如皋焦港泵站大型潜水卧式贯流泵装置CFD分析与建议

王 宁 张伟进 朱红耕

（1.合肥恒大江海泵业股份有限公司 合肥 230000 2.扬州大学水利科学与工程学院 扬州 225127）

1 项目基本资料

江苏省如皋市焦港泵站工程位于焦港闸东侧，距焦港河入江口4.08km 处，是如皋市提引江水，增强水资源调控能力的控制工程之一，为Ⅱ等大（2）型工程。焦港泵站工程建设内容为新建焦港泵站及上、下游引河工程，以及水保工程、环保工程、工程管理设施、水文基础设施等。其中泵站工程采用块基型结构布置，平直管进、出水流道，快速闸门断流，液压启闭机启闭。

焦港泵站安装5 台潜水贯流泵机组，焦港泵站总设计抽水流量为50m3/s，主电机的供电电压等级为10kV，单机容量500kW，总装机容量2500kW。潜水电机通过行星齿轮与水泵实现间接传动。主要任务是抽引长江水确保内河水位稳定。泵站年运行约2490h 左右。

焦港泵站运行特征水位和扬程表如表1所示。在考虑清污机、拦污栅及门槽水头损失0.30m 后，泵站设计总扬程为1.935m，最大总扬程为3.8m。

焦港泵站流道层平面图如图1所示，水泵安装高程为-3.70m。进水流道进口底板高程为-4.95m，顶板高程为-1.95m，进口断面高3.00m，宽4.50m。泵房底板长度为30.00m，进水流道的进口到出水流道出口的长度为25.08m，进水流道进口到进水池的距离为3.02m，进水流道进口到叶轮中心线的距离为6.08m，出水流道出口到出水池进口的距离为1.90m。

结合潜水贯流泵装置进出水流道布置，水泵装置总长25.08m，其中：进水流道长5.7m，叶轮室+导叶体长1.88m，包括传动齿轮+电机段在内的出水流道长17.5m。

表1 焦港泵站运行特征水位和扬程表

焦港泵站潜水贯流泵机组主要设计参数：潜水贯流泵叶轮直径D0＝2.0m；潜水贯流泵转速n ＝180r/min；叶轮中心安装高程-3.70m；叶片安放角为-3°；潜水电机外径为1.05m；导叶体出口直径2.50m。潜水电机外壳与外层流道之间采用8 块厚40mm 的筋板均布支撑，夹角为45°。原型贯流泵段性能曲线如图2所示。

2 焦港泵站贯流泵装置进、出水流道CFD 分析优化

2.1 优化原则

控制尺寸合理，流道型线平顺，在各种工况下，进水流道内不应产生涡带或其他不良流态；进水流道的各断面面积沿程变化尽可能均匀，出口断面处的流速取值合理，压力比较均匀，将水流平顺地引向水泵的进口，为水泵提供良好的进水条件；尽量减少水头损失；满足水工结构设计与布置等方面的要求；出水流道出口流速不宜大于1.50m/s，以充分回收出口水流动能，尽可能减小出水流道的水头损失，努力提高水泵装置效率。

图1 焦港泵站流道层平面图

图2 原型贯流泵段性能曲线图

表2 三种进水流道设计方案CFD 分析结果比较表

图3 贯流泵装置计算域示意图

图4 进水流道纵剖面流场图（m/s）

图5 出水流道对应的贯流泵装置典型断面流场图（m/s）

图6 焦港泵站贯流泵装置优化设计单线图

2.2 分析方法和过程

采用大型工业三维造型软件Pro/E，实现计算域三维立体造型。采用焦港泵站贯流泵装置采用的水力模型，叶片3 枚，导叶片7 枚。由进水流道、潜水泵机组、支撑筋板、金属外壳、出水流道和闸门槽等所有过流部件在内的焦港泵站潜水贯流泵装置如图3所示。

为了保证数值模拟结果的准确性，在正式进行焦港泵站贯流泵装置进出水流道CFD 优化设计计算之前，进行了不同网格数对水泵装置效率影响的网格无关性检验，并提出优化方案进行比较，见图4、图5。

根据CFD 分析结果可看到，进水流道设计方案一、设计方案二和设计方案三在内部流态、水头损失和进水条件等方面存在一定的差异。从表2可看到，三种进水流道设计方案的水头损失最大相差0.006m，水泵进口断面的轴向流速分布均匀度都达到了98%以上，入泵水流加权平均的偏流角都小于2.6°，均能为水泵提供良好的进水条件。进水流道设计方案二的预埋件是非标准件，虽然流道的水头损失最小，但与设计方案二仅相差0.004m，相对1.935m 的设计总扬程影响有限。设计方案一和方案三采用了预埋件标准设计，从进水流道预埋件的设计、加工和制作方面来考虑，标准设计有利于机械加工和生产制作，制造质量更有保证，能为泵站管理和维护及未来金属构件的更换提供更多的便利。因此，考虑到焦港泵站三种进水流道设计方案的内部流动较平顺、水泵进水条件优良，水头损失相差十分有限，从利于进水流道预埋件的设计、加工标准化，以及方便管理和维护方面考虑，方案三较合适。

出水流道设计方案二，长度较出水流道设计方案一增加了1.9m，扩散角保持不变，出口断面积从13.50m2增加到16.89m2，其出口平均流速从0.741m/s 降低到0.591m/s，理论上出口水头损失会有所降低。但是，出水流道的总水头损失是由沿程损失和局部损失二部分组成的，出口断面实际流速分布并不均匀，出口断面积增大并未达到预期目的。同时，出水流道长度的增加势必会引起沿程损失的增加，两相抵消后，总的水头损失不降反增，未能达到预想的减少水头损失、提高水泵装置效率的优化设计效果，对工程施工也造成影响。因此，出水流道采用设计方案一与进水流道设计方案三组成优化设计的贯流泵装置，在设计流量下，焦港泵站贯流泵装置进、出水流道的总水头损失为0.298m。

3 结论与建议

优化设计的进水流道设计方案三和出水流道设计方案一组成的贯流泵装置内部流态好，水头损失小，进、出水流道的总水头损失为0.298m，满足招标文件中进、出水流道的总水头损失小于0.45m 的要求。考虑到进水流道进口型线美观及与其他建筑物的衔接，适当调整了进口连接的圆弧半径，推荐采用焦港泵站原型贯流泵装置单线图（图6）■