一种方箱式双向进水流道设计方法与流程

本发明属于泵的研究领域，具体涉及一种泵站用方箱式双向进水流道设计方法。

背景技术

通常情况下，大型泵站为了减少施工量，同时也使电机有比较良好的工作环境，一般将进水池与吸水管合二为一，即为进水流道。对进水流道的基本要求是，流道出口断面流速分布均匀、速度环量为零，满足泵进水设计要求；流道内无回流、无有害旋涡(涡带)，避免产生振动、噪音等。进水流道设计合理与否直接影响泵装置的安全性、经济性。

进水流道有多种型式，各种进水流道尽管形状不一，但都是泵站前池与水泵叶轮室之间的过渡段，其作用都是为了使水流从前池进入水泵叶轮室的过程中更好的转向和加速，以尽可能满足水泵叶轮对叶轮室进口水流流态所要求的条件。进水流道按进水方向可分为单向进水流道和双向进水流道，其中双向进水流道可以四面进水，有较好的水力性能，方箱式进水流道就是属于双向的，并且方箱式双向进水流道适用于立式轴流泵以及导叶式混流泵，其形状与水轮机的尾水管类似。

我国已建泵站的双向进水流道形式大体可分为肘形对拼式双向进水流道(谏壁泵站等)、箱涵式双向进水流道(例如武定门泵站等)及方箱式双向进水流道(河北叶三拨泵站等)，肘形对拼式双向进水流道模仿单向肘形,侧向也类似单向肘形进水流道收缩,实际效果形成“瓶颈”阻水,与来流相对的一端死水区范围向流道出口延扩,流道出口垂直中心进水侧流速远大于死水侧流速,流速分布极不均匀；死水区有垂直方向回流,其强度随流量增大而增强。箱涵式进水流道在无导水锥和隔板时，死水区在垂直和水平方向均有明显回流,且在叶轮中心垂线内侧(近死水区一侧)时有附底涡带。工程中为减轻回流及防止产生涡带,常采用隔板、导水锥等措施改善流态，但隔板形状、加设位置对流态有明显影响,需经模型试验才能具体确定。方箱式进水流道实际是在箱涵式双向进水流道中设置导水锥，导水锥占据了漩涡或涡带发生空间并以此防止漩涡产生。此型式双向进水流道类同后壁距很大的单向钟形进水流道,进水为环形进水；型线设计合理的情况下无明显回流和涡带。同时方箱式双向进水流道还有结构简单、施工方便、双向过流能力强等优点，但是其应用时间不长，对其水力设计方法尚缺乏研究。为使方箱式双向进水流道的水力设计更加合理，实现以尽可能少的投资达到最佳的水泵装置性能，本发明提供了一种泵站用的方箱式双向进水流道的设计方法。

专利号为201720296359.7号的专利中公开了一种双向进水流道，其提供的是一种水力性能优异的方双向进水流道实验装置，其使流道内水力损失相对更小，这对于泵站运行的稳定性、安全性及高效性都具有非常重要的意义。然而，其进水流道的主要设计参数是根据水利方面的工作人员的经验估算，并没有提供完善准确的设计方案，而且其给出的设计方法比较宽泛笼统没有针对性，很多特殊场合可能难以实现。专利号为201020107757.8的中国发明专利中公开了一种新型箱涵式双向进水流道，其也给出了一种双向进水流道的设计方法，从很大程度上降低了双向进水流道的水力损失。然而，其并没有给出箱涵式双向进水流道相关参数具体的设计公式，只是给出一定的取值范围，因此，其设计方案并不完善，在一定程度上对进水流道的进水流态有很大影响。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种方箱式双向进水流道设计方法，本发明通过控制进水流道的箱涵、吸水喇叭口、导水锥等相关参数来达到提高泵站运行的可靠性和高效性，同时使泵工作更加稳定，而且能够延长泵站的检修周期。本发明不仅给出了主要设计参数系统准确的设计方案，而且可以将其与计算机结合运用，使参数化设计成为可能。

本发明的技术方案是：一种泵站用方箱式双向进水流道设计方法，包括通过改善方箱式双向进水流道的几个比较重要的几何参数，包括比例系数k、泵的叶轮中心高度hw、进水流道进口至泵轴线的长度x、进水流道进口段的长度p、进水流道进口段的宽度b、进水流道进口高度m、进水流道进口段的断面高度hi、进水流道进口段的断面面积fi、进水流道进口段的过渡圆半径ri、进水流道弯曲段的外曲率半径r、进水流道弯曲段的内曲率半径r、进水流道进口段的顶部渐缩角α、进水流道进口段的下边线倾角β、进水流道出口段的高度l、进水流道弯曲段的高度n、进水流道弯曲段的进口高度h，以改善流动达到提高泵站的稳定性和安全性，此外，本发明取进水流道出口直径为叶轮直径。

一种方箱式双向进水流道设计方法，对方箱式双向进水流道的几何参数进行设计，所述方箱式双向进水流道的几何参数包括比例系数k、泵的叶轮中心高度hw、中隔板厚度bl、水流道喇叭管进口直径dl，泵的相关参数为叶轮直径d、泵的流量q、泵的转速n、泵的扬程h，计算公式如下：

dl＝(0.63k²-24.17k+9.95)·d式四

式中：

k——比例系数，无量纲数；

n——泵的转速，r/min；

ω——泵运转的角速度，rad/s；

d——叶轮直径，m；

q——泵的流量，m³/s；

h——泵的扬程，m；

g——重力加速度，m/s²；

hw——泵的叶轮中心高度，m；

dl——喇叭管进口直径，m；

bl——中隔板厚度，m。

上述方案中，所述方箱式双向进水流道的几何参数还包括进水流道进口段的宽度bj，设计公式为：

bj＝(-0.4268×sin(0.6682kπ)-4.093×e^-0.04k+4.82)·bl式六

式中：

bj——进水流道进口段的宽度，m；

bl——中隔板厚度，m；

k——比例系数，无量纲数。

上述方案中，所述方箱式双向进水流道的几何参数还包括进水流道的进口高度hj，设计公式为：

hj＝(0.079k²-3.051k+2.035)·bj式七

式子中：

bj——进水流道进口段的宽度，m；

hj——进水流道进口高度，m；

k——比例系数，无量纲数。

上述方案中，所述方箱式双向进水流道的几何参数还包括进水流道进口至泵轴线的长度xl，设计公式为：

式中：

xl——进水流道进口至泵轴线的长度，m；

hw——泵的叶轮中心高度，m；

g——重力加速度，m/s²；

h——泵的扬程，m；

q——泵的流量，m³/s；

ω——泵运转的角速度，rad/s；

k——比例系数，无量纲数。

上述方案中，所述方箱式双向进水流道的几何参数还包括导水锥的顶部直径d1和导水锥的底部直径d2，其中导水锥顶部直径d1与水泵的叶轮轮毂直径d0相等，导水锥的底部直径d2与水泵的吸水喇叭口直径dl相等，设计公式为：

d1＝d0式九

d2＝dl式十

式中：

d0——叶轮轮毂直径，m；

dl——喇叭管进口直径，m。

上述方案中，所述方箱式双向进水流道还包括喇叭管的内壁线的几何参数，即1/4椭圆曲线函数中的长轴长度a和短轴长度b，设计公式为：

a＝(3.043·e^0.028k-1.644·e^0.037)·d1式十一

式中：

a——喇叭管的内壁线1/4椭圆线的长轴长度，m；

b——喇叭管的内壁线1/4椭圆线的短轴长度，m；

d1——导水锥的顶部直径，m；

d2——导水锥的底部直径，m；

k——比例系数，无量纲数。

上述方案中，所述方箱式双向进水流道的几何参数还包括防涡中隔板长度bh，设计公式为：

bh＝(2.026e^0.03k-5.218)·dl式十三

式中：

bh——防涡中隔板长度，m；

dl——喇叭管进口直径，m；

k——比例系数，无量纲数。

上述方案中，所述方箱式双向进水流道的几何参数还包括喇叭管高度hl，设计公式为：

式中：

hl——喇叭管高度，m；

dl——喇叭管进口直径，m；

k——比例系数，无量纲数。

上述方案中，所述方箱式双向进水流道的几何参数还包括喇叭管出口与叶轮中心线之间的距离hp，设计公式为:

hp＝0.6908sin(6.82hl+32.631)式十五

式中：

hp——喇叭管出口与叶轮中心线之间的距离，m；

hl——喇叭管高度，m。

上述方案中，所述方箱式双向进水流道的几何参数还包括箱涵地板与喇叭管之间的距离hb，其公式为：

hb＝hw-hp-hl式十六

式中：

hb——箱涵地板与喇叭管之间的距离，m；

hw——泵的叶轮中心高度，m；

hl——喇叭管高度，m；

hp——喇叭管出口与叶轮中心线之间的距离，m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用精确的公式设计法进行一种泵站用的方箱式双向进水流道的主要几何参数的设计，其能提高泵站运行的可靠性，降低通过泵站进水流道的水力损失，同时延长了泵的使用寿命和泵站的维修周期。由于本发明的设计方法不同于传统的经验法，故能有效提高泵站的安全性能，同时使泵工作更加稳定。不仅如此，其还具有良好的经济效应，更有利于与计算机结合运用，使参数化设计成为可能。

附图说明

图1是一种泵站用方箱式双向进水流道的主视图；

图2是一种泵站用方箱式双向进水流道的俯视图。

图中hw—泵的叶轮中心高度，bl—中隔板厚度，dl—水流道喇叭管进口直径，hj—进水流道的进口高度，xl—进水流道进口至泵轴线的长度，bj—进水流道进口段的宽度，a-喇叭管的内壁线中1/4椭圆函数的长轴长度，b-喇叭管的内壁线中1/4椭圆函数的短轴长度，bh—防涡中隔板长度、hl—喇叭管高度、hp—喇叭管出口与叶轮中心线之间的距离、hb—箱涵地板与喇叭管之间的距离。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本实施例以泵站用方箱式双向进水流道为例，图1和图2所示分别为泵站用方箱式双向进水流道的主视图和俯视图；本发明通过以下计算公式来确定一种泵站用的方箱式双向进水流道的主要几何参数，包括泵的叶轮中心高度hw、中隔板厚度bl、水流道喇叭管进口直径dl、比例系数k、进水流道的进口高度hj、进水流道进口至泵轴线的长度xl、进水流道进口段的宽度bj、导水锥的顶部直径d1、导水锥的底部直径d2、喇叭管的内壁线中1/4椭圆函数的长轴长度a和短轴长度b、防涡中隔板长度bh、喇叭管高度hl、喇叭管出口与叶轮中心线之间的距离hp、箱涵地板与喇叭管之间的距离hb等。

此实施例是在给定泵站用泵的设计工况流量q、设计工况扬程h、设计工况转速n、叶轮进口直径d来确定一种水力性能优异的泵站用方箱式双向进水流道的主要几何参数。例如对于某项目泵站进水流道设计，其泵站用泵设计工况流量q＝26m³/s，额定扬程h为6m，额定转速n为120r/min,叶轮进口直径d为3.1m，用本发明的设计方法和计算机自动编程可以轻松的得到双箱式进水流道的几何造型。进水流道具体的几何数据如下：

dl＝(0.63k²-24.17k+9.95)·d＝3.76m(4)

bj＝(-0.4268×sin(0.6682kπ)-4.093×e^-0.04k+4.82)·bl＝3.5m(6)

hj＝(0.079k²-3.051k+2.035)·bj＝2.37m(7)

d1＝d0＝0.36m(9)

d2＝dl＝3.76m(10)

a＝(3.043·e^0.028k-1.644·e^0.037k)·d1＝0.76m(11)

bh＝(2.026e^0.03-5.218)·dl＝4.2m(13)

hp＝0.6908sin(6.82hl+32.631)＝0.43m(15)

hb＝hw-hp-hl＝0.86m(16)

以本发明进口段为例：

q＝26m³/s，bj＝3.50m，hj＝2.37m时，

由可得，v＝3.13m/s，

由达西公式计算进口段水力损失，

式中：

hf—局部沿程水力损失，m；

ε—局部阻力系数；

v—管道内有效截面上的平均流速,m/s；

g—重力加速度，m/s²；

经查表，对于大型泵站通常采用混凝土管道，即局部阻力系数ε＝0.1，得到hf＝0.05m，传统经验法设计的流道水力损失几乎都大于1m，因此本设计方法得到的局部水力损失比传统经验法设计的水力损失要小两个数量级，输水效果优异。

本发明通过读取多组数值模拟的计算结果，采用精确的公式设计法进行一种泵站用的方箱式双向进水流道的主要几何参数的设计，其能提高泵站运行的可靠性，降低通过泵站进水流道的水力损失，同时延长了泵的使用寿命和泵站的维修周期。由于本发明的设计方法不同于传统的经验法，故能有效提高泵站的安全性能，同时使泵工作更加稳定。不仅如此，其还具有良好的经济效应，更有利于与计算机结合运用，使参数化设计成为可能。

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。