水泵课程设计--王健教学内容.doc

水泵课程设计- 王健精品资料目 录第一章 综合说明- 2 -1.1兴建缘由- 2 -1.2工程位置、规模、作用- 2 -1.3基本资料- 2 -1.3.1 地质条件- 2 -1.3.2水位特征值- 2 -1.3.3 工程布置和主要建筑物- 3 -1.3.4 其他- 3 -第二章 设计参数确定- 3 -2.1设计流量的确定- 3 -2.2 特征扬程的确定- 3 -2.3工程设计等级- 3 -第三章 机组选型- 4 -3.1水泵选型及方案比较- 4 -3.1.1选型原则- 4 -3.1.2水泵选型- 4 -3.2电动机选型- 5 -第四章 泵房设计- 6 -4.1泵房结构型式及布置- 6 -4.1.1泵房结构型式- 6 -4.1.2泵房内部布置- 6 -4.2泵房平面尺寸的确定- 6 -4.2.1 机房跨度B（顺水流方向）- 6 -4.2.2 机房长度L（垂直水流方向）- 7 -4.3泵房各部分高程的确定- 7 -4.3.1 机房高度- 7 -4.3.2叶轮中心高程轮- 7 -4.3.3水泵吸水喇叭管管口高程进- 8 -4.3.4进水池底板高程底- 8 -4.3.5水泵梁顶缘高程泵梁- 8 -4.3.6电机层楼板底高程机- 8 -4.3.7机房屋面大梁下缘高程- 8 -第五章 枢纽布置及进出水建筑物设计- 8 -5.1枢纽布置- 8 -5.2引河及前池设计布置- 8 -5.2.1引河的设计- 8 -5.2.2前池设计- 9 -5.3进水池设计- 9 -5.4出水管道设计- 10 -5.4.1管道布置及铺设- 10 -5.4.2管材选择- 10 -5.4.3管径确定- 10 -5.4.4管道长度- 10 -5.5 压力水箱设计- 10 -5.5.1压力水箱的高度- 10 -5.5.2压力水箱的宽度- 10 -5.5.3压力水箱的长度- 11 -5.6 穿堤涵洞的尺寸- 11 -5.7 断流设施- 11 -第六章 工况校核- 11 -6.1 管路阻力损失计算- 11 -6.1.1 局部阻力参数确定- 11 -6.1.2 沿程阻力参数确定- 11 -6.2 工况点校核- 12 -第七章 站房防渗计算- 13 -7.1防渗排水布置- 13 -7.2 防渗长度计算- 13 -7.3 防渗长度校核- 13 -第八章 站身稳定计算- 14 -8.1泵房自重计算- 14 -8.2泵室内水重- 15 -8.3水平水压力- 15 -8.4浮托力- 15 -8.5渗透压力- 15 -8.6土压力及墙后水压力- 16 -8.7作用荷载计算- 17 -8.8抗滑稳定计算- 17 -8.9地基应力计算- 17 -参考文献- 18 -第一章 综合说明1.1兴建缘由该排涝泵站的兴建是为了满足某市城市防洪需要。1.2工程位置、规模、作用工程位置：该排涝泵站拟建在该市城区以东10公里的新城河上。工程规模：由泵站设计流量Q=11.5m3/s，查水泵与水泵站表8-1可知该排涝泵站属于中型泵站。工程作用：满足某市城市防洪需求。1.3基本资料1.3.1 地质条件地面以下土质为中粉质壤土，含铁锰质结核，贯入击数为24击，地基土容重19.4 kN/ m3，含水率26.8%，空隙比为0.833，允许承载力220kPa，内摩擦角23，凝聚力19 kPa，渗透系数2.6610-7，地下水埋深7.3m。1.3.2水位特征值泵站水位资料如表11表11 泵站上下游水位资料下游水位（m）上游水位（m）设计运行 水位最低运行 水位最高运行 水位设计运行 水位最低运行 水位最高运行 水位26.825.430.631.631.031.91.3.3 工程布置和主要建筑物 泵站工程的主要建筑物有进水建筑物、站房和出水建筑物。进水建筑物包括前池、进水池和进水管道等。出水建筑物包括出水管路和出水池等。泵站站房是安装水泵、动力机和辅助设备以及泵站附属设备的建筑物。1.3.4 其他该站建筑物等级为级，站址北首附近有10kV电源，水陆交通方便。已知该泵站上下游引水河道断面设计参数如表1-2所示。其中上下游河道堤顶高程自行设计，规定下游地面高程低于引水河道堤顶0.5m。表1-2 泵站上下游引水河道断面设计参数下游引水河道上游引水河道河底高程（m）河底宽度（m）边坡堤顶宽（m）河底高程（m）河底宽度（m）边坡堤顶宽（m）24.09.01:2.55.028.19.01:2.55.0第二章 设计参数确定2.1设计流量的确定泵站设计流量为Q=11.5m3/s。2.2 特征扬程的确定设计净扬程=上游设计运行水位下游设计运行水位=31.626.8=4.8m最大净扬程=上游最高运行水位下游最低运行水位=31.925.4=6.5m最低净扬程=上游最低运行水位下游最高运行水位=31.030.6=0.4m2.3工程设计等级由泵站设计流量Q=11.5m3/s，查水泵及水泵站表8-1可知该排涝泵站等级为级。第三章 机组选型3.1水泵选型及方案比较3.1.1选型原则水泵应满足下列要求：充分满足一定设计标准内供排水及灌溉要求；水泵在长期运行中效率高；水泵运行中安全，汽蚀性能良好；节省机电设备及土建投资费用；运行、管理和维修方便。3.1.2水泵选型根据泵站设计流量Q=11.5m3/s，初步选择水泵台数为3台和4台两种方案。（1）方案一（3台）：由H净=4.8m及单台水泵流量Q1=11.5/3=3.83m3/s，参考水泵及水泵站表7-1，估算管路损失扬程为实际净扬程的5%，即H=1.054.8=5.04m。选择1200ZLB100，叶片安装角度为0，其工作性能参数见表3-1。（2）方案二（4台）：由H净=4.8m及单台水泵流量Q1=11.5/4=2.875m3/s，参考水泵及水泵站表7-1，估算管路损失扬程为实际净扬程的5%，即H=1.054.8=5.04m。选择900ZLB2.86.8，叶片安装角度为2，其工作性能参数见表3-1。表3-1 水泵工作性能表型号叶片安放角流量(l/s)扬程（m）转速（r/min）轴功率（kW）效率（%）叶轮直径（mm）1200ZLB10004046.15.11490230.388.01000900ZLB2.86.822913.05.10490174.583.5850（3）方案比较第一种方案水泵台数少，机电设备运行效率高，管理人员和维修费用等相对也少，因此能源消耗和运行费用较省。但台数少，难以适应流量的变化要求，运行调度不方便，当水泵发生故障时，影响较大。第二种方案水泵台数多，适应性强，保证率高，但泵站土建投资较大。然而对于轴流泵，还应注意水泵的抗汽蚀性能，一般应使水泵的设计转速n（r/min）与水泵叶轮直径D(m)的乘积nD值不大于435（参考中小型泵站设计与改造技术）。第一种方案的nD值为4901.0=490435，而第二种方案中的nD值为4900.85=416.5435，相比之下第二种方案所用水泵抗汽蚀性能较好。综合考虑多因素，选择第二种方案。因此，该泵站采用4台900ZLB2.86.8型水泵，叶片安装角度为2。3.2电动机选型确定配套功率时，必须按照水泵工作范围内最大轴功率来计算。配套功率按下式计算：（kW）式中，Q为水泵工作范围内对应于最大轴功率的流量，m3/s；H为水泵工作范围内对应于最大轴功率的扬程，m；p为水泵工作范围内对应于最大轴功率的效率；dr 为传动效率，机泵直联取1.0； K为动力机机备用系数，按表3-2选取。 表32 备用系数K水泵轴功率（kW）100电动机21.31.31.151.151.11.11.051.05根据最大净扬程=6.5m，再加上损失得Hmax=1.16.5=7.15m，由900ZLB2.86.8性能曲线查得与其相对应的Q=2.52m3/s，p=84.3%，因此水泵轴功率为：因此，备用系数为1.05，代入配套功率计算式得：根据转速n=490r/min，Nmt=220kW选择配套电机型号为Y2 400XB 12， 其性能参数如表3-3。表3-3 Y2 450XA 12型电机性能参数表功率（kW）额定转速（r/ min）功率因数效率（%）负载转动惯量kg.m2重量（kg）2254900.7594.525.63450第四章 泵房设计4.1泵房结构型式及布置4.1.1泵房结构型式该泵站的泵型为低扬程立式轴流泵，因为外河的水位变化不大，泵房所在区域地形开阔，考虑投资的节省，泵房采用湿室型泵房。根据站址处土层物理力学性质可得出地基条件较好，考虑施工、进水流态以及检修等各种因素，决定选用湿室中墩墙式结构，墩墙式湿室型泵房具有便于施工，进水条件好等优点。4.1.2泵房内部布置（1）主机组布置：采用一列式布置，这种布置式简单、整齐。（2）配电设备布置：拟采用分散布置中的一端式布置，即在泵房进线端建单独的配电间，其优点是机房跨度小，进出水侧都可以开窗，有利于通风及采光。配电间的宽度取5.0m，长度取与泵房跨度相同。（3）检修间布置：检修间设在泵房靠近大门的一端，为保证最大设备能顺利进出，其尺寸取与配电间相同。（4）交通道布置：沿泵房长度方向布置在出水侧，并高出泵房底板0.2m，交通道宽度取2.0m。（5）通风布置：采用自然通风，在进、出水两侧布置门窗。门窗总面积约为泵房内地面面积的1/61/8。自然通风设计的基本任务是：根据泵房的散热量或内外温差来计算通风所需要的空气量，或根据泵房内外温差来计算泵房所需要的进、出风口面积。将计算得出的面积与实际所开门窗的面积相比较，如果需要的面积小于实际所开窗面积，则自然通风能满足要求。否则，要调整门窗面积或高度。（6）起重设备：机泵设备的安装与维修都需要设置起重设备。起重设备的服务对象主要为：水泵、电机及管道。起重机的选择主要取决于这些对象的起重量。本泵站的最大构件重量为电动机的重量3.45t。采用山东天源起重机械有限公司的LDA型起重量为5t的电动单梁起重机，跨度7.5m，具体参数详见表4-1。表4-1 5tLDA型起重机参数表起重量（t）跨度（m）最大轮压（t）最小轮压（t）起重机总重（t）57.53.580.422.544.2泵房平面尺寸的确定4.2.1 机房跨度B（顺水流方向）墙厚取25cm，柱厚取60cm，电机底座边长为1.7m，由水泵与水泵站表9-1泵房内部设备间距表及交通道宽度要求，并考虑到要与所选的吊车跨度相适应，取8.0m。4.2.2 机房长度L（垂直水流方向）主机组按一列式布置，按下式计算：L=(n1)b+2b+nF+b1+b2式中：L泵房长度（m）；b湿室隔墩厚度，取0.8m； b湿室边墩厚度，取1.0m； n主机台数，本设计4台； F湿室单独进水池宽度，F=3D=31.25=3.75m；b1检修间宽度5m；b2配电间宽度5mL=（41）0.8+21.0+43.75+5+5=29.4m 取2侧墙壁厚度为30cm,故取L=30m。4.3泵房各部分高程的确定4.3.1 机房高度机房高度应满足吊车从汽车的车厢中吊起最大设备，并能在已安装好的设备上空自由通行。可按下式计算：H=h1+h2+h3+h4+h5+h6式中：h1为车厢板离地面的高度，取1.0m；h2为垫块高，或吊物底部与泵房进口处室内地坪的距离，一般不小于0.2m，取0.3m；h3为最高设备高度，经过比较取3.0m；h4为起重绳索的捆扎垂直长度，对于水泵为0.85b0，对于电动机为1.2b0，b0为水泵宽度（1.25m）或电动机宽度（1.0m）；h5为吊钩极限高度，由所选起重机确定为1.38m；h6为单轨吊车梁高度，如采用桥式吊车，则为吊车高度与吊车顶置屋面大梁间的净空高度之和，由所选起重机确定为0.58m。因此H=1.0+0.3+3.0+max（0.851.25，1.21.0）+1.38+0.58=7.46m因此，取泵房高度为7.5m。4.3.2叶轮中心高程轮轮=低h3=25.40.79=24.61m式中：低为进口最低运行水位；h3为水泵叶轮中心淹没深度，由安装外形图知为0.69m，但根据进水池中进水喇叭管的淹没深度要求，经计算调整为0.79m。4.3.3水泵吸水喇叭管管口高程进进=轮h2=24.610.51=24.10m式中：h2为喇叭口至叶轮中心线高度，由安装外形图知为0.51m。4.3.4进水池底板高程底底=进h1=24.100.70=23.4m式中：h1喇叭口管口悬空高度，由计算知为0.7m，符合安装外形图的范围0.61.0m。4.3.5水泵梁顶缘高程泵梁泵梁=轮+p=24.61+0.97=25.58m式中：p水泵叶轮中心至水泵梁顶距离，由安装外形图知为0.97m。4.3.6电机层楼板底高程机机=高+=30.60+0.50=31.10m式中：高为进口最高水位，为30.6m； 为安全超高，取0.5m。4.3.7机房屋面大梁下缘高程 梁=机+H=31.1+7.5=38.6m式中：H为机房净空高度，为7.5m。第五章 枢纽布置及进出水建筑物设计5.1枢纽布置在平面上引渠后设前池，前池末端设一斜坡段与进水池底板连接，进水池在泵房下部，出水管道与压力水箱连接。开敞的水泵站引水渠道和河道中的杂物、垃圾随水流向泵站聚集，很容易堵塞泵站进水口，影响水泵的性能，严重时可导致水泵停机，不能运行。为了拦截引水河道中的杂物，包括水草等，在水泵站的进水池处设置拦污栅。此外，在隔墩上还设有检修门槽，为起吊闸门，上部设临时便桥。5.2引河及前池设计布置由于正向进水前池水流与进水池水流方向一致，具有水流逐渐扩散、流态平顺且形式简单、施工方便等优点，故前池采用正向进水型式。5.2.1引河的设计下游堤顶高程=下游最高运行水位+安全超高+底板厚度=30.6+0.5+0.1m=31.2m，因此按设计规定可知下游地面高程为30.6m。5.2.2前池设计5.2.2.1前池扩散角根据工程实际经验，前池扩散角取值一般为=2040，本工程拟采用=30的扩散角。5.2.2.2前池池长前池池长可由引渠末端底宽b、进水池总宽B及选定的前池扩散角算得：（m）； 式中： L 前池总长（m）；B 进水池总宽度（m），B=4B1+3B0=43.75+30.8=17.4m； b 引渠末端底宽（m），为9m； 前池扩散角（），为30 。故：5.2.2.3前池构造前池设反滤层与冒水孔，底板采用钢筋混凝土结构，厚度取为40cm，3层滤层从上向下分别为碎石10cm、中砂10cm、细砂10cm。其余均采用40cm浆砌块石。5.3进水池设计所选立式轴流泵900ZLB2.86.8，喇叭口直径D=1.25m，以此尺寸来确定进水池各部分尺寸。（1）进水池的宽度B（单宽） B=3D=3.75m（2）喇叭口悬空高度Z根据进水管内压力比较均匀与进口损失系数最小的要求：Z=(0.60.8)D，D=1.25m，Z=0.6250.875m，故取0.7m。（3）后壁距的确定进水池后壁形式采用矩形。后壁距T=(0.81.0)D=11.25m，且要满足喇叭口安装及检修的要求，取T=1.2m。（4）进水池长度L式中：B 进水池宽度（m）；h 设计水位时进水池水深（m）；Q 水泵额定流量（m3/s）；K 秒换水系数，当 Q 0.5m3/s时，K=（3050）s，根据Q=2.875m3/s，取K=40。 则: 为满足检修门槽、拦污栅及泵房布置要求，取L=10.0m。5.4出水管道设计5.4.1管道布置及铺设管道的布置形式采用单机单管，其结构简单、附件少、运行可靠。管道铺设方式采用暗式，受温度变化影响小，管顶埋设深度大于0.5m即可。5.4.2管材选择管材采用钢管，因其具有强度高、管壁薄、重量轻、接头简单、运输方便等优点。5.4.3管径确定根据经济流速计算管径：(净扬程在50m以下时，v=1.52.0m/s，取2.0m/s)取1.4m，为了与水泵出口相适应，中间用一段同心变径接管连接，并用弯管连接。5.4.4管道长度根据设计图纸计算确定5.5 压力水箱设计5.5.1压力水箱的高度 压力水箱高度应大于管径直径，取2.0m。5.5.2压力水箱的宽度压力水箱宽度与进水池总宽相等，B=17.4 m，隔墩厚度=0.3m。由穿堤涵洞尺寸可知压力水箱的出口宽度b为4.0m。5.5.3压力水箱的长度 压力水箱长度可由压力水箱的出口宽度b，压力水箱宽度B及选定的压力水箱的收缩角算得5.6 穿堤涵洞的尺寸穿堤涵洞的高度与压力水箱相等，取2m，此高度满足工作人员工作的需求，洞内经济流速取v=1.5m/s。穿堤涵洞宽为b=A/H=7.7/2=3.8m,取4m。5.7 断流设施本工程断流设施采用拍门。因单泵流量为2.0m3/sL=52m，因此，防渗长度满足要求。第八章 站身稳定计算8.1泵房自重计算表81 泵站自重计算表部位体积（m3）距底板中心距离（m）重度（kN/m3）重力G（kN）弯矩M1（kNm）底板203.10024.54975.850中墩240.00024.55880.00 0 边墩150.00024.53675.00 0 水泵梁3.382.024.582.69165.38电机梁3.382.024.582.69165.38水泵2.0431.20862.40电机2.031.5663.11水泵层墙体89.814.7524.52200.3510451.64后壁10.783.324.0258.72853.58泵房墙体95.801.024.52347.102347.1电机层楼板19.161.024.5469.42469.42屋顶大梁28.001.024.5686.00686.00屋顶76.641.024.01839.36942.67站房底板下的土重84.30019.41635.500拦污栅14.064.476.441074.754728.88泵房立柱1.401.024.534.3034.30检修桥5.27-3.5524.5129.12458.36 25833.8612750.628.2泵室内水重 设计工况：h=26.823.4=3.4m，泵室内的水重W为：W=(9.53.41.50.3)3.7559.8=5852.43kN对底板中心矩为：M2=5852.43(0.25)=1463.1kNm8.3水平水压力 设计工况：水平水压力P=9.83.03.755=551.25kN 对底板中心力矩为：M3=551.251.0=551.25kNm8.4浮托力 设计工况：下游水位距底板高度H=3.0m，泵室底板所承受的浮托力为（如图8-1所示）：图8-1 浮托力示意图Ff=（0.4+0.8）（41.1637.24）+37.2410=1751.77kN对底板中心力矩为：M4=0 kNm8.5渗透压力设计工况：H=5.0m，用直线比例法计算。将地下轮廓展开后渗透水头如图8-2所示。图中阴影部分为底板各处的渗透水头，由图可算出渗透压力为：Fs=1.09.80.161023.95=375.54kN对底板中心力矩为：M5=375.541.67=627.15 kNm图8-2 渗透水头示意图8.6土压力及墙后水压力墙后地下水位可近似按直线比例法确定，渗径从入口到泵房后墙经过的渗径为80.19-12.9=67.29m，而总渗径为80.19m，故墙后的地下水位高程为：=31.05.067.29/80.19=26.8m泵房后墙的土压力及水平水压力分布如图8-3所示。 图8-3 墙后土压力及水平水压力分布图设回填土为原开挖出去的中粉质壤土，=19.4kN/m3，C=19kPa，=23。填土高度为6.58m。e1=19.43.7tan2（4523/2）=31.45kN/m2e2=31.45+（19.49.8）5.0tan2（4523/2）=31.45+21.03=52.48kN/m2E1=1/231.453.723.95=1393.47kNE2=31.455.023.95+1/221.035.023.95=3766.14+1259.17=5025.31kNE总=E1+E2=1393.47+5025.31=6418.78kNE1对底板底中心的力矩：M6=（3.7/3+5.0）1393.47=8085.96kNmE2对底板底中心的力矩：M7=3766.145/25/31259.17=11513.97kNmM总=M6+M7=8085.9611513.97=19599.93kNm 墙后水平水压力：P2=1/29.85.0223.95=2933.88kN墙后水压力对底板底中心的力矩：M8= 5/32933.88=4889.80kNm8.7作用荷载计算 将上述各荷载汇总于表82表82 作用荷载计算汇总荷载名称竖向力(kN)水平力(kN)对底板底中心处的力矩(kN m)+自重25833.8612750.62水重5154.19 1288.57水平水压力2933.88551.25551.254889.80 浮托力1751.77渗透压力375.54 627.15土压力6418.78 19599.9328860.308531.4113103.85注：竖向力以向下为正；水平力以向左为正；力矩以顺时针为正。8.8抗滑稳定计算根据中粉质壤土，查水闸设计规范表7.3.10，f=0.250.4，取底板与地基之间的摩擦系数f=0.4。（1）完建期：竖向力只有自重，即G=G=25833.86kN，水平力只有土压力，即P=6418.78kN，因此 满足抗滑稳定要求。（2）设计工况：G=28860.3kN，P=8531.41kN 满足抗滑稳定要求。8.9地基应力计算（1）完建期： 由表8-2得，G=25833.86kN；M=12750.6219599.93=6849.31kN m（逆时针） 基底压力为： 式中：Fv 为竖向的合力（kN）；l为基底面积的长度（m）；b为基底面积的宽度（m）；M为所有作用于矩形基底的力矩（kN m）。不均匀系数： 平均应力：满足要求。（2）设计工况： 由表8-2得，G=28860.3kN；M=13103.85kN m（顺时针）基底压力为： 式中：Fv 为竖向的合力（kN）；l为基底面积的长度（m）；b为基底面积的宽度（m）；M为所有作用于矩形基底的力矩（kN m）。不均匀系数： 平均应力：满足要求。参考文献1 刘超主编. 水泵及水泵站. 北京：中国水利水电出版社，2009. 2 华东水利学院主编. 水工设计手册 第八卷：灌区建筑物. 北京：水利电力出版社，1984. 3 储训，刘复新主编. 中小型泵站设计与改造技术. 南京：河海大学出版社，2001. 4 水泵及水泵站习题实验课程设计指导书. 扬州：扬州大学印刷厂印刷，2009.5 陈德亮主编. 水工建筑物（第5版）. 北京：中国水利水电出版社，2008. 6 江苏省水利厅编制. 江苏省水利工程管理资料汇编泵站分册. 扬州：扬州大学印刷总厂印刷，2006. 7 李亚峰，尹士君，蒋白懿编著. 水泵及泵站设计计算. 北京：化学工业出版社，2007. 8 中华人民共和国水利部. 泵站设计规范S（GB/T50265-97）.19979 水闸设计规范 SL265-2001 . 中国水利科技网，2001. 10 吴持恭主编. 水力学（上）. 高等教育出版社，2003. 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢- 18 -