低扬程泵站直管式出水流道水力优化设计分析

沈智宏

（广州市自来水公司石门水厂，广东 广州 510000）

低扬程泵站直管式出水流道水力优化设计分析

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

沈智宏

（广州市自来水公司石门水厂，广东 广州 510000）

本文以回收更多的水流动能、减少更多的水力损失和节约更多的土建费用为目标，阐述了低扬程泵站直管式出水流道的水力优化思路和优化方案，并且通过直管式出水流道模拟装置对优化后的出水流道的流态和水力损失进行了模拟分析。

低扬程泵站；直管式出水流道；水力优化

低扬程泵站直管式出水流道是现在应用较多的水流道的形式之一，具有施工方便、形状相对简单和启动的扬程较低等优点。在我国的南水北调工程中的万年闸、解台、刘山和淮安四站等多处的低扬程泵站都采用的是直管式的出水流道，这种形式的出水流道在我国以后的大型水泵工程的建设中还会有更多的体现。

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转向角要比90 °小，具有流态好和水力损失小的优点，适用于扬程较高的泵站；下降式的出水流道的转向角要比90 °大，所以水利损失比较严重；平管式的出水流道的转向角为90 °，一般应用于低扬程立式轴流泵站。立面方向出水流道布置尺寸紧张是直管式出水流道典型特点，是因上下游水位差较小。

2 水力优化设计的目标

直管式的出水流道一般是处于低扬程泵站水泵导叶出口和水池的过渡段，并且在尽可能损失较少的水力前提下最大限度的回收水的动能。

2.1 更多的回收水流动能

水泵导叶处水流的平均流速一般为4~5 m/s，设计时为了尽可能的把更多的动能转化为压能，根据《泵站设计规范》的规定，一般水流道出口的平均流速一般小于1.5 m/s。

2.2 更多减少水力损失

局部损失时低扬程泵站的出水流道的水力损失主要形式，主要是由流道内的流态决定，流道内产生的脱流和漩涡是出水流道水力损失的主要原因。另外，流道转向过急和流道扩散过快是出水流道出现脱流和漩涡的两个主要原因。首先，流道的转向必须不小于90 °，转向处的空间较小造成了流道转向急促，其次，低扬程泵站为了回收更多的动能，所以出口断面的尺寸一般设计比较大，但是又受费用的限制流道长度偏短，导致了流道平面方向的扩散角较大。

2.3 更多的减少土建费用

低扬程泵站的土建费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，需要投入土建的费用也就越高。低扬程泵站的土建费用必须控制合理范围内兼顾流道水力性能和土建费用两方面的要求。

3 低扬程泵站直管式出水流道的优化

3.1 低扬程泵站直管式出水流道优化思路

一般在泵站的扬程比较高的情况下，直管式的出水流道的弯管角度小于90 °，流道的水力损失也比较小。对于低扬程泵站的直管式出水流道而言，流道要做90 °的转向，这样流道的下部区域就会形成较大范围的回流，回流会使流道的水力损失增加。

3.2 低扬程泵站直管式出水流道优化方案

图1为低扬程泵站直管式出水流道优化方案的透视图，图2为这种优化方案的立面流场图，该流场图是利用的数值模拟的方法得到的。

图1 低扬程泵站直管式出水流道优化方案

图2 低扬程泵站直管式出水流道立面流场图

（1）在90°弯管处适当的增加立面方向的转弯半径，并且在其平面的方向作均匀的扩散。

（2）把闸门段归入到了平面方向和立面方向的渐变的扩散范围。

通过低扬程直管式出水流道的立面流场图可以看出立面方向的漩涡区得到了明显的改善。另外，优化后的直管式出水流道的流态被大幅度改善，流道内的水力损失也得到了显著的减少。

4 流道模型实验结果

4.1 直管式出水流道实验装置

直管式出水流道的实验装置为一套立式的循环系统。因为水泵出口处的环量是影响出水流道水力损失的一个重要因素，因此在进行实验室在出水流道前面安装了150 mm（叶轮直径）的模拟泵对泵站出口的水流条件进行模拟。

4.2 直管式出水流道内的流态

在进行未进行优化的模拟时，出水流道的水进入流道后，在立面方向会发生转向，导致水流流速分布不均匀，在流道的下部延伸到流道出口都有很大范围的回流区；在进行优化方案处理后，在进行90 °转向的半径变大并且转向过程也相对平稳，流速在转向过程中也逐步减小，转向后的平面扩散角也得到了减小，流道下面的漩涡范围明显减少。

4.3 直管式出水流道的水力损失

通过对实施优化方案前和优化方案后进行对比发现，两个直管式出水流道内的水力损失计算分别为0.796 m和0.643 m，经过优化方案后，流道内的水力损失比初始方案减少了0.153 m。

5 结束语

低扬程直管式出水流道的水流偏向上部导致了在流道的下面出现一定的漩涡区，进而导致流道内的水力损失增加。根据漩涡区产生的原因并结合实际情况对直管式出水流道进行水力优化，可以有效的改善流道内的水力性能和流道型线。

[1] 伍杰，秦钟建，陆林广，吴开平，冷豫，陈阿萍. 低扬程泵站直管式出水流道优化设计计算及模型试验研究[J]. 南水北调与水利科技，2005，06：16~18.

[2] 李彦军，颜红勤，葛强，杨敬江，严登丰. 大型低扬程泵装置优化设计与试验[J]. 农业工程学报，2010，09：144~148.

（R-03）

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

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.082

沈智宏（1981-），男，毕业于广东工业大学，本科学历，机械技术员，现为机械设备维护助理工程师。

2015-11-06