水泵及水泵站课程设计报告书.docx
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水泵及水泵站课程设计报告书
水泵及水泵站课程设计报告书
一、水泵站课程设计任务和目的
1、设计任务
某灌溉泵站设计
2、设计目的
（1）加深学生对课程基本概念、理论、方法及课程结构体系的理解和融会贯通，培养其综合运用所学课程知识解决实际工程技术问题的能力。
（2）让学生了解和掌握泵站工程设计的基本环节、内容、方法、步骤和要求，受到工程设计方法的初步训练和创新意识的培养。
（3）实现对学生的运算、绘图、查阅资料和手册、使用规范和标准、计算机应用的基本技能的训练和求真务实科学素质的培养。
二．设计所依据的规范和标准
《给水排水设计手册——常用设备》
《给水排水设计手册——器材与装置》
《S型单机双吸水泵》
《交流同步、异步电机》
《泵站设计与规范》
三.设计基本资料
1、基本情况
本区地势较高，历年旱情比较严重，粮食产量低。
根据规划，你从附近湖中扬水灌溉该区的6.7万亩农田，使之达到高产、稳产的目的。
机电扬水灌区内主要作物有小麦、玉米、骨子和棉花等。
管区缺少灌溉制度，现参考附近老灌区的灌水经验，制定出本灌区灌溉保证率为75﹪的灌溉制度。
其设计毛灌水率如表1所列
表1.1 设计年内毛灌水率
灌水时间（日、月）
1/3~15/4
16/4~10/6
11/6~30/7
1/9~30/9
15/11~10/12
灌水率〔l/s·千亩〕
30.00
22.00
16.50
22.50
30.75
1/500的站地地形图（从略）。
2、地址及水文地质资料
根据可能选择的站址，布置6各钻孔。
由地质柱状图明显看出，3m以内表土主要是粘壤土，经土工试验，得到有关物理指标为粘壤土的内摩擦角°承载力为200kN/。
站址附近的地下水位多年平均在307.2m左右。
3、气象资料
夏季多年平均旬最高气温为34℃，春、秋季干旱少雨，年平均降雨量为524mm，降雨年内分配极不均匀，每年7、8、9月的降雨量占全年降雨量的80%以上。
年平均无霜期为200天左右，多年平均最低气温为-8℃，最大冻土深度为0.44m，平均年地面温度为15℃,平均年日照时数为2600.4h。
累计年平均辐射总量为527.4KJ/cm，平均日照百分率为59%。
热量和积温都比较丰富，能满足一年两熟作物生长的需要。
4、水源
灌区西北有一湖泊，使规划灌区的水源，其水量充沛。
灌溉保证率为75%时的湖泊月平均水位如表2所示
表1.2湖泊月平均水位（保证率75%）
灌溉保证率为90%时，灌溉期间旬平均最低水位为308.8m，5年一遇的旬平均最高水位达312.5m,夏季多年旬平均最高水温为23℃。
5、根据规划，为保证扬水后自流灌溉，出水池水位均不应低于327m。
6、站址附近有6.3kv高压电力线通过，已经有关部门批准，可供泵站使用。
7、该地区劳动力充足，交通方便，除水泥、金属材料以及泵站建设中所需的特殊材料外，当地可提供砖、瓦、石、砂、木材等建筑用材。
8、根据机电设备的运行特性，每天按20h运行计算。
四.站址选择及建筑物总体布置方案
1、站址选择
站址选择要有利于控制全灌区的面积，便于泵站枢纽的总体布置，渠站能相互结合，工程量小，安全可靠，能适时适量的取水。
选择的依据如下：
水源：
对于从湖泊取水的泵站，应选择河床及堤岸稳定，流量有保证，水位变幅小，有利于防洪、防沙、防冰及防污的湖段。
地形：
为了便于泵站建筑物的布置，站址处的地形应该比较开阔，同时应具有与泵站扬程相适宜的地形高差和岸坡，还要有较好的通风采光条件，土石开挖工程量小，便于安排施工和以后扩建的可能性等因素。
地质：
泵站建筑物应处在岩石坚实、承载力强、渗透性弱、地下水位深的地基上，对于建在软基上的泵站，应考虑可能存在的淤泥、流沙、湿陷及膨胀土等不稳定的情况，在不可避免时，应制定相应的地基处理方案及加固措施。
电源交通及其他：
视泵站规模的大小兼顾动力电源的来源及输变电工程的造价，以求尽量减少输电线路的长度。
要有利于与外部公路交通的衔接，以便于机电设备和施工物料的运送，条件许可时，尽可能使泵站邻近村镇或居民点，同时尽可能考虑少占耕地并与周围自然环境相协调。
站址选择及建筑物总体布置方案见《泵站建筑物总体布置图》
五.泵站设计流量和设计扬程的确定
1、泵站设计流量的确定
（1）灌水率图的修正
为了便于选择同型号水泵，按以下原则将灌水率图修正成等阶梯形状，具体如下：
灌水日期的移动或者灌水时间的变动，不应影响作物的正常需水（变动天数不超过2~3天）。
各次灌水的灌水率数值不应相差太大（最小灌水率不应小于最大值的40%），以使渠道流量比较平稳，泵站机组利用率较高。
修正后的灌水率应适应我国目前的管理水平，对旱作灌区，一般的灌水率在20~35l/（s·千亩）之间。
（2）设计年内毛灌水率阶梯图，如下图所示：
（2）修正后的年内灌水率等阶梯图如下所示：
修正后设计年内灌水率（表1）
灌水阶段
1
2
3
4
灌水时间（日、月）
16/4~28/7
1/3~15/4
15/11~11/12
1/9~23/9
灌水率〔l/s·千亩〕
20.00
30.00
30.00
30.00
由于四月中旬一直到七月底都属于连续的灌溉时期，故考虑将二者作为一个整体来考虑，由此把一年分成四个灌溉期。
按每天开机小时数，将修正后的毛灌水率换算成机灌灌水率。
绘制机灌灌水率图。
公式为
式中 — 修正后的设计毛灌水率，l/（s·千亩）;
— 机组每天开机的小时数。
利用公式求得并列成表：
见下表（表2）
修正后设计年内机灌灌水率
灌水阶段
1
2
3
4
灌水时间（日、月）
16/4~28/7
1/3~15/4
15/11~11/12
1/9~23/9
修正灌水率〔l/s·千亩〕
24.00
36.00
36.00
36.00
取灌水率图中之最大的灌水率来计算泵站的设计流量，其计算公式为
式中 — 修正后的最大灌水率，l/（s·千亩）
— 设计的灌溉面积，千亩
利用公式求得：
l/s
即设计泵站流量给为：
2412l/s。
将其余灌水率对应的流量计算得出列入下表3，方便选择泵型及泵数。
根据表2与出水池最低水位327m列表加权法计算，见结果如表3：
灌水时间（月日）
4.16-7.28
3.1-4.15
11.15-12.11
9.1-9.23
灌水天数
104
46
26
23
日平均进水位m
310.24
309.23
309.4
313.2
出水位
327
327
327
327
H实
16.76
17.77
17.6
13.8
Q机
1608
2412
2412
2412
H*Q*T
2802808.32
1971617.04
1103731.2
765568.8
Q*T
167232
110952
62712
55476
2、计算平均实际扬程，公式为：
式中 — 相应时段时的出水池水位与进水池水位之差，m；
— 相应时段时的泵站供水流量，l/s；
— 不同灌溉时段的泵站工作天数，天。
则=16.77（m）
Hmax=17.77m Hmin=13.8m
3、确定水泵的设计扬程。
初步确定为（5%~10%），计算得：
=（1.05~1.1），取=18.m。
式中——管路沿程损失和局部水头损失，m；
k——管路水头损失占平均实际扬程的百分比。
六、水泵选型方案及类型和台数确定
1、水泵选型方案及类型
（1）水泵的选型原则
1） 充分满足灌溉设计保证率下各时期的流量和扬程的要求。
2） 选用性能良好并对泵站流量、扬程变化具有较强适应性与保证性的泵型。
3） 所选水泵在长期运行中平均效率最高。
4） 所选水泵能使之与相联系的泵站建设总投资最省，且易于施工，便于运行、管理和维修。
5） 对于梯级泵站，水泵的型号和台数要满足上下级泵站间流量配合的要求，尽量避免或减少因流量配合不当而造成下级泵站的流量不足或流量过大而弃水。
（2）水泵选型的步骤
1） 根据修正后的等阶梯灌水率图，初定水泵台数为4-6台，其中有1台备用泵。
2） 根据设计流量Q=2412l/s，求得水泵台数为3-4台的单泵流量分别为：
804L/s、603L/s。
依据单台水泵的设计流量和设计扬程，查“水泵性能范围综合图”，可查到满足需要的几种水泵，其在最高效率时的参数分别为：
性能参数表
泵型号
流量
扬程
转数
轴功率
配带功率
效率
允许汽蚀余量
净重
m^3/h
l/s
m
r/min
kw
kw
%
m
kg
20Sh-19
1620
450
27
970
149
185
80
6
1900
2016
560
22
147
82
2340
650
15
137
70
24Sh-28
2340
650
23.5
970
187
250
80
7.5
2500
2880
800
21
195
84.5
3420
950
18
207
81
3） 方案比较
灌水阶段
1
2
3
4
灌水时间（日、月）
16/4~28/7
1/3~15/4
15/11~11/12
1/9~23/9
修正灌水率〔l/s·千亩〕
24.00
36.00
36.00
36.00
灌水天数
104
46
26
23
采用20Sh-19型水泵（设计扬程下的单泵流量（590l/s））
所需台数
3
4
4
4
设计流量下的供水流量（l/s）
1770
2360
2360
2360
流量（l/s）
1608
2412
2412
2412
灌水天数
95
47
27
24
采用24Sh-28型水泵（设计扬程下的单泵流量（880l/s））
所需台数
2
3
3
3
设计流量下的供水流量（l/s）
1760
2640
2640
2640
流量（l/s）
1608
2412
2412
2412
灌水天数
95
42
24
21
综上比较，选3台，则每台水泵流量Q=l/s,第二三四灌溉阶段水泵全开，第一期开两台水泵。
选用3台泵。
很显然，24Sh-28为最佳选择。
七、动力机及主要辅助设备的选配
1、动力机的选配
此地电源方便，站址附近有6.3KV的高压电力线通过。
优先考虑电动机。
再根据所选水泵的转速和功率，选择合适的电动。
查的适宜的电动机主要规格参数如下：
电机型号
额定功率（kw）
转速（r/min）
重量（kg）
电压（v）
Y355-6
250
989
1960
6000
2、主要辅助设备的选配
（1）充水设备：
离心泵启动前必须充水，采用水环式真空泵，考虑抽气量与真空度，选用型号为SZ-1型水环式真空泵，其配带动力4kw，转数1450r/min,泵重140公斤。
（查《给水排水设计手册第11册常用设备》）
（2）排水设备：
采用排水沟排水，具体布置见后第十节机电设备布置方案。
（3）起重设备：
选择起重设备的依据是泵房内最重设备的重量、机组台数和必须起吊高度。
当最大设备重量不超过1t，机组台数不超过4台时，一般不设置固定起重设备，当设备最大重量在5t以下，或设备重量虽不超过1t，而机组数目较多时，可在泵房内设置手动单轨小车配手拉葫芦，或电动葫芦，或手动单梁桥式起重机。
按以上原则结合所选泵型，采用SDQ-3型手动单梁起重机，跨度6m，起升高度3~10m。
（查《给水排水设计手册第11册常用设备》）
八、进、出水管的材料、数目、管径、布置及支撑方式
1、进水管
如果按管中流速1.5—2.0m/s的要求设计管径，则进水管管径按下式计算确定 D=（0.8~0.92）
式中流量Q从所选泵的性能曲线上，依据H=18查的其流量Q=0.88m3/s.（在后续的管道设计中流量均用Q=0.88m3/s）
所以 D=（0.8~0.92）=0.9=0.84m。
式中 D——进水管管径，m
Q——进水管设计流量，m3/s。
根据上式计算选择相近的标准规格尺寸的管径，用公称直径表示。
这样便于管道附件的选配和连接。
2、进水管的布置
（1）尽量使进水管短些，以利于减少水头损失，取进水管长10m，弯管不要靠近水泵，否则将会在泵的吸入口产生偏流，进水弯管到水泵的距离>3D=3×0.8=2.4m
（2）进水管沿水流方向不应有下倾的坡度和向下的弯头，这样可避免形成气囊。
（3）对于安装在进水池水面以下的水泵，考虑检修水泵需隔断水流，在进水管上要安设闸阀，且闸阀应采用卧式安装，以避免阀体上部积存空气，在水泵运行期间，闸阀应全开，闸阀要选用与管道相同的直径。
（4）每台泵应当有单独的进水管，采用一泵一管，铺设4根进水管。
（5）对于明式铺设的进水管由支墩支承，管道底部距地面应留有不小于300mm的距离。
由于进水管道多为外压管，因此，对于采用钢管这种薄壳结构作为进水管时，其壁厚不是取决于强度，而是取决于刚度的要求，是管道在一定的负压状态下丧失弹性稳定而变形。
因此，钢管壁厚用下式确定
δ=+29mm
式中 D——管道的计算直径，mm。
选用直缝卷焊钢管，型号规格如下
公称直mm
外径mm
壁厚mm
重量kg/m
800
820
9
157.8
3、附件
（1）进水喇叭口（垂直布置）。
直接用直管口将会产生在尖锐进水口边缘的水流分离，在管口附近形成回流区，水流紊乱。
采用喇叭口进水可以防止这种现象，以保证水流均匀的流入进口断面，使进口水头损失最小。
喇叭口的直径通常为（1.5—1.8）D=1200~1400mm，取1300mm，轴线长为1.0D=800mm，D为进水管直径。
（2）弯管。
弯管应尽可能作的平缓，钢制弯管一般由若干段曲折角度较小的管节拼焊而成，曲率半径R=（1.5—2.0）D=1200~1600mm，取R=1600mm。
无论管径大小，都不得采用直折成型的弯管形式。
曲率半径较大的弯管，对于减轻偏流是有利的，特别对于距离水泵较近的弯管。
根据输水需要，弯管通常采用90o等弯曲角度。
则弯管长2512mm.
（3）偏心异径管。
进水管与水泵连接处采用上边线水平的偏心异径管，渐变段的长度L=（3—5）（D2-D1）=600—1000,取L=800。
D1为水泵进水口直径600mm，D2为进水管直径800mm。
（4）防水套管。
在进水管穿越池壁或泵房挡水墙的部位，应设置防水套管，用于防止水管与墙结合处漏水或渗水。
其设计如下图：
3、出水管
（1）出水管直径、根数和管材
A、管道根数
单机流量大、管线短的泵站应采用每台泵用一根管道，所以采用一泵一管，拟用4根出水管。
B、管道直径
按经济流速确定管径。
出水管的经济流速一般为2~3m3/s，据此算得相应的出水管直径为
D=（0.65~0.80）Q½=680mm，查标准规格尺寸，选用公称直径700mm，外径810mm，壁厚55mm的预应力钢筋混凝土管。
（查《给水排水设计手册第10册常用设备》）
（2）附件
A、正心异径管
出水管直径一般大于水泵直径，需用一逐渐扩散的连接短管相接，一般用钢板自制而成，两端用法兰连接于水泵与闸阀或伸缩节之间，其长度为L=（3～5）（D2-D1）=400mm
D1—水泵出水口直径 D2—出水管直径
B、闸阀
对于离心泵抽水装置，为了减小启动功率及停机或机组检修时切断水流，出水管上要设闸阀。
选用WZ945T—10型电动暗杆锲形闸阀，公称直径700mm，重量2400公斤（查《给水排水设计手册第11册常用设备》）闸阀到渐扩管2m。
C、伸缩节。
为了便于水泵和闸阀安装及检修时调节管道长度，一般在闸阀附近设伸缩节。
D、拍门
拍门是管道断流的主要断流方式之一，停机或事故停泵时，借自重和倒流水压力自动关闭，封住管口，避免池水倒流。
拍门有自由式、平衡锤式、多扇组合式、双绞式和液压缓冲式。
此处采用结构较为简单的自由式，结构为铸铁实体。
E、通气孔。
在管道出口拍门前设置通气孔，其作用是当管内出现真空时，向管内补气，破坏真空，保证管道安全。
4、出水管的布置与铺设
（1）出水管道的布置
出水管布置通常取决于泵站的总体布置。
当泵站和出水池的位置确定后，管道的走向也就基本定了下来。
因此应根据地形坡度和地质条件，统筹考虑个泵站建筑物的相对位置，并结合管道的铺设方式来确定。
此处采用一泵一管平行布置。
主要注意以下方面：
A、管线尽量垂直于地形等高线，以利于管坡的稳定和管道的铺设，并使管线最短。
铺设角视官破土体自身的稳定要求而定。
B、尽可能减少弯折，使管线短而直，以减少水力损失和工程量。
C、管道爬坡点不要离泵房过进，最好不小于10m，取15m
（2）管道的铺设
出水管的铺设方式有明式和暗示两种。
水泵出口到管道爬坡点及出水池前的水平段钢管采用明式,斜坡段钢筋混凝土管采用暗式。
（3）出水管段的支撑方式
管道的支撑结构包括镇墩和支墩。
可以做成开敞式和封闭式两种，采用封闭式。
滑动式支墩厚度为0.3~0.5m。
出水管的设计见泵站建筑物总体布局图。
九．水泵工作点及安装高程的确定
1、水泵安装高程的确定
（1）进水管的水力损失
喇叭口：
ξ1=0.19
弯管:
ξ2=0.48
偏心渐缩管:
ξ3=0.3
Σξ=0.19+0.48+0.3=0.97
水力损失hg=Σξ×V²/2g=0.97×1.8²/19.6=0.16m
（2）允许吸水高度[Hg]
所选泵的允许汽蚀余量[Δh]=7.5m,该泵在海拔310m处的大气压力为10m,抽送34℃清水的汽化压力为0.43m,由
，得该泵的允许吸水高度为：
[Hg]=10-0.43-7.5-0.16=1.91m
进水池最低水位为308.8m,由此可得水泵的安装高程为：
▽=308.8+1.91=310.71m,取安装高程为310m.
2水泵工作点的确定及校核
（1）出水管的水力损失
渐扩管：
ξ1=0.24
闸阀：
ξ2=0.06
弯管：
ξ3=0.04
拍门：
ξ4=0.5
出口：
ξ5=1.0
Σξ=0.24+0.06+0.04+0.5+1.0=1.84
出水管中的流速V=Q/A=4×0.89/（3.14×0.7²）=2.31m/s
局部水力损失=Σξ×V²/2g=0.5m
沿程水力损失==0.95m
出水管的水力损失hg=0.5+0.95=1.45m
进、出水管总的水力损失Hg=0.16+1.45=1.61m
（2）水泵工作点的确定与校核
需要扬程H=H实+Hg=16.87+1.61=18.48m
查所选泵的基本性能曲线可知在需要扬程下的流量Q= 870L/s,效率为82%，与设计扬程下的流量和效率很接近，说明所选泵仍在高效区范围内工作，所选的泵符合要求。
十．机电设备布置方案及泵房结构类型和尺寸的确定
1、机电设备布置方案
（1）配电设备
采用一端式布置，即配电设备集中布置在泵房的某一端，其优点是不增加泵房跨度，泵房前后侧都可开窗，有利于通风和采光，适用于机组台数较少的情况。
配电间在结构和高度上与主泵房不同。
配电间的尺寸取决于配电柜的数量、规格尺寸及必要的操作维修空间。
配电间地面应高于主泵房地面，以防积水流向配电间。
还应设有通向室外的门，以方便设备搬运和事故防范。
配电间的高取6m，长度为8.0m，宽3.0m。
（2）检修间布置
检修间作为主泵房的一部分，设在泵房大门所在一端，门外接回车场和进场道路。
其长度尺寸要能放置机组各部件，并便于拆装检修及存放工具，一般不小于5.0m。
取检修间宽度5m，长度8m，高程为313m。
（3）交通道布置
泵房内安装机组的区段，其地面高程低于检修间和配电间的高程。
为了便于运行人员的往来和巡视，在泵房后侧设贯通泵房长度方向的交通道，并兼作操作闸阀的平台。
交通道宽度为1.2～1.5m，取1.5m，高度位于管道顶部以上，采用悬臂粱板结构，道边设钢管围栏和通向机组的工作梯。
（3）充水及供水系统布置
充水系统采用水环式真空泵，布置在泵房机组段的两端或中间的适当位置上。
供水系统在泵房内主要是向机组提供技术用水的管道，将其布置在抽气管的同侧，沿泵房墙体架设。
（4）排水系统布置
沿泵房地面上在泵房出水侧设置排水沟和集水池。
各机电设备的具体布置见泵房平面设计图。
2、泵房结构类型的确定
根据灌区的水文、地质和地形等条件，虽然泵房地面在进水池最高水位以下，但水源水位变幅超出有效吸程不大，且高水位持续历时较短，可通过在引渠前设闸门的方法来控制进水池中的水位，所以选择分基型泵房。
3、泵房尺寸的确定
（1）机组泵房内部布置
根据所选择的水泵类型和台数，采取一列式布置较好。
这样可以使泵房整齐，跨度较小。
如图所示：
（2）泵房长度
在机组数量、容量及安装尺寸已知的情况下，对于一列式布置，泵房长度可根据机组轴向尺寸，机组之间和机组与墙体之间的间距，以及真空泵、排水泵、集水池和检修间尺寸等确定，即上述各值的累加值便是泵房应有的最小尺寸。
机组顶端与墙间：
1.2m
机组与机组间：
2.0m
机组轴线长：
3.52m
检修间宽5m，配电间宽3m
泵房长度L=1.2×2＋2×3＋3.52×4＋5＋3=30.48m，取为31m，调整检修间,配电间宽3.52m。
（3）泵房跨度
泵房跨度。
泵房跨度根据泵体在水流方向的长度和需在室内装置的管件、阀件及必要的操作空间等确定，同时使其与定型的屋架和吊车梁和吊车跨度向适应。
取B=8.5m
（4）泵房高度
泵房高度考虑机组地面高程及检修间、配电间高度等因素，并能满足起吊高度要求。
设上下两排窗，便于采光和通风。
屋架采用预应力钢筋混凝土三绞拱屋架，高度2m。
起吊设备到屋顶的距离为1.8m，采用SDQ—3型手动单梁起重机，所需的最小高度为0.9m，起升高度为3～10m，水泵高度1.45m，水泵基础顶面到泵房地坪的距离0.2m，水泵轴心达到基础顶面的高度0.9m。
泵房高度H=1.8＋0.9＋8＋1.45＋0.2=12.35m，取整H=13m。
泵房地面高程=水泵安装高程-水泵轴心达到基础顶面的高度－水泵基础顶面到泵房地坪的距离=310－0.9－0.2=308.9m
十一.进出水建筑物的形式和尺寸的确定
1、引渠
采用矩形断面，粗糙系数n=0.025
渠中流量Q=4×880=3520L/s，取，则断面面积 水力半径
根据 代入数据得：
h=1.46m，b=2.92m
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