大型立式循環水泵的進水池內流場分析

浦海燕 ， 歐鳴雄 ，2， 嚴建華 ，2， 盛絳 ，2， 滕國榮 ，2

（1.江蘇雙達泵閥集團有限公司，江蘇靖江214537；2.江蘇省特種化工泵工程技術研究中心，江蘇靖江214537）

0 引言

近些年來，隨著國內外大型水利、火電和核電等工程的建設，對大型立式循環水泵機組的需求逐漸增加。此外，隨著國內的南水北調和城市排澇等建設工程的開展，各種大型泵站工程建設逐漸增加。目前的泵站裝置大多采用大型的立式循環水泵和開敞式的進水池結構，因此，有關大型立式循環水泵及其進水池的研究成為國內水利領域的重要課題。

進水池是大型立式循環水泵設施的重要組成部分，也是循環泵機組設計的重要環節。進水池流場形態會影響到立式循環泵的能量特性、汽蝕性能和穩定性。在實際的泵站等工程設計中，采用開敞式的進水池時，除了要保證立式循環泵的機組本身擁有良好的結構與水力性能以外，還要設計良好的進水池，使其具有合理的內流場分布，盡力降低其內部流場的渦旋和回旋等流動特征，使得進水池的內流場具有平順的水力吸入條件和較小的水力損失［1］。

為了提高大型立式循環水泵的運行穩定性和可靠性，進水池的設計應綜合考慮到多重因素的影響。本文介紹了大型立式循環水泵的進水池結構設計方法，采用數值模擬方法對進水池內流場進行了分析，獲得其內流場分布情況，可為進水池的結構優化提供有效的參考［2］。

1 開敞式進水池結構設計方法

1.1 進水池結構介紹

開敞式矩形進水池結構廣泛用于大型的立式循環泵機組及泵站工程中，該循環泵采用軸向吸入，整個泵機組位于進水池的后壁端附近。對于這種開敞式進水池而言，其結構形狀、尺寸和防渦板等均是影響葉輪吸入性能的重要因素。如圖1所示，進水池的主要結構尺寸包括：泵進口直徑Do、懸空高度Hp、水面深度Ho、后壁距T、側墻距C和進水池寬度B等。

1.2 主要結構尺寸設計方法

目前，業內主要根據以往的模型試驗結果設計進水池的主要結構尺寸，并形成了一定的設計規范和參考方法［3-4］。

1）泵進口直徑Do。泵進口直徑主要依據進口流速或葉輪進口直徑確定，根據國標GB50265-97等規范的要求，泵進口軸向流速應在1.0～1.5 m/s之間，流量越大則流速趨向于較大值。

圖1 進水池結構示意圖

2）懸空高度Hp。懸空高度一般為泵進口直徑Do的0.5～0.6倍，應盡量設計較小的懸空高度值。根據國標GB50265-97規定，對于垂直布置的大型立式水泵機組，其懸空高度應保持在泵進口直徑Do的0.6～0.8倍之間。

3）水面深度Ho。水面深度的設計對大型立式循環水泵的吸入性能具有重要影響，過低的水面深度會使得循環泵容易產生汽蝕、振動和噪聲。按照國標GB50265-97設計規范，水面深度值應大于（1.0～1.25）Do。

4）后壁距T。根據國標GB50265-97的規范，進水池后壁距T的設計值均保持在（0.8～1.0）Do之間。

5）其余尺寸。側墻距C和進水池寬度B等的設計應考慮到流量和泵進口直徑Do的大小，確保泵在啟動過程中的穩定性，同時應盡量設計較小值，以降低工程施工量和造價。

2 進水池內流場數值模型

2.1 計算域模型

進水池的計算域模型采用業內常用的三維造型軟件Pro/E進行造型，根據以往分析經驗，該計算域模型由進口段、水池、喇叭管和出口管段組成，如圖2所示。

圖2 進水池計算域模型

2.2 湍流模型及邊界條件

根據進水池流場的流動特征和以往分析經驗，采用修正的RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法，對流項采用二階迎風差分格式，擴散項為中心差分格式。

模型的進口假定為無旋均勻的軸向均勻流動邊界，在出口管假定流動已充分發展，設定為自由出流邊界條件，水池內壁等固體壁面采用無滑移條件，近壁區的流動采用對數率分布的壁面函數法處理，自由液面邊界按照對稱面處理。

3 結果分析

3.1 出口流場分析

根據上述分析結果，利用截面的流速分布均勻度β、流速加權吸入角φ和流道水力損失系數作為量化指標對進水池內流場進行量化評析，結果如表1。

表1 進水池分析量化指標結果

由表1可知，該進水池的量化指標結果基本滿足循環水泵的設計要求。

3.2 內部流場分布

喇叭管進口流場會直接影響葉輪吸入性能，在前述分析基礎上，可獲得進水池內部流線分布如圖3所示。

圖3 進水池內部流線分布

由圖3可知，喇叭管進口附近的流線分布均勻，進口附近沒有明顯的側壁及底面渦旋，從而證明了該導水結構良好的導流、阻渦效果及該方案的可行性。

4 結論

根據上述分析結果可知，該進水池的結構尺寸設計合理，其量化指標能夠滿足大型立式循環水泵的設計要求。在喇叭管進口附近，進水池的內流場流線分布均勻、平順，在導水結構附近沒有明顯的渦旋結構，該分析結果顯示了該進水池設計方案的可行性，可作為設計進水池結構尺寸的有效參考。

［1］ 歐鳴雄.AP1000海水循環泵研制及其內流場特性研究［D］.鎮江：江蘇大學，2013.

［2］ 吉紅香,邱靜,林美蘭,等.某核電廠一期工程循環水泵房進水流道物理模型試驗研究［J］.廣東水利水電，2010（10）：20-24.

［3］ 欒鴻儒.水泵及水泵站［M］.北京：中國水利水電出版社，1993.

［4］ GB50265-97 泵站設計規范［S］.