一种性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置及其应用方法

摘要

本发明公开了一种性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置及其应用方法，属于水利工程泵站技术领域。其特征是：在竖直平面内布置进水流道、轴流泵泵体和出水流道，将卧式安装的电机布置在进水流道的上方；将进水流道设计成弯曲形，使泵轴由泵体叶轮室前部穿出进水流道，并依次与轴承、齿轮箱和电机连接；进水流道分为直线段和弯曲段，直线段的底边下降角和长度可在一定范围内进行调整；出水流道分为弯曲段和直线段，直线段的底边上升角可在一定范围内进行调整；泵装置的尺寸均用相对值（以水泵叶轮直径D为基准值）表示。本发明提供的电机前置上卧式轴流泵装置具有水力性能优异、结构简单、电机散热条件好、机组安装检修方便、工程造价低等优点。

说明书

技术领域

本发明属于水利工程泵站技术领域，具体涉及一种性能优异的电机前置上卧式轴流泵装 置及其应用方法，主要用于指导工程技术人员设计水力性能优异的电机前置上卧式轴流泵装 置，保证大型卧式低扬程泵站电机前置上卧式轴流泵装置设计的质量。

背景技术

大型低扬程泵站广泛应用于水资源配置、农业排灌、水环境治理和城市排涝等许多对我 国社会、经济发展影响重大的领域。设计扬程在3m以下的大型特低扬程泵站较多地采用了 水力性能好的灯泡式贯流泵装置。这种贯流泵装置的特点是：在流道内设置空间尺寸较小的、 密闭的灯泡体，将电机、齿轮箱、轴承等设备都布置在灯泡体内。由于布置在流道内的灯泡 体尺寸受到很大限制，导致设备布置及检修所需的空间尺寸十分紧张，同时还带来结构复杂、 电机散热条件差、造价高等缺陷。

发明内容

本发明的目的就是针对上述传统灯泡式贯流泵装置的缺陷，提供了一种性能优异的电机 前置上卧式轴流泵装置及其应用方法。本发明的特征是：所述电机前置上卧式轴流泵装置由 进水流道、轴流泵泵体和出水流道组成，布置在竖直平面内；所述进水流道为弯曲形，泵轴 由泵体叶轮室前部穿出进水流道；与所述轴流泵泵体配套使用的轴承及轴承座、齿轮箱和卧 式电机布置在进水流道的上方，依次与所述穿出进水流道的泵轴连接；进水流道分为直线段 和弯曲段，直线段的底边下降角和长度可在一定范围内进行调整；出水流道分为弯曲段和直 线段，直线段的底边上升角可在一定范围内进行调整；泵装置的所有尺寸均用相对值(以水 泵叶轮直径D为基准值)表示，将这些相对值乘以水泵叶轮直径D即可得到应用本发明的泵 站所需的流道尺寸(单位为m)。本发明的电机前置上卧式轴流泵装置具有水力性能优异、结 构简单、电机散热条件好、机组安装检修方便、工程造价低等优点。

为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

1.提供的电机前置上卧式轴流泵装置由在竖直平面内布置的进水流道、轴流泵泵体和出 水流道组成；

2.将所述进水流道设计成弯曲形，可使泵轴由泵体叶轮室前部穿出进水流道，以便与轴 承、齿轮箱和卧式电机等连接；

3.与所述轴流泵泵体配套使用的轴承及轴承座、齿轮箱和卧式电机等设备布置在进水流 道的上方，依次与所述穿出进水流道的泵轴连接；

4.所述进水流道由较短的直线段和较长的弯曲段组成，其中，直线段提供取值范围，该 段底边下降角和长度可在一定范围内进行调整，几何形体复杂的弯曲段提供详细的断面数据；

5.根据泵站扬程选用适合的高性能轴流泵，其泵体由叶轮、叶轮室和导叶体组成；

6.所述出水流道由较短的弯曲段和较长的直线段组成，其中，弯曲段提供详细的断面数 据，直线段提供取值范围，该段底边上升角可在一定范围内进行调整；

7.对所述进、出水流道进行充分、细致的优化水力设计研究，确保流道和泵装置水力性 能优异；

8.所述泵装置的所有尺寸均用相对值(以水泵叶轮直径D为基准值)表示，将这些相 对值乘以水泵叶轮直径D即可得到应用本发明的泵站所需的流道尺寸(单位为m)；

9.所述进、出水流道直线段的参数可根据具体泵站的要求在一定范围内进行调整，以适 应泵站对流道长度及底边倾角等主要几何参数的不同需要。

本发明的目的是这样实现的：

1.提供的电机前置上卧式轴流泵装置水力性能优异，其主要水力性能指标如下；

(1)进水流道：出口水流速度分布均匀度V_u≥98％，流道出口水流进入水泵叶轮室的平 均角度设计流量的水头损失Δh≤0.10m；

(2)出水流道：设计流量的水头损失Δh≤0.12m；

(3)泵装置：设计工况的泵装置效率η≥80％；

2.所提供的电机前置上卧式轴流泵装置几何形体表达方式；

(1)所述电机前置上卧式轴流泵装置分为进水流道、轴流泵泵体和出水流道3个部分；

(2)所述进水流道弯曲段的作用是引导水流有序地进行“S”形转向流动，同时流道断 面形状由矩形渐变为圆形，几何形体复杂，流道内的水流流态复杂，该段线形设计对流道水 力性能影响很大；为使该段流道断面形状的变化尽可能平缓，其断面形状采用连续变化的直 边圆角形，该段形体采用详细的断面数据表示；提供进水流道弯曲段的断面位置图和断面数 据表，数据表中包括弯曲段各断面的纵剖面上边线坐标(X₁,Y₁)_i、纵剖面下边线坐标(X₂,Y₂)_i、 断面高度H_wi、断面宽度B_wi、断面圆角半径R_wi等数据；

(3)所述进水流道弯曲段由一系列连续变化的直边圆角形断面构成，从进口的矩形断面 渐变为出口的圆形断面，断面的高度H_wi、宽度B_wi和圆角半径R_wi在该段内连续变化；当R_wi＝0 时，其为矩形；当H_wi＝B_wi＝2R_wi时，其为圆形；

(4)所述进水流道直线段位于弯曲段之前，其作用是对由泵站前池流入的水流进行整流， 该段的几何参数包括流道直线段水平长度L₁、底边下降角α、进口断面宽度B₁、进口断面高 度H₁、流道进口的顶板圆弧半径R；

(5)所述轴流泵泵体位于进水流道和出水流道之间，其作用是向水流提供能量、使其产 生扬程，可根据泵站扬程选用适合的高性能轴流泵；

(6)所述出水流道弯曲段的作用是引导从水泵导叶体流出的水流平缓转向，同时流道断 面形状由圆形向矩形渐变，几何形体较为复杂；为使该段流道断面形状的变化尽可能平缓， 其断面形状采用连续变化的直边圆角形，该段形体采用详细的断面数据表示；提供出水流道 弯曲段的断面位置图和断面数据表，数据表中包括弯曲段各断面的纵剖面上边线坐标(X₁,Y₁)_i、 纵剖面下边线坐标(X₂,Y₂)_i、断面高度H_wi、断面宽度B_wi、断面圆角半径R_wi等数据；

(7)所述出水流道弯曲段由一系列连续变化的直边圆角形断面构成，从进口的圆形断面 渐变为出口的矩形断面，断面的高度H_wi、宽度B_wi和圆角半径R_wi在该段内连续变化；当 H_wi＝B_wi＝2R_wi时，其为圆形；当R_wi＝0时，其为矩形；

(8)所述出水流道直线段位于弯曲段之后，其作用是引导水流向斜上方流动，并在此过 程中平缓扩散、将水流动能转化为压能，该段的几何参数包括流道直线段水平长度L₂、底边 上升角β、出口断面宽度B₂和出口断面高度H₂。

3.建立便于推广的性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置应用方法；

(1)所述电机前置上卧式轴流泵装置各几何尺寸参数相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮 直径D得拟应用本发明的泵站的泵装置所需尺寸；

(2)所述进水流道直线段的水平长度L₁根据泵站上部结构布置的需要在已有尺寸的基础 上加长或缩短，所述直线段的底边下降角α根据弯曲段与泵站前池衔接的需要在一定的范围 内增大或减少，α改变后该段各断面的高度保持不变；

(3)所述出水流道直线段的底边上升角β根据泵站出水池的最低水位在已有尺寸的基础 上适当增加或减少，β改变后该段各断面的高度保持不变；

(4)根据换算和调整后的所述性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置的几何参数，在绘 图软件中绘制所需的性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置单线图。

与现有方法相比，本发明具有以下有益效果：

第一，所提供的电机前置上卧式轴流泵装置可在扬程低于3m的低扬程及特低扬程泵站 实现优异的泵装置水力性能。

第二，所提供的性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置结构简单、电机布置空间尺寸较 宽松且有较好的散热条件、机组安装检修方便。

第三，所提供的性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置使用方法简单，便于工程技术人 员在低扬程及特低扬程条件下应用。

第四，所提供的性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置工程造价较低。

上述优点对于确保大型低扬程泵站的安全、稳定和高效运行具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的电机前置上卧式轴流泵装置立面单线图。

图2是本发明的电机前置上卧式轴流泵装置平面单线图。

图3是本发明的电机前置上卧式轴流泵装置进水流道及弯曲段断面位置图。

图4是本发明的电机前置上卧式轴流泵装置出水流道及弯曲段断面位置图。

图5是本发明的电机前置上卧式轴流泵装置进、出水流道弯曲段第i个断面的示意图。

图6是本发明的电机前置上卧式轴流泵装置进水流道直线段长度调整示意图。

图7是本发明的电机前置上卧式轴流泵装置进水流道直线段底边下降角调整示意图。

图8是本发明的电机前置上卧式轴流泵装置出水流道直线段底边上升角调整示意图。

图中：1进水流道，2泵体，3出水流道，4泵轴，5轴承，6齿轮箱，7卧式电动机，8 进水流道直线段，9进水流道弯曲段，10出水流道弯曲段，11出水流道直线段，12进水流道 弯曲段纵剖面上边线，13进水流道弯曲段纵剖面下边线，14出水流道弯曲段纵剖面上边线， 15出水流道弯曲段纵剖面下边线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的：(1)提供一种性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置，对所述泵装置进、 出水流道进行充分、细致的优化水力设计研究，确保流道和泵装置水力性能优异；(2)提供 的性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置由在竖直平面内布置的进水流道1、轴流泵泵体2 和出水流道3组成；(3)所述进水流道1由较短的进水流道直线段8和较长的进水流道弯曲 段9组成，其中，进水流道直线段8提供取值范围，几何形体复杂的进水流道弯曲段9提供 详细的断面数据表；(4)所述出水流道3由较短的出水流道弯曲段10和较长的出水流道直线 段11组成，其中，出水流道弯曲段10提供详细的断面数据表，出水流道直线段11提供取值 范围；(5)所述泵装置的所有尺寸均采用以水泵叶轮直径D为基准值的相对值表示；所述进 水流道直线段8和出水流道直线段11的几何尺寸参数根据拟应用本发明的泵站的实际需要在 一定范围内进行调整。

(1)提供的电机前置上卧式轴流泵装置水力性能优异；

①进水流道：出口水流速度分布均匀度V_u≥98％，流道出口水流进入水泵叶轮室的平均角 度设计流量的水头损失Δh≤0.10m；

②出水流道：设计流量的水头损失Δh≤0.12m；

③泵装置：设计工况的泵装置效率η≥80％；

(2)本发明提供的性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置由进水流道1、泵体2和出水 流道3组成，如图1和图2所示；将进水流道1设计成弯曲形，使泵轴4由泵体2叶轮室前 部穿出进水流道1；与泵体2配套使用的轴承5、齿轮箱6和卧式电机7布置在进水流道1的 上方，依次与穿出进水流道1的泵轴4连接，如图1所示；所述进水流道1由较短的进水流 道直线段8和较长的进水流道弯曲段9组成，如图3所示；所述出水流道3由较短的出水流 道弯曲段10和较长的出水流道直线段11组成，如图4所示；

所述泵装置的水平总长度L为11.676D，进水流道进口宽度B₁和出水流道出口宽度B₂相 等，均为2.206D；

所述进水流道直线段8的水平长度L₁为2.025D、进口高度H₁为1.529D、底边下降角α为 2°、顶板圆弧半径R＝0.24D+0.3m；所述进水流道弯曲段9由一系列连续变化的直边圆角形断 面构成，断面形状如图5所示；进水流道弯曲段9各断面纵剖面上边线12的坐标(X₁,Y₁)_i、纵 剖面下边线13的坐标(X₂,Y₂)_i、断面高度H_wi、断面宽度B_wi、断面圆角半径R_wi等数据见表1， 进水流道弯曲段9各断面的位置如图3所示；表1中上边线12和下边线13的坐标原点位于 所述进水流道弯曲段9的纵剖面下边线13的进口；表1中各数据为相对值(以水泵叶轮直径 D为基准值)；

表1 进水流道弯曲段断面数据表

所述出水流道弯曲段10由一系列连续变化的直边圆角形断面构成，断面形状如图5所示； 出水流道弯曲段10各断面的纵剖面上边线14的坐标(X₁,Y₁)_i、纵剖面下边线15的坐标(X₂,Y₂)_i、 断面高度H_wi、断面宽度B_wi、断面圆角半径R_wi等数据见表2，出水流道弯曲段10各断面的位 置如图4所示；表2中上边线14和下边线15的坐标原点位于所述出水流道弯曲段10的纵剖 面进口的中点；表2中各数据为相对值(以水泵叶轮直径D为基准值)；所述出水流道直线 段11的水平长度L₂为4.343D、出口高度H₂为1.471D、底边上升角β为8°；

表2 出水流道弯曲段断面数据表

(3)建立便于推广的性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置的应用方法；

①将所述进、出水流道各几何尺寸的相对值乘以泵站拟采用的水泵叶轮直径D得该泵站 进、出水流道实际所需的尺寸(单位为m)，进水流道弯曲段9和出水流道弯曲段10各断面 的数据可调入excel表格中进行统一处理；

②按照步骤①确定所述性能优异的电机前置上卧式轴流泵装置进水流道直线段8的水平 长度L₁为2.025D，根据泵站上部结构布置的需要在此基础上加长或缩短L₁，调整L₁时保持流 道进口断面高度H₁不变；调整L₁的方式如图6所示，图中，L′₁和L″₁分别表示进水流道直线段 8的长度L₁加长后和缩短后的长度；

③按照步骤①确定所述电机前置上卧式轴流泵装置进水流道直线段8的底边下降角α为 2°，根据进水流道弯曲段9与泵站前池衔接的需要在步骤②的基础上调整α，其调整量不大 于2°，调整α时保持该段各断面的高度不变；调整下降角α的方式如图7所示，图中，α′和α″ 分别表示进水流道直线段8底边下降角α增大和减小后的角度；

④按照步骤①确定所述电机前置上卧式轴流泵装置出水流道直线段11的底边上升角β为 8°，根据出水流道直线段11与泵站出水池最低水位衔接的需要在步骤③的基础上调整β，调 整β时保持该段各断面的高度不变；调整上升角β的方式如图8所示，图中，β′和β″分别表 示出水流道直线段11底边上升角β增大和减小后的角度。

(4)根据换算和调整后的所述电机前置上卧式轴流泵装置的几何参数，在AUTO CAD 软件中绘制所需的电机前置上卧式轴流泵装置单线图。