水泵课程设计王健

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水位特性值 -2-1.3.3工程布置和重要建筑物 -3-1.3.4其他 -3-第二章设计参数拟定 -3-2.1设计流量的拟定 -3-2.2特性扬程的拟定 -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泵房平面尺寸的拟定 -7-4.2.1机房跨度B（顺水流方向） -7-4.2.2机房长度L（垂直水流方向） -7-4.3泵房各部分高程的拟定 -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 -9-5.2.2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管径拟定 -10-5.4.4管道长度 -10-5.5压力水箱设计 -11-5.5.1压力水箱的高度 -11-5.5.2压力水箱的宽度 -11-5.5.3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局部阻力参数拟定 -11-6.1.2沿程阻力参数拟定 -12-6.2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 -14-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 -16-8.6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 -18-参考文献 -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=11.5 m3/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19.4kN/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19kPa，渗透系数2.66×10-7，地下水埋深7.3m。1.3.2水位特性值泵站水位资料如表1－1表1－1泵站上下游水位资料下游水位（m）上游水位（m）设计运营水位最低运营水位最高运营水位设计运营水位最低运营水位最高运营水位26.825.430.631.631.031.91.3.3工程布置和重要建筑物泵站工程的重要建筑物有进水建筑物、站房和出水建筑物。进水建筑物涉及前池、进水池和进水管道等。出水建筑物涉及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Ⅲ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第二章设计参数拟定2.1设计流量的拟定泵站设计流量为Q=11.5m3/s。2.2特性扬程的拟定设计净扬程=上游设计运营水位—下游设计运营水位=31.6—26.8=4.8m最大净扬程=上游最高运营水位—下游最低运营水位=31.9—25.4=6.5m最低净扬程=上游最低运营水位—下游最高运营水位=31.0—30.6=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Ⅲ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规定：①充足满足一定设计标准内供排水及灌溉规定；②水泵在长期运营中效率高；③水泵运营中安全，汽蚀性能良好；④节省机电设备及土建投资费用；⑤运营、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=1.05×4.8=5.04m。选择1200ZLB—100，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=1.05×4.8=5.04m。选择900ZLB—2.8—6.8，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）1200ZLB—1000°4046.15.11490230.388.01000900ZLB—2.8—6.8−2°2913.05.10490174.583.5850（3）方案比较第一种方案水泵台数少，机电设备运营效率高，管理人员和维修费用等相对也少，因此能源消耗和运营费用较省。但台数少，难以适应流量的变化规定，运营调度不方便，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490×1.0=490>435，而第二种方案中的nD值为490×0.85=416.5<435，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900ZLB—2.8—6.8型水泵，叶片安装角度为−2°。3.2电动机选型拟定配套功率时，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为水泵工作范围内相应于最大轴功率的流量，m3/s；H为水泵工作范围内相应于最大轴功率的扬程，m；ηp为水泵工作范围内相应于最大轴功率的效率；ηdr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3－2备用系数K水泵轴功率（kW）<55~1010~5050~100>100电动机2~1.31.3~1.151.15~1.11.1~1.051.05根据最大净扬程=6.5m，再加上损失得Hmax=1.1×6.5=7.15m，由900ZLB—2.8—6.8性能曲线查得与其相相应的Q=2.52m3/s，ηp=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Y2400XB12，其性能参数如表3-3。表3-3Y2450XA12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，由于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，这种布置式简朴、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，有助于通风及采光。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1/6～1/8。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，假如需要的面积小于实际所开窗面积，则自然通风能满足规定。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立起重设备。起重设备的服务对象重要为：水泵、电机及管道。起重机的选择重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4-15tLDA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泵房平面尺寸的拟定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规定，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=(n－1)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=3×1.25=3.75m；b1————检修间宽度5m；b2——配电间宽度5mL=（4－1）×0.8+2×1.0+4×3.75+5+5=29.4m取2侧墙壁厚度为30cm,故取L=30m。4.3泵房各部分高程的拟定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，通过比较取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，由所选起重机拟定为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，由所选起重机拟定为0.58m。因此H=1.0+0.3+3.0+max（0.85×1.25，1.2×1.0）+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=25.4－0.79=24.61m式中：▽低为进口最低运营水位；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规定，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=24.61－0.51=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=24.10－0.70=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0.6~1.0m。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+δ=30.60+0.50=31.10m式中：▽高为进口最高水位，为30.6m；δ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，不能运营。为了拦截引水河道中的杂物，涉及水草等，在水泵站的进水池处设立拦污栅。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、流态平顺且形式简朴、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=下游最高运营水位+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α=20°－40°，本工程拟采用α=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α算得：（m）；式中：L——前池总长（m）；B——进水池总宽度（m），B=4B1+3B0=4×3.75+3×0.8=17.4m；b——引渠末端底宽（m），为9m；α——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900ZLB—2.8—6.8，喇叭口直径D=1.25m，以此尺寸来拟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规定：Z=(0.6~0.8)D，D=1.25m，Z=0.625~0.875m，故取0.7m。（3）后壁距的拟定进水池后壁形式采用矩形。后壁距T=(0.8~1.0)D=1~1.25m，且要满足喇叭口安装及检修的规定，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=（25~30）s；当Q>0.5m3/s时，K=（30~50）s，根据Q=2.875m3/s，取K=40。则:为满足检修门槽、拦污栅及泵房布置规定，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，其结构简朴、附件少、运营可靠。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、接头简朴、运送方便等优点。5.4.3管径拟定根据经济流速计算管径：(净扬程在50m以下时，v=1.5~2.0m/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拟定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=17.4m，隔墩厚度δ=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α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/s<8m3/s，可选用整体自由圆形拍门。第六章工况校核6.1管路阻力损失计算6.1.1局部阻力参数拟定式中：S局——管路局部阻力参数（s2/m5）；d——管道内径（m）；ξ——管路局部阻力系数。6.1.2沿程阻力参数拟定式中：S沿——管路沿程阻力参数（s2/m5）；n——管道粗糙系数，钢板管；d——管道的内径（m）；L——出水管路的管道总长度，L=7.74m。表6－1阻力参数计算表局部阻力参数管段ξid（m）Sj（s2/m5）喇叭口0.101.250.003460°弯头段0.83×0.800.90.084030°弯头段0.55×0.361.40.0043拍门0.401.40.0086渐扩管0.060.90.0076沿程阻力参数ndLSf0.0121.46.00.0015ΣS0.1094因此，管路阻力损失为：hl=SQ2=0.1094Q26.2工况点校核（1）设计扬程时：Hr=Hst+h=SQ2=4.8+0.1094Q2（2）最高扬程时：Hr=Hst+h=SQ2=6.5+0.1094Q2式中：h为管路水头损失（m）；Q为流量（m3/s）；S为管路阻力系数（s2/m5）；Hr为水泵需要扬程（m）；Hst为泵站的净扬程（m）。按上式列表计算Hr~Q曲线的控制点，计算结果见表6－2。表6－2水泵扬程计算表Q（m3/s）1.82.22.42.62.8S（s2/m5）0.10940.10940.10940.10940.1094h（m）0.3540.5290.6300.7400.858Hr（m）设计扬程5.155.335.435.545.66最高扬程6.857.037.137.247.36最低扬程0.750.931.031.141.26按表格中的数据绘出Hr~Q曲线，与900ZLB－2.8—6.8型轴流泵工作性能曲线H~Q的交点即为水泵装置的各工况点，图见附图1。由图可得各种工况下工况点的参数如表6-3所示。表6-3各种工况下点工况点的参数及其电动机配套功率表工作情况流量Q（m3/s）扬程H（m）效率ƞ（%）电动机配套功率（kW）设计扬程工况2.855.884.5206.51最高扬程工况2.557.285.1205.05由上表可知：（1）水泵在设计工况下工作时，流量、扬程均满足规定，并且工作点落在水泵高效区范围内；（2）在设计扬程下运营时，水泵所需电机配套功率N=206.51kW小于电动机的额定功率225kW，不会超载。第七章站房防渗计算7.1防渗排水布置为保证泵房地基土壤的渗透稳定性，泵房要有足够的地下轮廓线长度。建筑物地下轮廓线是从水流入渗点开始，沿建筑物地下不透水部分的轮廓，到渗流的逸出点为止。在前池中设冒水孔，孔径5cm，间距1.0m，，梅花桩形排列。在前池底部设立反滤层，反滤层由上至下分为3层，分别是碎石（10cm），中砂（10cm），细砂（10cm）。压力水箱与泵房采用分建的建筑布置形式。7.2防渗长度计算泵房地下轮廓线示意图见图7－1。防渗长度以1点为入渗点，以18点为出渗点开始算起：L=0.4+37.3+4+0.5+0.4+1.1+0.4+0.5+4.7+1.5+4.6+4.35+10+1.08=70.83m7.3防渗长度校核按站址处地质资料，泵房地基以下为中粉质砂壤土，前池下设反滤层，由表查得相应的渗径系数为C=7~11，取C=8。根据《水工建筑物》防渗长度最小值按下式计算：[L]=C∆H式中：[L]为最小渗径长度（m）；C为允许渗径系数；∆H渗透水头，进水侧与出水侧也许出现的最大水位差（m），即最大净扬程6.5m。因此最小防渗长度如下：[L]=C∆H=8×6.5=52m所以L=70.83m>[L]=52m，因此，防渗长度满足规定。第八章站身稳定计算8.1泵房自重计算表8－1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（kN·m）底板203.10024.54975.850中墩240.00024.55880.000边墩150.00024.53675.000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14.06－4.476.441074.75－4728.88泵房立柱1.401.024.534.3034.30检修桥5.27-3.5524.5129.12－458.36∑25833.8612750.628.2泵室内水重设计工况：h=26.8－23.4=3.4m，泵室内的水重W为：W=(9.5×3.4－1.5×0.3)×3.75×5×9.8=5852.43kN对底板中心矩为：M2=5852.43×(－0.25)=－1463.1kN·m8.3水平水压力设计工况：水平水压力P=9.8×3.0×3.75×5=551.25kN对底板中心力矩为：M3=551.25×1.0=551.25kN·m8.4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）×（41.16－37.24）+37.24×10=1751.77kN对底板中心力矩为：M4=0kN·m8.5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=1.0×9.8×0.16×10×23.95=375.54kN对底板中心力矩为：M5=－375.54×1.67=－627.15kN·m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拟定，渗径从入口到泵房后墙通过的渗径为80.19-12.9=67.29m，而总渗径为80.19m，故墙后的地下水位高程为：▽=31.0－5.0×67.29/80.19=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，γ=19.4kN/m3，C=19kPa，φ=23°。填土高度为6.58m。e1=19.4×3.7×tan2（45°－23°/2）=31.45kN/m2e2=31.45+（19.4－9.8）×5.0×tan2（45°－23°/2）=31.45+21.03=52.48kN/m2E1=1/2×31.45×3.7×23.95=1393.47kNE2=31.45×5.0×23.95+1/2×21.03×5.0×23.95=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=－8085.96kN·mE2对底板底中心的力矩：M7=－3766.14×5/2－5/3×1259.17=－11513.97kN·mM总=M6+M7=－8085.96－11513.97=19599.93kN·m墙后水平水压力：P2=1/2×9.8×5.02×23.95=2933.88kN墙后水压力对底板底中心的力矩：M8=－5/3×2933.88=－4889.80kN·m8.7作用荷载计算将上述各荷载汇总于表8－2表