一种双向泵站进水流道喇叭口设计方法
阅读说明：本技术 一种双向泵站进水流道喇叭口设计方法 (Method for designing bell mouth of water inlet flow channel of bidirectional pump station ) 是由 袁建平 陆荣 李彦军 付燕霞 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种双向泵站进水流道喇叭口设计方法,利用喇叭口进行分段,得到喇叭口各部分的参数,并利用这些参数建立抛物线的方程式,通过求解方程式即可得到抛物线的具体线型,也即可以得到本发明的设计结构。本发明弥补了目前双曲线和椭圆设计法型线过渡不光顺,且不易于参数化设计的缺点。(The invention discloses a method for designing a bell mouth of a water inlet channel of a bidirectional pump station, which comprises the steps of utilizing the bell mouth to carry out segmentation to obtain parameters of each part of the bell mouth, utilizing the parameters to establish an equation of a parabola, and solving the equation to obtain the specific line form of the parabola, namely obtaining the design structure of the invention. The invention overcomes the defects that the line transition is not smooth and the parameterization design is not easy in the prior hyperbolic and elliptic design method.)
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，特别是涉及一种双向泵站进水流道喇叭口设计方法。
背景技术
泵站是重要的大型调水工程，在解决区域供水量不足、农业排灌、城市防洪排涝等方面发挥着重要作用。立式双向泵站作为一种具有双向排水功能的特殊低水头泵站系统，在我国广泛应用于灌溉和排水。然而，在目前我国已经建设完成的双向泵站中有两个突出问题：一个是泵站运行效率低下，另一个则是运行过程中机组的强烈振动。以上两个的主要原因是进水流道设计存在缺陷，使得水泵入流不稳。喇叭口作为双向进水流道中的重要结构，对水泵入流稳定性起重要作用。目前双向流道喇叭口剖面型线的设计主要依赖于设计者的经验，虽然双曲线和椭圆已被应用于喇叭口剖面型线的设计，但其参数化设计较困难，且型线过渡不够顺畅。
发明内容
本发明的目的是提供一种双向泵站进水流道喇叭口设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，弥补了目前双曲线和椭圆设计法型线过渡不光顺，且不易于参数化设计的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种双向泵站进水流道喇叭口设计方法，包括如下步骤：
建模：进水流道包括喇叭口，导水锥和隔墩；所述隔墩顶面开设有所述导水锥；所述喇叭口套设于所述导水锥外侧；
分段：将所述喇叭口的剖面线分为三段：第一直线，抛物线和第二直线；
建立坐标系：在所述喇叭口顶面中心建立直角坐标系，写出所述抛物线的方程式，并根据已知几何条件列出所述抛物线应满足的方程组；
建立公式：求解方程组，得到所述抛物线方程，最后绘制所述喇叭口型线。
优选的，在建模步骤中，所述喇叭口和所述导水锥同轴设置；所述导水锥顶端小开口与所述喇叭口顶端小开口平齐；所述导水锥底端开口与所述隔墩底面平齐。
优选的，在分段步骤中，所述第一直线和所述第二直线之间连接有所述抛物线，所述抛物线分别与所述第一直线和所述第二直线相切；其切点分别为Q1和Q2。
优选的，在建立坐标系步骤中，以所述喇叭口顶部出口中心点为圆心O，水平方向为X轴，竖直向下为Y轴；则所述抛物线为二次抛物线，其方程式为：
Y＝aX2+bX+c
其中a，b，c为待求解的系数；
根据建立的坐标系和几何关系列出方程组：
其中：x0，y0为切点Q1或Q2的坐标；α为所述第二直线与Y轴正方向的夹角；D0为所述喇叭口顶面直径；D1为所述喇叭口最低点直径；h0与切点Q1或Q2的纵坐标相等，h1为所述喇叭口最低点到切点Q1或Q2的Y向高度；
优选的，求解所述方程组后得到所述抛物线方程式各系数为：
其中：h2为喇叭口最低点距离所述隔墩底面的Y向高度，H为所述喇叭口顶面至所述隔墩底面的高度H：即：h0+h1+h2＝H
根据求出所述抛物线方程式即可绘制出所述抛物线的形状，根据几何关系绘制所述第二直线、所述抛物线和所述第一直线，从而设计出所述喇叭口剖面型线。
本发明公开了以下技术效果：
本发明改进了原有双向泵站进水流道的双曲线和椭圆的喇叭口剖面型线的设计，实现了型线过渡顺畅，提升了水泵的扬程和效率。
本发明实现了喇叭口剖面型线的参数化设计，给出了设计的具体执行公式，提高了双向泵站的设计效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为双向泵站进水流道结构图。
图2为双向泵站进水流道喇叭口剖面型线示意图。
其中，1-喇叭口，2-导水锥，3-隔墩，5-第一直线,6-二次抛物线，7-第二直线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种双向泵站进水流道喇叭口设计方法，包括如下步骤：
建模：进水流道包括喇叭口1，导水锥2和隔墩3；隔墩3顶面开设有导水锥2；喇叭口1套设于导水锥2外侧；
分段：将喇叭口1的剖面线分为三段：第一直线5，抛物线6和第二直线7；
建立坐标系：在喇叭口1顶面中心建立直角坐标系，写出抛物线6的方程式，并根据已知几何条件列出抛物线6应满足的方程组；
建立公式：求解方程组，得到抛物线6方程，最后绘制喇叭口1型线。
进一步的优化方案，在建模步骤中，喇叭口1和导水锥2同轴设置；导水锥2顶端小开口与喇叭口1顶端小开口平齐；导水锥2底端开口与隔墩3底面平齐。
进一步的优化方案，在分段步骤中，第一直线5和第二直线7之间连接有抛物线6，抛物线6分别与第一直线5和第二直线7相切；其切点分别为Q1和Q2。
进一步的优化方案，在建立坐标系步骤中，以喇叭口1顶部出口中心点为圆心O，水平方向为X轴，竖直向下为Y轴；则抛物线6为二次抛物线，其方程式为：
Y＝aX2+bX+c
其中a，b，c为待求解的系数；
根据建立的坐标系和几何关系列出方程组：
其中：x0，y0为切点Q1或Q2的坐标；α为第二直线7与Y轴正方向的夹角；D0为喇叭口1顶面直径；D1为喇叭口1最低点直径；h0与切点Q1或Q2的纵坐标相等，h1为喇叭口1最低点到切点Q1或Q2的Y向高度；
进一步的，
由方程组的公式可求得
由方程组的公式可求得b＝-aD1；
由方程组的公式以及公式b＝-aD1可求得
将x0和b代入方程组的第一个方程可求得
进一步将a的值分别代入关系式b＝-aD1和即可分别求得抛物线6方程中的a，b，c系数。
进一步的优化方案，求解方程组后得到抛物线6方程式各系数为：
其中：h2为喇叭口最低点距离隔墩3底面的Y向高度，H为喇叭口1顶面至隔墩3底面的高度H：即：h0+h1+h2＝H
根据求出抛物线6方程式即可绘制出抛物线6的形状，根据几何关系绘制第二直线7、抛物线6和第一直线5，从而设计出喇叭口1剖面型线。
实施例1：
如图1所示为实施例的双向泵站进水流道的结构示意图，主要参数为：
α＝10°、D0＝292mm、D1＝466mm
h0＝156mm、h2＝198mm、H＝460mm
确定型线组合：
如图2所示，喇叭口(1)型线由抛物线(6)和两段第一直线(5)和(7)组成，抛物线(6)位于第一直线(5)和(7)的中间，且分别与第一直线(5)和第二直线(7)相切；
建立坐标系，列方程：
如图2所示，以流道出口中心点为圆心，水平方向为X轴，竖直向下为Y轴建立直角坐标系。
抛物线(6)为二次抛物线，列出其方程的一般形式：
Y＝aX2+bX+c
其中a，b，c为待求解的系数。
根据建立的坐标系和几何关系列出方程组：
求解方程，绘制型线：
代入流道结构参数，求解方程组后得到抛物线方程各系数为：
根据求出抛物线的方程即可绘制出抛物线的形状，根据几何关系一次绘制第二直线(7)、抛物线(6)和第一直线(5)，从而设计出喇叭口1剖面型线。
原方案的喇叭口型线采用椭圆设计，设计参数如下：
Δ＝10°、D0＝292mm、D1＝466mm
h0＝152mm、h2＝198mm、H＝460mm、椭圆长半轴209mm、椭圆短半轴64mm。
如表1所示，通过与原方案(椭圆设计)的试验数据对比，泵装置扬程和效率在设计点分别提高7.34％和3.26％。
表1试验结果对比
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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