随着国民经济的迅速发展,我国已经建设或正准备建设一大批大型低扬程泵站,以用于城市防洪除涝、现代农业灌溉、水环境改善及跨区域调配水。为适应面广量大的低扬程泵站建设的需要,特别是为了满足南水北调东线工程大型泵站建设的需要,上世纪80年代开始,我国对各种型式低扬程泵装置进行了大量研究。工程界对我国最为适用的低扬程泵装置型式的认识、研发和应用,经历了从后置灯泡式贯流泵装置、斜式轴伸泵装置到前置竖井式贯流泵装置的过程。2007年起历时三年研发出的南水北调东线一期工程邳州站前置竖井式贯流泵装置在特低扬程时泵装置效率已经赶上灯泡式贯流泵装置。这种形式泵装置的应用需求不断增多,预计将会有越来越多的低扬程泵站都采用这种形式的泵装置。论文查阅了已有的关于前置竖井式贯流泵装置的资料,发现存在以下问题:各设计单位的设计水平不平衡,所设计的前置竖井式贯流泵装置效率差别较大,没有达到该型式泵装置应该达到的水平;重复的设计研究,导致人力物力的浪费。本文在上述背景下,提出并开展了前置竖井式贯流泵装置水力设计标准化研究工作,主要研究内容及成果如下:1.论文对已建及在建泵站的前置竖井式贯流泵装置出水流道主要控制尺寸及参数进行统计分析,发现出水流道出口断面宽度、长度、平面扩散角和立面扩散角的取值范围变化不大,离散率较小。认为进行前置竖井式贯流泵装置出水流道水力设计标准化具备基本条件,并开展进一步研究工作。2.采用三维湍流流动数值模拟方法研究了出水流道平面扩散角、立面扩散角和断面由圆形渐变为矩形的长度这三个设计参数对前置竖井式贯流泵装置出水流道水力性能的影响,结果表明:①随着平面扩散角的增大,出水流道水头损失呈现先增大后减小的变化趋势,在平面扩散角在17°～19°范围内损失值最小。各方案流场数值模拟结果显示出水流道内水流流态较好,无不良流态产生。平面扩散角越小,流道的扩散流动越平缓。随着平面扩散角增大,低速区向进口处移动。②立面扩散角在0°～7。范围内,出水流道水头损失基本不随立面扩散角的增大有所改变,当扩散角大于7°时损失值明显增大。由此可见,当立面扩散角较小时对出水流道水力性能的影响不大,不是影响出水流道水力性能的主要因素。各方案流场数值模拟结果表明随着立面扩散角的增大各方案流场均依旧保持较好流态,低速区范围较小,流态无明显变化。③随着过渡段长度的增加,流道水头损失呈现先减小后变大的变化规律,在0.6L扩散段长度时水头损失最小。随过渡段长度的增加方各案流道内流场总体流态较好,无脱流涡流等不良流态,各方案流场总体情况变化不大。3.将水泵名义平均流速和出水流道出口断面宽度分别作为出水流道水力设计标准化的第一和第二关键参数;根据对出水流道主要控制参数的统计结果及出水流道优化水力设计结果,确定了名义平均流速及出水流道出口断面的宽度标准化取值范围并进行了分档,两两组合形成出水流道水力设计标准化的32种方案,对其中不满足平面扩散角及当量扩散角要求的方案进行剔除,得到出水流道水力设计标准化的17种方案。提出的17种方案系列划分合理、通用性强且应用方便。4.对17种出水流道方案进行优化水力数值模拟计算,结果表明:17种方案水头损失均小于0.13m,水流从出水流道进口至出口扩散平缓,流速变化均匀,流道内无脱流、涡流等任何不良流态,水力性能优异。5.前置竖井式贯流泵装置采用的水泵模型为经过南水北调水泵模型同台测试的水泵模型其外形尺寸完全相同;已对前置竖井式贯流泵装置进水流道完成标准化水力设计研究工作,已验证所设计的标准化方案水力性能优异。前置竖井式贯流泵装置进、出水流道水力设计标准化研究工作已完成,前置竖井式贯流泵装置水力设计标准化已具备基本条件。6使用Visual Basic语言编制了前置竖井式贯流泵装置水力设计标准化程序,分析了泵装置程序编制时需要注意的问题,并对进水流道及出水流道程序编制时需要注意的问题做了重点说明。7.结合某前置竖井式贯流泵站的具体参数,采用编制的前置竖井式贯流泵装置水力设计标准化程序对该泵装置进行水力设计;采用数值模拟方法对该泵站泵装置方案不同工况下流场进行三维湍流流动数值计算,计算结果显示在0.8Q0、1.0Q0、1.2Q0工况下所设计的标准化泵装置方案水力性能优异,泵装置进出水流道保持较好的流态,流道流线层次分明,无不良流态产生。进行泵装置能量性能预测,得到泵装置流量～扬程曲线、流量～效率曲线,预测结果表明在叶片角度为-2°时泵装置效率最优工况点效率到达82.5%。将泵装置数值模拟结果与泵装置模型试验结果进行比较,发现泵装置流量～扬程、流量～效率能量性能曲线分布趋势一致,虽然结果存在一定的误差,但是主要工况点的误差范围相差不大。本文完成了前置竖井式贯流泵装置标准化研究工作,并编制了相应程序以便于标准化成果方便快捷的应用。前置竖井式贯流泵装置水力设计标准化研究成果得到了泵装置模型试验验证,并在实际工程中得到应用。本文研究成果对提高前置竖井式贯流泵装置水力设计水平和推广应用具有重要的意义。