大型城市水源泵站前池流態(tài)及改善措施試驗(yàn)

馮建剛,李 杰

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.山東省水利工程局,山東 濟(jì)南 250013)

在大型城市水源泵站建設(shè)中,由于受用地條件限制和施工方法的制約,較多采用沉井泵房形式。沉井泵房的布置特點(diǎn)是引水管(涵)與進(jìn)水建筑物分離。引水管(涵)布置在沉井前水源地,用地條件富裕,可按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行布置;進(jìn)水建筑物中前池、進(jìn)水流道通常與水泵機(jī)組布置在沉井內(nèi),由于受用地條件和沉井工程投資的制約,前池往往難以按照水力條件良好的設(shè)計(jì)規(guī)范[1]要求布置,因此前池中易產(chǎn)生不良的水流現(xiàn)象,直接影響到進(jìn)水流道水流流態(tài),從而對(duì)水泵機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。所以,有必要對(duì)水源泵站前池的進(jìn)水流態(tài)以及進(jìn)水流態(tài)對(duì)水泵性能的影響進(jìn)行研究。陸曉如等[2]、史海冰等[3]對(duì)城市取水泵站進(jìn)水流態(tài)以及采用導(dǎo)流墩措施來(lái)改善前池流態(tài)進(jìn)行了相關(guān)研究,筆者結(jié)合上海市長(zhǎng)江引水三期工程中水源泵站(以下簡(jiǎn)稱“水源泵站”)整體水力模型試驗(yàn),進(jìn)一步研究大型城市水源泵站前池流態(tài)的特點(diǎn)和改善前池不良流態(tài)的工程措施,分析消渦板、底坎、導(dǎo)流墩等工程措施在水源泵站前池流態(tài)改善中的作用以及合理性。

1 整體水力模型設(shè)計(jì)

1.1 模型布置

水源泵站共設(shè)置5臺(tái)88LKSA-8.2型立式導(dǎo)葉式斜流泵,四用一備,總裝機(jī)容量為1 400×5 kW。主水泵單泵性能參數(shù)如下:流量 Q=13.7～12.0m3/s,揚(yáng)程 H=7.3～9.1m。5臺(tái)主泵共用前池,前池中間設(shè)置底坎。引水頭部為蘑菇形取水頭,2根重力式進(jìn)水管進(jìn)入泵房前池。根據(jù)水源泵站的布置特點(diǎn),模型試驗(yàn)采用自循環(huán)、開(kāi)敞式的幾何正態(tài)整體水力模型,布置方案見(jiàn)圖1。模型由水庫(kù)、調(diào)節(jié)池、進(jìn)水管、前池、進(jìn)水流道、模型泵機(jī)組、虹吸式出水管路、出水池、回水渠以及控制和量測(cè)系統(tǒng)組成。

1.2 相似準(zhǔn)則

考慮模型水流在阻力平方區(qū)(即自動(dòng)模擬區(qū))的要求以及模型泵的選擇,選取模型幾何比尺 λL=8。前池中為具有自由表面的無(wú)壓水,對(duì)于水源泵站前池進(jìn)水流態(tài)的模擬按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì),以佛勞德準(zhǔn)則作為模型試驗(yàn)的基礎(chǔ),即Frm=Frp。按照相似律計(jì)算可得原型與模型的流速比尺 λv=λL0.5=2.83,流量比尺 λQ=λL2.5=181.0,時(shí)間比尺λt=λL0.5=2.83,糙率比尺 λΔ=λL1/6=1.414。

圖1 水源泵站整體水力模型布置方案示意圖

1.3 量測(cè)方法

流量由安裝在水泵出水管路上的電磁流量計(jì)進(jìn)行量測(cè),在回水渠中安裝薄壁堰對(duì)單泵流量進(jìn)行比測(cè)、率定,并量測(cè)和校驗(yàn)多泵運(yùn)行時(shí)的總流量。水位由安裝在建筑物各量測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管進(jìn)行量測(cè),通過(guò)水位測(cè)針讀數(shù)。水泵軸功率由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率測(cè)量?jī)x量測(cè)。流速采用光電流速儀進(jìn)行量測(cè),由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)于典型斷面的部分測(cè)點(diǎn),采用聲學(xué)多普勒三維剖面流速儀(ADV)進(jìn)行流速量測(cè)。

2 試驗(yàn)方法

前池流態(tài)研究采用表面流態(tài)觀測(cè)和典型過(guò)流斷面流速分布量測(cè)2種試驗(yàn)方法。2種方法的試驗(yàn)工況相同,即模擬泵站前池特征水位及水泵特征流量等運(yùn)行工況條件相同。表面流態(tài)觀測(cè)采用懸浮示蹤物低速拍照結(jié)合攝像對(duì)比分析的方法。表面流態(tài)觀測(cè)內(nèi)容是觀察前池中死水區(qū)及回流區(qū)的分布情況、旋渦及渦帶發(fā)生的位置及種類、水流偏斜與立面旋滾情況,以及水流是否平順、均勻等。典型過(guò)流斷面流速分布量測(cè)是在流態(tài)觀測(cè)的基礎(chǔ)上,在前池及進(jìn)水流道中選擇典型過(guò)流斷面布置測(cè)點(diǎn),用流速儀量測(cè)各測(cè)點(diǎn)的流速,通過(guò)繪制流速分布圖來(lái)進(jìn)一步分析前池流態(tài)。

典型過(guò)流斷面流速測(cè)點(diǎn)在立面上從池底至水流自由表面分4層布置,在平面上分2個(gè)橫斷面Ⅰ和Ⅱ以及20個(gè)縱斷面A～T布置,布置方案見(jiàn)圖2。

圖2 典型過(guò)流斷面流速測(cè)點(diǎn)布置(高程單位:m,尺寸單位:cm)

3 試驗(yàn)研究及成果分析

3.1 前池流態(tài)試驗(yàn)

結(jié)合水源泵站引水運(yùn)行特點(diǎn),試驗(yàn)對(duì)單臺(tái)泵運(yùn)行和多臺(tái)泵組合運(yùn)行工況條件下的前池流態(tài)進(jìn)行了流態(tài)觀測(cè)和典型斷面流速分布量測(cè),試驗(yàn)結(jié)果如下:①單臺(tái)泵工況運(yùn)行時(shí),前池水位較高,前池表面水流比較平順,流速較小,無(wú)明顯的回流區(qū)存在;但是在邊機(jī)組進(jìn)水流道進(jìn)口處隔墩背水側(cè)間歇性地產(chǎn)生旋渦,見(jiàn)圖3。②在多機(jī)組工況運(yùn)行時(shí),前池表面水流流速隨著開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)的增多而增大,在底坎兩側(cè)水流表面有一定范圍的回流區(qū),底坎兩端池壁處存在由池壁流向中間機(jī)組方向的斜向流,中間機(jī)組流道前水流較平順,邊機(jī)組流道前形成斜向進(jìn)流,進(jìn)水流態(tài)不均勻,進(jìn)水流道前水流表面無(wú)旋渦、回流區(qū)出現(xiàn)。以4臺(tái)模型機(jī)組(1號(hào)泵+2號(hào)泵+4號(hào)泵+5號(hào)泵)運(yùn)行工況為例,邊機(jī)組1號(hào)泵和中間機(jī)組2號(hào)泵對(duì)應(yīng)Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布見(jiàn)圖4。從該流速分布圖可以看出,邊機(jī)組1號(hào)泵前Ⅰ-Ⅰ典型斷面正向進(jìn)水方向的垂線平均流速小于中間機(jī)組2號(hào)泵前Ⅰ-Ⅰ典型斷面正向進(jìn)水方向的垂線平均流速,同時(shí)三維剖面流速儀量測(cè)結(jié)果表明1號(hào)泵前Ⅰ-Ⅰ典型斷面的法向和垂向進(jìn)水流速大于2號(hào)泵前Ⅰ-Ⅰ典型斷面法向和垂向進(jìn)水流速,說(shuō)明邊機(jī)組進(jìn)流條件相對(duì)較差,相對(duì)于該運(yùn)行工況設(shè)計(jì)流量而言1號(hào)泵進(jìn)水流量明顯小于2號(hào)泵進(jìn)水流量。

圖3 邊機(jī)組5號(hào)泵進(jìn)水流道前水流表面旋渦

圖4 Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布

前池流態(tài)試驗(yàn)表明水源泵站前池存在不良流態(tài),主要特征是邊機(jī)組進(jìn)水流道進(jìn)口處隔墩背水側(cè)間歇性地產(chǎn)生旋渦;前池底坎兩側(cè)附近產(chǎn)生回流,存在由前池側(cè)壁流向中間機(jī)組方向的斜向流;前池向進(jìn)水流道配水不均勻,邊機(jī)組與中間機(jī)組進(jìn)流條件差異較大。

3.2 改善前池進(jìn)水流態(tài)措施

前人的研究成果[4-10]表明,如果泵站前池內(nèi)存在旋渦、流速分布不均等不良流態(tài),在不改變前池布置尺寸的條件下,可以通過(guò)在前池內(nèi)增設(shè)底坎、立柱、導(dǎo)流墩等工程措施,起到改善流態(tài)的作用,從而保證水泵安全高效地運(yùn)行。

針對(duì)水源泵站前池不良流態(tài)的特征和城市水源泵站沉井工程施工建設(shè)的要求,在改變前池布置尺寸和整體結(jié)構(gòu)的前提下,通過(guò)在前池內(nèi)采取消渦措施和整流措施調(diào)整水流流態(tài),可以促進(jìn)水流流態(tài)滿足泵站設(shè)計(jì)的要求。

3.2.1消渦措施

水源泵站前池產(chǎn)生旋渦的主要原因是前池?cái)U(kuò)散角偏大(80°),遠(yuǎn)大于水流的天然擴(kuò)散角(一般不大于40°),且水源泵站采取的是對(duì)稱布置的2根重力式引水管進(jìn)水,進(jìn)入前池的水流主流居中,流速較大,前池底坎兩側(cè)附近產(chǎn)生回流等不良水力現(xiàn)象。前池邊機(jī)組側(cè)形成流向中間機(jī)組的斜向流,造成中間機(jī)組進(jìn)流充分而邊機(jī)組進(jìn)流不足,中間機(jī)組進(jìn)水流道前富余的水量向前池兩側(cè)壁方向流動(dòng),受隔墩及胸墻的影響,形成側(cè)向繞流進(jìn)水,從而在邊機(jī)組進(jìn)水流道進(jìn)口處隔墩背水側(cè)間歇性地產(chǎn)生旋渦。

消除前池內(nèi)存在的旋渦,一方面可以通過(guò)前池流態(tài)的改善來(lái)改變進(jìn)水流道前進(jìn)流條件,從而達(dá)到消減旋渦的目的;另一方面可以通過(guò)增設(shè)專門的消渦裝置消除旋渦。經(jīng)試驗(yàn)比較,在邊機(jī)組進(jìn)水流道前設(shè)置消渦板可以有效地消除邊機(jī)組進(jìn)水流道前產(chǎn)生的旋渦。設(shè)置消渦板后邊機(jī)組進(jìn)水流道前的水流流態(tài)見(jiàn)圖5。

圖5 設(shè)置消渦板后5號(hào)泵進(jìn)水流道前水流流態(tài)

3.2.2整流措施

3.2.2.1 底坎整流

水源泵站初設(shè)方案考慮到進(jìn)水前池?cái)U(kuò)散角偏大,在前池底部設(shè)置了全段式底坎調(diào)整流態(tài)。在底坎作用下,主流居中現(xiàn)象有所緩解,但由于底坎設(shè)置偏高,水流從引水管進(jìn)入前池后,主流直沖向前,以較高的流速與底坎碰撞,一部分水流翻越底坎在坎后形成立面旋滾,另一部分水流受底坎阻擋,在底坎前順著底坎向兩側(cè)流動(dòng),流至前池側(cè)壁處形成較強(qiáng)的立面旋滾,在邊機(jī)組側(cè)形成流向中間機(jī)組的斜向流,導(dǎo)致前池向進(jìn)水流道配水不均勻。

底坎是前池內(nèi)調(diào)整流態(tài)的一種常見(jiàn)措施,其原理是通過(guò)底坎的挑流作用,造成坎后水流立面旋滾和平面水量交換,使坎后水流充分?jǐn)U散紊動(dòng),從而消除回流等不良流態(tài)。針對(duì)具體泵站進(jìn)水建筑物的布置特點(diǎn)不同,需要采取適宜的底坎形式,以有效地改善前池內(nèi)產(chǎn)生的不良流態(tài)。針對(duì)水源泵站引水管集中進(jìn)流和前池?cái)U(kuò)散角偏大的特點(diǎn),采用非全段式底坎(即前池中間部分設(shè)置底坎,兩側(cè)無(wú)底坎)和降低底坎高度(底坎坎頂高程降低0.8m)可以有效地改善前池流態(tài)。整流措施方案見(jiàn)圖6。

圖6 非全段式底坎整流措施方案

采取非全段式底坎整流措施后,由于降低了底坎高度和取消了前池兩側(cè)壁處的底坎,使得水流通過(guò)底坎后比較均勻地分配至各進(jìn)水流道,原受底坎阻擋在底坎前順著底坎向兩側(cè)流動(dòng)的水流在前池兩側(cè)較平順地流向進(jìn)水流道,在前池表面基本消除了回流區(qū)和斜向流,前池流態(tài)得到明顯優(yōu)化。以4臺(tái)機(jī)組(1號(hào)泵、2號(hào)泵4號(hào)泵、5號(hào)泵)組合運(yùn)行工況為例,采取改善措施后邊機(jī)組1號(hào)泵和中間機(jī)組2號(hào)泵對(duì)應(yīng)Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布見(jiàn)圖7。

圖7 采取非全段式底坎整流措施后Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布

3.2.2.2 導(dǎo)流墩整流

導(dǎo)流墩是泵站前池調(diào)整流態(tài)的一種常見(jiàn)措施,其原理是通過(guò)不同角度導(dǎo)流墩的導(dǎo)流作用,減小前池平面擴(kuò)散角,在平面上均化水流,從而消除脫壁回流、偏流等不良流態(tài)。根據(jù)具體泵站進(jìn)水建筑物的布置特點(diǎn),采取適宜的導(dǎo)流墩形式,可以有效改善前池內(nèi)產(chǎn)生的不良流態(tài)。水源泵站進(jìn)水前池?cái)U(kuò)散角偏大,主流集中,易形成脫壁回流,需要采取整流措施調(diào)整前池內(nèi)的不良流態(tài)。經(jīng)試驗(yàn)比較,取消前池底坎,在前池?cái)U(kuò)散段設(shè)置八字形導(dǎo)流墩也可以有效改善前池流態(tài),具體的整流措施方案見(jiàn)圖8。

圖8 導(dǎo)流墩整流措施方案

采取導(dǎo)流墩整流措施后,由于導(dǎo)流墩可以有效減小水流的擴(kuò)散角,在平面上均化水流,使得水源泵站前池水流主流居中現(xiàn)象得到有效緩解,基本消除了前池側(cè)壁處產(chǎn)生的大范圍回旋區(qū)。前池水流在導(dǎo)流墩的導(dǎo)流作用下比較均勻地分配至各進(jìn)水流道,在前池表面基本消除了斜向流,從而使前池進(jìn)水流態(tài)得到明顯優(yōu)化。以4臺(tái)機(jī)組(1號(hào)泵、2號(hào)泵、4號(hào)泵、5號(hào)泵)組合運(yùn)行工況為例,采取導(dǎo)流墩整流措施后邊機(jī)組1號(hào)泵和中間機(jī)組2號(hào)泵對(duì)應(yīng)Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布見(jiàn)圖9。

圖9 采取八字形導(dǎo)流墩整流措施后Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布

3.3 不同整流措施條件下進(jìn)水流態(tài)對(duì)水泵性能的影響

為分析研究不同整流措施在相同運(yùn)行工況及開(kāi)泵組合條件下進(jìn)水流態(tài)對(duì)水泵性能影響的差異,在進(jìn)水流態(tài)試驗(yàn)的同時(shí),進(jìn)行了水泵性能量測(cè),以著重分析中間機(jī)組與邊機(jī)組的性能差異。

水泵性能量測(cè)結(jié)果表明,采取整流措施前,前池存在不良流態(tài),邊機(jī)組進(jìn)流量不足,邊機(jī)組的水泵性能與中間機(jī)組的性能差異較大;采取整流措施后,前池流態(tài)得到明顯改善,有效地改善了水泵的吸水條件,提高了水泵的運(yùn)行效率。邊機(jī)組的水泵性能明顯提高,與中間機(jī)組之間的性能差異明顯減小。以模型泵各項(xiàng)工作參數(shù)為例,采取非全段式底坎整流措施后,1號(hào)水泵(邊機(jī)組)在4臺(tái)泵(1號(hào)泵、2號(hào)泵、4號(hào)泵、5號(hào)泵)組合工況運(yùn)行時(shí),流量和效率分別比采取整流措施前增長(zhǎng)了1.28 L/s和0.41%;相同工況與開(kāi)機(jī)組合條件下采取導(dǎo)流墩整流措施后,1號(hào)水泵的流量和效率分別比采取整流措施前增長(zhǎng)了1.43L/s和0.46%。水泵性能曲線見(jiàn)圖10。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,底坎與導(dǎo)流墩布置形式不同,但是兩者改善流態(tài)的效果差異不大,均能在前池內(nèi)均化水流,使得進(jìn)入水泵前的水流流速分布均勻,提高了水泵運(yùn)行的工作效率。

圖10 采取整流措施前后邊機(jī)組1號(hào)泵性能比較

4 結(jié) 語(yǔ)

a.水源泵站前池存在表面旋渦、回流區(qū)和斜向流等不良流態(tài),邊機(jī)組與中間機(jī)組進(jìn)流條件差異較大。采取消渦板消渦措施和非全段式底坎整流措施、八字形導(dǎo)流墩整流措施后均能有效改善前池進(jìn)水流態(tài),使水流流速分布均勻,水流平順地進(jìn)入進(jìn)水流道,從而改善了水泵的吸水條件。

b.水泵性能試驗(yàn)研究表明,采取消渦措施和整流措施后,前池流態(tài)得到明顯改善,提高了水泵的運(yùn)行效率。邊機(jī)組水泵的流量和效率明顯提高,與中間機(jī)組之間的性能差異明顯減小,說(shuō)明底坎和導(dǎo)流墩均是改善泵站前池流態(tài)的有效工程措施。在具體設(shè)計(jì)條件下采取針對(duì)性的底坎或者導(dǎo)流墩布置形式,不僅可以改善前池流態(tài),而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,施工方便。

[1]GB/T 50265—97,泵站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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