泗陽二站進水流道優化設計

趙水汨，張前進，楊 模

（江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 概述

泗陽二站位于江蘇省泗陽縣城東郊，屬于江蘇省淮水北調第一梯級和江水北調第四梯級，其主要作用是抽引由二河閘下泄的淮水或淮陰站轉送的江水，以滿足泗陽以北徐淮區工農業生產、生活及中運河航運用水之需要，還可利用上游來水發電。自1997 年3 月以來，已正式投入運行20 多年。

該站為堤身式泵房結構，采用肘形進水流道和虹吸式出水流道，裝有2.8ZLQ-7.0 液壓全調節軸流泵，配套TL2800-40／3250 立式同步電動機2 臺套，設計流量66 m3／s，設計揚程7.0 m。水泵葉輪直徑2.85 m，轉速150 r／min，配套電機容量為2800 kW。

泗陽二站自建成以后，經過多年長時間的運行，加上水情和工情也發生了變化，原水泵揚程偏高，致使水泵裝置常常偏離高效區運行，存在機組振動大、導葉導流帽脫落、葉片調節油管漏油等問題。通過安全鑒定，機電設備安全類別定為四類，金屬結構定為二類、建筑物評定為二類，綜合評定為三類泵站。為保證泗陽二站安全高效運行，經批準，決定對其進行加固改造。

2 現狀進水流道的水泵進水條件分析和水力損失計算

2.1 現狀肘形進水流道的水泵進水條件分析

泗陽二站現狀肘形進水流道的設計見圖1。進口高度5.705 m（2.001 D0），進口寬度7.10 m（2.491 D0），在設計工況下，流道進口斷面的平均流速為0.916 m／s。肘形進水流道中設有0.6 m 寬中隔墩，流道高度4.866 m（1.707 D0），流道出口直徑3.026 m。

圖1 現狀肘形進水流道剖面

圖2 現狀肘形進水流道CFD 分析模型和網格剖分圖

圖3 為進水流道出口斷面上的全流速分布圖和軸向流速分布圖，可看出流道出口斷面上右側流速高，左側流速低，流速分布比較均勻。

圖3 現狀進水流道出口斷面上的流速分布圖（單位：m/s）

根據現狀進水流道CFD 數值計算結果，計算出設計工況下現狀進水流道出口斷面所提供的進水條件。表1 表明，現狀進水流道在設計工況下，進口軸向流速分布均勻度為94.65%，入泵水流最大偏流角為4.945°，加權平均偏流角為2.676°，為水泵提供的進水條件一般。

表1 現狀肘形進水流道提供的水泵進水條件計算結果

2.2 現狀肘形進水流道水力損失計算

根據現狀肘形進水流道CFD 分析獲得進、出口斷面上計算節點的流速和壓力值，應用伯努里方程，采用后處理程序進行數據處理，即可計算出不同流量下的進水流道的水力損失值。圖4 所示為現狀肘形進水流道的水力損失曲線。

CFD 分析結果表明，在計算流量范圍內，現狀進水流道的水力損失隨流量增加而增加，基本符合二次拋物線分布規律。在模型泵裝置設計流量0.366 m3／s 工況下，對應于原型泵裝置流量33 m3／s 時，進水流道的水力損失為0.230 m。圖4 為換算到原型泵裝置時的進水流道水力損失曲線。

圖4 現狀肘形進水流道水力損失曲線

3 肘形進水流道優化設計

進水流道內的水流運動是較為復雜的三維紊流流動。對進水流道進行大規模的加固改造，在實際泵站工程中是比較困難的，受已有水工結構布置、尺寸限制和建筑物安全等因素的影響。本研究在泗陽二站現狀進水流道設計參數，運用CAD 與CFD 相結合的三維設計技術，針對原水泵2850 mm和2950 mm 兩種葉輪直徑，重新設計了4 個進水流道設計方案，主要設計參數見表2。

表2 重新設計的肘形進水流道與現狀流道設計參數對比

新設計的4個肘形進水流道單線剖面圖和平面圖見圖5。

圖5 新設計的肘形進水流道單線剖面圖和平面圖

圖6 新設計的肘形進水流道三維造型和網格剖分

4 優化設計方案進水條件和水力損失比較

運用大型商用CFD 分析軟件FLUENT，采用由紊流模型封閉的雷諾時均Navier-Stokes 動量方程組、有限體積法和SIMPLE 速度和壓力耦合算法，針對上述4 個進水流道優化設計方案，在設計流量下，進行進水流道內流分析，借助數據處理軟件，從泵裝置內部流態、水泵進水條件、進出水流道水力損失和裝置效率等方面進行性能分析和比較。

4.1 優化設計方案進水條件比較

圖7 進水流道出口斷面上的流速分布圖（單位：m/s）

根據水泵裝置設計流量下不同進水流道內流數值模擬結果，即可進行4 種進水流道設計方案進水條件的計算，并與現狀進水流道所提供的進水條件進行比較，見表3。

表3 優化設計進水流道與現狀進水流道進水條件比較

由表3 可知，在泗陽二站泵站技術改造中，無論原型泵葉輪直徑是2850 mm，還是增大到2950 mm，在縮小進水流道寬度或保持原進水流道寬度的情況下，4 個優化設計的進水流道的進水條件都優于現狀進水流道提供的進水條件，入泵水流的各軸向流速分布均勻度提高了2%以上，最大偏流角都有所減小，加權平均的入泵水流偏流角減小幅度大于0.6°。

4.2 優化設計方案的水力損失計算

根據4 個優化設計進水流道的CFD 數值計算結果，由進水流道進、出口斷面上計算結點的流速值和壓力值，應用伯努里方程，采用后處理程序，即可計算出不同流量下各個進水流道設計方案的水力損失值。表4 為設計流量下，4 個優化設計進水流道現狀進水流道的水力損失比較。

表4 5 個進水流道設計方案水力損失的比較

表4 表明，與現狀進水流道相比，優化設計都使進水流道的水力損失有所降低。保持水泵葉輪直徑不變，進口較寬的進水流道設計方案，由于內部流速相對較低，可獲得較小的水力損失。但是，在葉輪直徑不變和進水流道長度一定的情況下，為追求較大的過水面積，在距離彎頭較近的距離時才開始收縮，則由于收縮長度較短，使得側向收縮過快，造成軸向流速分布度降低，入泵水流偏流角增大，影響水泵進水條件。

對于新建泵站，減小進水流道的進口寬度，有利于縮短泵房長度，對節省泵站土建投資是有效果的。但是，對于加固改造的泵站而言，進水流道的寬度已經確定，即使原進水流道的進口寬度較大，也不一定需要縮小。因為水泵進水條件中的二個指標―軸向流速分布均勻度與偏流角，并不反映流道水力損失的大小。反過來說，水力損失小的進水流道設計方案，并不一定能提供良好的水泵進水條件。在進水流道水力設計和優化過程中，必須同時兼顧水泵的進水條件和流道水力損失兩個因素。

5 結論

根據CFD 分析結果，泗陽二站在加固改造中宜采用進口寬度為7100 mm 優化設計的肘形進水流道，為水泵提供良好的進水條件，減小水力損失，提高水泵裝置效率。