南水北調東線工程泗洪站進出水流道優化設計

杜 威，許朝瑞，白傳貞，顧 問

(南水北調東線江蘇水源有限責任公司 宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800)

泗洪站是南水北調東線一期工程江蘇境內運西線上的第四梯級泵站，工程位于泗洪縣朱湖鎮東南的徐洪河上(屬淮河流域)，距洪澤湖顧勒河口上游約16 km處，泗洪泵站與泗洪船閘、徐洪河節制閘、利民河排澇閘、排澇調節閘等共同組成泗洪站水利樞紐。泗洪站樞紐的主要任務是由洪澤湖抽水入徐洪河，與睢寧、邳州泵站一起，通過徐洪河向駱馬湖輸水，與中運河線共同向駱馬湖調水。

近年來，我國燈泡式貫流泵裝置應用較為廣泛，對低揚程水泵裝置流道型式的比選一般更加偏重于水力性能[1]。為確保泗洪泵站安全高效運行，滿足南水北調東線一期工程調度要求，對泗洪泵站的進出水流道進行三維流動數值模擬及優化水力計算分析是十分必要的。

1 基本資料

1.1 水泵及進出水流道

泗洪泵站安裝后置燈泡貫流泵5臺套(含1臺備機)，單機流量為30 m3/s，設計流量120 m3/s，采用平直管進出水流道。水泵葉輪直徑D0=3 050 mm，額定轉速n=107.14 r/min，葉輪中心安裝高程6.3 m，水泵水力模型型號為Ns2200MA34。進水流道進口寬度為7.5 m(2.50D0)，進水流道進口高度為5.0 m(1.66D0)，進水流道進口至水泵葉輪中心線的距離為10.7 m(3.56D0)。出水流道出口寬度為7.5 m(2.50D0)，出水流道出口高度為5.0 m(1.66D0)，水泵葉輪中心線至出水流道出口的距離為22.8 m(7.59D0)。

1.2 泵站運行特征水位和揚程

見表1。

表1 泗洪泵站運行特征水位和揚程

2 研究目的及研究內容

2.1 研究目的

對泗洪站燈泡式貫流泵裝置初步方案的進出水流道進行三維流場CFD分析，了解泗洪站貫流泵裝置初步方案進出水流道的流態和水力損失，并對泗洪站泵裝置效率進行預測。

通過CFD優化水力設計研究，實現泗洪站進出水流道水力性能的最優化，進一步完善泗洪站水泵裝置的水力設計。

2.2 研究主要內容

根據泗洪站燈泡式貫流泵裝置初步方案單線圖，對進出水流道進行三維流場CFD計算，給出設計流量下進出水流道的流場圖和流道水力損失計算值。其中，對進出水流道三維湍流流動的數值模擬采用的是目前應用最為廣泛的Fluent軟件，同時應用GAMBIT軟件完成進出水流道三維流動計算區域的建模和網格剖分工作[2]。

對泗洪站燈泡式貫流泵裝置初步方案進出水流道的水力性能作出評價，并對泗洪站泵裝置效率進行預測，提出進一步優化和完善泗洪站燈泡式貫流泵裝置水力設計的建議。

3 進出水流道水力優化目標

3.1 進水流道

貫流泵裝置的進水流道是前池與水泵葉輪室之間的過渡段，其作用是為了使水流在由前池流向葉輪室的過程中更好地收縮。對進水流道水力設計的要求[3]為：①流道內無渦流及其它不良流態；②流道出口斷面的流速分布盡可能均勻、水流方向盡可能垂直于出口斷面；③流道水力損失盡可能小；④流道控制尺寸取值合理。

3.2 出水流道

貫流泵裝置的出水流道是水泵出水導葉與出水池之間的過渡段，其作用是為了使水流在由水泵出口流向出水池的過程中更好地擴散，盡可能多地回收水流動能。對出水流道水力設計的要求為：①流道型線變化均勻，水流在由水泵出口流向出水池的過程中平穩有序地轉向和平緩均勻地擴散，充分回收水流的動能；②盡可能避免流道內產生渦流或脫流，最大限度地減少流道水力損失；③流道控制尺寸取值合理。

4 進水流道優化方案及計算結果

4.1 進水流道初步方案及計算結果

對泗洪站后置燈泡貫流泵裝置的進水流道在平均揚程工況(平均水位和設計流量)的條件下進行計算和分析。該方案的單線圖和流場圖見圖1和圖2，水力性能數值計算的主要結果見表2。可以得出，該方案的流速分布均勻度和水流入泵平均角度分別達到96.9%和89.4°，已達到較高水平，流道水力損失也很小。

圖1 泗洪站進水流道單線圖(初步方案)

圖2 泗洪站進水流道流場圖(初步方案)

4.2 進水流道優化方案及計算結果

在進水流道初步方案的基礎上，將流道長度縮短0.9 m，并將流道方變圓段的起點由第一道門槽提前至第二道門槽處；將流道出口附近的折線形椎管。該方案的單線圖見圖3，流場圖見圖4，水力性能數值計算的主要結果見表2。可以看到，優化方案的水力性能較初步方案有所提高。

圖3 泗洪站進水流道單線圖(優化方案)

圖4 泗洪站進水流道流場圖(優化方案)

表2 泗洪站進水流道優化水力計算主要結果匯總表

4.3 進水流道優化方案與初步方案的比較

上述計算結果表明，進水流道優化方案為較優方案。由流場圖可以看到，該方案進水流道內水流加速均勻；在流道出口段，流速分布均勻，水流的方向基本上垂直于流道出口斷面，可為水泵葉輪室進口提供理想的進水流態。由流場圖還可看到，在流道兩側的閘門槽內存在立軸漩渦。較優方案出口斷面的流速分布優于初步方案。

5 出水流道優化方案及計算結果

5.1 出水流道初步方案及計算結果

對泗洪站后置燈泡貫流泵裝置的出水流道在平均揚程工況(平均水位和設計流量)的條件下進行計算與分析，在流道控制尺寸允許范圍內對其進行優化水力設計研究。

泗洪站燈泡式貫流泵裝置出水流道初步方案的單線圖和透視圖見圖5，計算所得設計流量時的流道表面流場圖及主要剖面的流場圖見圖6。該方案設計流量時的水力損失計算值為0.224 m。

圖5 泗洪站出水流道單線圖(初步方案)

圖6 泗洪站出水流道流場圖(初步方案)

由流場圖可以看到，受導葉出口環量的影響，水流呈螺旋狀流入流道；受導葉出口環量的影響，流道內的水流流速分布明顯不對稱，順水流方向看，水流的主流偏于流道左側；受水流擴散流動的影響，燈泡體尾部和進入孔尾部區域均存在局部漩渦區。

5.2 出水流道優化方案及計算結果

考慮到為縮小燈泡體下方進入孔后部的渦流區等因素，優化方案在初步方案的基礎上，對進入孔的平面形狀進行優化，使其尾部型線的變化更為平緩；將出水流道圓變方段向水泵側移動5.6 m，并將過渡段長度由6.8 m減短為4.6 m，以增大燈泡體段的過流面積；將出水流道平面擴散段加長0.9 m，并將流道出口斷面底板高程抬高1 m；將出水流道門槽向出口側移動0.8 m，與閘門布置位置一致。該方案的單線圖見圖7，計算所得設計流量時的流道表面流場圖見圖8。該方案設計流量時的水力損失計算值為0.185 m，與初步方案相比水力損失明顯減小。

圖7 泗洪站出水流道單線圖(優化方案)

圖8 泗洪站出水流道流場圖(優化方案)

泗洪站燈泡貫流泵裝置出水流道各方案水力損失計算結果見表3。

表3 泗洪站燈泡貫流泵裝置出水流道各方案的水力損失計算結果

5.3 出水流道優化方案與初步方案的比較

計算結果表明，出水流道優化方案為較優方案，設計流量時的流道水力損失較初步方案減小0.039 m。與出水流道初步方案相比較，優化方案主要作了以下幾點改進：①對進入孔尾部型線進行了優化；②將流道圓變方段向水泵側移動并縮短其長度；③將流道擴散段加長，并將流道出口底板抬高；④使門槽位置與閘門布置方案一致。

6 泵裝置效率

表4為南水北調東線工程采用貫流泵裝置7座泵站的平均揚程[4]。泗洪站平均揚程為1.6 m，是南水北調東線工程中平均揚程最低的泵站。

表4 0.25 m流道水力損失對貫流泵平均揚程工況流道效率的影響

由于泵裝置效率為水泵效率和流道效率的乘積：

η泵裝置=η水泵·η流道

對于確定的泵裝置揚程,流道效率完全決定于流道水力損失：

上式表明，揚程越低，流道水力損失對流道效率的影響越大。根據計算，表4為7座相關泵站在流道水力損失為0.25 m的條件下平均揚程的流道效率。由表4可見，在平均揚程工況且流道水力損失均為0.25 m的條件下，泗洪站的流道效率比金湖站低2.9%。由此可見，在南水北調東線工程選用貫流泵的泵站中，泗洪站對流道水力損失的要求是最為嚴格的。

泗洪站泵裝置在平均揚程工況(Q=30 m3/s，H=1.6 m)的能量性能預測結果見表5。

表5 泗洪站平均揚程工況(Q=30 m3/s，H=1.6 m)泵裝置能量性能預測

7 結 語

泗洪站進出水流道水力優化計算結果表明，泗洪站平均揚程較低，僅為1.6 m，為達到泵裝置效率的要求，對限制流道水力損失的要求較高。泗洪站泵裝置初步方案的泵裝置效率與東線一期工程其他貫流泵站尚有一定差距，有必要對流道進行非常充分的優化水力設計；泗洪站進出水流道優化方案可使平均揚程工況的流道效率提高2.3%，可以獲得優異的水力性能。