探討雙向泵站進(jìn)水流道優(yōu)化水力設(shè)計

杜玲　王飛　佴永平

摘 要：當(dāng)前，泵站的布置已經(jīng)從以往的“一站四閘”模式變成了現(xiàn)在常用的出水流道型式和雙向進(jìn)型式，不僅使作業(yè)效率得到了提升，同時也節(jié)約了投資成本。在設(shè)計雙向泵站的進(jìn)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(yōu)化設(shè)計，提高水泵的設(shè)計性能。基于此，該文根據(jù)雙向泵站進(jìn)水流道的設(shè)計要求，對泵站進(jìn)水流道水力的優(yōu)化流程進(jìn)行了分析探討，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了實驗?zāi)M，實驗結(jié)果證明，文中所提出的優(yōu)化措施使裝置效率得到了顯著改善，為類似泵站進(jìn)水流道的水力優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：雙向泵站 進(jìn)水流道 優(yōu)化水力 設(shè)計

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

進(jìn)水流道是水泵葉輪室和泵站前池的過渡段，根據(jù)不同的水流方向可以分為雙向進(jìn)水流道和單向進(jìn)水流道兩種，其中雙向進(jìn)水流道主要包括平面鍋式、箱涵式、拼式等類型。進(jìn)水流道主要是為了將水引入水泵葉輪，使水流的方向發(fā)生轉(zhuǎn)變。由于進(jìn)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(jìn)水流道設(shè)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(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生劇烈震動，甚至出現(xiàn)無法運行的情況。因此，對泵站的進(jìn)水流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

1 雙向泵站進(jìn)水流道設(shè)計的基本要求

由于進(jìn)水流道的水力設(shè)計會對泵站裝置的水力性能造成比較大的影響，如果進(jìn)水流態(tài)不佳，會導(dǎo)致泵站的空蝕性能、能量性能降低。在設(shè)計進(jìn)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(zhuǎn)向要有序，不能有不良的流態(tài)存在；（3）要合理的設(shè)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(jìn)水流道水力設(shè)計的優(yōu)化流程

2.1 確定具體的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

（1）速度加權(quán)平均角度

（2）流動速度的分布均勻度

（3）進(jìn)水流道水力的損失

在公式中指的是進(jìn)水流道出口斷面水流速度的平均值。

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

2.2 計算進(jìn)水流道水力的數(shù)學(xué)模型

在對雙向泵站進(jìn)水流道水利進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，主要是以模擬流道中3D流場的數(shù)值為基礎(chǔ)。使用雷諾平均N-S方程對水流場進(jìn)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(jìn)行試驗?zāi)M

為了對數(shù)模計算取得的初期成果進(jìn)行驗證，需要進(jìn)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(jìn)水流道中水的基本流動情況，確定流道進(jìn)口的淹沒深度。試驗時，主要進(jìn)行了裝置能量試驗、進(jìn)水流態(tài)試驗和流道進(jìn)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(jù)類似工程的準(zhǔn)則和數(shù)模優(yōu)化計算結(jié)果確定流道的大小。為了防止流道中出現(xiàn)渦帶，在進(jìn)水流道中設(shè)置了導(dǎo)流錐。經(jīng)觀察，所有工況下進(jìn)水的流態(tài)都比較均勻、平順，水泵運行非常穩(wěn)定，流道中沒有出現(xiàn)渦帶。

4 雙向泵站進(jìn)水流道水力的驗證

通過對過去的試驗結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析總結(jié)后得出，對雙向進(jìn)水流道水力性能造成影響的參數(shù)主要有以下幾個方面的內(nèi)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(jìn)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(jié)果進(jìn)行對比，使用單因素優(yōu)化的方法對雙向進(jìn)水流道的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也就是在優(yōu)化某一個參數(shù)時，假設(shè)其他的參數(shù)沒有發(fā)生變化。一般情況下，在進(jìn)行水力的計算和優(yōu)化過程中，將XL/D1作為常數(shù)值。

4.1 喇叭管進(jìn)口直徑對裝置性能和目標(biāo)函數(shù)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(jìn)行水利的優(yōu)化計算。目標(biāo)函數(shù)和最優(yōu)裝置的效率關(guān)系圖如圖1所示。經(jīng)分析后得出。流速的均勻度受喇叭管進(jìn)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(jìn)口直徑產(chǎn)生變化時，對水流入泵的平均角影響也比較大。線性關(guān)系會隨之降低。變化趨勢剛好和流速的均勻度相反[2]。根據(jù)試驗的結(jié)果可以看出。水泵最佳裝置效率會在小范圍中發(fā)生波動，出現(xiàn)這種情況主要是因為兩個目標(biāo)函數(shù)的變化趨勢完全相反。所以，在一定范圍中，喇叭管的直徑發(fā)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(biāo)函數(shù)的影響

分別取2.268、2.568作為流道寬度比BJ/D1的數(shù)值，和2.868進(jìn)行優(yōu)化水力計算。經(jīng)計算，當(dāng)取值為2.268時，水泵進(jìn)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(quán)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(quán)平均角度為85.35。在一定的范圍中，水流入泵平均角度受內(nèi)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(biāo)函數(shù)的影響

分別取0.321、0.484作為懸空高度比HB/D1的數(shù)值和0.688進(jìn)行水力優(yōu)化計算。當(dāng)取值為0.321時，水泵進(jìn)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(quán)平均角度為85.31；取值為0.484時；取值為2.868時，水泵進(jìn)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(quán)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(dāng)懸空高度比較低的時候，流速均勻度和懸空高度之間關(guān)系為線性遞增關(guān)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(xiàn)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(yōu)化水力進(jìn)行計算，對試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析后，建議雙向泵站進(jìn)水流道的寬度取值2.867、懸空高度的取值為0.483、喇叭口進(jìn)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(jìn)行試驗分析，根據(jù)設(shè)計的基本尺寸和試驗結(jié)果進(jìn)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(jìn)行的優(yōu)化。所以，雙向泵站進(jìn)水流道的優(yōu)化后，平均效率提高了2.1%～3.1%左右。

6 結(jié)語

通過上文的分析不難看出，在一定的范圍中，雙向進(jìn)水流道的主要參數(shù)會對水泵進(jìn)口的流態(tài)造成比較大的影響。經(jīng)過水利優(yōu)化設(shè)計后，可以有效的對水泵入口流場的均勻性進(jìn)行提升。而進(jìn)水流道的寬度和懸空高度是對水泵進(jìn)水流態(tài)造成影響的主要參數(shù)，這和試驗結(jié)果是相同的。通過在實際工程中運用優(yōu)化后的設(shè)計尺寸，雙向泵站的實測效率很高，達(dá)到了75%，并且運行非常穩(wěn)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(jìn)水流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是非常實用的，并且這種方法對于其它類型的進(jìn)水流道水力設(shè)計來說也是適用的。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸林廣，張仁田.方箱式雙向進(jìn)水流道的優(yōu)化水力設(shè)計[J].水利水運科學(xué)研究，1997（1）：73-81.

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