道方案的编号；
(8)所述对应编号进水流道方案的流道、竖井和导流圆台各几何尺寸的相对值乘以所述泵站拟采用的水泵叶轮直径D即可得所述泵站流道、竖井和导流圆台的实际所需尺寸；
(9)所述对应编号进水流道方案的流道直线段1的参数可根据所述泵站的实际需要在一定范围内调整。
2.提供的系列进水流道水力性能优异；
(1)根据进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)主要水力性能指标如下：流道出口水流的速度分布均匀度Vu＞98.0％；流道出口水流的平均角度
Figure GDA0002820927820000282
(3)设计流量时的流道水头损失△h＜0.10m。
3.所提供的系列进水流道几何形体的表达方式；
(1)将前置竖井式进水流道分为流道和竖井两大部分，其中，流道由流道直线段1和流道收缩段2组成，竖井由竖井段3和导流圆台段4组成；由流道直线段1和流道收缩段2的内壁与竖井段3的外壁、导流圆台段4的外壁共同构成进水流道的过流通道，如图1(a)和图1(b)所示；来自泵站前池的水流在流经所述过流通道的过程中均匀加速和流场调整，最终均匀垂直地流入水泵叶轮室；
(2)如图2(a)和图2(b)所示，所述流道直线段1位于流道收缩段2之前，流道直线段1的断面形状为矩形，平面和立面型线均为直线，但进口上边缘为圆弧形，圆弧半径R＝0.2D+0.2(单位为m)；流道收缩段2的断面形状从矩形渐变为圆形，流道断面形状如图2(c)所示；为使水流进行有序转向和均匀加速，流道纵剖面上边线5、流道纵剖面下边线6、流道平面宽度边线7和流道断面形状由矩形渐变成圆形的过渡圆圆心轨迹线8均为曲线，流道的断面面积不断减小；为准确表达流道的三维形体，提供流道的断面位置图和断面数据表，流道断面位置图如图3(a)和图3(b)所示，断面数据表中的数据包括流道纵剖面上边线5的坐标(X1，Y1)、纵剖面下边线6的坐标(X2，Y2)、断面高度Hw、断面宽度Bw和断面过渡圆半径Rw；
(3)如图1(b)所示，所述竖井段3位于流道内，所述竖井段3为薄壁井式结构，在其内部放置泵装置的相关机电设备并留有工作人员通道；竖井段3的外壁平面形状为流线型，可使流经竖井段3的水流流速变化平缓均匀、水力损失小，如图2(d)所示；提供竖井段3的断面位置图和断面数据表，断面位置图如图3(c)所示，断面数据表中的数据包括竖井断面号、对应断面距离原点O的水平距离X和所对应断面的宽度Bj；
(4)所述导流圆台段4与竖井段3的尾部相贯连接，导流圆台段4是细长的中空圆台，水泵主轴从其中间穿过，如图1(b)所示；为使水流能够更好地进行流速调整，将导流圆台段4的型线10设计为平缓的曲线，如图2(d)所示；提供导流圆台段4的断面位置图和断面数据表，断面位置图如图3(d)所示，断面数据表中的数据包括导流圆台断面号、对应断面距离原点O的水平距离X和所对应断面的直径Dyt；
(5)所提供的系列进水流道分为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SJ11，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为4.5m/s，流道断面数据列于表3a、竖井断面数据列于表3b、导流圆台断面数据列于表3c；第2种方案编号为SJ12，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为4.0m/s，流道断面数据列于表4a、竖井断面数据列于表4b、导流圆台断面数据列于表4c；第3种方案编号为SJ13，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为3.5m/s，流道断面数据列于表5a、竖井断面数据列于表5b、导流圆台断面数据列于表5c；第4种方案编号为SJ14，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为3.0m/s，流道断面数据列于表6a、竖井断面数据列于表6b、导流圆台断面数据列于表6c；第5种方案编号为SJ21，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为4.5m/s，流道断面数据列于表7a、竖井断面数据列于表7b、导流圆台断面数据列于表7c；第6种方案编号为SJ22，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为4.0m/s，流道断面数据列于表8a、竖井断面数据列于表8b、导流圆台断面数据列于表8c；第7种方案编号为SJ23，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为3.5m/s，流道断面数据列于表9a、竖井断面数据列于表9b、导流圆台断面数据列于表9c；第8种方案编号为SJ24，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为3.0m/s，流道断面数据列于表10a、竖井断面数据列于表10b、导流圆台断面数据列于表10c；第9种方案编号为SJ31，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为4.5m/s，流道断面数据列于表11a、竖井断面数据列于表11b、导流圆台断面数据列于表11c；第10种方案编号为SJ32，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为4.0m/s，流道断面数据列于表12a、竖井断面数据列于表12b、导流圆台断面数据列于表12c；第11种方案编号为SJ33，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为3.5m/s，流道断面数据列于表13a、竖井断面数据列于表13b、导流圆台断面数据列于表13c；第12种方案编号为SJ34，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为3.0m/s，流道断面数据列于表14a、竖井断面数据列于表14b、导流圆台断面数据列于表14c；
4.系列进水流道的应用方法；
(1)根据拟应用本发明的泵站的竖井外壁最大宽度和水泵名义平均流速，在表1中选定对应的进水流道方案的编号；
(2)根据所选择的进水流道方案的编号，在本发明的系列进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)、断面数据表和竖井段3及导流圆台段4的平面图(含断面位置线)、断面数据表；
(3)将第(2)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)、断面数据表和竖井段3及导流圆台段4的平面图(含断面位置线)、断面数据表中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进行换算，得到所述泵站流道、竖井和导流圆台的实际所需尺寸；
(4)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进水流道的流道直线段1的长度L1可在已有尺寸的基础上适当加长；加长流道直线段1的长度L1时保持流道直线段1的宽度和高度不变；
(5)根据所述泵站的实际需要，所述对应编号方案的进水流道的流道直线段1的进口断面宽度B1可在已有尺寸的基础上适当增加或减少；改变流道直线段1的进口断面宽度B1时，保持机组中心距11和流道直线段1的高度、长度不变；
(6)根据第(2)步骤换算和第(4)步骤、第(5)步骤调整后的进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进水流道单线图。
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，选用天津南水北调水泵模型同台测试的TJ04-ZL-06水泵模型，水泵叶轮直径D为3.3m。根据配套电动机及齿轮箱等设备和过人通道的布置需要，确定竖井内部最大宽度3.9m，竖井采用钢筋混凝土浇筑，竖井壁厚为0.5m，竖井外壁最大宽度为4.9m；根据泵站A上部结构的布置要求，所需进水流道长度为18.3m；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11的距离为9.9m，进水流道的进口断面宽度为8.4m。
应用本发明设计泵站A前置竖井式贯流泵装置的进水流道的步骤如下：
(1)本发明提供的进水流道长度Lld＝5.12D＝16.896m，流道直线段1的进口顶板圆弧半径R＝0.2D+0.2＝0.86m，流道收缩段2的出口断面直径D2＝0.984D＝3.247m，进水流道的竖井段3的长度Lsj＝4.87D＝16.071m，进水流道的导流圆台段4的长度Lyt＝1.4D＝4.62m；本发明提供的进水流道长度Lld＝16.896m，小于泵站A实际所需进水流道长度为18.3m，所以需将流道长度加长18.3m－16.896m＝1.404m；
(2)泵站A的竖井外壁最大宽度Bsj＝4.9m，所采用的水泵叶轮直径D＝3.3m，以水泵叶轮直径D为基准，计算出竖井外壁最大宽度的相对值为1.49D；
(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)根据计算出的竖井外壁最大宽度的相对值1.49D和水泵名义平均流速3.919m/s，在表1中选择对应的进水流道方案的编号为SJ12；
(5)根据所选择的进水流道方案的编号SJ12，在本发明的系列进水流道中找到所对应的流道、竖井及导流圆台断面数据表为表4a、表4b和表4c；
(6)将表4a、表4b和表4c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进水流道的流道、竖井及导流圆台断面的实际几何尺寸，分别列于表15a、表15b和表15c(表中的尺寸单位为m)；
表15a泵站A进水流道的流道断面实际几何尺寸数据表(m)
Figure GDA0002820927820000331
Figure GDA0002820927820000341
表15b泵站A进水流道的竖井断面实际几何尺寸数据表(m)
Figure GDA0002820927820000342
表15c泵站A进水流道的导流圆台断面实际几何尺寸数据表(m)
Figure GDA0002820927820000351
(7)本发明提供的进水流道长度Lld＝16.896m，泵站A实际所需进水流道长度为18.3m，前者小于后者1.404m；本发明提供的流道直线段1的长度L1＝1.85D＝6.105m，将流道直线段1的长度L1加长1.404m(由6.105m加长至7.509m)，加长方式示于图4(a)和图4(b)，加长后的流道直线段1的长度用L′1表示；
(8)根据表15a中的换算结果，本发明提供的泵站A流道直线段1的进口断面宽度B1为8.712m，泵站A实际所需的流道直线段1的进口断面宽度为8.4m；保持机组中心距11和流道直线段1的高度、长度不变，将B1由8.712m减少至8.4m；减少方式示于图5(a)和图5(b)，减少后的流道直线段1的进口断面宽度用B1′表示；
(9)根据第(6)步骤换算和第(7)步骤、第(8)步骤调整后的进水流道的实际几何尺寸，在绘图软件AUTO CAD中绘制泵站A工程设计所需的进水流道单线图(图6(a)和图6(b))。

Claims (2)

1.前置竖井式贯流泵装置系列进水流道，其特征是，前置竖井式贯流泵装置进水流道的尺寸均以水泵叶轮直径D为基准值的相对值表示；将前置竖井式进水流道分为流道和竖井两大部分，其中，流道由流道直线段和流道收缩段组成，竖井由竖井段和导流圆台段组成；由流道内壁与竖井段外壁、导流圆台段外壁共同构成进水流道的过流通道；
流道直线段的断面形状为矩形，平面和立面型线均为直线，但进口上边缘为圆弧形；流道收缩段的断面形状从矩形渐变为圆形，断面面积不断减小；竖井段为薄壁井式结构，平面形状为流线型，在其内部放置泵装置的相关机电设备并留有工作人员通道；导流圆台段是细长的中空圆台，水泵主轴从其中间穿过；
对若干座已建泵站的水力设计参数和几何尺寸进行统计、分析，根据统计和分析结果，确定前置竖井式贯流泵装置进水流道主要水力设计参数和几何尺寸的取值范围，选定竖井外壁最大宽度和水泵名义平均流速为前置竖井式贯流泵装置系列进水流道的两个关键参数，确定进水流道长度Lld为5.12D、进水流道直线段的进口顶板上边缘圆弧半径R为0.2D+0.2、流道收缩段的出口断面直径D2为0.984D、进水流道的竖井长度Lsj为4.87D、进水流道的导流圆台长度Lyt为1.4D，单位为m；
流道高度相对值根据水泵名义平均流速、竖井外壁最大宽度处断面流速控制要求和竖井外壁最大宽度处过流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，将竖井外壁最大宽度Bsj分为1.5D、1.6D和1.7D 3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3档竖井外壁最大宽度与4档水泵名义平均流速两两组合，得到进水流道的12种组合方案，12种进水流道方案的组合方式及对应的编号见表1；然后计算出12种组合方案进水流道的直线段长度L1、直线段进口断面宽度B1、直线段进口断面高度H1、收缩段长度L2、收缩段进口断面宽度B2和收缩段进口断面高度H2，见表2；
表1竖井外壁最大宽度与水泵名义平均流速12种组合所对应的系列进水流道方案的编号
Figure FDA0002820927810000021
表2 12种方案进水流道的主要控制尺寸
Figure FDA0002820927810000022
在进水流道进口断面和竖井外壁最大宽度处断面的平均流速满足要求的条件下，分别对所述进水流道12种组合方案进行流道型线、竖井外壁型线及导流圆台型线的优化水力设计，使各进水流道方案的水力性能均达到最优，最终得到由12种方案组成的系列进水流道；
所述前置竖井式贯流泵装置系列进水流道的三维形体提供流道、竖井和导流圆台的断面位置图和所对应的断面数据表，流道数据表中的数据包括流道断面号、流道纵剖面上边线坐标(X1，Y1)、纵剖面下边线坐标(X2，Y2)、断面高度Hw、断面宽度Bw和断面形状由矩形渐变为圆形的过渡圆半径Rw；竖井数据包括竖井断面号、对应断面距离原点O的水平距离和所对应断面的宽度；导流圆台断面数据包括导流圆台断面号、对应断面距离原点O的水平距离和所对应断面的直径；所述12种方案组成的系列进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SJ11，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为4.5m/s，流道断面数据列于表3a、竖井断面数据列于表3b、导流圆台断面数据列于表3c；
第2种方案编号为SJ12，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为4.0m/s，流道断面数据列于表4a、竖井断面数据列于表4b、导流圆台断面数据列于表4c；
第3种方案编号为SJ13，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为3.5m/s，流道断面数据列于表5a、竖井断面数据列于表5b、导流圆台断面数据列于表5c；
第4种方案编号为SJ14，所对应的竖井外壁最大宽度为1.5D、水泵名义平均流速为3.0m/s，流道断面数据列于表6a、竖井断面数据列于表6b、导流圆台断面数据列于表6c；
第5种方案编号为SJ21，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为4.5m/s，流道断面数据列于表7a、竖井断面数据列于表7b、导流圆台断面数据列于表7c；
第6种方案编号为SJ22，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为4.0m/s，流道断面数据列于表8a、竖井断面数据列于表8b、导流圆台断面数据列于表8c；
第7种方案编号为SJ23，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为3.5m/s，流道断面数据列于表9a、竖井断面数据列于表9b、导流圆台断面数据列于表9c；
第8种方案编号为SJ24，所对应的竖井外壁最大宽度为1.6D、水泵名义平均流速为3.0m/s，流道断面数据列于表10a、竖井断面数据列于表10b、导流圆台断面数据列于表10c；
第9种方案编号为SJ31，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为4.5m/s，流道断面数据列于表11a、竖井断面数据列于表11b、导流圆台断面数据列于表11c；
第10种方案编号为SJ32，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为4.0m/s，流道断面数据列于表12a、竖井断面数据列于表12b、导流圆台断面数据列于表12c；
第11种方案编号为SJ33，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为3.5m/s，流道断面数据列于表13a、竖井断面数据列于表13b、导流圆台断面数据列于表13c；
第12种方案编号为SJ34，所对应的竖井外壁最大宽度为1.7D、水泵名义平均流速为3.0m/s，流道断面数据列于表14a、竖井断面数据列于表14b、导流圆台断面数据列于表14c；
所述12种方案进水流道的主要水力性能指标如下：
(1)流道出口水流的速度分布均匀度Vu＞98.0％；
(2)流道出口水流的平均角度
Figure FDA0002820927810000052
(3)设计流量时的流道水头损失△h＜0.10m；
表3a方案编号为SJ11的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000051
Figure FDA0002820927810000061
表3b方案编号为SJ11的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000062
表3c方案编号为SJ11的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000063
表4a方案编号为SJ12的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000064
Figure FDA0002820927810000071
表4b方案编号为SJ12的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000072
表4c方案编号为SJ12的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000073
Figure FDA0002820927810000081
表5a方案编号为SJ13的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000082
Figure FDA0002820927810000091
表5b方案编号为SJ13的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000092
表5c方案编号为SJ13的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000093
表6a方案编号为SJ14的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000094
Figure FDA0002820927810000101
表6b方案编号为SJ14的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000102
表6c方案编号为SJ14的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000103
Figure FDA0002820927810000111
表7a方案编号为SJ21的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000112
Figure FDA0002820927810000121
表7b方案编号为SJ21的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000122
表7c方案编号为SJ21的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000123
表8a方案编号为SJ22的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000124
Figure FDA0002820927810000131
表8b方案编号为SJ22的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000132
表8c方案编号为SJ22的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000133
Figure FDA0002820927810000141
表9a方案编号为SJ23的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000142
Figure FDA0002820927810000151
表9b方案编号为SJ23的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000152
表9c方案编号为SJ23的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000153
表10a方案编号为SJ24的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000154
Figure FDA0002820927810000161
表10b方案编号为SJ24的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000162
表10c编号SJ24对应的进水流道方案的导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000163
Figure FDA0002820927810000171
表11a方案编号为SJ31的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000172
Figure FDA0002820927810000181
表11b方案编号为SJ31的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000182
表11c方案编号为SJ31的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000183
表12a方案编号为SJ32的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000184
Figure FDA0002820927810000191
表12b方案编号为SJ32的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000192
表12c方案编号为SJ32的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000193
Figure FDA0002820927810000201
表13a方案编号为SJ33的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000202
Figure FDA0002820927810000211
表13b方案编号为SJ33的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000212
表13c方案编号为SJ33的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000213
表14a方案编号为SJ34的进水流道断面数据表
Figure FDA0002820927810000214
Figure FDA0002820927810000221
表14b方案编号为SJ34的进水流道竖井断面数据表
Figure FDA0002820927810000222
表14c方案编号为SJ34的进水流道导流圆台断面数据表
Figure FDA0002820927810000223
Figure FDA0002820927810000231
2.根据权利要求1所述的前置竖井式贯流泵装置系列进水流道的应用方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)根据拟应用泵站的电机、变速箱、轴承、密封设备的具体尺寸对竖井内部的设备进行合理布置，并考虑留有适当的工作人员通道和竖井壁厚，以确定所需的竖井外壁最大宽度Bsj；
(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
Figure FDA0002820927810000232
Figure FDA0002820927810000233
式中，
Figure FDA0002820927810000234
－－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)根据所述泵站已确定的竖井外壁最大宽度和水泵名义平均流速，在表1中选择对应的进水流道方案的编号；
(4)根据所选择的进水流道方案的编号，在所述12种方案组成的系列进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、断面数据表和竖井及导流圆台的平面图并含断面位置线、断面数据表；
(5)将第(4)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、断面数据表和竖井及导流圆台的平面图并含断面位置线、断面数据表中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进行换算，得到所述泵站流道、竖井和导流圆台的实际所需尺寸；
(6)根据所述泵站的上部结构布置的实际需要，对第(5)步骤换算后的进水流道的流道直线段长度L1进行调整，调整所述流道直线段的长度时保持流道直线段的宽度和高度不变；
(7)根据所述泵站布置的实际需要，对第(5)步骤换算后的进水流道的流道直线段进口断面宽度B1进行必要的调整；调整所述流道直线段的进口断面宽度时，保持机组中心距和流道直线段的高度、长度不变；
(8)根据所述换算并调整后的进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进水流道单线图。
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