泗阳二站进水流道优化设计

2023-03-15赵水汨张前进

陕西水利 2023年2期

赵水汨，张前进，杨模

（江苏省骆运水利工程管理处，江苏宿迁 223800）

1 概述

泗阳二站位于江苏省泗阳县城东郊，属于江苏省淮水北调第一梯级和江水北调第四梯级，其主要作用是抽引由二河闸下泄的淮水或淮阴站转送的江水，以满足泗阳以北徐淮区工农业生产、生活及中运河航运用水之需要，还可利用上游来水发电。自1997 年3 月以来，已正式投入运行20 多年。

该站为堤身式泵房结构，采用肘形进水流道和虹吸式出水流道，装有2.8ZLQ-7.0 液压全调节轴流泵，配套TL2800-40／3250 立式同步电动机2 台套，设计流量66 m3／s，设计扬程7.0 m。水泵叶轮直径2.85 m，转速150 r／min，配套电机容量为2800 kW。

泗阳二站自建成以后，经过多年长时间的运行，加上水情和工情也发生了变化，原水泵扬程偏高，致使水泵装置常常偏离高效区运行，存在机组振动大、导叶导流帽脱落、叶片调节油管漏油等问题。通过安全鉴定，机电设备安全类别定为四类，金属结构定为二类、建筑物评定为二类，综合评定为三类泵站。为保证泗阳二站安全高效运行，经批准，决定对其进行加固改造。

2 现状进水流道的水泵进水条件分析和水力损失计算

2.1 现状肘形进水流道的水泵进水条件分析

泗阳二站现状肘形进水流道的设计见图1。进口高度5.705 m（2.001 D0），进口宽度7.10 m（2.491 D0），在设计工况下，流道进口断面的平均流速为0.916 m／s。肘形进水流道中设有0.6 m 宽中隔墩，流道高度4.866 m（1.707 D0），流道出口直径3.026 m。

图1 现状肘形进水流道剖面

图2 现状肘形进水流道CFD 分析模型和网格剖分图

图3 为进水流道出口断面上的全流速分布图和轴向流速分布图，可看出流道出口断面上右侧流速高，左侧流速低，流速分布比较均匀。

图3 现状进水流道出口断面上的流速分布图（单位：m/s）

根据现状进水流道CFD 数值计算结果，计算出设计工况下现状进水流道出口断面所提供的进水条件。表1 表明，现状进水流道在设计工况下，进口轴向流速分布均匀度为94.65%，入泵水流最大偏流角为4.945°，加权平均偏流角为2.676°，为水泵提供的进水条件一般。

表1 现状肘形进水流道提供的水泵进水条件计算结果

2.2 现状肘形进水流道水力损失计算

根据现状肘形进水流道CFD 分析获得进、出口断面上计算节点的流速和压力值，应用伯努里方程，采用后处理程序进行数据处理，即可计算出不同流量下的进水流道的水力损失值。图4 所示为现状肘形进水流道的水力损失曲线。

CFD 分析结果表明，在计算流量范围内，现状进水流道的水力损失随流量增加而增加，基本符合二次抛物线分布规律。在模型泵装置设计流量0.366 m3／s 工况下，对应于原型泵装置流量33 m3／s 时，进水流道的水力损失为0.230 m。图4 为换算到原型泵装置时的进水流道水力损失曲线。

图4 现状肘形进水流道水力损失曲线

3 肘形进水流道优化设计

进水流道内的水流运动是较为复杂的三维紊流流动。对进水流道进行大规模的加固改造，在实际泵站工程中是比较困难的，受已有水工结构布置、尺寸限制和建筑物安全等因素的影响。本研究在泗阳二站现状进水流道设计参数，运用CAD 与CFD 相结合的三维设计技术，针对原水泵2850 mm和2950 mm 两种叶轮直径，重新设计了4 个进水流道设计方案，主要设计参数见表2。

表2 重新设计的肘形进水流道与现状流道设计参数对比

新设计的4个肘形进水流道单线剖面图和平面图见图5。

图5 新设计的肘形进水流道单线剖面图和平面图

图6 新设计的肘形进水流道三维造型和网格剖分

4 优化设计方案进水条件和水力损失比较

运用大型商用CFD 分析软件FLUENT，采用由紊流模型封闭的雷诺时均Navier-Stokes 动量方程组、有限体积法和SIMPLE 速度和压力耦合算法，针对上述4 个进水流道优化设计方案，在设计流量下，进行进水流道内流分析，借助数据处理软件，从泵装置内部流态、水泵进水条件、进出水流道水力损失和装置效率等方面进行性能分析和比较。

4.1 优化设计方案进水条件比较

图7 进水流道出口断面上的流速分布图（单位：m/s）

根据水泵装置设计流量下不同进水流道内流数值模拟结果，即可进行4 种进水流道设计方案进水条件的计算，并与现状进水流道所提供的进水条件进行比较，见表3。

表3 优化设计进水流道与现状进水流道进水条件比较

由表3 可知，在泗阳二站泵站技术改造中，无论原型泵叶轮直径是2850 mm，还是增大到2950 mm，在缩小进水流道宽度或保持原进水流道宽度的情况下，4 个优化设计的进水流道的进水条件都优于现状进水流道提供的进水条件，入泵水流的各轴向流速分布均匀度提高了2%以上，最大偏流角都有所减小，加权平均的入泵水流偏流角减小幅度大于0.6°。

4.2 优化设计方案的水力损失计算

根据4 个优化设计进水流道的CFD 数值计算结果，由进水流道进、出口断面上计算结点的流速值和压力值，应用伯努里方程，采用后处理程序，即可计算出不同流量下各个进水流道设计方案的水力损失值。表4 为设计流量下，4 个优化设计进水流道现状进水流道的水力损失比较。

表4 5 个进水流道设计方案水力损失的比较

表4 表明，与现状进水流道相比，优化设计都使进水流道的水力损失有所降低。保持水泵叶轮直径不变，进口较宽的进水流道设计方案，由于内部流速相对较低，可获得较小的水力损失。但是，在叶轮直径不变和进水流道长度一定的情况下，为追求较大的过水面积，在距离弯头较近的距离时才开始收缩，则由于收缩长度较短，使得侧向收缩过快，造成轴向流速分布度降低，入泵水流偏流角增大，影响水泵进水条件。

对于新建泵站，减小进水流道的进口宽度，有利于缩短泵房长度，对节省泵站土建投资是有效果的。但是，对于加固改造的泵站而言，进水流道的宽度已经确定，即使原进水流道的进口宽度较大，也不一定需要缩小。因为水泵进水条件中的二个指标―轴向流速分布均匀度与偏流角，并不反映流道水力损失的大小。反过来说，水力损失小的进水流道设计方案，并不一定能提供良好的水泵进水条件。在进水流道水力设计和优化过程中，必须同时兼顾水泵的进水条件和流道水力损失两个因素。