一种基于等差变径圆弧线的进水结构控涡装置的制作方法

本发明涉及一种湿室型泵房和块基型泵房的进水结构，特别是箱涵式进水流道和开敞式进水池，具体是一种基于等差变径圆弧线的进水结构控涡装置，属于泵站工程技术领域。

背景技术：

中小型灌排泵站常采用湿室型泵房，该泵房的进水结构多采用箱涵式进水结构或开敞式进水池，该进水结构是供水泵喇叭管及吸水管直接吸水的构筑物。对于轴流泵及导叶式混流泵，喇叭管与吸水管均为进水结构与叶轮室进口之间的过渡段，喇叭管与吸水管内部流态必然受到进水结构内部流态的影响。进水结构的主要作用是为水泵进口提供良好的进水条件。若进水结构内部流速分布不均，甚至还有涡带产生，则必然会显著降低水泵的能量性能和汽蚀性能，而且还易导致泵站机组产生振动、无法正常安全稳定工作。现有的湿室型泵房进水结构底部常产生附底涡，而附底涡的产生往往就在喇叭管口正对进水结构底板区域的周边，一旦产生便随水流进入水泵内部，影响水泵的安全可靠性，目前在各种喇叭管悬空高度情况下均可能产生附底涡。

现有的泵站为获取良好的进水条件，常在进水结构中设置导流墩、导流板、导流锥和消涡栅等消涡措施，这些消涡措施均为实心结构，耗材多，现场浇筑需立模板，加工制造不方便。为解决该问题，中国发明专利(公布号为cn107938758a，公告日为2018年4月20日)提供了一种基于费马螺线的控涡装置，该控涡装置为空心螺旋结构很好地解决了消涡装置耗材多的问题，因该结构为空心螺旋结构易存在钢筋选择不当所导致的整体结构稳定性差，且控涡装置与进水池底板的连接需耗费较多的地脚螺栓、长期机组运行和浸没于水中易导致地脚螺栓松动从而引发该控涡装置结构不稳，整个控涡装置结构不稳会导致控涡装置出现倾斜、倒掉，导致装置控涡功能丧失，在泵站运行过程中控涡装置不能起到控涡作用，导致机组运行稳定性受到影响，增加了机组运行的风险系数。其次，基于费马螺线的控涡装置加工制作需采用极坐标在平面上进行曲线的绘制然后进行加工制作，实际操作中施工人员常为临时雇佣人员对极坐标的定义和理解常不清楚，需专业技术人员在旁边进行指导，否则易导致控涡装置加工出现偏差，若控涡装置加工出现问题，会导致控制装置的控涡功能作用的发挥降低。费马螺线为等角螺线，绘制时以中心点为原点需要按顺时针和逆时针方向绘制，绘制工作量相比等差变径圆弧线的工作量多近一倍，工作量增加且繁琐。

经分析，现有的消涡装置均存在技术提升和改进的空间。针对中小型泵站进水结构面临的现有实心消涡装置耗材多且现有空心消涡装置结构稳定性差的技术问题，设计一种既能抑制附底涡产生且耗材少，结构稳定性好的控涡装置其意义及推广应用价值均很大，不仅可解决泵站工程实际的消涡问题，改善水流条件，还可降低加工制造成本，增加消涡装置的耐久性和可靠性，且对面临相同问题的工业泵站也可采用该控涡装置。

技术实现要素：

为解决上述中小型泵站进水结构面临的共性问题，本发明设计了一种基于等差变径圆弧线的进水结构控涡装置，该发明设计方法简单，加工制造方便，节省材料，便于实际工程的推广应用。

本发明的技术方案如下：

一种基于等差变径圆弧线的进水结构控涡装置，其特征是，该控涡装置位于进水结构内的喇叭管下方，所述喇叭管连接于吸水管下方；该控涡装置按照以下步骤制成：

(1)以喇叭管口直径d为约束条件，等差变径圆弧线的总螺距l应满足1.25d≤l≤1.5d，总螺距l应取整数，半径的变径值为m，半径的变径值m的计算式为：

m＝l/n；

式中：l为等差变径圆弧线的总螺距，n为变径次数；

(2)根据进水结构的宽度l1和喇叭管口直径d的尺寸，合理确定变径次数n的具体数值，n取3-8；依据确定的变径次数，等差递增半径所对应的圆弧线夹角θ为360°/n；

(3)以喇叭管口中心点在进水结构的底板投影点为平面坐标中心原点，顺水流方向定义为x方向，垂直水流方向定义为y方向，以此定义平面坐标系xoy；以平面坐标xoy的原点为起点，以变径值m为半径，圆心角为θ，沿顺时针方向绘制第一段圆弧，可获得第一段圆弧的终点坐标(0，2mtan0.5θ)；

再以第一段圆弧的终点坐标(0，2mtan0.5θ)为起点，等差变径值2m为半径，圆心角为θ，沿顺时针方向绘制第二段圆弧线，可获得第二段圆弧的终点；再以第二段圆弧的终点作为起点，以等差变径值3m为半径，圆心角为θ，沿顺时针方向绘制第三段圆弧线；以此类推依次绘制第n条圆弧线；顺次相连的圆弧线组成了等差变径圆弧线，即为控涡装置的平面曲线；

(4)根据喇叭管悬空高l2确定等差变径圆弧线的拉伸高度l3为：

l3＝(0.40-0.50)l2；

等差变径圆弧线垂直立体拉伸时顶端为等差变径圆弧线的起点位置；

(5)将步骤(3)中的平面曲线采用钢筋按同比例进行加工制作，制作后在钢筋表面涂刷防锈漆，再按步骤(4)中l3的拉伸高度进行垂直拉伸布置；并将拉伸后的控涡装置内嵌于进水结构的底板上，使控涡装置的中心与泵轴线位于同一条铅垂线上。

进一步地，采用钢筋拉杆焊接技术对步骤(5)中拉伸后的控涡装置进行间隔螺旋线的焊接加固，从控涡装置的顶端算起，第1圈圆弧线和第2圈圆弧线间采用钢筋拉杆焊接固定，则第2圈圆弧线和第3圈圆弧线间则不加固，第3圈和第4圈圆弧线再采用钢筋拉杆进行焊接加固，以此类推。

进一步地，在进水结构的底板上，以喇叭管中心点在进水结构底板上的投影点为圆心，以总螺距的一半即0.5l为半径，制作深度为(1.0-1.5)m的圆柱形凹槽；

将控涡装置整体放置于圆柱形凹槽中，且控涡装置的中心与泵轴线位于同一条铅垂线上，对位于进水池底板顶面以下的控涡装置的圆弧线采用素混凝土进行浇筑，以使控涡装置能与进水结构的底板牢固相接。

本发明的有益效果如下：

在湿室型泵房或块基型泵房的进水结构底板上设置一种基于等差变径圆弧线的进水结构控涡装置能有效破坏附底涡的能量集聚，从源头消灭附底涡产生的根源，若有涡带通过控涡装置时易被螺旋线(圆弧线)割断，破坏涡带的连续性，达到消灭涡带的目的，该控涡装置可为水泵提供较好地入流条件，确保水泵的安全稳定运行。等差变径圆弧线的绘制是基于直角坐标系，避免了基于极坐标系绘制费马螺线的繁琐复杂的工作量，实际操作中施工人员常为临时雇佣人员对极坐标的定义和理解常不清楚，需本领域专业技术人员在旁边进行指导，否则易导致控涡装置加工出现偏差，若控涡装置加工出现问题，会导致控制装置的控涡功能作用的发挥降低；其次，费马螺线为等角螺线，绘制时以中心点为原点需要按顺时针和逆时针方向绘制，绘制工作量相比等差变径圆弧线的工作量多近一倍，工作量多且更加繁琐。该控涡装置的底部结构与进水结构的底板浇筑在一起，避免了地脚螺栓长期位于水中生锈等导致的松动问题，同时采用了钢筋拉杆焊接技术更加确保了整个结构的稳定性，本发明专利的结构更加稳定。一种基于等差变径圆弧线的进水结构控涡装置，加工制作方便，节省材料，便于推广实施。

目前，全国机电排灌固定式泵站44.3万处，总装机功率2395万千瓦，其中，大型灌溉泵站总装机功率402万千瓦，中、小型机电排灌泵站总装机功率就为1993万千瓦，而中、小型泵站最常见的进水结构便是箱涵式进水流道或开敞式进水池，这些泵站中90％建于20世纪60、70年代，限当时的工程标准和技术水平，很多中小型泵站出现或大或小问题。国家已开展了大中型灌区和农田水利建设项目的更新改造，这些均有利于本发明在湿室型泵站的更新改造中应用，以及在新泵站的建设中应用，可消除涡带，确保泵站经济、稳定和安全运行。本发明的一种基于等差变径圆弧线的进水结构控涡装置不仅具有抑涡的功能，还可破坏已有涡带的完整性，达到消涡的目的，改善了水泵的进口水流条件，提高了水泵安全稳定稳定性，继而减少能源的消耗，这种能源消耗的减小带来的经济效益、社会影响都将会很大。

附图说明

图1为本发明的三维示意图；

图2为本发明的两视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的控涡装置三维示意图；

图中：1吸水管，2进水结构，3喇叭管，4控涡装置，5进水结构底板。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细阐述。

如图1所示，一种基于等差变径圆弧线的进水结构控涡装置，以进水结构的宽度尺寸和喇叭管的悬空高为约束条件，确定变径次数n的数值，将等差变径圆弧线绘制成平面曲线，采用钢筋按平面曲线进行制作，制作后涂刷防锈漆。再依据喇叭管悬空高确定等差变径圆弧线的拉伸长度，采用简易机械拉伸设备将平面曲线拉伸成控涡装置，采用钢筋拉杆焊接技术对控涡装置的螺旋线进行间隔加固，加固完成后，将控涡装置整体置于进水结构底板的圆柱形凹槽内，采用素混凝土封填，确保封填后顶面与进水结构的顶面高程和平整度相同，以此增加控涡装置的整体稳定性，避免因地脚螺栓长期处于水中和运行机组振动而导致控涡装置整体松动不牢的情况出现。具体制造步骤如下：

(1)以喇叭管口直径d为约束条件，综合考虑控涡装置的安装条件，等差变径圆弧线的总螺距l应满足1.25d≤l≤1.5d，总螺距l应取整数，半径的变径值为m，半径的变径值m的计算式为：

m＝l/n；

式中：l为等差变径圆弧线的总螺距；n为变径次数。

(2)根据进水结构的宽度l1和喇叭管口直径d的尺寸，合理确定变径次数n的具体数值，n取3-8，依据泵站设计规范，若泵站为小型泵站，变径次数n取偏下限值；若泵站为中型泵站，变径次数n取偏上限值。依据确定的变径次数，等差递增半径所对应的圆弧线夹角θ为360°/n。

(3)以喇叭管口中心点在进水结构的底板投影点为平面坐标中心原点，顺水流方向定义为x方向，垂直水流方向定义为y方向，以此定义平面坐标系xoy。以平面坐标xoy的原点为起点，以变径值m为半径，圆心角为θ，沿顺时针方向绘制第一段圆弧，可获得第一段圆弧的终点坐标(0，2mtan0.5θ)；

再以第一段圆弧的终点坐标(0，2mtan0.5θ)为起点，等差变径值2m为半径，圆心角为θ，沿顺时针方向绘制第二段圆弧线，由可获得第二段圆弧的终点；再以第二段圆弧的终点作为起点，以等差变径值3m为半径，圆心角为θ，沿顺时针方向绘制第三段圆弧线；以此类推依次绘制第n条圆弧线。顺次相连的圆弧线组成了等差变径圆弧线，即为控涡装置的平面曲线。

(4)根据喇叭管悬空高l2确定等差变径圆弧线的拉伸高度l3为：

l3＝(0.40-0.50)l2；

等差变径圆弧线垂直立体拉伸时顶端为等差变径圆弧线的起点位置坐标(0，0)。

(5)将步骤(3)中的平面曲线采用钢筋按同比例进行加工制作，制作后在钢筋表面涂刷防锈漆，再按l3的拉伸高度进行垂直拉伸布置。

(6)采用钢筋拉杆焊接技术对步骤(5)中拉伸的控涡装置进行间隔螺旋线的焊接加固，如：从控涡装置的顶端算起(从喇叭管向流道底板方向数)，第1圈螺旋线(圆弧线)和第2圈螺旋线(圆弧线)间采用钢筋拉杆焊接固定，则第2圈螺旋线(圆弧线)和第3圈螺旋线(圆弧线)间则不加固，第3圈和第4圈螺旋线(圆弧线)再采用钢筋拉杆进行焊接加固，以此类推。

(7)在进水结构的底板上，以喇叭管中心点在进水结构底板上的投影点为圆心，以总螺距的一半即0.5l为半径，制作深度为(1.0-1.5)m的圆柱形凹槽，深度的尺寸与控涡装置的结构尺寸成正比。

(8)将控涡装置整体放置于步骤(7)中设置进水结构底板上的圆柱形凹槽中，且控涡装置的中心与泵轴线位于同一条铅垂线上，对位于进水池底板顶面以下的控涡装置的螺旋线采用素混凝土进行浇筑，以使控涡装置能与底板牢固相接，浇筑后的素混凝土顶面需保持与进水池底板顶面的高程与平整度相同，无凸起等现场出现，增加了控涡装置的整体稳定性。