低揚程泵站直管式出水流道水力優化設計分析

沈智宏

（廣州市自來水公司石門水廠，廣東 廣州 510000）

低揚程泵站直管式出水流道水力優化設計分析

Design and analysis of hydraulic optimization for straight tube outlet conduit of low lift pumping station

沈智宏

（廣州市自來水公司石門水廠，廣東 廣州 510000）

本文以回收更多的水流動能、減少更多的水力損失和節約更多的土建費用為目標，闡述了低揚程泵站直管式出水流道的水力優化思路和優化方案，并且通過直管式出水流道模擬裝置對優化后的出水流道的流態和水力損失進行了模擬分析。

低揚程泵站；直管式出水流道；水力優化

低揚程泵站直管式出水流道是現在應用較多的水流道的形式之一，具有施工方便、形狀相對簡單和啟動的揚程較低等優點。在我國的南水北調工程中的萬年閘、解臺、劉山和淮安四站等多處的低揚程泵站都采用的是直管式的出水流道，這種形式的出水流道在我國以后的大型水泵工程的建設中還會有更多的體現。

1 直管式出水流道概述

上升式、平管式和下降式是直管式出水流道的主要形式。其中上升式的出水流道的轉向角要比90 °小，具有流態好和水力損失小的優點，適用于揚程較高的泵站；下降式的出水流道的轉向角要比90 °大，所以水利損失比較嚴重；平管式的出水流道的轉向角為90 °，一般應用于低揚程立式軸流泵站。立面方向出水流道布置尺寸緊張是直管式出水流道典型特點，是因上下游水位差較小。

2 水力優化設計的目標

直管式的出水流道一般是處于低揚程泵站水泵導葉出口和水池的過渡段，并且在盡可能損失較少的水力前提下最大限度的回收水的動能。

2.1 更多的回收水流動能

水泵導葉處水流的平均流速一般為4~5 m/s，設計時為了盡可能的把更多的動能轉化為壓能，根據《泵站設計規范》的規定，一般水流道出口的平均流速一般小于1.5 m/s。

2.2 更多減少水力損失

局部損失時低揚程泵站的出水流道的水力損失主要形式，主要是由流道內的流態決定，流道內產生的脫流和漩渦是出水流道水力損失的主要原因。另外，流道轉向過急和流道擴散過快是出水流道出現脫流和漩渦的兩個主要原因。首先，流道的轉向必須不小于90 °，轉向處的空間較小造成了流道轉向急促，其次，低揚程泵站為了回收更多的動能，所以出口斷面的尺寸一般設計比較大，但是又受費用的限制流道長度偏短，導致了流道平面方向的擴散角較大。

2.3 更多的減少土建費用

低揚程泵站的土建費用往往是和直管式的出水流道的水力性能是相矛盾的。一般出水流道的水力性能越好，需要投入土建的費用也就越高。低揚程泵站的土建費用必須控制合理范圍內兼顧流道水力性能和土建費用兩方面的要求。

3 低揚程泵站直管式出水流道的優化

3.1 低揚程泵站直管式出水流道優化思路

一般在泵站的揚程比較高的情況下，直管式的出水流道的彎管角度小于90 °，流道的水力損失也比較小。對于低揚程泵站的直管式出水流道而言，流道要做90 °的轉向，這樣流道的下部區域就會形成較大范圍的回流，回流會使流道的水力損失增加。

3.2 低揚程泵站直管式出水流道優化方案

圖1為低揚程泵站直管式出水流道優化方案的透視圖，圖2為這種優化方案的立面流場圖，該流場圖是利用的數值模擬的方法得到的。

圖1 低揚程泵站直管式出水流道優化方案

圖2 低揚程泵站直管式出水流道立面流場圖

（1）在90°彎管處適當的增加立面方向的轉彎半徑，并且在其平面的方向作均勻的擴散。

（2）把閘門段歸入到了平面方向和立面方向的漸變的擴散范圍。

通過低揚程直管式出水流道的立面流場圖可以看出立面方向的漩渦區得到了明顯的改善。另外，優化后的直管式出水流道的流態被大幅度改善，流道內的水力損失也得到了顯著的減少。

4 流道模型實驗結果

4.1 直管式出水流道實驗裝置

直管式出水流道的實驗裝置為一套立式的循環系統。因為水泵出口處的環量是影響出水流道水力損失的一個重要因素，因此在進行實驗室在出水流道前面安裝了150 mm（葉輪直徑）的模擬泵對泵站出口的水流條件進行模擬。

4.2 直管式出水流道內的流態

在進行未進行優化的模擬時，出水流道的水進入流道后，在立面方向會發生轉向，導致水流流速分布不均勻，在流道的下部延伸到流道出口都有很大范圍的回流區；在進行優化方案處理后，在進行90 °轉向的半徑變大并且轉向過程也相對平穩，流速在轉向過程中也逐步減小，轉向后的平面擴散角也得到了減小，流道下面的漩渦范圍明顯減少。

4.3 直管式出水流道的水力損失

通過對實施優化方案前和優化方案后進行對比發現，兩個直管式出水流道內的水力損失計算分別為0.796 m和0.643 m，經過優化方案后，流道內的水力損失比初始方案減少了0.153 m。

5 結束語

低揚程直管式出水流道的水流偏向上部導致了在流道的下面出現一定的漩渦區，進而導致流道內的水力損失增加。根據漩渦區產生的原因并結合實際情況對直管式出水流道進行水力優化，可以有效的改善流道內的水力性能和流道型線。

[1] 伍杰，秦鐘建，陸林廣，吳開平，冷豫，陳阿萍. 低揚程泵站直管式出水流道優化設計計算及模型試驗研究[J]. 南水北調與水利科技，2005，06：16~18.

[2] 李彥軍，顏紅勤，葛強，楊敬江，嚴登豐. 大型低揚程泵裝置優化設計與試驗[J]. 農業工程學報，2010，09：144~148.

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1009-797X (2015) 24-0202-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.082

沈智宏（1981-），男，畢業于廣東工業大學，本科學歷，機械技術員，現為機械設備維護助理工程師。

2015-11-06