探討雙向泵站進水流道優化水力設計

杜玲　王飛　佴永平

摘 要：當前，泵站的布置已經從以往的“一站四閘”模式變成了現在常用的出水流道型式和雙向進型式，不僅使作業效率得到了提升，同時也節約了投資成本。在設計雙向泵站的進水流道時，為了保證排、灌兩種工況都有比較好的裝置效率，就需要做好雙向泵站的優化設計，提高水泵的設計性能。基于此，該文根據雙向泵站進水流道的設計要求，對泵站進水流道水力的優化流程進行了分析探討，并對優化結果進行了實驗模擬，實驗結果證明，文中所提出的優化措施使裝置效率得到了顯著改善，為類似泵站進水流道的水力優化提供了參考。

關鍵詞：雙向泵站 進水流道 優化水力 設計

中圖分類號：TV135 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0200-02

進水流道是水泵葉輪室和泵站前池的過渡段，根據不同的水流方向可以分為雙向進水流道和單向進水流道兩種，其中雙向進水流道主要包括平面鍋式、箱涵式、拼式等類型。進水流道主要是為了將水引入水泵葉輪，使水流的方向發生轉變。由于進水流道中水流的運動情況對泵的吸入條件有比較大的影響，如果進水流道設計不合理，不僅會對水泵的能量性能造成影響，并且還會影響水泵氣蝕能力。導致機組產生劇烈震動，甚至出現無法運行的情況。因此，對泵站的進水流道進行優化設計具有重要意義。

1 雙向泵站進水流道設計的基本要求

由于進水流道的水力設計會對泵站裝置的水力性能造成比較大的影響，如果進水流態不佳，會導致泵站的空蝕性能、能量性能降低。在設計進水流道時，主要需要滿足以下幾個方面的要求：（1）要保證流道出口斷面處的流速可以均勻分布，要保證水流方向和斷面垂直；（2）流道中的水流要收縮均勻，水流轉向要有序，不能有不良的流態存在；（3）要合理的設計流道控制大小；（4）要盡量降低流道水力的損失情況。

2 雙向泵站進水流道水力設計的優化流程

2.1 確定具體的優化目標函數

（1）速度加權平均角度

（2）流動速度的分布均勻度

（3）進水流道水力的損失

在公式中指的是進水流道出口斷面水流速度的平均值。

通過引入以上目標函數，提供了判斷進水流場好壞的基本指標。理想情況下=90°，是最佳值。在實際設計中，是不可能達到理想值的。需要通過泵站進水流道的優化設計來使水流道的流場逐步靠近理想值。

2.2 計算進水流道水力的數學模型

在對雙向泵站進水流道水利進行優化設計時，主要是以模擬流道中3D流場的數值為基礎。使用雷諾平均N-S方程對水流場進行計算，然后利用k-X紊流模型將方程組閉合[1]。

3 對水泵裝置進行試驗模擬

為了對數模計算取得的初期成果進行驗證，需要進行模型試驗，并通過試驗選出最加的流道大小和線型。觀察進水流道中水的基本流動情況，確定流道進口的淹沒深度。試驗時，主要進行了裝置能量試驗、進水流態試驗和流道進口臨界淹沒深度試驗。

試驗選擇直徑為350mm的水泵為模型，模型比例為4，根據類似工程的準則和數模優化計算結果確定流道的大小。為了防止流道中出現渦帶，在進水流道中設置了導流錐。經觀察，所有工況下進水的流態都比較均勻、平順，水泵運行非常穩定，流道中沒有出現渦帶。

4 雙向泵站進水流道水力的驗證

通過對過去的試驗結構進行分析總結后得出，對雙向進水流道水力性能造成影響的參數主要有以下幾個方面的內容：流道高度比HJ/D1、懸空高度比HB/D1、流道寬度比BJ/D1、喇叭管進口直徑比DL/D1、流道長度比XL/D1、流道底板和水泵葉輪中心的距離HW/D1。為了可以更好的和模型的試驗結果進行對比，使用單因素優化的方法對雙向進水流道的相關參數進行優化，也就是在優化某一個參數時，假設其他的參數沒有發生變化。一般情況下，在進行水力的計算和優化過程中，將XL/D1作為常數值。

4.1 喇叭管進口直徑對裝置性能和目標函數造成的影響

喇叭管就扣直徑比DL/D1分別取為1.45、1.65，然后和1.80進行水利的優化計算。目標函數和最優裝置的效率關系圖如圖1所示。經分析后得出。流速的均勻度受喇叭管進口直徑的影響比較大。隨著喇叭管直徑的不斷增加，均勻度也會逐漸升高。此外，在喇叭管進口直徑產生變化時，對水流入泵的平均角影響也比較大。線性關系會隨之降低。變化趨勢剛好和流速的均勻度相反[2]。根據試驗的結果可以看出。水泵最佳裝置效率會在小范圍中發生波動，出現這種情況主要是因為兩個目標函數的變化趨勢完全相反。所以，在一定范圍中，喇叭管的直徑發生變化并不會對性能造成比較大的影響。只是在沒有喇叭管時，裝置的工作效率會下降兩個百分點。

4.2 流道寬度對裝置性能和目標函數的影響

分別取2.268、2.568作為流道寬度比BJ/D1的數值，和2.868進行優化水力計算。經計算，當取值為2.268時，水泵進口斷面的平均軸向速度=5.5，斷面水流速度的平均值為91.25，速度加權平均角度為85.3；取值為2.568時，=5.5，取值為2.868時，取值為5.51。斷面水流速度的平均值為92.08，速度加權平均角度為85.35。在一定的范圍中，水流入泵平均角度受內流道寬度變化的影響不大。但是流速的均勻度會受到流道寬度的影響，寬度比在超過26后，影響程度會逐漸降低，和試驗中最佳裝置效率的變化趨勢是相同的。在同樣的流量條件下，流道寬度降低為2268后，裝置的效率大約會降低0.81%左右，隨著流量的增加，效率的降低幅度也會增加。

4.3 懸空高度對裝置性能和目標函數的影響

分別取0.321、0.484作為懸空高度比HB/D1的數值和0.688進行水力優化計算。當取值為0.321時，水泵進口斷面的平均軸向速度=5.48，斷面水流速度的平均值為84.47，速度加權平均角度為85.31；取值為0.484時；取值為2.868時，水泵進口斷面的平均軸向速度取值為5.51。斷面水流速度的平均值為92.27，速度加權平均角度為85.49。在計算范圍中，流速均勻度受懸空高度的影響比較大，當懸空高度比較低的時候，流速均勻度和懸空高度之間關系為線性遞增關系，在懸空高度比超出0.6后，變化的趨勢逐漸變得平緩，懸空高度對水流入泵的平均角度的影響會很低。從試驗中不難看出，在懸空高度不斷增加的情況下，裝置效率會顯著增加，增加值會帶到2.90%。呈現出流量越大、效率越高的一種變化趨勢。

5 試驗驗證推薦模型裝置和尺寸

通過對以上雙向泵站的優化水力進行計算，對試驗結果進行對比分析后，建議雙向泵站進水流道的寬度取值2.867、懸空高度的取值為0.483、喇叭口進口直徑DL/D1為1.44、葉輪的中心高度HW/D1為1.283、流道的寬度HJ/D1為1.484、流道的長度為4.77。通過使用推薦的大小對裝置模型進行試驗分析，根據設計的基本尺寸和試驗結果進行分析對比后，最好工況點的施工效率大概提升了6.2%左右，這中間還包含了對出水流道進行的優化。所以，雙向泵站進水流道的優化后，平均效率提高了2.1%～3.1%左右。

6 結語

通過上文的分析不難看出，在一定的范圍中，雙向進水流道的主要參數會對水泵進口的流態造成比較大的影響。經過水利優化設計后，可以有效的對水泵入口流場的均勻性進行提升。而進水流道的寬度和懸空高度是對水泵進水流態造成影響的主要參數，這和試驗結果是相同的。通過在實際工程中運用優化后的設計尺寸，雙向泵站的實測效率很高，達到了75%，并且運行非常穩定。試驗證明，以模型試驗為輔，以三維紊流理論計算為主的方法對雙向泵站進水流道進行優化設計是非常實用的，并且這種方法對于其它類型的進水流道水力設計來說也是適用的。

參考文獻

[1] 陸林廣，張仁田.方箱式雙向進水流道的優化水力設計[J].水利水運科學研究，1997（1）：73-81.

[2] 傅宗甫，嚴忠民，葉舜濤，等.雙向進水流道水力特性模型試驗研究[J].水利水電科技進展，2001，21（5）：28-30，64-70.