CN115434951B - 一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及泵站整流领域，具体的说是一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构；包括外壳体、控制***和进水管，所述外壳体上部边缘固定安装有若干进水管，所述进水管内部与外壳体内部相通，所述进水管中轴线与外壳体水平剖面圆弧相切，所述外壳体中部为漏斗形，所述外壳体中部内表面设有螺旋向下的引流纹，所述外壳体上转动连接有过滤网，所述外壳体内表面还设有掺气坎，所述掺气坎与引流纹垂直设置，所述掺气坎和过滤孔为圆弧内凹形，水轮与外壳体转动连接，所述水轮每片轮叶上均开设有掺气孔；本发明通过进水管方向的设计和引流纹的设置，以及掺气坎、过滤孔、掺气孔，以此达到解决多孔入流中的空蚀的目的。

Description

一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构
技术领域
本发明涉及泵站整流领域，具体的说是一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构。
背景技术
随着各大城市的城市化发展，城市排污集流泵站愈发重要，然而目前依然存在排污能力弱，在极端暴雨天气时会因排水不畅而导致发生城市内涝等现象。而在水流高速流过容易在管内壁产生空蚀现象，一旦产生空蚀现象，就会对管壁产生破坏。
针对上述问题，中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司设计了一种泄洪洞闸门后掺气防空蚀结构，专利号为CN111809580B，该发明公开的一种泄洪洞闸门后掺气防空蚀结构，包括泄洪洞，所述泄洪洞上安装有闸门，所述闸门下游设置有至少一个通气槽，所述通气槽与外界大气环境连通，所述闸门与第一个通气槽之间的泄洪洞为封闭段，所述封闭段内设置有折流器。
上述发明虽然在下游无压段开设了与外界相通的通气槽，对高速的射流进行掺气；但是其主要针对闸门的问题，无法解决排水通道内壁的空蚀问题。
针对上述问题四川大学设计了缓坡明渠有压进口掺气方法及掺气装置，专利号为CN103758091B，该发明提供了一种缓坡明渠有压进口掺气方法及其实施装置，通过在缓坡明渠有压进口的末端、有压水体内设置一其内部空腔与大气连通的断面为楔形的掺气器，楔形掺气器以楔端迎着水流来流方向、楔底背向水流来流方向悬空安置在过流洞两侧洞体上，使流出有压进口的水流分为上下两部分进入缓坡明渠，楔形掺气器空腔内的空气由位于楔形掺气器楔底上的通气孔进入由楔底和上下两部分水流形成的空间，再掺入水流中。
上述发明虽然可以对缓坡明渠有压进口进行掺气，但是城市排水管道中，为了增大流速，时常采用垂直的管道设计，而该发明无法针对垂直管道进行掺气。
针对上述问题四川大学发明了一种具有涡室掺气坎的旋流竖井泄洪洞，专利号为CN110424343B，该发明提供一种具有涡室掺气坎的旋流竖井泄洪洞，通过将原本与涡室相切衔接的侧墙向涡室中心侧偏移一段距离，从而在涡室内形成一个竖向掺气坎，水流通过该跌坎时形成掺气空腔，外界空气通过该空腔源源不断地对水流靠近壁面侧进行需气补给，增大靠壁面侧水流的掺气浓度，从而使整个竖井结构的抗空化空蚀能力得到大幅提升；
上述发明虽然可以使整个竖井结构的抗空化空蚀能力得到大幅提升，但是面对多孔入流泵站并没有显著的抗空蚀效果。
鉴于此，为了克服上述技术问题，本发明设计了一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构，解决了上述技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术目标是：一种可以解决空蚀问题的多孔入流泵站进水流态的整流结构。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构，包括外壳体、控制***和进水管；
所述外壳体上部边缘固定安装有若干进水管，所述进水管内部与外壳体内部相通，水会从所述进水管集中流入到外壳体内，进而进行整流；所述进水管中轴线与外壳体水平剖面圆弧相切，这样一来初始的水流方向即为随着自身重力旋转向下流动；
所述外壳体中部为漏斗形，所述外壳体中部内表面设有螺旋向下的引流纹，通过漏斗形的设计是为了使水流螺旋向中下部流动，所述引流纹可以引导水流更好的围绕外壳体旋转向下流动；所述外壳体顶部为可拆卸结构，所述外壳体底部连接水泵，多个进水管的水流并流后流向水泵。
通过进水管方向的设计和引流纹的设置，在离心力作用下，水流紧贴外壳体内壁，在外壳体内壁产生压力，有利于避免空蚀，并且增大了外壳体内壁面摩擦力；外壳体中心则形成比较稳定的空腔，有利于保持水流的流态稳定。
优选的，所述外壳体上转动连接有过滤网，所述过滤网为螺旋形，所述过滤网螺纹与引流纹方向相同螺距相等，所述过滤网与引流纹贴合；所述过滤网不仅可以过滤掉容易使水泵产生损害的大块残渣，并且由于其采用螺旋式设计，即便发生过滤孔部分堵塞水流依旧可以继续螺旋向下流动。
当过滤孔堵塞后，可以将外壳体顶部拆卸下来，然后对过滤网进行清洗后重新安装回去，如果发现过滤网发生的损坏，则对过滤网进行更换，安装新的过滤网。
优选的，所述外壳体内表面还设有掺气坎，所述掺气坎与引流纹垂直设置，所述掺气坎下方开设有与外界相通的通孔，外壳体内部可由此向外界吸取空气；水流随着离心力和重力作用会紧贴外壳体内壁旋转向下流动，流经掺气坎时会掺入空气。
如果水流流动过程中产生的空穴中存在空气，那么掺气便可降低空穴溃灭时的破坏力，即减小空蚀的破坏性；不仅如此，往水中掺气还可以降低水锤效应，进而降低水锤效应对内壁的破坏；此外，在水体中被掺入足够多空气的时候，负压被有效的降低了，从而减小空蚀现象的发生概率，甚至避免空蚀的发生。国内外的实验和实际应用都表明了，掺气减蚀是一种成本较低却又十分有效的减蚀措施。
优选的，所述过滤网旋转方向与引流纹螺纹方向相反，这样一来水流便会冲击过滤网的上表面，进而过滤掉容易使水泵产生损害的大块残渣，并且由于过滤网的螺旋方向和引流纹相同，因此水流并不会随着过滤网的旋转而发生改变，而是会顺着过滤网和引流纹螺旋的方向流动。
优选的，所述掺气坎为圆弧内凹形设计，这样的设计可以使掺气坎更好的完成掺气任务。
相对较厚实的外壳体，引流纹比较薄弱，并且引流纹也较多的承受了水流的冲刷，因此必须选取一种侧边的抗空蚀能力最强、保护性能最好的掺气坎。经过实验发现：在直线形掺气坎、凸形掺气坎、凹形掺气坎中，凹型掺气坎对于流动通道侧边的掺气保护长度最长，因此选取凹形掺气坎作为本发明的掺气坎。
优选的，所述过滤网上开设有过滤孔，所述过滤网为中空设计，所述过滤孔旁开设有与外界相通的通气孔，外界空气可以由这个通气孔进入外壳体内部，所述过滤孔横截面为内凹圆弧形。
这样的设计使水穿过过滤孔时，过滤孔也能起到掺气的功能，并且内凹的设计能显著提高对引流纹的保护。
优选的，所述外壳体下部内部设置有水轮，所述外壳体外部设置有传动组件，所述水轮与外壳体转动连接，所述水轮用于接收水流的动能，所述传动组件用于向过滤网传输水轮接收的动能，这样的设计使得只要有水流经外壳体时便能通过水轮来带动过滤网进行转动，不仅节省动力机构，还降低了能耗，从而节约了成本；所述传动组件包括：动力锥齿轮、传动锥齿轮、动力带轮、传动带轮、皮带；
所述动力锥齿轮与水轮的转轴同轴心固定连接，所述动力锥齿轮与传动锥齿轮啮合，所述动力带轮同轴心固定安装在传动锥齿轮上，所述动力带轮和皮带贴合，所述传动带轮与皮带贴合，所述传动带轮与过滤网的转轴同轴心固定连接。
具体运作起来时，当水流穿过外壳体时，水流会带动水轮进行转动，水轮的转动会通过自身转轴带动动力锥齿轮转动，所述动力锥齿轮的转动会带动传动锥齿轮转动，所述传动锥齿轮的转动会通过其自身转轴带动动力带轮转动，所述动力带轮会通过皮带带动传动带轮转动，所述传动带轮带动过滤网转动，所述过滤网转动的方向和引流纹螺旋方向相反。
优选的，所述水轮每片轮叶上均开设有掺气孔，所述水轮为中空设计，所述掺气孔旁开设有与外界相通的通气孔，外界可由这个通孔向外壳体内部输送空气，所述掺气孔横截面为外凸圆弧形。
这样的设计使水穿过掺气孔时，所述掺气孔也能起到掺气的功能；由于水轮已经十分接近底端水泵，因此必须尽量减小空腔回水深度，以此来保护水泵；经过实验发现：在直线形掺气坎、凸形掺气坎、凹形掺气坎中，凸型坎的空腔回水深度要小于另外两种掺气坎，凸型坎对减小空腔回水深度性能最好，因此掺气坎选用涂形圆弧设计。
优选的，所述外壳体内表面中部安装有流向测量仪，所述流向测量仪与控制***电连接。
操作人员可以通过控制***监测装置内部水流流动方向；当控制***通过流向测量仪发现水流方向发生非正常流动或者紊乱时，会向监测人员发出警报，监测人员拆开外壳体来解决装置内部问题，例如清洗被堵塞过滤网、更换损坏的过滤网。通过设置流向测量仪，使得外界操作人员无需打开装置既可发现装置内部故障。
优选的，所述外壳体内表面中部安装有流速测量仪，所述流速测量仪与控制***电连接。
所述流量测量仪用于检测装置内部流量并将数据传输给控制***，控制***会将数据记录，并结合所述流向测量仪来对装置内部故障情况进行判断。
本发明的有益效果如下：
1.本发明的一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构，通过进水管方向的设计和引流纹的设置，在离心力作用下，水流紧贴外壳体内壁，在外壳体内壁产生压力，有利于避免空蚀，并且增大了外壳体内壁面摩擦力；外壳体中心则形成比较稳定的空腔，有利于保持水流的流态稳定。
2.本发明的一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构，设有掺气坎、具有掺气功能的过滤孔、掺气孔，三者共同完成掺气工作；掺气便可降低空穴溃灭时的破坏力，即减小空蚀的破坏性；不仅如此，往水中掺气还可以降低水锤效应，进而降低水锤效应对内壁的破坏；此外，在水体中被掺入足够多空气的时候，负压被有效的降低了，从而减小空蚀现象的发生概率，甚至避免空蚀的发生。国内外的实验和实际应用都表明了，掺气减蚀是一种成本较低却又十分有效的减蚀措施。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的主体结构示意图；
图2是本发明的竖直半剖图；
图3是本发明的水平剖面图；
图4是本发明的过滤网结构示意图；
图5是本发明的外壳体半剖示意图；
图6是本发明的掺气坎示意图；
图7是本发明的过滤孔剖面图；
图8是本发明的水轮结构示意示意图；
图9是本发明的传动组件结构图；
图10是本发明的掺气孔剖面示意图；
图11是本发明的不同形状掺气坎下流程和侧壁掺气浓度关系的对比图；
图12是本发明的不同形状掺气坎下单宽流量和回水深度关系的对比图。
图中：外壳体1、引流纹11、掺气坎12、进水管2、过滤网3、过滤孔31、水轮4、掺气孔41、传动组件5、动力锥齿轮51、传动锥齿轮52、动力带轮53、传动带轮54、皮带55、流向测量仪6、流速测量仪7。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1、图3和图5所示，一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构包括外壳体1、控制***和进水管2；
所述外壳体1上部边缘固定安装有若干进水管2，所述进水管2内部与外壳体1内部相通，水会从所述进水管2集中流入到外壳体1内，进而进行整流；所述进水管2中轴线与外壳体1水平剖面圆弧相切，这样一来初始的水流方向即为随着自身重力旋转向下流动；
所述外壳体1中部为漏斗形，所述外壳体1中部内表面设有螺旋向下的引流纹11，通过漏斗形的设计是为了使水流螺旋向中下部流动，所述引流纹11可以引导水流更好的围绕外壳体1旋转向下流动；所述外壳体1顶部为可拆卸结构，所述外壳体1底部连接水泵，多个进水管2的水流并流后流向水泵。
通过进水管2方向的设计和引流纹11的设置，在离心力作用下，水流紧贴外壳体1内壁，在外壳体1内壁产生压力，有利于避免空蚀，并且增大了外壳体1内壁面摩擦力；外壳体1中心则形成比较稳定的空腔，有利于保持水流的流态稳定。
如图2和图4所示，所述外壳体1上转动连接有过滤网3，所述过滤网3为螺旋形，所述过滤网3螺纹与引流纹11方向相同螺距相等，所述过滤网3与引流纹11贴合；所述过滤网3不仅可以过滤掉容易使水泵产生损害的大块残渣，并且由于其采用螺旋式设计，即便发生过滤孔31部分堵塞水流依旧可以继续螺旋向下流动。
当过滤孔31堵塞后，可以将外壳体1顶部拆卸下来，然后对过滤网3进行清洗后重新安装回去，如果发现过滤网3发生的损坏，则对过滤网3进行更换，安装新的过滤网3。
如图5所示，所述外壳体1内表面还设有掺气坎12，所述掺气坎12与引流纹11垂直设置，所述掺气坎12下方开设有与外界相通的通孔，外壳体1内部可由此向外界吸取空气；水流随着离心力和重力作用会紧贴外壳体1内壁旋转向下流动，流经掺气坎12时会掺入空气。
如果水流流动过程中产生的空穴中存在空气，那么掺气便可降低空穴溃灭时的破坏力，即减小空蚀的破坏性；不仅如此，往水中掺气还可以降低水锤效应，进而降低水锤效应对内壁的破坏；此外，在水体中被掺入足够多空气的时候，负压被有效的降低了，从而减小空蚀现象的发生概率，甚至避免空蚀的发生。国内外的实验和实际应用都表明了，掺气减蚀是一种成本较低却又十分有效的减蚀措施。
如图3、图4和图5所示，所述过滤网3旋转方向与引流纹11螺纹方向相反，这样一来水流便会冲击过滤网3的上表面，进而过滤掉容易使水泵产生损害的大块残渣，并且由于过滤网3的螺旋方向和引流纹11相同，因此水流并不会随着过滤网3的旋转而发生改变，而是会顺着过滤网3和引流纹11螺旋的方向流动。
如图5、图6和图11所示，所述掺气坎12为圆弧内凹形设计，这样的设计可以使掺气坎12更好的完成掺气任务。
相对较厚实的外壳体1，引流纹11比较薄弱，并且引流纹11也较多的承受了水流的冲刷，因此必须选取一种侧边的抗空蚀能力最强、保护性能最好的掺气坎12。经过实验发现：在直线形掺气坎12、凸形掺气坎12、凹形掺气坎12中，凹型掺气坎12对于流动通道侧边的掺气保护长度最长，因此选取凹形掺气坎12作为本发明的掺气坎12。
如图4、图7和图11所示，所述过滤网3上开设有过滤孔31，所述过滤网3为中空设计，所述过滤孔31旁开设有与外界相通的通气孔，外界空气可以由这个通气孔进入外壳体1内部，所述过滤孔31横截面为内凹圆弧形。
这样的设计使水穿过过滤孔31时，过滤孔31也能起到掺气的功能，并且内凹的设计产生的掺气效果对引流纹11的保护效果更好。
如图2、图8和图9所示，所述外壳体1下部内部设置有水轮4，所述外壳体1外部设置有传动组件5，所述水轮4与外壳体1转动连接，所述水轮4用于接收水流的动能，所述传动组件5用于向过滤网3传输水轮4接收的动能，这样的设计使得只要有水流经外壳体1时便能通过水轮4来带动过滤网3进行转动，不仅节省动力机构，还降低了能耗，从而节约了成本；所述传动组件5包括：动力锥齿轮51、传动锥齿轮52、动力带轮53、传动带轮54、皮带55；
所述动力锥齿轮51与水轮4的转轴同轴心固定连接，所述动力锥齿轮51与传动锥齿轮52啮合，所述动力带轮53同轴心固定安装在传动锥齿轮52上，所述动力带轮53和皮带55贴合，所述传动带轮54与皮带55贴合，所述传动带轮54与过滤网3的转轴同轴心固定连接。
具体运作起来时，当水流穿过外壳体1时，水流会带动水轮4进行转动，水轮4的转动会通过自身转轴带动动力锥齿轮51转动，所述动力锥齿轮51的转动会带动传动锥齿轮52转动，所述传动锥齿轮52的转动会通过其自身转轴带动动力带轮53转动，所述动力带轮53会通过皮带55带动传动带轮54转动，所述传动带轮54带动过滤网3转动，所述过滤网3转动的方向和引流纹11螺旋方向相反。
如图8和图10所示，所述水轮4每片轮叶上均开设有掺气孔41，所述水轮4为中空设计，所述掺气孔41旁开设有与外界相通的通气孔，外界可由这个通孔向外壳体内部输送空气，所述掺气孔41横截面为外凸圆弧形。
这样的设计使水穿过掺气孔41时，所述掺气孔41也能起到掺气的功能；由于水轮4已经十分接近底端水泵，因此必须尽量减小空腔回水深度，以此来保护水泵；经过实验发现：在直线形掺气坎12、凸形掺气坎12、凹形掺气坎12中，凸型坎的空腔回水深度要小于另外两种掺气坎12，凸型坎对减小空腔回水深度性能最好，因此掺气坎12选用涂形圆弧设计。
如图2所示，所述外壳体1内表面中部安装有流向测量仪6，所述流向测量仪6与控制***电连接。
操作人员可以通过控制***监测装置内部水流流动方向；当控制***通过流向测量仪6发现水流方向发生非正常流动或者紊乱时，会向监测人员发出警报，监测人员拆开外壳体1来解决装置内部问题，例如清洗被堵塞过滤网3、更换损坏的过滤网3。通过设置流向测量仪6，使得外界操作人员无需打开装置既可发现装置内部故障。
如图2所示，所述外壳体1内表面中部安装有流速测量仪7，所述流速测量仪7与控制***电连接。
所述流量测量仪用于检测装置内部流量并将数据传输给控制***，控制***会将数据记录，并结合所述流向测量仪6来对装置内部故障情况进行判断。
工作流程：当水从进水管2进来后，通过进水管2方向的设计和引流纹11的设置，在离心力作用下，水流紧贴外壳体1内壁，在外壳体1内壁产生压力，有利于避免空蚀，并且增大了外壳体1内壁面摩擦力；外壳体1中心则形成比较稳定的空腔，有利于保持水流的流态稳定。
流经过滤网3时会过滤掉容易使水泵产生损害的大块残渣，并且掺气坎12和过滤孔31来实现向水中掺气的目的，通过掺气便可降低空穴溃灭时的破坏力，即减小空蚀的破坏性；不仅如此，往水中掺气还可以降低水锤效应，进而降低水锤效应对内壁的破坏；此外，在水体中被掺入足够多空气的时候，负压被有效的降低了，从而减小空蚀现象的发生概率，甚至避免空蚀的发生。
并且由于掺气坎12和过滤网3均为圆弧内凹式设计，凹型掺气坎12对于流动通道侧边的掺气保护长度最长，因此可以更好的保护相对比较薄弱的引流纹11。
在流过过滤网3后，水流继续向下流动推动水轮4转动，水轮4通过传动***带动过滤网3进行与引流纹11螺纹方向相反转动，进而实现无外界动力源便实现过滤网3转动的目的；并且当水流穿过水轮4上开设的横截面为外凸形圆弧的掺气坎12时，回水深度进一步降低。随后水流随重力向下螺旋流入水泵。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构，包括外壳体(1)、控制***、进水管(2)，其特征在于：
所述外壳体(1)上部边缘固定安装有若干进水管(2)，所述进水管(2)内部与外壳体(1)内部相通，所述进水管(2)中轴线与外壳体(1)水平剖面圆弧相切；
所述外壳体(1)中部为漏斗形，所述外壳体(1)中部内表面设有螺旋向下的引流纹(11)，所述外壳体(1)顶部为可拆卸结构，所述外壳体(1)底部连接水泵；
所述外壳体(1)上转动连接有过滤网(3)，所述过滤网(3)为螺旋形，所述过滤网(3)螺纹与引流纹(11)方向相同螺距相等，所述过滤网(3)与引流纹(11)贴合；
所述外壳体(1)内表面还设有掺气坎(12)，所述掺气坎(12)与引流纹(11)垂直设置，所述掺气坎(12)下方开设有与外界相通的通孔；
所述过滤网(3)旋转方向与引流纹(11)螺纹方向相反；
所述掺气坎(12)为圆弧内凹形设计；
所述过滤网(3)上开设有过滤孔(31)，所述过滤网(3)为中空设计，所述过滤孔(31)旁开设有与外界相通的通气孔，所述过滤孔(31)横截面为内凹圆弧形；
所述外壳体(1)下部内部设置有水轮(4)，所述外壳体(1)外部设置有传动组件(5)，所述水轮(4)与外壳体(1)转动连接，所述水轮(4)用于接收水流的动能，所述传动组件(5)用于向过滤网(3)传输水轮(4)接收的动能，所述传动组件(5)包括：动力锥齿轮(51)、传动锥齿轮(52)、动力带轮(53)、传动带轮(54)、皮带(55)；
所述动力锥齿轮(51)与水轮(4)的转轴同轴心固定连接，所述动力锥齿轮(51)与传动锥齿轮(52)啮合，所述动力带轮(53)同轴心固定安装在传动锥齿轮(52)上，所述动力带轮(53)和皮带(55)贴合，所述传动带轮(54)与皮带(55)贴合，所述传动带轮(54)与过滤网(3)的转轴同轴心固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构，其特征在于：所述水轮(4)每片轮叶上均开设有掺气孔(41)，所述水轮(4)为中空设计，所述掺气孔(41)旁开设有与外界相通的通气孔，所述掺气孔(41)横截面为外凸圆弧形。
3.根据权利要求2所述的一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构，其特征在于：所述外壳体(1)内表面中部安装有流向测量仪(6)，所述流向测量仪(6)与控制***电连接。
4.根据权利要求3所述的一种改善多孔入流泵站进水流态的整流结构，其特征在于：所述外壳体(1)内表面中部安装有流速测量仪(7)，所述流速测量仪(7)与控制***电连接。
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