[发明专利]高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计方法

摘要

本发明公开了大流量泵站出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出水流道进行三维流场数值仿真，为掌控出水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；采用以出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；将影响出水流道三维形体过流面的流态及其水力性能指标的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸，并以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建出水流道三维形体过流面；根据对各种型式出水流道优化计算的结果并兼顾控制泵站土建尺寸的要求，得到I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围。应用本发明设计的出水流道具有水流转向有序、扩散均匀、流道水头损失小等优点。

主权项

高性能大流量泵站出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出水流道进行三维流场数值仿真，为掌控出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，计算所述出水流道三维形体过流面设计工况的水头损失：Δh＝E出水流道进口断面－E出水流道出口断面式中：Δh为出水流道水头损失，m；E出水流道进口断面为出水流道进口断面的能量水头，m；E出水流道出口断面为出水流道出口断面的能量水头，m；出水流道三维形体过流面设计工况水头损失的指标通过系统的数值计算和模型试验研究得到；(3)在研究出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，将影响出水流道三维形体过流面的流态及其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，故需要兼顾提高出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出水流道水力性能影响都很大，各种型式出水流道的I级尺寸均为出水流道进口断面中心点至出口断面的水平距离(简称出水流道长度)、出水流道出口断面宽度(简称出水流道宽度)和水泵叶轮中心线至出水流道最高点的垂直距离(简称出水流道高度)；II级尺寸对泵站土建工程量影响较小、对出水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的出水流道具有不同的II级尺寸，差别很大；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建出水流道三维形体过流面；(4)对每种型式出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；对各种型式出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，以了解和掌握流道各I级尺寸、II级尺寸影响出水流道三维形体过流面水力性能的变化趋势和基本规律；根据对各种型式出水流道优化计算的结果并兼顾控制泵站土建尺寸的要求，得到以水泵叶轮直径D0表示的I级尺寸和II级尺寸(单位为m)的最优取值范围；低驼峰式出水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：出水流道长度XL＝(6.0～8.0)D0，出水流道宽度Bc＝(2.35～2.45)D0，出水流 道高度Hw＝(2.5～2.7)D0；II级尺寸：出水流道驼峰断面高度H2＝(1.1～1.2)D0，出水流道下降段倾角β＝(14～19)°，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；虹吸式出水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：出水流道长度XL＝(6.5～7.5)D0，出水流道宽度Bc＝(2.4～2.5)D0，出水流道高度Hw＝▽max‑▽0+0.2+(0.73～0.77)D0，式中，▽max为出水池最高水位，▽0为水泵叶轮中心高程，单位为m；II级尺寸：出水流道上升段倾角α＝(35～45)°，出水流道下降段倾角β＝(30～40)°，出水流道驼峰断面高度H2＝(0.73～0.77)D0，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；斜式出水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：出水流道长度XL＝(6.0～8.0)D0，出水流道宽度Bc＝(2.35～2.45)D0，出水流道高度Hw＝▽min‑▽0‑0.5，式中，▽min为出水池最低水位，▽0为水泵叶轮中心高程，单位为m；II级尺寸：泵轴倾角α＝(15～30)°，出水流道下边线倾角φ＝(0～10)°，出水流道转向段水平长度Xz＝(2.2～2.6)D0，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；前置竖井式出水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：出水流道长度XL＝(5.5～6.5)D0，出水流道宽度Bc＝(2.5～2.6)D0，出水流道高度Hw＝▽min‑▽0‑0.5，式中，▽min为出水池最低水位，▽0为水泵叶轮中心高程，单位为m；II级尺寸：出水流道下边线倾角φ＝(0～10)°，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°，(5)根据得到的I级尺寸和II级尺寸的最优取值绘制出水流道单线图。