CN116575413B - 一种泵站浮式对旋消涡装置及泵站 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种泵站浮式对旋消涡装置及泵站，包括浮式驱动盘、对旋齿轮箱、反转盘、平面轴承、弹性元件和配重；所述浮式驱动盘漂浮在泵站吸水端附近的液面，通过旋涡产生的动力带动浮式驱动盘转动；所述浮式驱动盘通过对旋齿轮箱与反转盘连接，用于使反转盘与浮式驱动盘的转动方向相异；所述反转盘底部安装平面轴承，所述平面轴承上通过弹性元件与配重连接，用于防止倾斜。本发明可产生反作用力抵消旋涡，削弱或消除自由液面旋涡，为大型水泵提供更加均匀的来流。
Description
技术领域
本发明涉及流体机械技术领域，特别涉及一种泵站浮式对旋消涡装置及泵站。
背景技术
泵站前池或泵站进水池是为大型水泵提供均匀来流的过流部件，是供水泵或吸水管直接吸水的水工建筑物，搭配大流量轴(混)流泵常用于防洪抗旱，工农业用水以及大型电厂或核电站的冷却系统。在泵站进水池内部不同工况的流动中存在多种旋涡，根据诱发位置可分为自由表面涡和液下涡，这些高度不稳定的旋涡会影响水泵吸入口的流态，造成叶轮载荷的不均匀分布，影响运行效率，甚至引起水泵汽蚀，产生噪声及震动，严重时导致水泵不能正常运行。研究表明，合理的消旋消涡装置可使进水池内的流态稳定，为大型水泵提供均匀来流，有助于水泵的高效、稳定运行。
目前国内关于泵站前池消涡装置的专利主要集中在设计消涡水工建筑，现有技术公开了浮动式消除漩涡装置，在进水池壁面开槽并安装浮筒，通过浮筒与水面的接触阻碍旋涡形成，但该方案的建造和维护成本高，使用不灵活，对于大型泵站前池实用性较低。现有技术公开了浮网消涡方法，在进水池水面安装消涡浮网，针对性的消除旋涡，但该方案一方面受浮网网格尺寸的影响，网格太小会造成水力损失严重，网格太大会产生小于网格尺寸的旋涡；另一方面，当进水池内部水位变化时，需要根据水位重新安装浮网，耗时耗力，维护成本也大幅上升。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种泵站浮式对旋消涡装置及泵站，当水面产生旋涡时，浮式装置在水流牵引作用下运动至旋涡处，驱动盘与旋涡旋向相同并带动反转叶片反向旋转，产生反作用力抵消旋涡，削弱或消除自由液面旋涡，为大型水泵提供更加均匀的来流。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种泵站浮式对旋消涡装置，包括浮式驱动盘、对旋齿轮箱、反转盘、平面轴承、弹性元件和配重；所述浮式驱动盘漂浮在泵站吸水端附近的液面，通过旋涡产生的动力带动浮式驱动盘转动；所述浮式驱动盘通过对旋齿轮箱与反转盘连接，用于使反转盘与浮式驱动盘的转动方向相异；所述反转盘底部安装平面轴承，所述平面轴承上通过弹性元件与配重连接，用于防止倾斜。
进一步，所述浮式驱动盘包括驱动叶片、浮力盘、驱动盘轮毂、驱动轴和驱动锥齿轮；在浮力盘与驱动盘轮毂之间均布若干驱动叶片，所述驱动轴上端与驱动盘轮毂连接，所述驱动轴下端与驱动锥齿轮连接，通过旋涡产生的动力施加在驱动叶片上，用于使浮式驱动盘与旋涡的转动方向相同。
进一步，所述驱动叶片的截面形状为四分之一的圆环型，所述驱动叶片沿径向分布且厚度相同，所述驱动叶片的进口处和出口处分别倒圆过渡处理，所述驱动叶片的叶片数为3-6个。
进一步，所述浮力盘外轮廓为圆环拉伸体，所述浮力盘内径为R1，所述浮力盘外径为R2，所述浮力盘高度为H，其内部为空腔，浮力盘的体积满足下面条件：
式中，ρ为水的密度；M为泵站浮式对旋消涡装置的总质量；k为浮力系数。
进一步，所述反转盘包括反转叶片、反转盘轮毂、反转轴和反转锥齿轮；所述反转叶片的内缘与反转盘轮毂连接；所述反转轴上端与对旋齿轮箱连接，反转轴下端与反转盘轮毂连接，所述反转盘与旋涡的转动方向相反。
进一步，所述反转叶片外径r1与驱动叶片外径R1比值一般为0.6～0.8；所述反转叶片的横截面形状为矩形，所述反转叶片的高度为h，所述反转叶片的宽度为w，满足下面条件：h≥H且h≥2w。
进一步，所述对旋齿轮箱内部水平方向分别同轴安装两个传动锥齿轮，所述对旋齿轮箱内部垂直方向分别同轴安装驱动锥齿轮和反转锥齿轮；两个所述传动锥齿轮分别与驱动锥齿轮啮合；两个所述传动锥齿轮分别与反转锥齿轮啮合；所述驱动锥齿轮通过两个传动锥齿轮驱动反转锥齿轮反向转动。
进一步，所述配重的质量m满足下面条件：m≥0.3M，M为泵站浮式对旋消涡装置的总质量。
进一步，所述泵站吸水端与配重之间连接牵引索；所述牵引索与泵站吸水端的连接点位于液面与吸水端进口处之间的中间位置；所述牵引索的长度L满足下面条件：(T-t)≥L≥0.8(T-t)；
式中，T-t为液面与吸水端进口处之间的垂直距离。
一种泵站，至少包括2个所述的泵站浮式对旋消涡装置，第一泵站浮式对旋消涡装置位于泵站吸水端附近的液面一侧；第二泵站浮式对旋消涡装置位于泵站吸水端附近的液面另一侧；所述第一泵站浮式对旋消涡装置的驱动叶片与第二泵站浮式对旋消涡装置的驱动叶片的驱动方向相异；所述第一泵站浮式对旋消涡装置用于消除液面顺时针方向的漩涡；所述第二泵站浮式对旋消涡装置用于消除液面逆时针方向的漩涡。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的泵站浮式对旋消涡装置，其浮力盘产生的浮力大于消涡装置总质量，保证消涡装置浮于水面，且当液面产生旋涡时，在液流作用力下，消涡装置可悬浮运动至旋涡处进行针对性的消涡和抑涡。驱动叶片在旋涡作用下与旋涡转向一致，通过对旋齿轮箱使反转叶片产生反向转速，从而在反转叶片局部产生反转流动，抵消液面旋涡，抑制其向下发展。
2.本发明所述的泵站浮式对旋消涡装置，由于大型泵站水面的波浪起伏较大，弹簧与配重锤提供稳定浮式装置的作用，此外，配重锤重量一般超过浮式装置整体重量的30％，即使浮式装置发生倾斜或翻转，配重锤也可以靠自身重力使浮式装置恢复竖直姿态。
3.本发明所述的泵站浮式对旋消涡装置，当泵站水面没有旋涡或旋涡较弱时，牵引索可以防止浮式装置漂离吸水管周边。牵引索的长度设计了最大值和最小值，最大长度是防止浮式装置在极端工况下进入吸水管后与泵叶片发生碰撞，最小长度是为了保证浮式装置可浮于水面。
4.本发明所述的泵站，至少安装2个所述的泵站浮式对旋消涡装置，所述第一泵站浮式对旋消涡装置的驱动叶片与第二泵站浮式对旋消涡装置的驱动叶片的驱动方向相异；所述第一泵站浮式对旋消涡装置用于消除液面顺时针方向的漩涡；所述第二泵站浮式对旋消涡装置用于消除液面逆时针方向的漩涡；而第一泵站浮式对旋消涡装置的驱动叶片为I型叶片，I型叶片安装在泵站吸水端左侧(此时若采用右手螺旋定则，液面旋涡顺时针旋转)；第二泵站浮式对旋消涡装置的驱动叶片为II型叶片，II型叶片安装在泵站吸水端右侧(此时若采用右手螺旋定则，液面旋涡逆时针旋转)；其目的是使液面旋涡顺着驱动叶片运动并向正上方导向，阻碍旋涡下沉运动产生空气夹带。反转叶片截面为长方形且叶片沿径向分布，可最大程度上起到搅拌造涡的效果，抵消液面旋涡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的泵站浮式对旋消涡装置安装示意图。
图2为本发明所述的泵站浮式对旋消涡装置结构图。
图3为本发明所述的浮式驱动盘的驱动叶片为I型的示意图。
图4为本发明所述的浮式驱动盘的驱动叶片为II型的示意图。
图5为本发明所述的浮式驱动盘的剖视图。
图6为本发明所述的对旋齿轮箱示意图。
图7为本发明所述的反转盘示意图。
图8为未安装泵站浮式对旋消涡装置液面模拟图。
图9为安装泵站浮式对旋消涡装置液面模拟图。
图中：
1-浮式驱动盘；11-驱动叶片；12-浮力盘；13-驱动盘轮毂；14-驱动轴；15-驱动锥齿轮；2-对旋齿轮箱；21-箱盖；22-传动锥齿轮；23-滚动轴承；3-反转盘；31-反转叶片；32-反转盘轮毂；33-反转轴；34-反转锥齿轮；4-平面轴承；5-弹簧；6-配重；7-牵引索；8-吸水管；9-液面；10-前池底面。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，吸水管8一般安装在水泵进口端，即为泵站吸水端；当水泵运行时，液流按图中所示方向运动，当流量较大或水平面9的水位较低时，往往会在水平面9产生旋涡，旋涡随液流进入吸水管8后，会影响水泵的效率和稳定性。随着旋涡强度增强，甚至会导致旋涡夹带空气入流，造成水泵效率和稳定性大幅降低。本发明所述的泵站浮式对旋消涡装置，包括浮式驱动盘1，对旋齿轮箱2，反转盘3，平面轴承4，弹簧5和配重6。所述浮式驱动盘1漂浮在泵站吸水端附近的液面，通过旋涡产生的动力带动浮式驱动盘1转动；所述浮式驱动盘1保证整个装置浮于水面，且在旋涡作用下和旋涡保持相同旋向；所述浮式驱动盘1通过对旋齿轮箱2与反转盘3连接，通过对旋齿轮箱2使反转盘3与浮式驱动盘1的转速相同，旋向相反。所述反转盘3底部安装平面轴承4，所述平面轴承4上通过弹簧5与配重6连接，用于防止倾斜。平面轴承4下端连接弹簧5，当反转盘3旋转时，弹簧5保持静止。弹簧5下端连接配重6，当液面9有波浪波动时，弹簧5和配重6可以起到稳定浮式装置的作用，此外，当浮式装置发生倾斜或翻转，配重6可以靠自身重力使浮式装置恢复竖直姿态。
如图5所示，所述浮式驱动盘1包括驱动叶片11、浮力盘12、驱动盘轮毂13、驱动轴14和驱动锥齿轮15；在浮力盘12与驱动盘轮毂13之间均布若干驱动叶片11，所述驱动轴14上端与驱动盘轮毂13连接，所述驱动轴14下端与驱动锥齿轮15连接，通过旋涡产生的动力施加在驱动叶片11上，用于使浮式驱动盘1与旋涡的转动方向相同。所述驱动叶片11的截面形状为四分之一的圆环型，所述驱动叶片11沿径向分布且厚度相同，所述驱动叶片11的进口处和出口处分别倒圆过渡处理，所述驱动叶片11的叶片数为3-6个。如图3所示，驱动叶片11的A-A截面形状分为I型，I型驱动叶片截面形状为圆环的四分之一且位于第四象限；如图4所示，驱动叶片11的B-B截面形状分为II型，II型驱动叶片截面形状为圆环的四分之一且位于第三象限。当视角沿液流方向时，按照右手螺旋定则，吸水管8左侧产生的旋涡轴线竖直向下，安装I型驱动叶片；当吸水管8右侧产生的旋涡轴线竖直向上，安装II型驱动叶片，如此可保证旋转液流顺着驱动叶片11运动，并向正上方导向，阻碍旋涡下沉产生空气夹带。
所述浮力盘12外轮廓为圆环拉伸体，所述浮力盘12内径为R1，所述浮力盘12外径为R2，所述浮力盘12高度为H，其内部为空腔，浮力盘12的体积满足下面条件：
式中，ρ为水的密度；M为泵站浮式对旋消涡装置的总质量；k为浮力系数，通常取0.5-0.8。
实施例中浮力盘12外轮廓为管状结构，内径为R1，外径为R2，高度为H，其内部为空腔，浮力盘12产生的浮力至少应大于消涡装置总质量，如k取值0.5，即浮力盘全部浸入水下时产生的最大浮力为2M。
如图6所示，所述对旋齿轮箱2内部水平方向分别同轴安装两个传动锥齿轮22，所述对旋齿轮箱2内部垂直方向分别同轴安装驱动锥齿轮15和反转锥齿轮34；两个所述传动锥齿轮22分别与驱动锥齿轮15啮合；两个所述传动锥齿轮22分别与反转锥齿轮34啮合；所述驱动锥齿轮15通过两个传动锥齿轮22驱动反转锥齿轮34反向转动。
如图7所示，所述反转盘3包括反转叶片31、反转盘轮毂32、反转轴33和反转锥齿轮34；所述反转叶片31的内缘与反转盘轮毂32连接；所述反转轴33上端与对旋齿轮箱2连接，反转轴33下端与反转盘轮毂32连接，所述反转盘3与旋涡的转动方向相反，即反转盘3的与浮式驱动盘1的转向相反。由于旋涡轮廓为锥形，所述反转叶片31外径r1与驱动叶片11外径R1比值一般为0.6～0.8；为了最大程度实现搅拌造涡目的，所述反转叶片31沿径向分布且横截面形状为矩形，所述反转叶片31的高度为h，所述反转叶片31的宽度为w，满足下面条件：h≥H且h≥2w。
如图1所示，弹簧5下端连接配重6，配重6具有一定的重量m，其取值可根据实际运行条件下液面波动程度而定，但至少应设置为消涡装置整体重量M的30％，即m＝0.3M。当液面波动幅度较大时，配重6的重量m可设置为消涡装置整体重量M的50％，即m＝0.5M。
如图1所示，所述泵站吸水端与配重6之间连接牵引索7；牵引索7一端连接配重6，一端连接吸水管8，且与吸水管8的连接点位于液面9和吸水管8下沿的中间位置。为了确保浮式装置可以自由漂浮至液面旋涡处，牵引索7应具有一定的长度L，但也要防止牵引索7过长而导致浮式装置在极端工况下吸入吸水管，并与泵叶片发生碰撞导致泵装置损毁，因此，限制牵引索7的长度L一般满足下面条件：(T-t)≥L≥0.8(T-t)；
式中，T-t为液面9与吸水端进口处之间的垂直距离。T为液面9距离前池底面10的垂直高度，t为吸水管8下沿距离前池底面10的垂直高度。
如图8和图9所示，通过数值模拟观测本发明的泵站浮式对旋消涡装置的效果，采用壁面旋转的方式，在圆柱流场中人为产生旋转流动。上图为圆柱流场的截面示意图，两侧为旋转壁面，云图中采用的变量为Q准则，是表征旋涡强度的无量纲参数。由于柱面旋转产生人造旋涡，可以看到旋涡最大值(红色区域)出现在壁面两侧，且向中间逐渐降低，在配置消涡装置后，消涡装置局部的旋涡强度更低，消涡装置对旋涡的传递具有耗散作用。
一种泵站，至少包括2个所述的泵站浮式对旋消涡装置，第一泵站浮式对旋消涡装置位于泵站吸水端附近的液面一侧；第二泵站浮式对旋消涡装置位于泵站吸水端附近的液面另一侧；所述第一泵站浮式对旋消涡装置的驱动叶片11与第二泵站浮式对旋消涡装置的驱动叶片11的驱动方向相异；所述第一泵站浮式对旋消涡装置用于消除液面顺时针方向的漩涡；所述第二泵站浮式对旋消涡装置用于消除液面逆时针方向的漩涡。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种泵站浮式对旋消涡装置，其特征在于，包括浮式驱动盘(1)、对旋齿轮箱(2)、反转盘(3)、平面轴承(4)、弹性元件和配重(6)；所述浮式驱动盘(1)漂浮在泵站吸水端附近的液面，通过旋涡产生的动力带动浮式驱动盘(1)转动；所述浮式驱动盘(1)通过对旋齿轮箱(2)与反转盘(3)连接，用于使反转盘(3)与浮式驱动盘(1)的转动方向相异；所述反转盘(3)底部安装平面轴承(4)，所述平面轴承(4)上通过弹性元件与配重(6)连接，用于防止倾斜；
所述浮式驱动盘(1)包括驱动叶片(11)、浮力盘(12)、驱动盘轮毂(13)、驱动轴(14)和驱动锥齿轮(15)；在浮力盘(12)与驱动盘轮毂(13)之间均布若干驱动叶片(11)，所述驱动轴(14)上端与驱动盘轮毂(13)连接，所述驱动轴(14)下端与驱动锥齿轮(15)连接，通过旋涡产生的动力施加在驱动叶片(11)上，用于使浮式驱动盘(1)与旋涡的转动方向相同。
2.根据权利要求1所述的泵站浮式对旋消涡装置，其特征在于，所述驱动叶片(11)的截面形状为四分之一的圆环型，所述驱动叶片(11)沿径向分布且厚度相同，所述驱动叶片(11)的进口处和出口处分别倒圆过渡处理，所述驱动叶片(11)的叶片数为3-6个。
3.根据权利要求1所述的泵站浮式对旋消涡装置，其特征在于，所述浮力盘(12)外轮廓为圆环拉伸体，所述浮力盘(12)内径为R1，所述浮力盘(12)外径为R2，所述浮力盘(12)高度为H，其内部为空腔，浮力盘(12)的体积满足下面条件：
式中，ρ为水的密度；M为泵站浮式对旋消涡装置的总质量；k为浮力系数。
4.根据权利要求1所述的泵站浮式对旋消涡装置，其特征在于，所述反转盘(3)包括反转叶片(31)、反转盘轮毂(32)、反转轴(33)和反转锥齿轮(34)；所述反转叶片(31)的内缘与反转盘轮毂(32)连接；所述反转轴(33)上端与对旋齿轮箱(2)连接，反转轴(33)下端与反转盘轮毂(32)连接，所述反转盘(3)与旋涡的转动方向相反。
5.根据权利要求4所述的泵站浮式对旋消涡装置，其特征在于，所述反转叶片(31)外径r1与驱动叶片(11)外径R1比值一般为0.6～0.8；所述反转叶片(31)的横截面形状为矩形，所述反转叶片(31)的高度为h，所述反转叶片(31)的宽度为w，满足下面条件：h≥H且h≥2w。
6.根据权利要求1所述的泵站浮式对旋消涡装置，其特征在于，所述对旋齿轮箱(2)内部水平方向分别同轴安装两个传动锥齿轮(22)，所述对旋齿轮箱(2)内部垂直方向分别同轴安装驱动锥齿轮(15)和反转锥齿轮(34)；两个所述传动锥齿轮(22)分别与驱动锥齿轮(15)啮合；两个所述传动锥齿轮(22)分别与反转锥齿轮(34)啮合；所述驱动锥齿轮(15)通过两个传动锥齿轮(22)驱动反转锥齿轮(34)反向转动。
7.根据权利要求1所述的泵站浮式对旋消涡装置，其特征在于，所述配重(6)的质量m满足下面条件：m≥0.3M，M为泵站浮式对旋消涡装置的总质量。
8.根据权利要求1所述的泵站浮式对旋消涡装置，其特征在于，所述泵站吸水端与配重(6)之间连接牵引索(7)；所述牵引索(7)与泵站吸水端的连接点位于液面(9)与吸水端进口处之间的中间位置；所述牵引索(7)的长度L满足下面条件：(T-t)≥L≥0.8(T-t)；
式中，T-t为液面(9)与吸水端进口处之间的垂直距离。
9.一种泵站，其特征在于，至少包括2个权利要求1-8任一项所述的泵站浮式对旋消涡装置，第一泵站浮式对旋消涡装置位于泵站吸水端附近的液面一侧；第二泵站浮式对旋消涡装置位于泵站吸水端附近的液面另一侧；所述第一泵站浮式对旋消涡装置的驱动叶片(11)与第二泵站浮式对旋消涡装置的驱动叶片(11)的驱动方向相异；所述第一泵站浮式对旋消涡装置用于消除液面顺时针方向的漩涡；所述第二泵站浮式对旋消涡装置用于消除液面逆时针方向的漩涡。
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2023
- 2023-06-12 CN CN202310689708.1A patent/CN116575413B/zh active Active
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