CN204284004U - 一种水力性能优异的钟形进水流道 - Google Patents

Abstract

一种水力性能优异的钟形进水流道，属于水利工程泵站技术领域。所述钟形进水流道沿水流方向设有直线进口段、钟形转向段和圆台整流段，各段具有不同的几何特征和作用；所述钟形转向段几何形体复杂，上部形状为钟形、下部为平底、平面形状为蜗壳形、内设置导水圆台，提供详细的极坐标表示图及数据表；所述钟形进水流道所有尺寸均用相对值表示(以水泵叶轮直径D为基准值)；所述直线进口段和圆台整流段的主要参数可根据泵站的实际需要在一定范围内调整，以适应不同泵站的要求。本实用新型提供的钟形进水流道水力性能优异、使用方法简便，可保证每座泵站钟形进水流道的设计质量，对于确保泵站的安全、稳定和高效运行具有重要意义。

Description

一种水力性能优异的钟形进水流道

技术领域

本实用新型属于水利工程泵站技术领域，具体涉及一种水力性能优异的钟形进水流道及其应用方法，主要用于指导广大工程技术人员设计水力性能优异的钟形进水流道，可保证每座泵站钟形进水流道的设计质量，对于确保大中型泵站的安全、稳定和高效运行具有重要意义。

背景技术

钟形进水流道是大中型低扬程立式泵站应用较多的进水流道，特别适用于地基条件较差、不适于深挖方的泵站，其作用是引导水流在从前池流向水泵叶轮室的过程中有序转向和均匀加速，为水泵叶轮室进口提供符合要求的流态。设计水力性能优异的钟形进水流道是保证水泵安全、稳定和高效运行的必要条件。钟形进水流道三维形体复杂，其设计方法长期以来采用传统的几何作图法，与钟形进水流道内水流的三维湍流流动情况严重脱节，所设计的流道不能满足水泵叶轮对进水流场的要求，有时甚至会导致流道内产生涡带，严重影响水泵机组的稳定运行。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种水力性能优异的钟形进水流道。应用本实用新型得到的钟形进水流道水流转向有序，流道内无有害流态，水力性能优异，可为水泵叶轮室进口提供符合要求的流态。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的，一种水力性能优异的钟形进水流道，其沿水流方向设有直线进口段、钟形转向段和圆台整流段3个段，各段具有不同的几何特征和作用；在直线进口段内设置中隔墩，在钟形转向段内设置导水圆台；

所述钟形进水流道的各几何尺寸以相对值表示(以水泵叶轮直径D为基准值，D的单位为m，下同)，其长度L为4.1D、进口宽度B₁为2.85D、高度H为1.4D；所述直线进口段位于所述钟形进水流道的最前端，其内部设有中隔墩，流道上、下边线和平面形线均为直线，断面形状为矩形，长度L_jk为3.07D、进口宽度B₁为2.85D、进口高度H₁为1.52D、底边倾角β为5°、进口顶板圆弧半径R＝0.25D+0.2m，所述中隔墩的长度L_g为2.5D、厚度B_g＝0.174D+0.191m、头部圆弧半径R_g1＝0.48D、尾部圆弧半径R_g2＝2.86D，其过流通道由流道内壁和中隔墩外壁构成，该段的作用是引导水流从泵站前池进入流道，同时满足泵房上部结构布置的要求；

所述钟形转向段位于直线进口段之后，其特征是上部形状为钟形、下部为平底、平面形状为蜗壳形，其内部设有导水圆台，该段长度L_zx为1.89D、高度H_zx为0.97D、进口宽度B₂为2.85D、进口高度H₂为0.91D，所述导水圆台的底部直径D_d为1.32D、上部直径D_s为1.1D_L(D_L为水泵叶轮轮毂体叶轮室进口断面的直径，D_L的单位为m，下同)、高度H_zx为0.97D，其过流通道由流道内壁和导水圆台外壁构成，为准确表达该段的三维形体，提供了该段钟形曲线、平面蜗壳形曲线和导水圆台曲线的极坐标表示图及数据表，钟形曲线的数据表包括坐标点编号、角度α_zi和半径R_zi，平面蜗壳曲线的数据表包括坐标点编号、角度α_wi和半径R_wi，导水圆台曲线的数据表包括坐标点编号、角度α_di和半径R_di，该段的作用是引导水流有序地作90°转向和加速，并保证在此过程中不发生有害流态；

所述圆台整流段位于钟形转向段之后，其特征是过流通道由流道内壁和圆台外壁构成，其内、外壁的母线形状为直线，其高度H_zl＝0.1065D+0.4367m、出口的内壁直径D_n2和外壁直径D_w2分别为0.88D和D_L，其进口内壁直径D_n1为0.94D、进口外壁直径为D_w1，D_w1与导水圆台的上部直径D_s相等，该段的作用是对流向水泵叶轮室的水流作最后的调整和加速，以保证水流均匀地进入叶轮室。

上述水力性能优异的钟形进水流道的应用方法，包括以下步骤：

(1)钟形进水流道沿水流方向依次设有直线进口段、钟形转向段和圆台整流段3个段，将各段的几何尺寸均采用以水泵叶轮直径D为基准值的相对值表示；所述钟形进水流道长度L为4.1D、进口宽度B₁为2.85D、高度H为1.4D；所述直线进口段位于所述钟形进水流道的最前端，其特征是内部设有中隔墩，流道上、下边线和平面形线均为直线，断面形状为矩形，其长度L_jk为3.07D、进口宽度B₁为2.85D、进口高度H₁为1.52D、底边倾角β为5°、进口顶板圆弧半径R＝0.25D+0.2m，所述中隔墩的长度L_g为2.5D、厚度B_g＝0.174D+0.191m、头部圆弧半径R_g1＝0.48D、尾部圆弧半径R_g2＝2.86D，其过流通道由流道内壁和中隔墩外壁构成，该段的作用是引导水流从泵站前池进入流道，同时满足泵房上部结构布置的要求；

所述钟形转向段位于直线进口段之后，其特征是上部形状为钟形、下部为平底、平面形状为蜗壳形，其内部设有导水圆台，该段长度L_zx为1.89D、高度H_zx为0.97D、进口宽度B₂为2.85D、进口高度H₂为0.91D，所述导水圆台的底部直径D_d为1.32D、上部直径D_s为1.1D_LD_L、高度H_zx为0.97D，其过流通道由流道内壁和导水圆台外壁构成，该段的钟形曲线、平面蜗壳曲线和导水圆台曲线均提供极坐标表示图及数据表，钟形曲线的数据表包括坐标点编号、角度α_zi和半径R_zi，平面蜗壳曲线的数据表包括坐标点编号、角度α_wi和半径R_wi，导水圆台曲线的数据表包括坐标点编号、角度α_di和半径R_di，该段的作用是引导水流有序地作90°转向和加速，并保证在此过程中不发生有害流态；

所述圆台整流段位于钟形转向段之后，其特征是过流通道由流道内壁和圆台外壁构成，其内、外壁的母线形状为直线，其高度H_zl＝0.1065D+0.4367m、出口的内壁直径D_n2和外壁直径D_w2分别为0.88D和D_L，其进口内壁直径D_n1为0.94D、进口外壁直径为D_w1(与导水圆台的上部直径D_s相等)，该段的作用是对流向水泵叶轮室的水流作最后的调整和加速，以保证水流均匀地进入叶轮室；

(2)利用步骤(1)确定的直线进口段、钟形转向段和圆台整流段几何参数，根据泵站拟采用的水泵叶轮直径D计算该泵站进水流道实际所需尺寸；

(3)按照步骤(2)确定圆台整流段的高度H_zl，根据泵站的实际需要在步骤(2)的基础上加大或减少H_zl，调整H_zl时，该段进口的内壁直径D_n1和外壁直径D_w1、出口的内壁直径D_n2和外壁直径D_w2均保持不变；

(4)按照步骤(2)确定直线进口段的长度L_jk，根据泵站上部结构布置的需要在步骤(3)的基础上加长或缩短L_jk，在调整L_jk的同时相应调整所述中隔墩的长度L_g，调整L_jk和L_g时，流道进口高度H₁保持不变；

(5)按照步骤(2)确定直线进口段的底边倾角β，根据该段与泵站前池衔接的需要在步骤(4)的基础上加大或减少β，调整β时，该段各断面的高度保持不变；

(6)根据换算和调整后的所述钟形进水流道的几何参数，在绘图软件中绘制所需的钟形进水流道单线图；

按照步骤(3)、(4)、(5)对圆台整流段H_zl和直线进口段L_jk、L_g、β进行调整时，不改变步骤(2)所确定的钟形转向段的几何参数。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

第一，本实用新型的钟形进水流道水力性能优异，使用方法简便，无需进行复杂的基于CFD的优化水力设计研究，便于广大工程技术人员采用；可保证每座泵站钟形进水流道设计的质量，对于确保大中型泵站的安全、稳定和高效运行具有重要意义。

第二，本实用新型提供的钟形进水流道沿水流方向设有直线进口段、钟形转向段和圆台整流段3个段，在直线进口段内设置中隔墩，在钟形转向段内设置导水圆台；所述直线进口段用于引导泵站前池来流，所述中隔墩用于消除前池来流中的横向流速；所述钟形转向段的作用是引导水流有序地作90°转向和加速，并可使水流在作90°转向的过程中避免发生附壁涡带、附底涡带等有害流态；所述圆台整流段用于进一步调整从钟形转向段流入的水流，使其均匀、顺直地流向水泵叶轮室进口；应用本实用新型得到的钟形进水流道水流转向有序、均匀，流道内无有害流态，水力性能优异。

第三，根据对已建泵站钟形进水流道主要尺寸的统计，其长度、宽度和高度的相对值(以水泵叶轮直径D为基准值)相差较小，本实用新型提供的钟形进水流道适应性强；流道所有尺寸均用相对值表示，对于一般大中型立式泵站，将这些相对值乘以水泵叶轮直径D即可得到所需的流道尺寸；流道的长度、高度和底边倾角可根据泵站的实际需要在一定范围内进行调整。

第四，本实用新型提供的钟形进水流道水力性能优异：①根据多年来对钟形进水流道的研究成果，选择其中经过充分优化水力设计和严格性能测试、并得到成功应用的钟形进水流道；②所述钟形进水流道的主要水力性能指标如下：流道出口流速分布均匀度V_u≥97％；流道出口水流进入水泵叶轮室的平均角度设计流量时的流道水头损失Δh≤0.15m。

附图说明

图1a是本实用新型钟形进水流道单线图的纵剖面示意图；

图1b是本实用新型钟形进水流道单线图的平面示意图；

图2a是本实用新型钟形进水流道钟形曲线示意图；

图2b是本实用新型钟形进水流道平面蜗壳曲线示意图；

图2c是本实用新型钟形进水流道导水圆台曲线示意图；

图3是本实用新型钟形进水流道高度改变的纵剖面示意图；

图4a是本实用新型钟形进水流道长度改变的纵剖面示意图；

图4b是本实用新型钟形进水流道长度改变的平面示意图；

图5是本实用新型钟形进水流道底边倾角改变的纵剖面示意图。

图中：1直线进口段，2钟形转向段，3圆台整流段，4中隔墩，5导水圆台，6钟形曲线，7平面蜗壳曲线，8导水圆台曲线，9泵轴中心线，10叶轮中心线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型的目的：(1)提供一种可应用于地基条件较差、不适于深挖方泵站的钟形进水流道，该流道已经过严格测试，证明其水力性能优异，并已在不适于深挖方的大中型泵站得到普遍成功应用；(2)提供的钟形进水流道沿水流方向设有直线进口段1、钟形转向段2和圆台整流段3，在直线进口段1内设置中隔墩4，在钟形转向段2内设置导水圆台5，其中，直线进口段1和圆台整流段3提供取值范围，几何形体复杂的钟形转向段2提供了详细的钟形曲线6、平面蜗壳曲线7和导水圆台曲线8的极坐标表示图及数据表；(3)所提供的流道几何尺寸均以相对值表示(以水泵叶轮直径D为基准值)，将所述钟形进水流道各几何尺寸相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮直径D即可得该泵站进水流道的实际所需尺寸；(4)直线进口段1和圆台整流段3的几何参数可根据泵站的实际需要在一定范围内调整，以适应不同泵站对流道长度、高度和底边倾角等主要几何参数的不同需要；(5)直线进口段1和圆台整流段3几何参数的调整不改变钟形转向段2的几何参数。

(1)提供的钟形进水流道水力性能优异；

①根据多年来对钟形进水流道的研究成果，选择其中经过充分优化水力设计和严格性能测试、并得到成功应用的钟形进水流道；

②所述钟形进水流道的主要水力性能指标如下：

流道出口水流速度分布均匀度V_u≥97％；

流道出口水流进入水泵叶轮室的平均角度

设计流量的流道水头损失Δh≤0.15m。

(2)所提供的钟形进水流道几何形体表达方式；

①所述钟形进水流道沿水流方向分为直线进口段1、钟形转向段2和圆台整流段3，在直线进口段1内设置中隔墩4，在钟形转向段2内设置导水圆台5；

②所述钟形转向段2几何形体复杂，是钟形进水流道设计的核心部分，其作用是使水流有序地进行90°转向，水流在该段内是从前、后、左、右4个方向转向90°进入，流态较为复杂，该段水力设计的优劣对流道水力性能影响很大，设计不当甚至可能导致发生附壁涡带或附底涡带，从而严重影响到水泵的安全和稳定运行；该段几何参数包括长度L_zx、高度H_zx、进口宽度B₂和进口高度H₂，为准确表达该段的三维形体，提供了钟形曲线6、平面蜗壳曲线7和导水圆台曲线8的极坐标表示图及数据表，钟形曲线6的数据表包括坐标点编号、角度α_zi和半径R_zi，平面蜗壳曲线7的数据表包括坐标点编号、角度α_wi和半径R_wi，导水圆台曲线8的数据表包括坐标点编号、角度α_di和半径R_di；

③所述直线进口段1位于钟形转向段2之前，是泵站前池和钟形转向段2之间的过渡段，该段的几何参数包括流道直线进口段长度L_jk、进口宽度B₁、进口高度H₁、底边倾角β、流道进口的顶板圆弧半径R；

④所述圆台整流段3位于钟形转向段2之后，其作用是对从钟形转向段2流出的水流进行最后的整流和加速，其水力设计对流道出口水流流速分布均匀度V_u和水流进入水泵叶轮室的平均角度影响很大，该段的几何参数包括圆台高度H_zl、进口的内壁直径D_n1和外壁直径D_w1、出口的内壁直径D_n2和外壁直径D_w2；

⑤在所述直线进口段1内设置中隔墩4，其作用主要是满足流道结构布置的需要，同时也有利于调整从前池进入流道的水流；所述中隔墩4分为头部圆弧段、中部直段和尾部圆弧段，其几何参数包括中隔墩长度L_g、厚度B_g、头部圆弧半径R_g1、尾部圆弧半径R_g2；

⑥在所述钟形转向段2内设置导水圆台5，其作用是用于阻止钟形转向段2的下方产生可导致水泵振动的附底涡带，其几何参数包括所述导水圆台5的底部直径D_d、上部直径D_s、高度H_zx和导水圆台曲线8。

(3)建立便于推广的钟形进水流道应用方法；

①将所述钟形进水流道各几何尺寸相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮直径D得该泵站进水流道实际所需的尺寸；

②按照步骤①确定圆台整流段3的高度H_zl，根据泵站的实际需要在步骤①的基础上加大或减少H_zl，调整H_zl时，该段进口的内壁直径D_n1和外壁直径D_w1、出口的内壁直径D_n2和外壁直径D_w2均保持不变；

③按照步骤①确定直线进口段1的长度L_jk，根据泵站上部结构布置的需要在步骤②的基础上加长或缩短L_jk，在调整L_jk的同时相应调整所述中隔墩4的长度L_g，调整L_jk和L_g时，流道进口高度H₁保持不变；

④按照步骤①确定直线进口段1的底边倾角β，根据该段与泵站前池衔接的需要在步骤③的基础上加大或减小β，调整β时，该段各断面的高度保持不变；

⑤根据换算和调整后的所述钟形进水流道的几何参数，在绘图软件中绘制所需的钟形进水流道单线图；

按照步骤②、③、④对圆台整流段3的H_zl和直线进口段1的L_jk、L_g、β进行调整时，不改变步骤①所确定的钟形转向段2的几何参数。

实施例1

(1)本实用新型的钟形进水流道如下：

以水泵叶轮直径D为基准值。本实用新型提供的钟形进水流道长度L为4.1D、进口宽度B₁和高度H分别为2.85D和1.4D；所述直线进口段1的长度L_jk为3.07D、进口宽度B₁为2.85D、进口高度H₁为1.52D、底边倾角β为5°、进口顶板圆弧半径R＝0.25D+0.2m，中隔墩4的长度L_g为2.5D、厚度B_g＝0.174D+0.191m、头部圆弧半径R_g1＝0.48D、尾部圆弧半径R_g2＝2.86D；所述钟形转向段2的长度L_zx为1.89D、高度H_zx为0.97D、进口宽度B₂为2.85D、进口高度H₂为0.91D，导水圆台5的底部直径D_d为1.32D、上部直径D_s为1.1D_LD_L、高度H_zx为0.97D，该段钟形曲线6各坐标点的编号、角度α_zi和半径R_zi见表1，各坐标点位置如图2a所示(坐标原点O与泵轴中心线9的距离为0.678D、与叶轮中心线10的距离为0.429D)，平面蜗壳曲线7各坐标点的编号、角度α_wi和半径R_wi见表2，各坐标点位置如图2b所示(坐标原点O位于泵轴中心线9与圆台整流段3出口断面的交点)，导水圆台曲线8各坐标点的编号、角度α_di和半径R_di见表3，各坐标点位置如图2c所示(坐标原点O与泵轴中心线9的距离为0.662D、与叶轮中心线10的距离为0.429D)；所述圆台整流段3的高度H_zl＝0.1065D+0.4367m、出口的内壁直径D_n2和外壁直径D_w2分别为0.88D和D_L，其进口内壁直径D_n1为0.94D、进口外壁直径为D_w1(与导水圆台的上部直径D_s相等)；表1、表2和表3中各坐标点的半径均为相对值(以水泵叶轮直径D为基准值)。

表1 钟形转向段钟形曲线的数据表

表2 钟形转向段平面蜗壳曲线的数据表

表3 钟形转向段导水圆台曲线的数据表

(2)本实用新型的应用方法如下：

①将所述钟形进水流道各几何尺寸的相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮直径D得该泵站进水流道实际所需的尺寸，所述钟形进水流道钟形转向段2的钟形曲线6、平面蜗壳曲线7和导水圆台曲线8的坐标点数据可调入excel表格中进行统一处理；

②按照步骤①确定所述钟形进水流道圆台整流段3的高度H_zl＝0.1065D+0.4367m，根据泵站的实际需要在步骤①的基础上加大或减少H_zl，调整H_zl时圆台整流段3进口的内壁直径D_n1和外壁直径D_w1、出口的内壁直径D_n2和外壁直径D_w2保持不变；调整方式如图3所示，图中H′_zl和H″_zl分别表示圆台整流段3的高度H_zl增加和减少后的高度；圆台整流段高度H_zl的调整量不大于0.15D；

③按照步骤①确定所述钟形进水流道直线进口段1的长度L_jk为3.07D，根据泵站上部结构布置的需要在步骤②的基础上加长或缩短L_jk，同时相应调整所述中隔墩4的长度L_g，调整L_jk和L_g时流道进口高度H₁保持不变；调整L_jk和L_g的方式如图4所示，图中，L′_jk和L′_g分别表示进口直线段1加长后的进口直线段1和隔墩4的长度，L″_jk和L″_g分别表示进口直线段1缩短后的进口直线段1和隔墩4的长度；

④按照步骤①确定所述钟形进水流道直线进口段1的底边倾角β为5°，根据钟形转向段2与泵站前池衔接的需要在步骤③的基础上加大或减少β，其调整量不大于5°，调整β时该段各断面的高度保持不变；调整β的方式如图5所示，图中，β′和β″分别表示进口直线段1底边倾角β增大和减小后的的角度；

⑤根据换算和调整后的所述钟形进水流道的几何参数，在AUTO CAD软件中绘制所需的钟形进水流道单线图；

上述圆台整流段3和直线进口段1几何参数的调整均不改变钟形转向段2的几何形体。

Claims (5)

1.一种水力性能优异的钟形进水流道，其特征是，所述钟形进水流道包括沿水流方向设置的直线进口段、钟形转向段和圆台整流段，在钟形转向段内设置导水圆台；所述直线进口段位于所述钟形进水流道的最前端，所述直线进口段内中部沿水流方向设有中隔墩；

所述钟形进水流道的各几何尺寸以相对值表示，以水泵叶轮直径D为基准值，钟形进水流道的长度L为4.1D、进口宽度B₁为2.85D、高度H为1.4D；

所述直线进口段的作用是适应泵房上部结构布置的需要和引导水流从泵站前池进入流道，直线进口段的上、下边线和平面形线均为直线，断面形状为矩形，其长度L_jk为3.07D、进口宽度B₁为2.85D、进口高度H₁为1.52D、底边倾角β为5°、进口顶板圆弧半径R＝0.25D+0.2m；所述中隔墩的长度L_g为2.5D、厚度B_g＝0.174D+0.191m、头部圆弧半径R_g1＝0.48D、尾部圆弧半径R_g2＝2.86D；直线进口段的过流通道由流道内壁和中隔墩外壁构成；

所述钟形转向段位于直线进口段之后，钟形转向段引导水流有序地作90°转向和加速；钟形转向段的上部形状为钟形、下部为平底、平面形状为蜗壳形，钟形转向段长度L_zx为1.89D、高度H_zx为0.97D、进口宽度B₂为2.85D、进口高度H₂为0.91D；所述导水圆台的底部直径D_d为1.32D、上部直径D_s为1.1D_L、高度H_zx为0.97D，D_L为水泵叶轮轮毂体叶轮室进口断面的直径；钟形转向段的过流通道由流道内壁和导水圆台外壁构成；

所述圆台整流段位于钟形转向段之后，圆台整流段的过流通道由流道内壁和圆台外壁构成，圆台整流段的作用是对流向水泵叶轮室的水流作最后的调整和加速，以保证水流均匀地进入叶轮室；其流道内壁、圆台外壁的母线形状均为直线，圆台整流段高度H_zl＝0.1065D+0.4367m、出口的内壁直径D_n2为0.88D、外壁直径D_w2为D_L，圆台整流段进口内壁直径D_n1为0.94D、进口外壁直径为D_w1，D_w1与所述导水圆台的上部直径D_s相等。

2.根据权利要求1所述的水力性能优异的钟形进水流道，其特征是，所述钟形转向段包括钟形曲面、平面蜗壳曲面、导水圆台曲面。

3.根据权利要求2所述的水力性能优异的钟形进水流道，其特征是，所述钟形曲面的钟形曲线采用钟形曲线数据表示，钟形曲线数据表包括坐标点编号、角度α_zi和半径R_zi。

4.根据权利要求2所述的水力性能优异的钟形进水流道，其特征是，所述平面蜗壳曲面的平面蜗壳曲线采用平面蜗壳曲线数据表示，平面蜗壳曲线数据表包括坐标点编号、角度α_wi和半径R_wi。

5.根据权利要求2所述的水力性能优异的钟形进水流道，其特征是，所述导水圆台曲面的导水圆台曲线采用导水圆台曲线数据表示，导水圆台曲线数据表包括坐标点编号、角度α_di和半径R_di。