CN113339324A - 一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置及设计方法。它包括双向进水流道、双向出水流道、设置于双向进水流道、双向出水流道处的第一控制闸门、第二控制闸门、第三控制闸门和第四控制闸门，还包括活动弯管、泵段、上盖、泵轴，所述泵段设置于双向进水流道、双向出水流道之间，所述泵轴位于泵段中心，所述上盖位于双向出水流道上方，所述泵轴顶部伸出上盖外，所述活动弯管一端与泵段连接，另一端为双向出水流道出口，所述活动弯管在水泵井中可绕泵轴180度旋转，使弯管出口的方向始终朝向出水流道中控制闸门的开启侧。本发明克服现有双向流道泵装置中存在的水力损失大、水力脉动大等不足。

Description

一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置及设计方法
技术领域
本发明属于水利工程泵技术领域，具体涉及一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置及设计方法。
背景技术
双向流道泵站在沿江滨湖地区承担着引水灌溉和排水的双重功能。通过控制双向流道4个闸门，分别从两侧的任一侧进水，通过水泵提排，然后从两侧的任一侧出水，不需要水泵提水时还可以利用上层或下层流道进行自流排灌(专利号02286342.7，专利号201210561707.0)，具有一站多用、占地少、投资省、结构形式简单、施工安装检修方便等优点，得到了越来越广泛的应用。
但由于目前双向流道结构所造成的出水流道水力损失很大，导致整个泵装置效率很低，妨碍了该流道形式的进一步推广和应用。采用的双向出水流道形式都是采用扩散喇叭管配合导水锥进行动能的部分回收，使一部分动能转化为压力能，而后水流在流速降低到一定程度后进入到出水压力箱涵，压力箱涵不具有动能回收作用。双向出水流道的扩散喇叭管和导水锥的高度和直径受限于流道的高度和宽度，使该部位的水流扩散空间受限，水流不能够逐步扩散，当量扩散角较大，水力损失较大，从而使整个泵装置效率无法有效提升。
同时，由于目前现有的双向流道结构形式导致的流速分布不均，导致双向出水流道在闸门关闭侧的压力会大于闸门开启侧，使导水锥、水泵轴等在运行时承受着四周不平衡的脉动压力的作用，在此作用下会使导轴承和填料发生偏磨的现象，严重影响机组的稳定和高效运行。由于目前双向流道泵站所存在的不足，限制了双向流道泵站的进一步推广应用，因此目前在需要长期运行的重要的水利枢纽泵站中很少采用双向流道装置形式。所以，目前的双向流道形式完全不能够进行较大范围的推广和应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有双向流道泵装置中存在的不足，保留双向流道的功能不变，提供一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置结构及设计方法。双向出水流道采用活动弯头，弯头可以旋转180度，根据水流需要的出流方向来调整弯头的方向。流道型线采用单向流道进行设计，流道水力损失较小，泵装置效率可以得到较大程度的提高。同时，流道内压力分布较均匀，可以提高泵装置的运行稳定性。
本发明采用的技术方案是：一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置，包括双向进水流道、双向出水流道、设置于双向进水流道、双向出水流道处的第一控制闸门、第二控制闸门、第三控制闸门和第四控制闸门，还包括活动弯管、泵段、上盖、泵轴，所述泵段设置于双向进水流道、双向出水流道之间，所述泵轴位于泵段中心，所述上盖位于双向出水流道上方，所述泵轴顶部伸出上盖外，所述活动弯管一端与泵段连接，另一端为双向出水流道出口，所述活动弯管在水泵井中可绕泵轴180度旋转，使弯管出口的方向始终朝向出水流道中控制闸门的开启侧，所述活动弯管与上盖连接，所述上盖的法兰圆周上固定多个支架，每个所述支架顶部留有通孔，活动手柄穿过通孔固定于支架上；在所述上盖的下座环法兰上间隔90度安放千斤顶，所述千斤顶的上端顶在上盖法兰预留的凸台上，在上盖法兰与下座环法兰之间开设圆环状的滚珠槽道。
所述上盖上开设进人孔。
所述上盖的法兰圆周上每间隔90度角固定2个支架。
所述泵轴顶部与上盖之间设有导轴承、填料函。
所述活动弯管的旋转直径为D1-0.02m，其中D1为水泵井直径，0.02m为预留操作间隙。
一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置的出水流道过流型线的设计方法，包括以下步骤：
所述出水流道的设计几何参数包括：流量Q、叶轮直径D、出水流道进口直径D0、流道出口高度H、流道出口宽度B、弯管下圆弧半径R1、弯管上圆弧半径R2、弯管过渡圆半径ri、断面高度hi、断面宽度bi、断面i至流道进口的中心线长度Li，断面M至流道进口的中心线长度LM、断面M处的高度hM、断面M处的宽度bM，流道各断面线垂直于流道中心线，弯管上圆弧与上边线相切于P点，弯管下圆弧与下边线相切于Q点，以上所有参数单位：m，其中，
B＝2.4D
H＝Q/B
R1＝0.8D
R2＝1.2D
Figure BDA0003150727620000041
(1)、根据以上参数绘出流道的立面图，弯管上圆弧与上边线相切，弯管下圆弧与下边线相切，各断面的过渡圆半径ri符合线性变化规律，并保证圆滑过渡；
(2)、在流道型线立面图上沿流道中心线均布作出各过流断面，各断面线垂直于流道中心线，提取各断面的几何参数：断面高度hi、断面宽度bi、断面i至流道进口的中心线长度Li，根据以下数学关系进行平面图各断面宽度bi的计算，以上所有参数单位：m：
Figure BDA0003150727620000042
(3)、应用以下数学关系进行相邻过流断面之间当量扩散角的校核，使相邻断面之间当量扩散角控制在8°～12°：
Figure BDA0003150727620000043
(4)、将优化设计后的各断面型线采用拟合曲线进行连接，并保证能够光滑过渡，将设计后的出水流道型线以泵轴为对称轴进行镜像，完成双向出水流道的过流型线设计。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明的一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置，采用方向可调的活动弯管来改变水流的出流方向，结构简单，操控性好。
(2)、采用活动弯管大大延长了水流的扩散空间，有效减小了出水流道的水力损失，大大提高了泵装置效率。同时该结构可有效避免流道内发生水力振动，大大提高机组运行的稳定性。
(3)、本发明采用相邻断面之间的当量扩散角进行控制各参数的变化，能够有效控制水流的扩散损失，避免了在设计过程中的盲目性。不仅有效扩大了水流的扩散空间，还可以降低流道的高度和缩短泵轴的长度，大大节约工程造价。因此该发明具有双向流道的功能，同时又具有单向流道泵装置的高效率和运行稳定性。
附图说明
图1为本发明双向流道泵装置纵剖面图；
图2为图1中的A向投影图；
图3为图1中的I处局部放大图；
图4为本发明双向出水流道的纵向剖面图；
图5为本发明双向出水流道的平面展开图；
图中：第一控制闸门1、第二控制闸门2、第三控制闸门3、第四控制闸门4、双向进水流道5、双向出水流道6、活动弯管7、泵段8、导轴承9、填料函10、上盖11、支架12、活动手柄13、进人孔14、千斤顶15、凸台16、滚珠槽道17、泵轴18、下座环法兰19、紧固螺栓20。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1-5所示，本发明包括双向进水流道5、双向出水流道6、设置于双向进水流道5、双向出水流道6处的第一控制闸门1、第二控制闸门2、第三控制闸门3和第四控制闸门4，还包括活动弯管7、泵段8、上盖11、泵轴18，所述泵段8设置于双向进水流道5、双向出水流道6之间，所述泵轴18位于泵段8中心，所述上盖11位于双向出水流道6上方，所述泵轴18顶部伸出上盖11外，所述活动弯管7一端与泵段8连接，另一端为双向出水流道6出口，所述活动弯管7在水泵井中可绕泵轴18180度旋转，使弯管出口的方向始终朝向出水流道中控制闸门的开启侧，所述活动弯管7与上盖11连接，所述上盖11的法兰圆周上固定多个支架12，每个所述支架12顶部留有通孔，活动手柄13穿过通孔固定于支架12上；在所述上盖11的下座环法兰19上间隔90度安放千斤顶15，所述千斤顶的上端顶在上盖法兰预留的凸台16上，在上盖法兰与下座环法兰19之间开设圆环状的滚珠槽道17。所述上盖11上开设进人孔14。所述上盖11的法兰圆周上每间隔90度角固定2个支架12。所述泵轴18顶部与上盖11之间设有导轴承9、填料函10。
双向进水流道采用现有设计方法确定流道型线即可。根据以下方法进行双向出水流道型线的确定。
首先确定已知设计参数为流量Q、叶轮直径D、出水流道进口直径D0、流道出口高度H、流道出口宽度B，然后按以下关系确定流道出口高度H、流道出口宽度B、弯管下圆弧半径R1、弯管上圆弧半径R2、各断面的过渡圆半径ri，以上所有参数单位：m：
B＝2.4D
H＝Q/B
R1＝(0.6～0.9)D
R2＝(0.9～1.2)D
Figure BDA0003150727620000071
根据以上参数即可绘出流道的立面图，弯管上圆弧与上边线相切，弯管下圆弧与下边线相切，各断面的过渡圆半径ri符合线性变化规律，并保证圆滑过渡。在流道型线立面图上沿流道中心线均布作出各过流断面，各断面线垂直于流道中心线，提取各断面的几何参数：断面高度hi、断面宽度bi、断面i至流道进口的中心线长度Li，根据以下数学关系进行平面图各断面宽度bi的计算，以上所有参数单位：m：
Figure BDA0003150727620000081
最后应用以下数学关系进行相邻过流断面之间当量扩散角的校核，使相邻断面之间当量扩散角控制在8°～12°，既能保证流道的水力扩散损失控制到较小，又能保证流道的几何尺寸具有一定的经济性，不至于使流道过长和过宽。若不符合以下数学关系，则需要重新调整以上几何尺寸，可以采用计算机程序化设计，可大大节省计算工作量。
Figure BDA0003150727620000082
最终将优化设计后的各断面型线采用拟合曲线进行连接，并保证能够光滑过渡。将设计后的出水流道型线以泵轴为对称轴进行镜像，即可完成双向出水流道的过流型线设计。
将优化设计后的流道型线进行结构设计。首先确定活动弯管的旋转直径为(D1-0.02)m，其中D1为水泵井直径，0.02m为预留操作间隙。活动弯管在水泵井中可以绕泵轴进行180度旋转，使弯管出口的方向始终朝向出水流道中控制闸门的开启侧。
对于中小型泵站上盖11与下座环法兰19通过紧固螺栓连接即可，对于大中型泵站，还可采用紧固螺栓20将活动弯管与导叶体的法兰面进行连接紧固，以增加结构的稳定性。
在具体操作时，首先关闭4个第一控制闸门-第四控制闸门(1、2、3、4)，然后利用泵站的排水泵对流道内的积水进行抽排，使流道内水位降低到导叶出口法兰面以下。然后拆除活动弯管的各紧固螺栓，拆除活动弯管与导叶体之间的连接螺栓时，需要从流道进人口14进入流道内部。取下所有固定螺栓后，采用4个千斤顶15同步将上盖11缓慢垂直顶起2～4厘米，在滚珠槽道17里面均布放置多个同等规格的直径合适的滚珠，用于减小转动时的摩擦阻力。然后将4个千斤顶同时缓慢泻力，落下上盖11，然后推动4个活动手柄13进行活动弯管7转向的调节，待方向调整完成以后，再顶起上盖11，取出滚珠，然后落下上盖11并固定，上紧所有固定螺栓，即可完成活动弯管的转向操作。
本发明的双向出水流道设计方法首先按照单向流道进行设计，然后对设计后的单向流道进行镜像，中间的弯管采用活动弯管，最后既能达到单向流道的高效、稳定，又能实现双向流道的功能。本发明的设计方法有效降低了流道的水力损失，设计目标明确，合理可行，更有利于与计算机结合采用程序化设计。结构设计简单可靠，可操作性强，配合流道设计更好的实现了双向流道的功能，提升了泵站运行效益和运行可靠性。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置，包括双向进水流道(5)、双向出水流道(6)、设置于双向进水流道(5)、双向出水流道(6)处的第一控制闸门(1)、第二控制闸门(2)、第三控制闸门(3)和第四控制闸门(4)，其特征在于：还包括活动弯管(7)、泵段(8)、上盖(11)、泵轴(18)，所述泵段(8)设置于双向进水流道(5)、双向出水流道(6)之间，所述泵轴(18)位于泵段(8)中心，所述上盖(11)位于双向出水流道(6)上方，所述泵轴(18)顶部伸出上盖(11)外，所述活动弯管(7)一端与泵段(8)连接，另一端为双向出水流道(6)出口，所述活动弯管(7)在水泵井中可绕泵轴(18)180度旋转，使弯管出口的方向始终朝向出水流道中控制闸门的开启侧，所述活动弯管(7)与上盖(11)连接，所述上盖(11)的法兰圆周上固定多个支架(12)，每个所述支架(12)顶部留有通孔，活动手柄(13)穿过通孔固定于支架(12)上；在所述上盖(11)的下座环法兰(19)上间隔90度安放千斤顶(15)，所述千斤顶的上端顶在上盖法兰预留的凸台(16)上，在上盖法兰与下座环法兰(19)之间开设圆环状的滚珠槽道(17)。
2.根据权利要求1所述的一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置，其特征在于：所述上盖(11)上开设进人孔(14)。
3.根据权利要求1所述的一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置，其特征在于：所述上盖(11)的法兰圆周上每间隔90度角固定2个支架(12)。
4.根据权利要求1所述的一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置，其特征在于：所述泵轴(18)顶部与上盖(11)之间设有导轴承(9)、填料函(10)。
5.根据权利要求1所述的一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置，其特征在于：所述活动弯管(7)的旋转直径为D1-0.02m，其中D1为水泵井直径，0.02m为预留操作间隙。
6.根据权利要求1所述的一种新型高效双向流道排涝调水用泵装置的出水流道过流型线的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
所述出水流道的设计几何参数包括：流量Q、叶轮直径D、出水流道进口直径D0、流道出口高度H、流道出口宽度B、弯管下圆弧半径R1、弯管上圆弧半径R2、弯管过渡圆半径ri、断面高度hi、断面宽度bi、断面i至流道进口的中心线长度Li，断面M至流道进口的中心线长度LM、断面M处的高度hM、断面M处的宽度bM，流道各断面线垂直于流道中心线，弯管上圆弧与上边线相切于P点，弯管下圆弧与下边线相切于Q点，以上所有参数单位：m，其中，
B＝2.4D
H＝Q/B
R1＝0.8D
R2＝1.2D
Figure FDA0003150727610000031
(1)、根据以上参数绘出流道的立面图，弯管上圆弧与上边线相切，弯管下圆弧与下边线相切，各断面的过渡圆半径ri符合线性变化规律，并保证圆滑过渡；
(2)、在流道型线立面图上沿流道中心线均布作出各过流断面，各断面线垂直于流道中心线，提取各断面的几何参数：断面高度hi、断面宽度bi、断面i至流道进口的中心线长度Li，根据以下数学关系进行平面图各断面宽度bi的计算，以上所有参数单位：m：
Figure FDA0003150727610000032
(3)、应用以下数学关系进行相邻过流断面之间当量扩散角的校核，使相邻断面之间当量扩散角控制在8°～12°：
Figure FDA0003150727610000033
(4)、将优化设计后的各断面型线采用拟合曲线进行连接，并保证能够光滑过渡，将设计后的出水流道型线以泵轴为对称轴进行镜像，完成双向出水流道的过流型线设计。
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