CN103047185A - 伞形双向立式泵装置 - Google Patents

Abstract

伞形双向立式泵装置，属于水利工程技术领域。包括双向长方体进水流道、长方体出水流道、消涡防涡锥、进口喇叭管、叶轮室、导叶体、消旋体、环形虹吸式出水结构、后导水锥、出口喇叭管、驼峰环形壳，消涡防涡锥设置在进口喇叭管下方的双向长方体进水流道内，叶轮室进口连接进口喇叭管，叶轮室出口连接导叶体，消旋体、后导水锥、出口喇叭管依次设置在导叶体的上部，驼峰环形壳上环边与后导水锥的上缘平滑连接，下环边置于长方体出水流道内构成环形虹吸式出水结构，环形虹吸式出水结构的驼峰顶部设有通气孔接口连接真空破坏阀。本发明结构合理科学，具有自排自引、抽排抽引的四种作用，提高泵装置效率，节省投资，自动化程度高，运行管理方便。

Description

伞形双向立式泵装置

技术领域

本发明涉及一种水利工程设施，尤其是双向立式泵装置的结构，属于水利工程技术领域。

背景技术

为达到灌排双向抽水和自排自引的目的，早期工程通过采用“一站四闸”的枢纽布置来达到该目的。近年来，在沿江滨湖地区采用双向泵站进出水装置（专利号：02286342.7）建设了多座大中型箱涵式双向流道泵装置，并且针对该泵装置出水结构申请了开敞式水泵出水室（专利号：96231988.0），通过泵装置模型试验及CFD计算均可发现传统的箱涵式出水流道内流态紊乱，导致水力损失很大，传统的双向出水流道均采用快速闸门，流道内诱发的水力激振可引起出水流道关闭侧闸门的振动，产生噪音，进而影响泵装置的安全稳定运行；传统的箱涵式双向进水流道易产生涡带，影响水泵的正常运行，降低泵装置整体效率，从而增加能耗，违背国家节能减排的政策。

目前，单向流道泵装置的进水结构型式主要有肘形进水流道、钟形进水流道、簸箕型进水流道、竖井式进水流道、斜式进水流道及箱涵式进水池6种形式；出水结构型式主要有直管式出水流道、虹吸式出水流道、斜式出水流道及箱涵式出水池4种形式；常用的断流方式有拍门，快速闸门，真空破坏阀三种形式。这些进水结构型式、出水结构型式及断流方式在单向流道泵装置中均得到了广泛地工程应用，那么对于双向立式泵装置而言，能否借鉴其中的结构型式并结合双向立式泵装置自身的特点进行设计而发明出一种克服传统双向立式泵装置的缺点，如双向进水流道的涡带、出水流道内流态复杂、水力损失大且无整流措施等关键问题，结合传统双向立式泵站实际运行的情况，能否采用具有操作简便，断流可靠、检修方便的断流方式，针对这些问题，设计一种新型的双向立式泵装置其意义及推广应用价值就显得很大，不仅能解决上述的问题，而且能提高水泵进口条件，改善双向出水流道内部流态，提高泵装置的水力性能，进而起到节能减排的作用。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，借鉴单向流道泵装置的结构型式并结合双向立式泵装置的特点，设计一种新型的双向立式泵装置结构，已达到以下目的：

（1）通过闸门的不同调度实现自排自引、抽排抽引的多项功能；

（2）突破传统双向立式泵装置断流方式单一的技术难题，达到泵装置运行管理和维护方便的目的，降低断流设备投资，提高断流设备可靠性；

（3）消除双向流道泵装置内涡带，改善水泵入流条件，调整出水流道内部流态。

本发明的技术方案是，伞形双向立式泵装置，包括双向长方体进水流道、长方体出水流道、消涡防涡锥、进口喇叭管、叶轮室、导叶体，消涡防涡锥设置在进口喇叭管下方的双向长方体进水流道内，叶轮室进口连接进口喇叭管，叶轮室出口连接导叶体，其特征是，设有消旋体、环形虹吸式出水结构、后导水锥、出口喇叭管、驼峰环形壳，消旋体、后导水锥、出口喇叭管依次设置在导叶体的上部，所述消旋体由轮毂、叶片和外壳构成，消旋体的轮毂分别与导叶体的轮毂、后导水锥平滑连接，消旋体的外壳分别与导叶体的外壳和出口喇叭管平滑连接；驼峰环形壳上环边与后导水锥的上缘平滑连接，下环边置于长方体出水流道内构成环形虹吸式出水结构，环形虹吸式出水结构的驼峰顶部设有至少两个均匀布置的通气孔接口连接到真空破坏阀。

所述双向长方体进水流道与长方体出水流道的长度及宽度相同，长方体出水流道出口处和双向长方体进水流道两进水侧设有闸门。

所述消涡防涡锥母线采用四分之一的椭圆弧线或变曲率弧线，消涡防涡锥锥底直径与锥顶直径之比为7.00，进口喇叭管的母线与消涡防涡锥的母线线型相似，进口喇叭管母线底缘顺接四分之一的椭圆或变曲率曲线，进口喇叭管呈“绅士帽”形状；进口喇叭管底与进水流道底板间距为叶轮名义直径的0.50倍，进口喇叭管进口断面直径与消涡防涡锥的底面直径相同，均为叶轮名义直径的1.50倍。

所述消旋体的轮毂和外壳直径与导叶体出口侧的轮毂和外壳直径相同，消旋体的叶片为平直或者扭曲叶片，叶片两侧端分别与轮毂与外壳固结成一整体结构，叶片上下端呈尖锥椭圆型线。

所述驼峰环形壳上环边与后导水锥的上缘平滑连接构成的出水流道壁断面为圆形或变曲率弧线的断面形式。

本发明结构合理科学，以进、出水流道水力性能评判指标为依据，结合进、出水流道的设计方法及断流方式的优缺点，对双向立式泵装置进行结构设计。消涡防涡锥设置在进口喇叭管下方的双向长方体进水流道内，叶轮室进口连接进口喇叭管，叶轮室出口连接导叶体，消旋体、后导水锥、出口喇叭管依次设置在导叶体的上部，消旋体的轮毂分别与导叶体的轮毂、后导水锥平滑连接，消旋体的外壳分别与导叶体的外壳和出口喇叭管平滑连接，驼峰环形壳上环边与后导水锥的上缘平滑连接，保证水流由消旋体出口圆环断面过渡至驼峰环形壳出口断面间扩散均匀且无流速突变，驼峰环形壳下环边置于长方体出水流道内，构成一种呈伞形结构布置的复合型双向出水流道，驼峰环形壳下环边置于长方体出水流道内，驼峰顶部设有至少两个均匀布置的通气孔接口连接真空破坏阀。进水流道水力性能评判指标有四项：（1）速度加权平均角；（2）轴向速度分布均匀度；（3）水力损失；（4）平均涡旋角。出水流道水力性能评判指标有两项：（1）水力损失；（2）压能恢复系数。进、出水流道先采用典型水力设计方法进行初步设计再采用CFD技术对其进行优化。

本发明的优点和有益效果：

伞型双向立式泵装置具有自排自引、抽排抽引的四种作用，起到了以往“一站四闸”的作用，具有投资省，运行管理方便，自动化程度高的特点，本发明充分利用了箱涵式双向进水流道结构简单、施工方便及进水流态平顺、自引过流能力强的特点，还利用了真空破坏阀的操作简单、断流可靠及检修方便的优点，同时解决了传统长方体出水流道断流设备造价昂贵和传统虹吸式出水流道工程量大、施工较为困难的关键问题。

真空破坏阀破坏虹吸、切断水流的功能，达到运行方便、可靠的目的。

双向长方体进水流道可避免流道内部涡带的产生，消弱机组振动和噪音大的困扰，消涡防涡锥生产制造实施容易，对流道自排自引的阻流影响小。进口喇叭管与消涡防涡锥组合使用可进一步达到水流平顺进入叶轮室的目的，喇叭管底缘顺接的上翘弧形还具有隔断流道顶部涡带进入喇叭管的作用。

消旋体具有结构简单，制造安装、检修拆卸方便的特点，其具有进一步回收导叶体出口剩余环量的作用，调整水流流态，力求使水流平顺，无环量，提高泵装置的水力性能和效率。

复合型双向出水流道采用型线简单、环形虹吸式出水结构的过渡断面为圆或变曲率弧线的断面形式；在环形虹吸式出水结构内设置后导水锥，后导水锥与消旋体呈平滑过渡；在驼峰处设置真空破坏阀，并在复合型双向出水流道的出口处设置普通闸门，降低对快速闸门的设计要求及断流设备的造价，同时提高泵装置效率和安全运行可靠性。在单向运行工况时，所述的复合型双向出水流道不仅克服了传统虹吸式出水流道仅适用于出水池变化不大的情况，在水位没过驼峰时闸门就可起挡水作用，避免水流倒灌引起机组的倒转，非特殊水位时采用真空破坏阀具有运行方便的优点，两者配合使用具有双重可靠保障，该环形虹吸式出水结构型线、断面均简单克服了传统虹吸式出水流道型线复杂，工程量大、施工困难的缺点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2a为图1中A-A剖面图。

图2b为图1中B-B剖面图。

图3为图1中D-D剖面图。

图4为图1中C-C剖面图。

图5为本发明的结构示意图。

图6a为本发明抽排抽引运行工况示意图。

图6b为本发明自排自引运行工况示意图。

图中：1消涡防涡锥，2进口喇叭管，3叶轮室，4导叶体，5消旋体，6出口喇叭管，7后导水锥，8通气孔接口，9闸门。

具体实施方式

伞形双向立式泵装置，由双向长方体进水流道、长方体出水流道、消涡防涡锥1、进口喇叭管2、叶轮室3、导叶体4、消旋体5、环形虹吸式出水结构、后导水锥7、出口喇叭管6、驼峰环形壳等组成，消涡防涡锥设置在进口喇叭管下方的双向长方体进水流道内，叶轮室进口连接进口喇叭管，叶轮室出口连接导叶体，消旋体、后导水锥、出口喇叭管依次设置在导叶体的上部。消旋体由轮毂、叶片和外壳构成，消旋体的轮毂分别与导叶体的轮毂、后导水锥平滑连接，消旋体的外壳分别与导叶体的外壳和出口喇叭管平滑连接。消旋体的轮毂和外壳直径与导叶体出口侧的轮毂和外壳直径相同，消旋体的叶片为偶数对平直叶片，本实施例采用两对平直叶片（或者扭曲叶片），叶片两侧端分别与轮毂与外壳固结成一整体结构，叶片上下端呈尖锥椭圆型线。驼峰环形壳上环边与后导水锥的上缘平滑连接，下环边置于长方体出水流道内构成环形虹吸式出水结构，驼峰环形壳上环边与后导水锥的上缘平滑连接构成的出水流道壁断面为圆形或变曲率弧线。环形虹吸式出水结构的驼峰顶部设四个均匀布置的通气孔接口8连接到真空破坏阀。双向长方体进水流道与长方体出水流道的长度及宽度相同，长方体出水流道出口处和双向长方体进水流道两进水侧设有闸门9。消涡防涡锥母线采用四分之一的椭圆弧线或变曲率弧线，消涡防涡锥锥底直径与锥顶直径之比为7.00，进口喇叭管的母线与消涡防涡锥的母线线型相似，进口喇叭管母线底缘顺接四分之一的椭圆或变曲率曲线，进口喇叭管呈“绅士帽”形状；进口喇叭管底与进水流道底板间距为叶轮名义直径的0.50倍，进口喇叭管进口断面直径与消涡防涡锥的底面直径相同，均为叶轮名义直径的1.50倍。

针对不同规模的泵站，双向虹吸式出水结构中出口喇叭管6、后导水锥7可采用钢板或铸铁进行预加工加工制作并在现场进行安装，对于双向虹吸式出水结构外壁可选择钢板或铸铁加工，或采用混凝土进行现场加工制作安装。双向长方体进水流道流道壁面、消涡防涡锥1和进口喇叭管2三部分，对于大中型泵站消涡防涡锥1可采用钢板或铸铁预加工制作，或采用立模板进行混凝土的现场浇筑施工，进口喇叭管2可采用钢板或铸铁加工制作。对于小型泵站，三部分均可采取钢板或铸铁制作而成，运到现场进行焊接处理，施工简单方便。

叶轮室3的铅垂正下方布置消涡防涡锥1，消涡防涡锥1的中心与叶轮中心在同一条铅垂线上，消涡防涡锥的底面直径与进口喇叭管的进口直径相同，消涡防涡锥1的母线采用椭圆型线的四分之一或变曲率曲线，进口喇叭管的母线与消涡防涡锥的母线型线相似，喇叭管母线底缘再接四分之一的椭圆或变曲率曲线，进口喇叭管呈“绅士帽”形状；消涡防涡锥1即可选择混凝土浇筑而成也可选择钢板或铸铁制造并现场安装；进口喇叭管采用钢板或铸铁制造并现场安装。

消旋体5的轮毂与导叶体4的轮毂、环形双向虹吸式出水结构内后导水锥7呈平滑连接，消旋体5的外壳与出口喇叭管6采用平滑过渡，确保无凸起等安装现象，后导水锥7可采用铸铁或钢板材料预制后于现场安装，后导水锥7的母线采用四分之一的椭圆型线或变曲率型线，出口喇叭管6的型线与后导水锥7的母线线型相似。

本发明运行方式说明：

在双向长方体进水流道和复合型双向出水流道两侧均布置闸门，其闸门的开启与关闭与泵装置的运行工况相关。若自排自引，仅需开启新型箱涵式双向进水流道的两侧闸门，水流从水位高侧进入新型箱涵式双向进水流道，绕过消涡防涡锥后进入低水位侧，泵装置运行示意如图6a所示；若抽排抽灌，则根据需要开启非对称侧的进、出水流道闸门，立式泵机组启动后，水流经新型箱涵式双向进水流道进入叶轮室3，经叶轮旋转做功后从后置导叶体4流出，再经过消旋体5进一步的回收环量后进入环形虹吸式出水结构后进入箱涵式双向出水流道中从闸门开启一侧流入出水池，泵装置运行示意如图6b所示。若此时水泵正常关机或事故停机，则环形虹吸式出水结构的真空破坏阀打开，切断水流，水位若处于超高驼峰情况下则再迅速关闭该侧闸门。

Claims (5)

1.伞形双向立式泵装置，包括双向长方体进水流道、长方体出水流道、消涡防涡锥、进口喇叭管、叶轮室、导叶体，消涡防涡锥设置在进口喇叭管下方的双向长方体进水流道内，叶轮室进口连接进口喇叭管，叶轮室出口连接导叶体，其特征是，设有消旋体、环形虹吸式出水结构、后导水锥、出口喇叭管、驼峰环形壳，消旋体、后导水锥、出口喇叭管依次设置在导叶体的上部，所述消旋体由轮毂、叶片和外壳构成，消旋体的轮毂分别与导叶体的轮毂、后导水锥平滑连接，消旋体的外壳分别与导叶体的外壳和出口喇叭管平滑连接；驼峰环形壳上环边与后导水锥的上缘平滑连接，下环边置于长方体出水流道内构成环形虹吸式出水结构，环形虹吸式出水结构的驼峰顶部设有至少两个均匀布置的通气孔接口连接到真空破坏阀。

2.根据权利要求1所述的伞形双向立式泵装置，其特征是，所述双向长方体进水流道与长方体出水流道的长度及宽度相同，长方体出水流道出口处和双向长方体进水流道两进水侧设有闸门。

3.根据权利要求1所述的伞形双向立式泵装置，其特征是，所述消涡防涡锥母线采用四分之一的椭圆弧线或变曲率弧线，消涡防涡锥锥底直径与锥顶直径之比为7.00，进口喇叭管的母线与消涡防涡锥的母线线型相似，进口喇叭管母线底缘顺接四分之一的椭圆或变曲率曲线，进口喇叭管呈“绅士帽”形状；进口喇叭管底与进水流道底板间距为叶轮名义直径的0.50倍，进口喇叭管进口断面直径与消涡防涡锥的底面直径相同，均为叶轮名义直径的1.50倍。

4.根据权利要求1所述的伞形双向立式泵装置，其特征是，所述消旋体的轮毂和外壳直径与导叶体出口侧的轮毂和外壳直径相同，消旋体的叶片为平直或者扭曲叶片，叶片两侧端分别与轮毂与外壳固结成一整体结构，叶片上下端呈尖锥椭圆型线。

5.根据权利要求1所述的伞形双向立式泵装置，其特征是，所述驼峰环形壳上环边与后导水锥的上缘平滑连接构成的出水流道壁断面为圆形或变曲率弧线的断面形式。

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