[发明专利]一种新型立式潜水泵装置出水流道及其设计方法

权利要求书

1.一种新型立式潜水泵装置出水流道，其特征是，所述新型立式潜水泵装置出水流道依次由竖直井筒、过渡段和水平直管构成；

所述竖直井筒断面为圆形，竖直井筒中间位置布置潜水电机，潜水电机进口与导叶体轮毂出口连成一体；所述竖直井筒顶部设置活动盖板，潜水电机通过竖直井筒顶部的活动盖板吊出；

所述水平直管为一顺直管道，用于将过渡段进入的水流引入泵站出水池；水平直管断面形状为圆形，水平直管进口与过渡段出口相接；

所述过渡段是竖直井筒和水平直管之间的连接段；过渡段进口断面位于竖直井筒中心线处，过渡段出口断面位于水平直管进口处，所述过渡段的型体变化是从进口断面的椭圆形渐变为出口断面的圆形；过渡段在立面方向上通过圆弧连接竖直井筒与水平直管，以使水流在立面方向平顺地由竖直井筒进入水平直管，消除转向后的漩涡；过渡段在平面方向上通过平滑的多次曲线连接竖直井筒与水平直管，所述多次曲线的起点与竖直井筒边壁相切，所述多次曲线的终点与水平直管边壁相切，以使得水流在平面方向能够平顺地由竖直井筒进入水平直管。

2.一种新型立式潜水泵装置出水流道设计方法，其特征是，按下列步骤进行：

(1)一种新型立式潜水泵装置出水流道依次由竖直井筒、过渡段和水平直管构成；

(2)所述竖直井筒的断面直径为D₁、高度为H₁；所述竖直井筒中间位置布置直径为D₃的潜水电机，潜水电机进口与导叶体轮毂出口连成一体；所述竖直井筒顶部设置活动盖板，潜水电机通过竖直井筒顶部的活动盖板吊出；

(3)所述水平直管为一顺直管道，用于将过渡段进入的水流引入泵站出水池；水平直管断面形状为圆形，水平直管进口与过渡段出口相接；水平直管的断面直径为D₂、长度为L₂；

(4)所述过渡段是竖直井筒和水平直管之间的连接段；所述过渡段在立面方向上通过半径为R的圆弧连接竖直井筒与水平直管，以使水流在立面方向平顺地由竖直井筒进入水平直管，消除转向后的漩涡；过渡段在平面方向上通过平滑的多次曲线连接竖直井筒与水平直管，所述多次曲线的起点与竖直井筒边壁相切，所述多次曲线的终点与水平直管边壁相切，以使得水流在平面方向能够平顺地由竖直井筒进入水平直管；所述过渡段进口断面位于竖直井筒中心线处，过渡段出口断面位于水平直管进口处，过渡段的长度L₁＝0.50D₁+R；所述过渡段的型体变化是从进口断面的椭圆形渐变为出口断面的圆形，过渡段进口断面椭圆的长轴长度a₀＝D₂+2R、短轴长度b₀＝D₁，过渡段出口断面位于距离竖直井筒中心线0.50D₁+R处，过渡段出口断面直径为D₂；

(5)所述过渡段的平面方向上边线的多次曲线按以下步骤进行设计：

①在过渡段平面方向上建立以过渡段进口断面中心O为原点的XOB坐标系，将所述多次曲线B₁＝B₁(x)设定为4次曲线方程，该方程有5个待定系数：

B₁＝A₁+A₂x+A₃x²+A₄x³+A₅x⁴ (1)

式中，A₁、A₂、A₃、A₄和A₅为待定系数；

②在过渡段平面方向，所述4次曲线B＝B(x)起点和终点满足的边界条件为：起点通过过渡段进口断面的点；起点的切线斜率等于0；终点通过点；终点的切线斜率等于0；

③对B₁＝B₁(x)引入1个调整点，根据所述4次曲线形线变化趋势选择调整点坐标，以保证所述4次曲线变化平缓；

④将起点、终点的边界条件和调整点坐标带入4次曲线方程B₁＝B₁(x)，对4次曲线方程的待定系数建立五元一次方程组，解方程组得到B₁＝B₁(x)的待定系数A₁、A₂、A₃、A₄和A₅；

⑤根据求得的4次曲线方程B₁＝B₁(x)，在过渡段平面方向取点计算坐标，使用样条曲线依次连接各坐标点并绘出过渡段平面方向上边线的变化曲线；

(6)所述过渡段的平面方向下边线的多次曲线根据上边线方程B₁＝B₁(x)所绘制出的4次曲线在XOB坐标系中对X轴做镜像取得，平面方向下边线方程B₂＝B₂(x)为：

B₂＝-(A₁+A₂x+A₃x²+A₄x³+A₅x⁴) (2)

(7)根据过渡段立面方向和平面方向曲线绘制所述过渡段断面位置线：

在过渡段立面方向上以水平直管中心线和竖直井筒中心线交点为原点建立XOY坐标系，在X坐标轴方向，以为界将X坐标之间等分为m个断面，将X坐标之间等分为n个断面，其中，m为X坐标在之间的等分数，n为X坐标在之间的等分数；；

根据各断面位置的X坐标，计算过渡段各断面数据并列表，表中包括：立面方向上边线坐标(x_1k，y_1k)、立面方向下边线坐标(x_2k，y_2k)、断面长轴长度a_k＝y_1k-y_2k、断面短轴长度b_k＝B₁(x_1k)×2，其中，k＝0，1，……，m+n，过渡段断面数据如表1所示；

表1 过渡段断面数据表 (单位：mm)

(8)将计算得到的过渡段与竖直井筒和水平直管组成出水流道，采用三维流动数值模拟方法对包括潜水电机在内的出水流道水流流动进行数值计算，计算出水流道流场和流道水头损失；根据计算得到的流场图分析出水流道内的水流流态，若出水流道内的水流由竖直井筒转向水平直管后仍存在旋涡，则返回第(4)步调整过渡段立面方向上圆弧的半径R和第(5)步改变调整点坐标；若出水流道内的水流由竖直井筒转向水平直管后无旋涡，则进入下一步；

(9)绘制完整的立式潜水泵装置出水流道单线图，供立式潜水泵站出水流道设计使用。