探讨双向泵站进水流道优化水力设计

杜玲　王飞　佴永平

摘 要：当前，泵站的布置已经从以往的“一站四闸”模式变成了现在常用的出水流道型式和双向进型式，不仅使作业效率得到了提升，同时也节约了投资成本。在设计双向泵站的进水流道时，为了保证排、灌两种工况都有比较好的装置效率，就需要做好双向泵站的优化设计，提高水泵的设计性能。基于此，该文根据双向泵站进水流道的设计要求，对泵站进水流道水力的优化流程进行了分析探讨，并对优化结果进行了实验模拟，实验结果证明，文中所提出的优化措施使装置效率得到了显著改善，为类似泵站进水流道的水力优化提供了参考。

关键词：双向泵站 进水流道 优化水力 设计

中图分类号：TV135 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0200-02

进水流道是水泵叶轮室和泵站前池的过渡段，根据不同的水流方向可以分为双向进水流道和单向进水流道两种，其中双向进水流道主要包括平面锅式、箱涵式、拼式等类型。进水流道主要是为了将水引入水泵叶轮，使水流的方向发生转变。由于进水流道中水流的运动情况对泵的吸入条件有比较大的影响，如果进水流道设计不合理，不仅会对水泵的能量性能造成影响，并且还会影响水泵气蚀能力。导致机组产生剧烈震动，甚至出现无法运行的情况。因此，对泵站的进水流道进行优化设计具有重要意义。

1 双向泵站进水流道设计的基本要求

由于进水流道的水力设计会对泵站装置的水力性能造成比较大的影响，如果进水流态不佳，会导致泵站的空蚀性能、能量性能降低。在设计进水流道时，主要需要满足以下几个方面的要求：（1）要保证流道出口断面处的流速可以均匀分布，要保证水流方向和断面垂直；（2）流道中的水流要收缩均匀，水流转向要有序，不能有不良的流态存在；（3）要合理的设计流道控制大小；（4）要尽量降低流道水力的损失情况。

2 双向泵站进水流道水力设计的优化流程

2.1 确定具体的优化目标函数

（1）速度加权平均角度

（2）流动速度的分布均匀度

（3）进水流道水力的损失

在公式中指的是进水流道出口断面水流速度的平均值。

通过引入以上目标函数，提供了判断进水流场好坏的基本指标。理想情况下=90°，是最佳值。在实际设计中，是不可能达到理想值的。需要通过泵站进水流道的优化设计来使水流道的流场逐步靠近理想值。

2.2 计算进水流道水力的数学模型

在对双向泵站进水流道水利进行优化设计时，主要是以模拟流道中3D流场的数值为基础。使用雷诺平均N-S方程对水流场进行计算，然后利用k-X紊流模型将方程组闭合[1]。

3 对水泵装置进行试验模拟

为了对数模计算取得的初期成果进行验证，需要进行模型试验，并通过试验选出最加的流道大小和线型。观察进水流道中水的基本流动情况，确定流道进口的淹没深度。试验时，主要进行了装置能量试验、进水流态试验和流道进口临界淹没深度试验。

试验选择直径为350mm的水泵为模型，模型比例为4，根据类似工程的準则和数模优化计算结果确定流道的大小。为了防止流道中出现涡带，在进水流道中设置了导流锥。经观察，所有工况下进水的流态都比较均匀、平顺，水泵运行非常稳定，流道中没有出现涡带。

4 双向泵站进水流道水力的验证

通过对过去的试验结构进行分析总结后得出，对双向进水流道水力性能造成影响的参数主要有以下几个方面的内容：流道高度比HJ/D1、悬空高度比HB/D1、流道宽度比BJ/D1、喇叭管进口直径比DL/D1、流道长度比XL/D1、流道底板和水泵叶轮中心的距离HW/D1。为了可以更好的和模型的试验结果进行对比，使用单因素优化的方法对双向进水流道的相关参数进行优化，也就是在优化某一个参数时，假设其他的参数没有发生变化。一般情况下，在进行水力的计算和优化过程中，将XL/D1作为常数值。

4.1 喇叭管进口直径对装置性能和目标函数造成的影响

喇叭管就扣直径比DL/D1分别取为1.45、1.65，然后和1.80进行水利的优化计算。目标函数和最优装置的效率关系图如图1所示。经分析后得出。流速的均匀度受喇叭管进口直径的影响比较大。随着喇叭管直径的不断增加，均匀度也会逐渐升高。此外，在喇叭管进口直径产生变化时，对水流入泵的平均角影响也比较大。线性关系会随之降低。变化趋势刚好和流速的均匀度相反[2]。根据试验的结果可以看出。水泵最佳装置效率会在小范围中发生波动，出现这种情况主要是因为两个目标函数的变化趋势完全相反。所以，在一定范围中，喇叭管的直径发生变化并不会对性能造成比较大的影响。只是在没有喇叭管时，装置的工作效率会下降两个百分点。

4.2 流道宽度对装置性能和目标函数的影响

分别取2.268、2.568作为流道宽度比BJ/D1的数值，和2.868进行优化水力计算。经计算，当取值为2.268时，水泵进口断面的平均轴向速度=5.5，断面水流速度的平均值为91.25，速度加权平均角度为85.3；取值为2.568时，=5.5，取值为2.868时，取值为5.51。断面水流速度的平均值为92.08，速度加权平均角度为85.35。在一定的范围中，水流入泵平均角度受内流道宽度变化的影响不大。但是流速的均匀度会受到流道宽度的影响，宽度比在超过26后，影响程度会逐渐降低，和试验中最佳装置效率的变化趋势是相同的。在同样的流量条件下，流道宽度降低为2268后，装置的效率大约会降低0.81%左右，随着流量的增加，效率的降低幅度也会增加。

4.3 悬空高度对装置性能和目标函数的影响

分别取0.321、0.484作为悬空高度比HB/D1的数值和0.688进行水力优化计算。当取值为0.321时，水泵进口断面的平均轴向速度=5.48，断面水流速度的平均值为84.47，速度加权平均角度为85.31；取值为0.484时；取值为2.868时，水泵进口断面的平均轴向速度取值为5.51。断面水流速度的平均值为92.27，速度加权平均角度为85.49。在计算范围中，流速均匀度受悬空高度的影响比较大，当悬空高度比较低的时候，流速均匀度和悬空高度之间关系为线性递增关系，在悬空高度比超出0.6后，变化的趋势逐渐变得平缓，悬空高度对水流入泵的平均角度的影响会很低。从试验中不难看出，在悬空高度不断增加的情况下，装置效率会显著增加，增加值会带到2.90%。呈现出流量越大、效率越高的一种变化趋势。

5 试验验证推荐模型装置和尺寸

通过对以上双向泵站的优化水力进行计算，对试验结果进行对比分析后，建议双向泵站进水流道的宽度取值2.867、悬空高度的取值为0.483、喇叭口进口直径DL/D1为1.44、叶轮的中心高度HW/D1为1.283、流道的宽度HJ/D1为1.484、流道的长度为4.77。通过使用推荐的大小对装置模型进行试验分析，根据设计的基本尺寸和试验结果进行分析对比后，最好工况点的施工效率大概提升了6.2%左右，这中间还包含了对出水流道进行的优化。所以，双向泵站进水流道的优化后，平均效率提高了2.1%～3.1%左右。

6 结语

通过上文的分析不难看出，在一定的范围中，双向进水流道的主要参数会对水泵进口的流态造成比较大的影响。经过水利优化设计后，可以有效的对水泵入口流场的均匀性进行提升。而进水流道的宽度和悬空高度是对水泵进水流态造成影响的主要参数，这和试验结果是相同的。通过在实际工程中运用优化后的设计尺寸，双向泵站的实测效率很高，达到了75%，并且运行非常稳定。试验证明，以模型试验为辅，以三维紊流理论计算为主的方法对双向泵站进水流道进行优化设计是非常实用的，并且这种方法对于其它类型的进水流道水力设计来说也是适用的。

参考文献

[1] 陆林广，张仁田.方箱式双向进水流道的优化水力设计[J].水利水运科学研究，1997（1）：73-81.

[2] 傅宗甫，严忠民，叶舜涛，等.双向进水流道水力特性模型试验研究[J].水利水电科技进展，2001，21（5）：28-30，64-70.