一种用于低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种用于低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法，属于水利工程泵站技术领域。本发明专利技术的特征是：基于消减低扬程泵站出水流道进口环量的原理进行出水流道的纠偏消涡；在进口弯曲段均匀设置垂直相交的m块横向导流板和n块竖向导流板；横向导流板的两端与左右边壁焊接，竖向导流板的两端与上下边壁焊接；导流板的头部距泵轴边缘0.1～0.3m，导流板的尾部位于进口弯曲段的出口断面处；采用三维流场数值模拟方法，以左右孔偏流系数λ、旋涡体积V和流道水头损失Δh为评价指标，计算横向导流板和竖向导流板的数量达到纠偏消涡的目标。本发明专利技术还公开了上述纠偏消涡方法在斜式出水流道或者低驼峰式出水流道的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种用于低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法及其应用
本专利技术属于水利工程泵站
，具体涉及一种用于低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法及其应用，主要用于消除大型低扬程泵站出水流道内的偏流及旋涡，解决由此引发的出水流道内流态不稳定问题。
技术介绍
大型低扬程泵站广泛用于平原地区水资源调配、水环境改善、农业灌溉和城市防洪等领域。在低扬程泵站应用较多的立式泵装置和斜式泵装置中，与水泵导叶体连接的出水流道均呈弯曲形状。立式泵装置的低驼峰式出水流道需作大于90°的弯曲，斜式泵装置中的斜式出水流道则需作先向上、后向下、再向上的“S”形弯曲。立式泵装置和斜式泵装置的出水流道依次分为进口弯曲段、中部扩散段和出口直线段，进口弯曲段为采用钢板加工成形的薄壁结构，中部扩散段和出口直线段采用混凝土浇筑成形。由于低扬程泵站流量大，其出水流道的宽度也大，为控制闸门在启闭过程中的平衡，需在出水流道出口直线段的中部设置中隔墩，以便将宽度较大的闸门分为两扇宽度较小的闸门。顺水流方向看，所述中隔墩将大型低扬程泵站出水流道等分为左侧出水孔和右侧出水孔。低扬程泵站立式泵装置和斜式泵装置中，出水流道进口与水泵导叶体出口连接，由于流出导叶体的水流仍具有较大环量，水流呈螺旋状进入出水流道。研究发现：所述出水流道内的主流明显偏向左侧出水孔，同时在出水流道的右侧区域产生较大范围的旋涡。这种流态导致出水流道左、右两孔的出流量相差很大，并造成出水流道内的水流运动不稳定，严重影响到泵站的安全稳定运行。
技术实现思路
本专利技术是针对低扬程泵站立式泵装置和斜式泵装置出水流道内存在的偏流及旋涡问题，提供一种用于低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法及其应用，以达到纠正出水流道内左右偏流、消除出水流道内旋涡的目的。经研究分析，发现：从水泵导叶体流出的旋转水流作用于弯曲的出水流道是出水流道出现偏流的根本原因。本专利技术的特征是：基于消减低扬程泵站出水流道进口环量的原理进行出水流道的纠偏消涡；引入出水流道左、右孔偏流系数λ作为衡量出水流道偏流程度的指标，将流道内的旋涡体积V作为出水流道旋涡大小的考核指标，将流道水头损失Δh作为出水流道能量性能的考核指标；在出水流道的进口弯曲段内均匀设置m块横向导流板和n块竖向导流板，横向导流板和竖向导流板垂直相交；横向导流板的两端与进口弯曲段的左右两边壁焊接，竖向导流板的两端与进口弯曲段的上下两边壁焊接，横向导流板与竖向导流板相交处焊接；所述横向导流板和竖向导流板的厚度均为0.02D0，D0为低扬程泵站采用的水泵叶轮直径，横向导流板和竖向导流板的头部均为半圆形，横向导流板和竖向导流板的尾部均为流线型；所述导流板的头部距泵轴边缘0.1～0.3m，以不影响泵轴的转动，所述导流板的尾部位于进口弯曲段的出口断面处；采用数值计算方法对设置导流板的出水流道进行三维流场数值模拟，计算左右孔偏流系数λ、旋涡体积V和流道水头损失Δh，以左右孔偏流系数λ、旋涡体积V、流道水头损失Δh为定量指标，用以综合评价设置导流板的效果；通过计算调整横向导流板和竖向导流板的数量，实现偏流系数尽可能接近于1、旋涡体积V尽可能小和流道水头损失Δh尽可能小的纠偏消涡目标。本专利技术提供的低扬程泵站出水流道导流板及其设计方法能够有效纠正出水流道内的偏流现象、消除流道内的旋涡和减小流道水头损失，保障低扬程泵站的安全稳定运行。为实现本专利技术的目的，一种用于低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法采用下技术方案：1.通过数值模拟和模型试验研究提出纠偏消涡的原理：低扬程泵站立式泵装置和斜式泵装置水泵导叶体出口水流具有环量，水流以螺旋状旋转进入出水流道，从水泵导叶体流出的旋转水流作用于弯曲的出水流道是出水流道出现偏流的根本原因；由于出水流道的弯曲结构是低扬程泵站泵装置的功能所需要的，所以只能通过消减出水流道进口水流的环量这一途径来解决出水流道的偏流和旋涡问题；2.为消减出水流道进口环量，在出水流道的进口弯曲段内均匀设置m块横向导流板和n块竖向导流板，横向导流板和竖向导流板垂直相交；所述横向导流板与出水流道进口弯曲段左右两边壁焊接，所述竖向导流板与出水流道进口弯曲段上下两边壁焊接，所述横向导流板与所述竖向导流板相交处焊接；3.所述横向导流板和竖向导流板的厚度均为0.02D0，D0为低扬程泵站采用的水泵叶轮直径；为了获得平顺的水流流态，横向导流板和竖向导流板的头部均为半圆形，横向导流板和竖向导流板的尾部均为流线型；4.所述横向导流板和竖向导流板的头部距泵轴0.1～0.3m，以不影响泵轴的转动，所述横向导流板和竖向导流板的尾部位于进口弯曲段的出口断面处；5.引入出水流道左、右孔偏流系数λ作为衡量出水流道偏流程度的指标，将流道内的旋涡体积V作为出水流道旋涡大小的考核指标，将流道水头损失Δh作为出水流道能量性能的考核指标；所述偏流系数λ、旋涡体积V和流道水头损失Δh均采用出水流道三维流场数值模拟的方法进行计算；6.所引入的偏流系数λ计算式为：式中，A左和A右分别为出水流道左侧出水孔和右侧出水孔的断面面积，和分别为通过左侧出水孔和右侧出水孔水流的平均流速；计算偏流系数偏差值Δλ＝|λ-1|；Δλ愈大，表明出水流道内的偏流程度愈严重；若Δλ＝0，则说明左、右两孔的出流流量相等；7.采用数值计算方法对设置导流板的出水流道进行三维流场数值模拟，以偏流系数λ、旋涡体积V和流道水头损失Δh为评价指标，计算所需要的横向导流板数量m和竖向导流板数量n，采用以下方法：(1)将拟采用导流板的低扬程泵站出水流道方案记为方案Fi，i＝0，1，2，3，……；其中，无导流板的出水流道方案记为方案F0；(2)采用数值计算方法对出水流道方案Fi进行三维流场数值模拟，计算流量为低扬程泵站单泵设计流量，流场计算的进口环量根据水泵导叶体出口环量的检测结果设置；根据数值模拟结果，计算出水流道方案Fi的偏流系数λi、旋涡体积Vi和流道水头损失Δhi，计算偏流系数偏差Δλi＝|λi-1|；(3)对出水流道方案Fi的偏流和旋涡情况进行判别，当偏流系数偏差Δλi小于0.01但出水流道内有旋涡，或偏流系数偏差Δλi大于0.01时，转入第(4)步；当偏流系数偏差Δλi小于0.01且出水流道内无旋涡时，转入第(7)步；(4)在方案Fi的基础上增加1块竖向导流板并均匀布置记为方案Fi+11，在方案Fi的基础上增加1块横向导流板并均匀布置记为方案Fi+12；(5)计算出水流道方案Fi+11和方案Fi+12的偏流系数λ、旋涡体积V和流道水头损失Δh，计算偏流系数偏差Δλ；对方案Fi+11和方案Fi+12的指标进行比较，指标的重要程度由高到低依次为偏流系数、旋涡体积、流道水头损失，选择偏流系数偏差Δλ小、旋涡体积V小、流道水头损失Δh小的方案记为方案Fi+1；(6)在第(5)小步的基础上，令i＝i+1，重返回第(2)步；(7)计算完成，得到所需的横向导流板数量m和竖向导流板数量n。8.若横向导流板数量m＝0，则在竖向导流板的左、右两侧均匀设置2道顺水流方向的加强筋，以提高竖向导流板的刚度；若竖向导流板数量n＝0，则横向导流板的上、下两侧均匀设置2道顺水流方向的加强筋，以提高横向导流板的刚度；所述加强筋的断面形状为矩形，厚度和高度分别为10mm和50mm，加强筋的头部为半圆形、尾部为流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法，其特征是：所述纠偏消涡方法是基于消减低扬程泵站出水流道进口环量进行出水流道的纠偏消涡；所述纠偏消涡方法具体为：在出水流道进口弯曲段内均匀设置m块横向导流板和n块竖向导流板，横向导流板和竖向导流板垂直相交；横向导流板的两端与出水流道进口弯曲段的左右两边壁焊接，竖向导流板的两端与出水流道进口弯曲段的上下两边壁焊接，横向导流板与竖向导流板相交处焊接；计算横向导流板数量m和竖向导流板数量n的方法为：引入出水流道左、右孔偏流系数λ作为衡量出水流道偏流程度的指标，将流道内的旋涡体积V作为出水流道旋涡大小的考核指标，将流道水头损失Δh作为出水流道能量性能的考核指标；所述出水流道左、右孔的偏流系数λ计算式为：

【技术特征摘要】
1.一种低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法，其特征是：所述纠偏消涡方法是基于消减低扬程泵站出水流道进口环量进行出水流道的纠偏消涡；所述纠偏消涡方法具体为：在出水流道进口弯曲段内均匀设置m块横向导流板和n块竖向导流板，横向导流板和竖向导流板垂直相交；横向导流板的两端与出水流道进口弯曲段的左右两边壁焊接，竖向导流板的两端与出水流道进口弯曲段的上下两边壁焊接，横向导流板与竖向导流板相交处焊接；计算横向导流板数量m和竖向导流板数量n的方法为：引入出水流道左、右孔偏流系数λ作为衡量出水流道偏流程度的指标，将流道内的旋涡体积V作为出水流道旋涡大小的考核指标，将流道水头损失Δh作为出水流道能量性能的考核指标；所述出水流道左、右孔的偏流系数λ计算式为：式中，A左和A右分别为出水流道左侧出水孔和右侧出水孔的断面面积，和分别为通过左侧出水孔和右侧出水孔水流的平均流速；计算偏流系数偏差值Δλ＝|λ-1|；Δλ愈大，表明出水流道内的偏流程度愈严重；若Δλ＝0，则说明左、右两孔的出流流量相等；所述旋涡体积V和流道水头损失Δh均采用出水流道三维流场数值模拟的方法进行定量计算；采用数值计算方法对设置导流板的出水流道进行三维流场数值模拟，以偏流系数λ、旋涡体积V和流道水头损失Δh为评价指标，计算所需的横向导流板数量m和竖向导流板数量n。2.根据权利要求1所述的一种低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法，其特征是，所述计算横向导流板数量m和竖向导流板数量n的方法，具体包括以下步骤：(1)将拟采用导流板的低扬程泵站出水流道方案记为方案Fi，i＝0，1，2，3，……；其中，无导流板的出水流道方案记为方案F0；(2)采用数值计算方法对出水流道方案Fi进行三维流场数值模拟，计算流量为低扬程泵站单泵设计流量，流场计算的进口环量根据水泵导叶体出口环量的检测结果设置；根据数值模拟结果，计算出水流道方案Fi的偏流系数λi、旋涡体积Vi和流道水头损失Δhi，计算偏流系数偏差Δλi＝|λi-1|；(3)对出水流道方案Fi的偏流和旋涡情况进行判别，当偏流系数偏差Δλi小于0.01但出水流道内有旋涡，或偏流系数偏差Δλi大于0.01时，转入第(4)步；当偏流系数偏差Δλi小于0.01且出水流道内无旋涡时，转入第(7)步；(4)在方案Fi的基础上增加1块竖向导流板并均匀布置记为方案Fi+11，在方案Fi的基础上增加1块横向导流板并均匀布置记为方案Fi+12；(5)计算出水流道方案Fi+11和方案Fi+12的偏流系数λ、旋涡体积V和流道水头损失Δh，计算偏流系数偏差Δλ；对方案Fi+11和方案Fi+12的指标进行比较，指标的重要程度由高到低依次为偏流系数、旋涡体积、流道水头损失，选择偏流系数偏差Δλ小、旋涡体积V小、流道水头损失Δh小的方案记为方案Fi+1；(6)在第(5)步的基础上，令i＝i+...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐磊，颜士开，施伟，刘军，陆林广，陆伟刚，金玉杰，王东伟，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32