基于正交试验的泵站斜式进水流道优化设计研究

彭远春

(吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000)

1 工程背景

某排灌站始建于1966年，1968年投运，承担2.33万hm2水田灌溉和100.6km2排涝任务。经过近50年的超负荷运行，泵站的病害问题日渐突出，一直处于超期服役，带病运行状态，存在着严重的安全隐患，难以保障农业生产的需要。基于此，拟对该排灌站进行重建。重建后的泵站设计总装机容量7000kW，过水流量为56m3/s，可有效提高灌区水源提水能力，为农业与经济发展提供更有利的水利保障。设计重建的排灌站属于大(2)型水利工程，泵站等主要水工建筑物为1级，采用的是结构复杂、规模较大的直接挡水块基型干式泵房，其结构型式的影响因素较多，因此做好泵站装置的选型和设计工作十分重要[1]。对灌区大型泵站装置而言，进水流道的主要作用是引导前池的水流通过有序转向和均匀收缩，最终进入水泵的叶轮室。因此，泵站进水流道中的水流均匀度是衡量其水力性能的重要指标[2]。基于此，此次研究通过正交试验的方式，对泵站的斜式进水流道进行参数优化，力求为工程设计和建设提供借鉴。

2 试验设计与方法

2.1 试验设计

在模型试验过程中，要保证模型和工程原始情况的相似性，首先需要保证模型试验中的各个准则和实际情况相符，由于此次试验中无周期性的水流流动，因此不需要考虑斯特劳哈尔Strouhal数，而仅需要满足佛汝德数、欧拉数和雷诺数相等即可[3]。由于欧拉数并不是独立量，因此仅需要考虑佛汝德数和雷诺数的相似[4]。鉴于模型试验中存在较多自由水面，因此水流运动特征的研究可以忽略粘滞力的作用，而仅需要考虑重力的作用和影响，并主要表现为阻力平方区紊流流动，雷诺数已经超过界限。所以，试验按佛汝德数相等模拟即可[5]。

结合模型试验场地因素和试验精度的要求，试验模型的几何比尺选定为1∶20，并根据佛汝德相似准则确定其余比尺[6]，其中，流速比尺为1∶4.48、角度比尺为1∶1、坡降比尺为1∶1、流量比尺为1∶1789。

2.2 模型设计与制作

试验系统主要包括闸阀、水泵、流量计、水箱、输水管袋以及试验模型，其中试验模型主要包括引河、前池、进水池和进水管等。在试验过程中，水流通过水管利用水泵输送进水箱，然后经过自流进入引河，而闸阀则控制每个水泵的流量[7]。试验装置的管道为PVC管，每个泵的流量利用电磁流量计和闸阀进行测量和调整；试验中的流速采用直读流速仪进行测量。

2.3 正交试验方案设计

根据工程的原始设计方案，泵站水泵的叶轮直径为2.2m，叶轮的中心高程为-1.42m，泵站进水流道的进口上部高程为0.4m，上缘最小淹没深度为1.6m。参考相关研究成果和背景工程实际，研究中选择轴向流速均匀度(V)、速度加权平均角(θ)以及水力损失(m)作为评价指标；选择进水流道长度(L)、进水流道进口宽度(B)、进水流道喉部高度(H)以及进水流道转弯半径(R)为正交试验的主要影响因素，保持其余参数值不变[8]。对于上述因素，以叶轮直径为参照各设计4种不同的水平，结果见表1。

表1 正交试验因素水平设计表

根据确定的试验因素和因素水平，确定的泵站斜式进水流道正交试验方案见表2。

表2 正交试验方案设计表

3 试验结果与分析

按照上节设计的正交试验方案进行模型试验，各方案的试验结果见表3。

表3 各方案试验结果

研究中以试验结果为依据，利用极差影响分析法探究4个因素对3个衡量指标的影响程度，并将分析数据进行整理，结果见表4。由表4中的结果可以看出，对于背景工程斜式进水流道的轴向流速均匀度和速度加权平均角而言，其影响的主次排序分别为喉部高度、转弯半径、进水流道长度和进水流道进口宽度。从极差值来看，对评价指标影响最大的是喉部高度，进水流道进口宽度对装置本身的水力性能影响较小。

表4 极差影响分析结果

为了进一步探究各个因素对评价指标的影响，根据试验数据绘制出轴向流速均匀度、加权平均角和水力损失随各个因素水平的变化曲线，结果如图1—3所示。由图中可以看出，在一定范围内，随着进水流道长度和转弯半径的增大，进水流道的轴向流速均匀度以及速度加权平均角会逐渐上升，但是其上升的趋势会逐渐减弱。究其原因，主要是进水流道的转弯半径会直接控制流道断面的面积，半径越大则流道过流断面的面积也越大。由此可见，增加泵站斜式进水流道或增加转弯半径可以使流道内水流体型更为平滑。但是，如果进水流道的长度过长，则会造成水力损失的不断增大，泵站装置的水力性能会明显降低[9-10]。

图1 轴向流速均匀度随各因素水平变化曲线

对于进水流道进口宽度而言，随着进口宽度的增加，流道出口轴向流速分布均匀度和速度平均加权角的变化不大。但是，进水流道的水力损失会逐步减小。究其原因，主要是泵站进水流道进口段平均流速不变的情况下，进口宽度的增大就意味着进口高度的减小，这必然会导致流道边缘线倾角的减小，而流道弯曲段水流转角也会减小。

图2 速度加权平均角随各因素水平变化曲线

图3 水力损失随各因素水平变化曲线

流道进口喉管高度对泵站进水流道的水力性能也存在一定的影响，在本文的计算范围内，随着进水流道进口高度的增加，流道出口的轴向流速均匀度以及流速加权平均角会略有增加，其变化会随着进口喉管高度的增加而趋于平缓。且进口流道的高度为2.30m时装置的水力损失最小。究其原因，主要是喉管高度的增大可以加大流道弯曲段在立面方向的调整空间，使水流得到有效的调整，而接近流道出口的水流流态会更为均匀。但是，当喉管高度进一步增加时，该部位过流面积会增大，造成水流不能均匀收缩，因此水力损失反而会有所增大。

综合计算结果，利用综合频率分析法分析各个影响因素的最大值，最终确定进水流道参数的最优组合为L4B1H4D4，也就是选择进水流道长度11.3m、进水流道进口宽度5.0m、进水流道喉部高度2.40m、进水流道转弯半径3.05m。通过对最优组合的计算，其在设计工况下的轴向流速均匀度为94.82%，速度加权平均角为84.62°，取得了良好的优化效果，完全可以满足工程设计要求。

4 结语

此次研究以某灌区泵站重建工程为例，利用模型试验的方式探讨了泵站进水流道的长度、进口宽度、喉部高度以及转弯半径4个主要参数对泵站进水流道水力学性能的影响，并以研究结果为依据提出了最优设计方案。研究成果不仅可以为泵站工程设计和建设提供有益的借鉴和思考，也可以对相关类似工程的设计和研究提供借鉴。当然，此次研究仅考虑了轴向流速均匀度、流速加权平均角以及水力损失3个主要指标。但是，随着泵站工程质量要求的不断提高，噪声和振动也成为重要的评价指标，在今后需要综合考虑更多评价指标，获得更为科学和准确的结果。