泵站课程设计Word下载.docx
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由于给水系统的建设，所以相应的排水系统和废水处理设施也要相应建设，要对该县排水系统进行建设，要满足该县用水量近期规划和远期规划的需要。
二、参数确定
1．设计流量的确定
近期设计流量：
Q1=
=1374L/s
远期设计流量：
Q2=
=2062L/s
2.水泵扬程按下式计算
H=Hst+∑h
设计净扬程Hst为水塔最高水位与吸水井最底水位之差。
Hst=68.3-40.3=28.0m
∑h包括泵房内吸水管的损失h1、压水管的损失h2和泵站内部水头损失，由于泵站内部管路尚未布置，则吸水管路和泵站内部水头损失可先估算，∑h=13%Hst，式中Hst为水泵静扬程.
设计最小扬程：
H=Hstmin+∑h=（65.8-40.3）+（65.8-40.3）
13%=28.8m
设计最大扬程：
H=Hstmax+∑h=（68.3-38.2）+（68.3-38.2）
13%=34.0m
第二章机组的选型
第一节初选泵型
一、水泵选型原则
1．首先选用国家已颁布的水泵系列产品和经有关主管部门组织正式鉴定过的产品，尽量选择标准化、系列化、规格化的新产品，而且必须满足用水部门的设计要求。
2．所选水泵能满足泵站设计流量和设计扬程的要求。
3．同一个泵站所选水泵型号要尽可能一致。
4．按平均扬程选型时，水泵应在高效区运行。
在最高和最低扬程下运行时，应能保证水泵安全稳定运行，避免发生汽蚀及超荷载。
5．有多种泵型可供销选择时，应对两组运行调度的灵活性、可靠性、运行费用、辅助设备费用、土建投资、主机发生事故可能造成的影响进行比较论证，从中选出指标优良的水泵。
6．从多泥沙水源取水时，应考虑泥沙含量、粒径对水泵性能的影响。
7．泵站主机组的台数一般以4～8台为宜。
8．所选择的方案必须可行，便于施工、便于维护、运行和管理，利于今后发展。
因本工程平均扬程较低，压水管道长，所以选用离心泵。
根据选型原则和选型中应考虑的因素初选水泵4台。
因为作为小型泵站、该型号泵泵站建设费和运行费可能最小，管理运行较方便。
二、选型方法
1.计算确定泵站设计流量和平均扬程。
此时管路尚未布置，其管路水头损失，在粗选泵型的规划阶段可以估算。
其方法是根据设计流量的大小，粗拟水泵台数，算出单泵流量，然后用单泵流量和实际扬程（净扬程）参考表2-1估算出损失扬程。
待设计阶段再详细计算，进行修正。
也可采用实际扬程的15%～20%估算损失扬程。
2.根据泵站的扬程和设计流量查水泵手册找出合适的水泵型号，根据泵站的设计流量大小确定出水泵的台数，并且提出比较方案。
也就是说，用平均扬程选出泵型。
再用最大最小扬程进行校核，在资料缺乏时，也可采用设计扬程代替平均扬程。
高扬程泵站,上下级流量之间必须匹配，如不匹配应设置溢流设施，尽量选用型号、标准化、系列化、,新产品。
由于某些条件的限制，无法选用同型泵时，水泵的型号要尽量少。
台数不宜太多也不宜太少，小型泵站单泵流量控制在0.1～0.3m3/s之间，中型泵宜控制在0.25～05m3/s之间，大型宜控制在0.4～1.5m3/s范围内，台数不宜少于3台，不宜多于12台，一般选为4～8台为宜。
根据以上设计要求本设计拟选四台泵。
三、水泵选型
设计流量Qd=1374L/s，设计扬程为H=31.64m
水泵选型方案对照表
表2—1
方案
型号
扬程（m）
流量（l/S）
功率（kw）
效率（%）
台数
总功率（kw）
最高
设计
最低
最小
最大
备用
一
20sh-13
40
35.1
30
430
560
670
206
219
246.5
82
88
80
3
1
1120
二
500s35A
31
27
21
389
485
561
144
151
138
85
84
4
2
1320
三
24sh-19
37
32
22
700
880
1100
295
310
279
86
89
1140
四
500S35
35
28
450
650
207.6
218.8
209.9
四、方案比较
方案二扬程偏低，不满足需要，不选。
满足设计要求的情况下方案三的总台数为奇数，不便于不置，所以不选。
方案一和二相比其它方案功率最小、且扬程能满足设计要求。
但方案四适用范围更大，而且更便于工况点的调节，故预选方案四，方案一作为备选方案。
故本设计预选第一、四方案。
即选择500S35的水泵4台，单机容量为280kw,总装机容量为1120kw；
或选择20sh-13的水泵4台，单机容量280kw,总装机容量1120kw；
设计扬程为31.64m；
转速为让970rpm。
500S35型和20sh-13型水泵各性能参数
泵
型
流量Q（m3/s）
扬程H（m）
转速
n（r/min）
功率P（kw）
效率
（%）
汽蚀余量NPSH
（m）
泵重量
（kg）
轴功率
电机功率
300S35
0.45
0.561
0.65
970
280
4.8
1640
0.43
0.56
0.67
5.7
550
第二节动力机选型
一、动力机类型选择
电动机与内燃机相比较具有很多优点：
重量轻、对环境的污染小，是一种清洁的能源类型，震动小、对机房的影响较小，运转平稳、效率高、安全可靠、便于自动化和今后的发展。
故本设计选用电动机作为动力机。
二、电动机的类型选择
当单机容量N≤75kw时，一般选择鼠笼式异步电动机，当单机容量75kw＜N≤150kw时，一般选择绕线式异步电动机，当单机容量N＞150kw时，一般选择双鼠笼式异步电动或同步电动机。
本工程单机容量为N=55kw＜75kw，又因为水泵站的电源是三相交流电，常用的是三相交流感应电动机，在选用感应电动机时，应优先选用鼠笼式电动机。
故本设计选用鼠笼式异步电动机。
三、动机型号选择
根据水泵的单机容量N=55kw，和转速n=1450rpm，查《给排水设计手册》可知，与此相配套的电动机的型号为JO2—91—4型鼠笼式异步电动机六台，根据250s39A型水泵的性能，选用其配套电动机型号为JO2-91-4,轴功率为N=55kw，额定电压为v=380v，转速为n=1450r/min，效率η=79%,重量为W=380kg。
其主要参数如表2—2：
JO2—91—4三相鼠笼式异步电动机参数表2—2
额定电压（v）
额定功率（kw）
额定电流（A）
转速（r/min）
启动转矩（Kg-m）
重量（kg）
JO2-91-4
380
55
1450
538
第三节传动设备选择
中小型水泵机组传动设备对照表表2—3
传动特性
直接传动（联轴器）
间接传动（皮带）
刚性
柱销弹性
爪性弹性
开口式
半交叉式
交叉式
平皮带
三角带
优点
结构简单紧凑，传动平稳安全，效率高，传动比准确
结构简单，轮心距变化范围大；
传动平稳；
能缓和冲击，可起安全作用；
设计制造简单，成本低；
安装使用维护简便；
传动形式多；
应用范围广
传动扭矩大，能承受轴向力
不需严格对中，能起缓解作用
弹性好，寿命长，装拆方便
缺点
不能承受冲击，轴线对中要求高
不能传动轴向力，寿命短，加工要求高
传递扭矩小，精度要求高，不能承受轴向力
外形尺寸大；
轴向受力大；
传动比不准确；
寿命短，尤其式交叉式平皮带和半交叉式三角带；
在半交叉式传动中，平皮带易滑脱，三角带易磨损
扭矩范围
0.39~15.7
kN.m
0.066~15.09
0.028~0.265
一般在3.7~74KW范围内,皮带常用于22~30kw以下,三角带常用于37~74kw
传动效率
0.99
0.99~0.995
0.98
0.96
0.92~0.94
0.9~0.92
0.9
速度范围
1450~3500
（r/min）
1100~5400
3400~6300
一般取v=10~20m/s,限制vmax≤25~30m/s
限制Vmax≤15m/s
≤15m/s
速比范围
i=1
I=1
i≤5
i≤7
i≤3
i≤4~5
i≤6
使用条件
用于立式轴流泵，适于低速，振动小的场合，适宜轴径为40~160mm
用于立，卧式机组连接处；
适于高速旋转，适宜轴径为25~180mm
用于小型卧式机组连接处；
适于高速传动适宜轴径为20~165mm
适于卧式（三角带可立式）机组轴线平行，转向一致的场合
适用于机组轴线垂直交叉的场合
用于机组轴线平行，转向相反，轮心距A不小于20倍皮带宽的场合
由表2—3可知，直接传动具有很多优点，应用极为广泛，故本设计选择直接传动的方式，由于其单机容量较小，选择直接传动，即联轴器传动，直接传动方式传动功率大、传动效率高、设备简单，维修方便,因而选择刚性联轴器。
第三章管道设计
第一节吸水管设计
一、管道材料选择
钢管具有强度高，壁薄，重量轻，便于制作，安装，检修水头损失小，一般选用钢管，小型泵站也可选用铸铁管，临时性泵站一般选用橡胶管。
因此本设计采用焊接铸铁管。
二、管道直径确定
为减少吸水管路水头损失，充分利用水泵吸上扬程，吸水管流速一般控制在1.5~2.0m/s的范围内。
据此可求出吸水管径，即
D吸=（0.80~0.85）×
Q1/2=（0.80～0.85）×
0.3451/2=0.469～0.498m
式中D吸—吸水管经济管径，m
Q—通过管道的设计流量，m3/s
吸水管的长度不宜太长，一般为4~6m，本设计吸水管长度为7.0m。
三、壁厚确定
δ≥
（1~2）mm
δ——吸水管壁厚（mm）
D——吸水管直径（mm）
δ≥500/130+（1~2）=3.84+（1~2）mm
本设计采用6mm。
四、引水方式的选择
本设计中，机房靠近水源，水源含沙量较小，水位变化幅度较小，引水流量不大，可选用管式引水，由于岸坡较缓采用斜杆式。
岸坡较缓，出水建筑物离水源较远，可选用明渠取水，以缩短压力管道的长度和造价。
取水泵房建在河流旁边，自然地面高程约53m，为了确保水泵的吸水条件，本设计利用河流引水到吸水井，吸水管从吸水井中直接取水。
五、长度估算
吸水管的长度不宜超过10m，一般愈短愈好，一般可按4~6m估算。
本设计选取吸水管长度为7m。
第二节管道设计压力
一、管道线路选择
管道线路的选择应遵循以下原则:
垂直等高线，线短少损失小，在压力示坡线（发生水击时，压力变化过程线）以下，减少挖方，避开填方，禁遇塌方，多开躲开山洪，便于运输，安装检修和巡视，利于今后的发展，防止其他水体进入泵房。
由于水厂厂址选在地形较为平坦，高程54.8~57.40m之间，厂址东、南两侧紧靠国家二级公路，交通极为便利；
北临清水河，水量充足；
西侧为该县县城。
场地面积能满足净水厂布置要求，目前为一空地，有电源线通过，地质条件良好，有简易公路可通。
根据管道线路选择的原则，管道线路选择如附图（详见泵站平面布置图、泵站立面布置图）。
二、布置形式
本工程有六台机组，六根压力支管合并到两根压力管中，可以采用一根压力管道，但为了提高供水保证率，故布设两根压力管道，且采用连接管将它们连通。
本设计机组台数较多，为了节省空间，减小工程的费用，机组采用并联交错形式布置。
按两根管道并联设计，三根管道并联校核。
三、管道材料的选择
本设计扬程不高，充分考虑到当地的经济问题及管道材料的来源，选用铸铁管即可满足要求。
为了减少水头损失，保证供水要求，故压力管道也选择钢管，采用法兰盘连接。
四、经济管径的确定
压力管承受内水压力，属内压管。
要有足够的强度和刚度。
在确定水管直径时，通常把内流速控制在2.5~3.5m/s范围内。
由此可用下列经验公式计算经济管径，即：
当Q＜120m3/h时，D=13Q1/2
当Q＞120m3/h时，D=11.5Q1/2
式中：
Q——通过管道的设计流量，m³
/h
D——水管的经济管径，mm
本设计Q=4946m³
/h＞120m³
/h，所以本设计用D=11.5Q1/2
计算管径。
管径：
管中流速控制在1.5-2.0m/s之间D进=
查找有关手册，选择D进为550mm。
压力管道直径计算详见表5—1
压力管道直径计算表（方案一）表5—1
管道
Q（m3/s）
D（m）
流速（m/s）
吸水管
0.6896259
0.662761
1.5891642
压力支管
0.5972335
0.5516546
0.57
2.195678
压力并管
1.12
0.8446158
0.6560316
0.7
2.9117379
五、铺设方式
两根钢管采用露天式布置，管道沿着地形铺设，在拐弯处铺设镇墩以固定和支撑管道。
（详见附图）
六、管路附件的选择
1．大小头的选配由于水泵的进出口和，出水管的直径不同，故需大小头进行渐变，另外，在管径发生改变处也需大小头，除水泵进口需用偏心异径管外，其它均用同心异径管。
它们的选择是根据所需衔接的两个直径和形式未选择，并查出其长度，若采用自制时，其长度取（5~7）.（D大—D小），（详见表5—2）。
2．弯管的选择在管道发生平面或立面或空间的拐弯处，应设置弯管，弯管也称弯头。
它是用来改变管道方向的管件。
弯管的类型、材料、直径、转弯角度及半径、长度（详见表5—2）。
3．闸门的选择闸门一般设置在水泵的出口附近机房内，离心泵必须设有出水管闸阀。
目前一般用缓闭阀代替，对于落井式安装的水泵，水泵基准高程再进水池以下，为了检修水泵，一般也需设置进水管闸阀。
根据水流的流量、流速、压力和管道的直径来选择闸阀的型式（电动和手动、明杆和暗杆）（详见表5—2）。
4．底阀和滤网的选择为了防止水倒流，对于人工淡水的小型离心泵可以在吸水管的底部设置低阀、吸水管直径小于等于200毫米时，用升降式、大于250毫米时用旋启式。
为了防止异物进入泵体，确保水泵正常工作，可在吸水管得进口出设置滤网。
本工程吸水管管径较小，为了减少水头损失，故不设滤网（详见表5—2）。
管路附件汇总表表5—2
序号
名称
规格
单位
数量
备注
偏心异径管
D300-250
个
6
水泵进口出
同心异径管
D250-300
水泵出口出
D300-450
水泵出口后3m
吸水管进口出
5
弯管
R175D300
R1125D450
压力管起点后1.5m
7
压力并管终点前
8
闸阀
12
水泵出口
9
连通管中间
10
压力并管起点后3m
11
真空表
水泵进口侧
压力表
主水泵及真空泵出口侧
13
真空阀
真空管上
5.逆止阀得选择当泵站事故停机时，出水管中的水将要发生倒流，此时逆止阀的阀门靠自重和管内回流的冲击，在短时间之内即自行关闭，从而防止水倒流。
为了防止逆止阀产生的过大水击，目前一般用缓闭阀代替出水管闸阀逆止阀。
缓闭阀应根据它所在处的管道直径，压力和水击波传播速度等于确定其类型、规格等。
本工程在每台进出口均设有真空表，压力表各一个（详见表5—2）。
6.仪表的选择真空表安置在水泵进口处，用来测定水泵进口的真空值。
压力表装在水泵出口处，用来测定水泵出口处的管内压力。
为了检测水泵的运行情况，一般在水泵出水侧设置弹簧管式压力表，对于利用真空工作的离心泵还需在水泵的进口侧设置弹簧管式真空表。
根据这两个表的读数就可算出水泵的工作扬程和判断水泵运行是否正常（详见表5—2）。
第三节镇墩设计
一、压力水管的水击计算
（一）水击波的传波速度
1．钢管、铸铁管a=
（m/秒）
2．钢管混凝土：
a=
——水的弹性模量2.07×
104公斤/厘m2
E——管壁材料的弹性模量（公斤/厘m2）
——管壁内环向钢筋配筋率
3．分段时水击波平均速度..
=
..
（二）管路常数：
2ρ=
（三）机组惯性系数：
K=1.79×
106
Q正，H正n正h正——分别为正常运行时水泵的流量扬程（m）效率（小数）传速（转/分）
U——水泵正常运行时管道的正常流速（m/秒）
GD2——机组转动惯量，可取电动机转动惯量的1.1~1.2倍。
（四）计算水击增压值
根据K
和2ρ查帕马金氏图可以查得水泵和压力管道中间电的相对最大增压和降压（%H正）以水泵反转时的最大反转相对转速（%h正）查得的值乘以相应的值（H正或n正）就可以得水泵及管道的最大升（降）压值及水泵的倒转转速
二、镇墩设计
（一）荷载分析
作用于镇墩上的荷载很多，有轴向荷载和径向荷载（M·
N）还有自重。
水管自重的轴向分析F1，，作用于关闭闸阀或止阀上的水压力F2″，管道拐弯处的水压力F3和离心力F4大小头两端的压力差F5伸缩节断面上的水压力F6伸缩节处管壁与填料之间的摩擦力温度变化引起管壁与支墩之间的摩擦力F7，温度变化引起管壁与支墩之间的摩擦力F8及温度应力F10，水流与管壁之间的摩擦力F9，载有镇墩与上，下方相邻的两个支墩之间支承范围内的水管重量及水管内水重的径向分力N和弯矩M。
它们的计算公式分别是：
F=g管Lsinα
F1′=g管L′Sinα′
F1″=g管L″Sinα″…以下类似
F2″=
F3=
F4=
F5=
F6=
F7=
F8=
′
F9=
F10=
N=
M=
式中g管（g水）——单位长度的管道（管内水流）的重量（千牛/m）
D（D阀D大D小）——管道（阀门中心处，大头，小头）内径（m）
D外——管道外径（m）
γ——水的容量（千牛/m3）
α——管道倾角
H（H阀H弯H干——大小头（阀门，弯管进出口节处断面中心的计算水头（m））
QU——管中所通过的流量和流速（m3/秒m/秒）
g——重力加速度（m/秒2）
f（μ）——止水填料（支墩）与管壁之间的摩擦系数
b——填料长度b=0.1D外（m）
h损——水头损失（m）
β——管道材料的线性膨胀系数
△t——温度的变化值（℃）
L（l）——镇墩与相邻伸缩节（支墩）之间的水管长度（m）
（″）——镇墩上（下）方或出进水侧。
三.荷载组合
作用于镇墩上的荷载的组合与机组的运行工况及温度的变化，镇墩处管道变化等有关。
运行工况通常可分为正常运行，正常停泵和事故停泵三种，温度的变化有升温和降温之分，管道的变化有管径和角度的变化，管径的变化又有大小头，三通管，四通管叉管等，角度的变化又有平面转弯和立面转弯和空间转弯，立面转弯还分由陡变缓和由缓变陡之间区别等等。
通常计算机房附近由缓变陡的1号镇墩。
下面就以1号镇墩为例，给出其荷载组合示意图。
作用于关闭的闸阀或逆止阀的水压力F2″，若1号镇墩可有镇墩或1号镇步有伸缩节，此力不传给1号镇墩，无逆止阀时，事故停泵也无此力，无断流设施时，其之力按照水倒流倒转的最大反转转速所对应的各对应的荷载计算。
有断流设施时，此力工况可不作用控制工况。
有逆止阀时，按照升压阶段（有陡变缓的镇墩按降压阶段）产生的水击增（降）压水类与净水类叠加作为事故停泵的计算水头。
虚线表示降温。
水流与管壁之间的摩擦力一般较小，可以忽略不计。
所有水平荷载
″
所有竖直荷载
注意各荷载的正负号与坐标轴方向相同者为正，反之为负。
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