大型立式循環(huán)水泵的進水池內(nèi)流場分析

浦海燕 ， 歐鳴雄 ，2， 嚴建華 ，2， 盛絳 ，2， 滕國榮 ，2

（1.江蘇雙達泵閥集團有限公司，江蘇靖江214537；2.江蘇省特種化工泵工程技術研究中心，江蘇靖江214537）

0 引言

近些年來，隨著國內(nèi)外大型水利、火電和核電等工程的建設，對大型立式循環(huán)水泵機組的需求逐漸增加。此外，隨著國內(nèi)的南水北調(diào)和城市排澇等建設工程的開展，各種大型泵站工程建設逐漸增加。目前的泵站裝置大多采用大型的立式循環(huán)水泵和開敞式的進水池結構，因此，有關大型立式循環(huán)水泵及其進水池的研究成為國內(nèi)水利領域的重要課題。

進水池是大型立式循環(huán)水泵設施的重要組成部分，也是循環(huán)泵機組設計的重要環(huán)節(jié)。進水池流場形態(tài)會影響到立式循環(huán)泵的能量特性、汽蝕性能和穩(wěn)定性。在實際的泵站等工程設計中，采用開敞式的進水池時，除了要保證立式循環(huán)泵的機組本身擁有良好的結構與水力性能以外，還要設計良好的進水池，使其具有合理的內(nèi)流場分布，盡力降低其內(nèi)部流場的渦旋和回旋等流動特征，使得進水池的內(nèi)流場具有平順的水力吸入條件和較小的水力損失［1］。

為了提高大型立式循環(huán)水泵的運行穩(wěn)定性和可靠性，進水池的設計應綜合考慮到多重因素的影響。本文介紹了大型立式循環(huán)水泵的進水池結構設計方法，采用數(shù)值模擬方法對進水池內(nèi)流場進行了分析，獲得其內(nèi)流場分布情況，可為進水池的結構優(yōu)化提供有效的參考［2］。

1 開敞式進水池結構設計方法

1.1 進水池結構介紹

開敞式矩形進水池結構廣泛用于大型的立式循環(huán)泵機組及泵站工程中，該循環(huán)泵采用軸向吸入，整個泵機組位于進水池的后壁端附近。對于這種開敞式進水池而言，其結構形狀、尺寸和防渦板等均是影響葉輪吸入性能的重要因素。如圖1所示，進水池的主要結構尺寸包括：泵進口直徑Do、懸空高度Hp、水面深度Ho、后壁距T、側墻距C和進水池寬度B等。

1.2 主要結構尺寸設計方法

目前，業(yè)內(nèi)主要根據(jù)以往的模型試驗結果設計進水池的主要結構尺寸，并形成了一定的設計規(guī)范和參考方法［3-4］。

1）泵進口直徑Do。泵進口直徑主要依據(jù)進口流速或葉輪進口直徑確定，根據(jù)國標GB50265-97等規(guī)范的要求，泵進口軸向流速應在1.0～1.5 m/s之間，流量越大則流速趨向于較大值。

圖1 進水池結構示意圖

2）懸空高度Hp。懸空高度一般為泵進口直徑Do的0.5～0.6倍，應盡量設計較小的懸空高度值。根據(jù)國標GB50265-97規(guī)定，對于垂直布置的大型立式水泵機組，其懸空高度應保持在泵進口直徑Do的0.6～0.8倍之間。

3）水面深度Ho。水面深度的設計對大型立式循環(huán)水泵的吸入性能具有重要影響，過低的水面深度會使得循環(huán)泵容易產(chǎn)生汽蝕、振動和噪聲。按照國標GB50265-97設計規(guī)范，水面深度值應大于（1.0～1.25）Do。

4）后壁距T。根據(jù)國標GB50265-97的規(guī)范，進水池后壁距T的設計值均保持在（0.8～1.0）Do之間。

5）其余尺寸。側墻距C和進水池寬度B等的設計應考慮到流量和泵進口直徑Do的大小，確保泵在啟動過程中的穩(wěn)定性，同時應盡量設計較小值，以降低工程施工量和造價。

2 進水池內(nèi)流場數(shù)值模型

2.1 計算域模型

進水池的計算域模型采用業(yè)內(nèi)常用的三維造型軟件Pro/E進行造型，根據(jù)以往分析經(jīng)驗，該計算域模型由進口段、水池、喇叭管和出口管段組成，如圖2所示。

圖2 進水池計算域模型

2.2 湍流模型及邊界條件

根據(jù)進水池流場的流動特征和以往分析經(jīng)驗，采用修正的RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法，對流項采用二階迎風差分格式，擴散項為中心差分格式。

模型的進口假定為無旋均勻的軸向均勻流動邊界，在出口管假定流動已充分發(fā)展，設定為自由出流邊界條件，水池內(nèi)壁等固體壁面采用無滑移條件，近壁區(qū)的流動采用對數(shù)率分布的壁面函數(shù)法處理，自由液面邊界按照對稱面處理。

3 結果分析

3.1 出口流場分析

根據(jù)上述分析結果，利用截面的流速分布均勻度β、流速加權吸入角φ和流道水力損失系數(shù)作為量化指標對進水池內(nèi)流場進行量化評析，結果如表1。

表1 進水池分析量化指標結果

由表1可知，該進水池的量化指標結果基本滿足循環(huán)水泵的設計要求。

3.2 內(nèi)部流場分布

喇叭管進口流場會直接影響葉輪吸入性能，在前述分析基礎上，可獲得進水池內(nèi)部流線分布如圖3所示。

圖3 進水池內(nèi)部流線分布

由圖3可知，喇叭管進口附近的流線分布均勻，進口附近沒有明顯的側壁及底面渦旋，從而證明了該導水結構良好的導流、阻渦效果及該方案的可行性。

4 結論

根據(jù)上述分析結果可知，該進水池的結構尺寸設計合理，其量化指標能夠滿足大型立式循環(huán)水泵的設計要求。在喇叭管進口附近，進水池的內(nèi)流場流線分布均勻、平順，在導水結構附近沒有明顯的渦旋結構，該分析結果顯示了該進水池設計方案的可行性，可作為設計進水池結構尺寸的有效參考。

［1］ 歐鳴雄.AP1000海水循環(huán)泵研制及其內(nèi)流場特性研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學，2013.

［2］ 吉紅香,邱靜,林美蘭,等.某核電廠一期工程循環(huán)水泵房進水流道物理模型試驗研究［J］.廣東水利水電，2010（10）：20-24.

［3］ 欒鴻儒.水泵及水泵站［M］.北京：中國水利水電出版社，1993.

［4］ GB50265-97 泵站設計規(guī)范［S］.