水利泵站进出水流道优化设计探讨

水利泵站进出水流道优化设计探讨

胡红锋

中工武大设计研究有限公司，湖北 武汉 430000

摘要：

在总结国内外理论成果的基础上，本文提出了水利泵站进出水道优化设计的基本方法和目标功能，给出了优化设计目标函数的公式表达式，例如入口和出口通道的恢复系数以及入口和出口通道的效率。同时就真实的工程案例广和泵站钟形进水流道的优化设计对相关的理论进行拓展说明，根据数据的计算和分析，为同类项目的优化设计提供指导和参考。

关键词： 水利泵站入口和出口通道； 优化设计； 探讨； 工程建造

1. 泵站进水通道的优化设计

“泵站设计规范“要求入口通道线光滑且横截面积小，入口处的速度为每秒零点八到一米，出口处的速度为每秒零点八米到一米， 流动的速度和压力是相对均匀的，无论实际的工程情况如何，都不会有涡流带。叶轮入口的流场速度应均匀分布，流入泵的水流角应成直角。例如：广和泵站，水利抽水站进出水道的优化设计使用U形进水流道、三维流动的数值模拟与优化结、原始方案的数值模拟结果并使用三维湍流模型来模拟钟形进气道中的流场进行数值模拟，可以计算出入水通道的均匀度和进水量分别为百分之四和百分之八十三点一。进水通道水力损失二百八十二米，如表1所示[1]。

表1 广和泵站钟形进水流道目标函数及水力损失计算结果

从表1中可以看到原始设计钟形进水通道中的水流动在平面方向上被很好地收集，并且流动通常是均匀的，地面从四面八方进入喇叭管。在流场调节阶段，流从四面八方流向喇叭管之后，一方面在仰角方向旋转九百圈，然后沿着另一侧 喇叭管的截面逐渐收缩和加速，喇叭管中的流动的调节流量也更好，流量均匀加速，流量进入泵的方向基本上垂直于流道的出口部分。但是，流道的侧壁上有涡旋，表明通道已连接侧壁上的涡流将导致侧壁涡流带的出现，而轻者将是泵的气蚀和振动可能是由重量引起的，这可能导致泵的叶轮强度增大。强烈的振动使水泵单元无法稳定运行。此外，在进气通道的原始方案中，流入泵的水的平均角度 通道的水力损失也很大。在广河泵站进出水流道的优化设计中采用的一种优化方案中数字模拟的计算结果如下：针对原有设计方案存在的问题，广河泵站进出入口在通道的控制大小范围内，对表格进行了以下两个更改：钟罩进气道的优化方案：（1）优化方案一：直截面更改宽度以保持四点五米不变，一方面可以增加号角管道下方通道的宽度，减少了通道中壁附着涡流带的可能性；另一方面，可以减少通道中的流速，并提高流速，这样使得液压性能良好。（2）优化方案二：喇叭管悬挂高度从一点零米减小到零点八五米，喇叭管的高度从零点六六米增加 达到零点八一米。结果表明，优化方案二中水泵的平均角度乘八十三，增加到八十七点三，转轮的水力损失从零点八二八减少至零点二五六米。但计算结果表明，优化方案一并没有解决壁挂涡带的问题，在涡流仍然与原始方案位于相同的位置，仅减小了涡旋的范围。优化方案二数值模型计算结果：考虑到出口通道的最大净宽为四点七米，因此通道的最大净宽为四点七米，以使流经底部解决了通道中的涡带问题，并基于优化方案一，在优化方案二中，入口通道的宽度从四到五米调整为四点七米，其他尺寸保持不变。根据流场的数值模拟结果计算出均匀度和入水量，平均泵浦角分别为百分之九十五点一和百分之八十七点四。进水通道水力损失损耗的计算值为零点二四九米，请参见表1。优化方案二的流路，与优化方案一相比，水力损失有所改善，从零点二五六米减少到零点二四九米。优化方案二在解决壁挂式涡流带问题上达到了提高性能的进步，当流道的宽度增加到四点七米时，钟形流入通道侧壁的涡流已基本消除，不可能在通道中形成壁涡区[2]。

优化计算结果：出水流量的数值模拟采用标准的一阶湍流模型对广河泵站的套管类型进行处理方案的原始方案和优化方案，模拟了流出物的流场。流场数值模拟结果表明蜗壳出口通道的不同方案具有不同的管道的高度，但通道中的流动具有相似的流动模式。从表1中，我们可以看到套管类型的井眼出口通道中的流量。 运动是复杂的，可以分为三个阶段：（1）相对井眼在潜水电机周围流动的阶段；（2）蜗壳内的流向流动阶段在直段中进行调节。井眼中的流量相对于潜水电机周围的流量，它均匀地通过电机，并受导叶出口环数量和水的影响租金是螺旋式的，并且在电动机末端没有电流的问题。进入蜗壳后，气流转向并在周围急剧扩散，由于导流锥的共同作用以及侧面和后壁的阻塞，流向流道出口方向，后壁方向和两侧方向的流动性能表现出不同的特征。上部区域的水流向周围散发 在通道的后壁区域中，向后方向的流动较强度和范围的涡旋区；流在通道的两侧 升高方向上的涡流是由侧壁的屏障形成的。螺旋流道的直线部分的截面将不再改变，并且将在平面方向上部分的水流可分为上部、中部和下部。下部三个区域：通道上部的流动偏向侧壁的两侧，通道下部的流动，从侧壁倾斜到流道中心线的平方，通道中间的流量在两者之间[3]。

二、水利泵站进出口通道水力优化的目标

水利泵站通道水力设计的要求是：（1）通道中无涡流和其他不良的流动模式； （2）通道出口处的流速分布尽可能好，可以是均匀的，并且水流的方向应尽可能垂直于出口部分；（3）流道水力损失尽可能小。出口通道的水力设计有以下两个要求。（1）外部特性指标：通过尽可能多的动能降低流道的水力流失；（2）内部特性指标：最大程度地避免可能的流路产生的不良流动模式。出口通道的基本要求是通道的末端 （即水泵吸入室的入口）流量和压力分数是均匀的，速度环为零。转轮的出水终点由流偏角和流路阻力系数决定，水流的水力特性直接影响泵的能量特性和空化特性，流道水力损失与水泵的效率有关。如果被设置计算不当，容易产生涡旋或增加涡旋强度，涡流带进入泵，这会引起泵的气蚀单元振动；如果空气进入泵，结果表明，降低了泵的流量和效率。进水通道设计应为水泵提供均匀的流量分布和压力分布，部件通过时不得有回流和有害涡流（涡流带），避免振动、噪音等。在实际的水利泵站进出口通道水力优化设计中，有必要选择合适的项目特征泵单元和入口通道类型，同时应考虑土建工程的投资和可行性。在实际的工程设计中主要考虑以下因素：（1）流道末端的水力损失，截面的速度和压力均匀分布。（2）在各种条件下，不允许涡旋装入水泵，并最小化通道中的涡流。（3）流道入口处的流速应约为每秒零点八米到一点零米。（4）选择合适的流道宽度和开挖深度，特别是开挖深度应减小以减小土木工程量大，节省投资。 （5）流道线应简单易建。（6）喇叭管与导水锥型线设计，并注意优化喇叭口悬空高度。（7）设置隔水墩以优化设计[4]。

三、总结

很多引水工程泵站初期拟建的进出口通道长度、宽度和深度的尺寸参数均满足进水和出水水流状态的相关要求，但仍大于常用进水、出水通道的参数值，以满足项目水流状态的要求；在水利泵站进出口通道水力优化设计中，相关施工人员必须控制对土木工程的投资，并改善泵房的布局和泵房底板的高度，严格控制泵房的底板和地质条件，保证进水、出水通道的长度和宽度、深度以及大小的科学合理性。

参考文献：

[1]施高萍,王益土,王莺.大型竖井贯流泵站出水流道的水力性能分析[J].水利科技与经济,2015,(2):1-3.

[2]伍杰,沈继华.南水北调东线泵站的水机问题[J].水利规划与设计,2015,(1): 48-49.

[3]严登丰.泵站过流设施与截流闭锁装置[M].北京:中国水利水电出版社,2012,(1):122-133.

[4]扬州大学水利科学与工程学院.无锡市九里河、伯渎港水利枢纽泵站,泵装置模型试验研究报告,2016,(1):101-103.