泵站鐘形進(jìn)水流道設(shè)計探討

刁軍偉 張曉芳 夏姝珺

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，江蘇南京 210016）

0 引言

進(jìn)水流道是泵站工程的重要組成部分，與水泵共同組成過流通道。工程實踐和試驗觀測表明，進(jìn)水流道水流狀態(tài)對水泵性能有較大影響，流道設(shè)計的合理與否直接影響機(jī)組的運行效率和安全。

常見的塊基型泵站進(jìn)水流道包括肘形、鐘形、貫流式、斜式和簸箕型等，其中，以鐘形進(jìn)水流道和肘形進(jìn)水流道應(yīng)用最多。

1 進(jìn)水流道設(shè)計

1.1 設(shè)計要點

進(jìn)水流道基本要求是流道末端（即水泵吸水室進(jìn)口）流速和壓力分布均勻、速度環(huán)量為零。流道出口水流偏流角和流道阻力系數(shù)決定末端水流的水力特性，直接影響水泵能量特性和汽蝕特性，流道的水力損失關(guān)系到水泵裝置效率的高低。若流道設(shè)計不當(dāng)，易產(chǎn)生漩渦或加大漩渦強(qiáng)度，渦帶進(jìn)入水泵，會引起水泵汽蝕、機(jī)組振動；若空氣進(jìn)入水泵內(nèi)，則將導(dǎo)致水泵流量減小、效率降低。

進(jìn)水流道設(shè)計應(yīng)為水泵提供均勻的流速分布和壓力分布等進(jìn)水條件，流道內(nèi)應(yīng)無回流及有害漩渦（渦帶），避免產(chǎn)生振動、噪音等。在實際設(shè)計中，需要針對工程特點選擇合適的水泵機(jī)組及進(jìn)水流道型式，同時，要兼顧土建投資和施工可行性。工程設(shè)計中主要考慮以下因素：

（1）流道水力損失小，流道末端斷面的流速和壓力分布均勻。

（2）在各種工況下，不允許有渦帶進(jìn)入水泵，盡量減少流道內(nèi)漩渦。

（3）流道進(jìn)口斷面處流速宜取0.8～1.0 m/s。

（4）選擇合適的流道寬度和開挖深度，尤其應(yīng)減少開挖深度，以降低土建工程量，節(jié)約投資。

（5）流道線型應(yīng)簡單，便于施工。

1.2 主要設(shè)計參數(shù)分析

1.2.1 吸水室

進(jìn)水流道吸水室形式對流態(tài)的影響較大。流態(tài)從差到好依次排序為矩形、多邊形、半圓形和渦殼形，相應(yīng)對施工工藝要求由低到高。

1.2.2 流道高度

流道高度H是流道設(shè)計的重要參數(shù)。在滿足流道水力性能良好的前提下，流道高度大則利于水流流態(tài)調(diào)整，但底板高程降低，開挖深度工程量大；設(shè)計合理時，H越小土建造價越經(jīng)濟(jì)。肘形進(jìn)水流道H/D值一般為1.5～1.8（H和D分別為流道高度和葉輪直徑），鐘形進(jìn)水流道H/D=1～1.5，可見其H相對較小，據(jù)日本有關(guān)試驗資料，在鐘形進(jìn)水流道H/D=1～1.4的范圍內(nèi)水泵效率最高。

1.2.3 喇叭管和導(dǎo)水錐

喇叭管與導(dǎo)水錐型線設(shè)計是進(jìn)水流道設(shè)計關(guān)鍵，一般采用二次曲線，常用的有橢圓曲線法和zi=KDi2法等。設(shè)計要求喇叭管與導(dǎo)水錐之間的環(huán)形截面面積沿流程單調(diào)遞增。設(shè)置在底板上的導(dǎo)水錐對流態(tài)有利，可以消除渦帶，避免引起水泵強(qiáng)烈振動，使水流在流道內(nèi)的流速均勻地遞增。

2 工程實例簡介

筆者以無錫市伯瀆港泵站工程（鐘形進(jìn)水流道加箱涵式出水流道）為例，對泵站鐘形流道設(shè)計進(jìn)行分析。

2.1 無錫市城市防洪伯瀆港泵站工程

伯瀆港泵站設(shè)計流量45 m3/s，配套葉輪直徑2.2 m的2200ZLB-2.0型立式軸流泵3臺套，設(shè)計揚程1.95 m，單機(jī)設(shè)計流量15 m3/s。

2.2 進(jìn)水流道選型

設(shè)計以常用的肘形和鐘形進(jìn)水流道為例進(jìn)行比較分析。

肘形流道應(yīng)用較早，單側(cè)進(jìn)水，優(yōu)點是：水流狀態(tài)較好，水力損失較小。缺點是：因流道內(nèi)需要調(diào)整水流，故流道較長、較高；因安裝需要，流道底板高程比水泵葉輪中心線低得多，流道基礎(chǔ)開挖較深，增加了土建工程投資。

鐘形流道為四周環(huán)向進(jìn)水，優(yōu)點是：流道高度小，但寬度較大，水力性能較好；缺點是：流道線型相對復(fù)雜，對施工工藝要求更高。

伯瀆港泵站工程揚程低、流量大，為減少泵室地基開挖深度，設(shè)計采用鐘形進(jìn)水流道。

2.3 水力設(shè)計優(yōu)化

圖1 鐘型進(jìn)水流道平面圖

圖2 鐘型進(jìn)水流道縱剖面圖

設(shè)計過程中，通過水工物理模型試驗［1］和數(shù)值計算，對鐘形進(jìn)水流道高度（含喇叭口懸空高度h）及后壁距離、后壁形狀開展了研究驗證。試驗和計算結(jié)果表明，鐘形進(jìn)水流道的H/D介于 0.5～0.8 之間，較為合理［2］；采用平面對稱蝸殼型式后壁型線、設(shè)置導(dǎo)水錐和垂直隔水墩，可有效改善水流條件。

根據(jù)試驗結(jié)果對流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。設(shè)置垂直隔水墩，長度4.2 m；喇叭口懸空高度h優(yōu)化為1.3 m，同時，為降低前池和撈污機(jī)工作的深度，進(jìn)一步節(jié)約土建工程量，采用了流道底板上翹5°、頂板上翹12°的優(yōu)化措施。

圖1及圖2為鐘形進(jìn)水流道最終設(shè)計平面圖及縱剖面圖，進(jìn)口斷面6.0 m×2.9 m，流速 0.86 m/s，單孔進(jìn)水流道H為2.7 m，H/D值為1.227，流道調(diào)整段長9 m，吸水室后壁型線采用平面對稱蝸殼型式。喇叭管與導(dǎo)水錐型線設(shè)計采用橢圓曲線法，喇叭管及導(dǎo)水錐底部直徑同為3.0 m。

工程建成后經(jīng)數(shù)年運行，機(jī)組穩(wěn)定安全，達(dá)到了設(shè)計要求。

3 結(jié)語

筆者通過實例介紹了鐘形進(jìn)水流道主要設(shè)計參數(shù)，水力設(shè)計優(yōu)化主要注意如下要點：

（1）合理確定流道線型尺寸及H/D取值。

（2）喇叭管與導(dǎo)水錐型線設(shè)計，并注意優(yōu)化喇叭口懸空高度。

（3）設(shè)置隔水墩（隔板），隔板宜設(shè)在順?biāo)鞣较虻睦瓤趦蓚?cè)。

［1］揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院.無錫市九里河、伯瀆港水利樞紐泵站泵裝置模型試驗研究報告，2006.

［2］李大亮，張曉芳，陳松山.泵站出水流道的優(yōu)化試驗［J］.排灌機(jī)械，2007，25（4）.