[发明专利]高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法

摘要

本发明公开了高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面的设计方法，属于水利工程泵站技术领域。其特征是对大流量泵站进水流道进行三维流场数值仿真，为掌控进水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；采用以进水流道三维形体过流面水力性能指标达到最优为要求的设计方法；将进水流道三维形体过流面的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸，并以它们为几何变量构建进水流道三维形体过流面，采用单因素分步优化的方法对各种型式进水流道的I级尺寸和II级尺寸进行优化计算，给出I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围。应用本发明设计的进水流道具有水流平顺均匀、水力性能优异等优点，可保障水泵机组安全、稳定和高效运。

主权项

高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法，其特征是，(1)应用计算流体动力学商用软件对大流量泵站进水流道进行三维流场数值仿真，为掌控进水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；(2)根据第(1)步三维流场数值仿真的结果，计算所述进水流道三维形体过流面下述主要水力性能的技术指标：①进水流道出口断面流速分布均匀度式中：Vu为进水流道出口断面流速分布均匀度，％；uai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；为进水流道出口断面各单元的平均法向流速，m/s；m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；②进水流道出口断面水流平均角度式中：为进水流道出口断面水流平均角度，°；uti为进水流道出口断面各单元的横向流速，m/s；uai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；③进水流道水头损失Δh＝E进水流道进口－E进水流道出口式中：Δh为进水流道水头损失，m；E进水流道进口为进水流道进口断面的能量水头，m；E进水流道出口为进水流道出口断面的能量水头，m；上述水力性能的主要技术指标通过系统的数值计算和模型试验研究得到；(3)在研究进水流道三维形体的主要几何尺寸影响其过流面水力性能基本规律的基础上，将影响进水流道三维形体过流面的流态及水力性能的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级 尺寸；较宽松的I、II级尺寸有利于所述过流面获得较好的水力性能，但同时又会增加泵站的土建投资，故需要兼顾提高进水流道水力性能和控制泵站土建投资两方面的要求合理取值；I级尺寸对泵站土建工程量和进水流道水力性能影响都很大，各种型式进水流道的I级尺寸均为进口断面至出口断面中心点的水平距离(简称进水流道长度)、进口断面宽度(简称进水流道宽度)和叶轮中心线至流道底部的垂直距离(简称进水流道高度)；II级尺寸对泵站土建工程量影响较小、对进水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的进水流道具有不同的II级尺寸；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建进水流道三维形体过流面；(4)对每种型式进水流道进行三维流场数值仿真和优化计算，内容包括：①对I级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；②在第①步骤完成后，对II级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；对各种型式进水流道分别进行三维流场数值仿真和所述几何变量优化计算，以了解和掌握进水流道各个I级尺寸、II级尺寸影响进水流道三维形体过流面水力性能的变化趋势和基本规律；在对各种型式进水流道进行系统研究的基础上，得到以水泵叶轮直径D0表示的I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围；肘形进水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：进水流道长度XL＝(4.0～4.5)D0，进水流道宽度Bj＝(2.4～2.5)D0，进水流道高度Hw＝(1.8～1.9)D0；II级尺寸：进水流道喉管高度Hk＝(0.8～0.9)D0，进水流道下边线倾角β＝(0～12)°；钟形进水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：进水流道长度XL＝(4.0～4.5)D0，进水流道宽度Bj＝(2.9～3.0)D0，进水流道高度Hw＝(1.4～1.5)D0；II级尺寸：进水流道下边线倾角β＝(0～10)°，喇叭管进口直径Dg＝(1.5～1.6)D0，喇叭管高度Hg＝(0.7～0.8)D0，吸水箱高度Hx＝(0.8～0.9)D0；簸箕形进水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：进水流道长度XL＝(4.0～4.5)D0，进水流道宽度Bj＝(2.6～2.8)D0，进水流道高度Hw＝(1.6～1.7)D0；II级尺寸：进水流道下边线倾角β＝(0～10)°，喇叭管进口直径Dg＝(1.4～1.5)D0，喇叭管高度Hg＝(0.7～0.8)D0，吸水箱高度Hx＝(0.8～0.9)D0，进水流道后壁距Xt＝(0.9～1.1)D0；斜式进水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：进水流道长度XL＝(4.0～4.5)D0，进水流道宽度Bj＝(2.4～2.5)D0，进水流道高度Hw＝(0.8～1.0)D0；II级尺寸：泵轴倾角α＝(15～30)°，进水流道下边线倾角β＝(0～10)°，进水流道转向段水平长度Xz＝(1.4～1.5)D0；竖井式进水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：进水流道长度XL＝(5.3～6.3)D0，进水流道宽度Bj＝(2.5～2.7)D0，进水流道高度Hw＝(0.7～0.8)D0；II级尺寸：竖井长度Xs＝(4.5～5.0)D0，竖井宽度Bs＝(1.5～1.6)D0，竖井末端至进水流道出口的距离Xm＝(0.55～0.65)D0，(5)根据得到的I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围绘制进水流道单线图。