低揚(yáng)程泵站直管式出水流道水力優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

沈智宏

（廣州市自來水公司石門水廠，廣東 廣州 510000）

低揚(yáng)程泵站直管式出水流道水力優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

Design and analysis of hydraulic optimization for straight tube outlet conduit of low lift pumping station

沈智宏

（廣州市自來水公司石門水廠，廣東 廣州 510000）

本文以回收更多的水流動(dòng)能、減少更多的水力損失和節(jié)約更多的土建費(fèi)用為目標(biāo)，闡述了低揚(yáng)程泵站直管式出水流道的水力優(yōu)化思路和優(yōu)化方案，并且通過直管式出水流道模擬裝置對(duì)優(yōu)化后的出水流道的流態(tài)和水力損失進(jìn)行了模擬分析。

低揚(yáng)程泵站；直管式出水流道；水力優(yōu)化

低揚(yáng)程泵站直管式出水流道是現(xiàn)在應(yīng)用較多的水流道的形式之一，具有施工方便、形狀相對(duì)簡(jiǎn)單和啟動(dòng)的揚(yáng)程較低等優(yōu)點(diǎn)。在我國(guó)的南水北調(diào)工程中的萬(wàn)年閘、解臺(tái)、劉山和淮安四站等多處的低揚(yáng)程泵站都采用的是直管式的出水流道，這種形式的出水流道在我國(guó)以后的大型水泵工程的建設(shè)中還會(huì)有更多的體現(xiàn)。

1 直管式出水流道概述

上升式、平管式和下降式是直管式出水流道的主要形式。其中上升式的出水流道的轉(zhuǎn)向角要比90 °小，具有流態(tài)好和水力損失小的優(yōu)點(diǎn)，適用于揚(yáng)程較高的泵站；下降式的出水流道的轉(zhuǎn)向角要比90 °大，所以水利損失比較嚴(yán)重；平管式的出水流道的轉(zhuǎn)向角為90 °，一般應(yīng)用于低揚(yáng)程立式軸流泵站。立面方向出水流道布置尺寸緊張是直管式出水流道典型特點(diǎn)，是因上下游水位差較小。

2 水力優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)

直管式的出水流道一般是處于低揚(yáng)程泵站水泵導(dǎo)葉出口和水池的過渡段，并且在盡可能損失較少的水力前提下最大限度的回收水的動(dòng)能。

2.1 更多的回收水流動(dòng)能

水泵導(dǎo)葉處水流的平均流速一般為4~5 m/s，設(shè)計(jì)時(shí)為了盡可能的把更多的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，一般水流道出口的平均流速一般小于1.5 m/s。

2.2 更多減少水力損失

局部損失時(shí)低揚(yáng)程泵站的出水流道的水力損失主要形式，主要是由流道內(nèi)的流態(tài)決定，流道內(nèi)產(chǎn)生的脫流和漩渦是出水流道水力損失的主要原因。另外，流道轉(zhuǎn)向過急和流道擴(kuò)散過快是出水流道出現(xiàn)脫流和漩渦的兩個(gè)主要原因。首先，流道的轉(zhuǎn)向必須不小于90 °，轉(zhuǎn)向處的空間較小造成了流道轉(zhuǎn)向急促，其次，低揚(yáng)程泵站為了回收更多的動(dòng)能，所以出口斷面的尺寸一般設(shè)計(jì)比較大，但是又受費(fèi)用的限制流道長(zhǎng)度偏短，導(dǎo)致了流道平面方向的擴(kuò)散角較大。

2.3 更多的減少土建費(fèi)用

低揚(yáng)程泵站的土建費(fèi)用往往是和直管式的出水流道的水力性能是相矛盾的。一般出水流道的水力性能越好，需要投入土建的費(fèi)用也就越高。低揚(yáng)程泵站的土建費(fèi)用必須控制合理范圍內(nèi)兼顧流道水力性能和土建費(fèi)用兩方面的要求。

3 低揚(yáng)程泵站直管式出水流道的優(yōu)化

3.1 低揚(yáng)程泵站直管式出水流道優(yōu)化思路

一般在泵站的揚(yáng)程比較高的情況下，直管式的出水流道的彎管角度小于90 °，流道的水力損失也比較小。對(duì)于低揚(yáng)程泵站的直管式出水流道而言，流道要做90 °的轉(zhuǎn)向，這樣流道的下部區(qū)域就會(huì)形成較大范圍的回流，回流會(huì)使流道的水力損失增加。

3.2 低揚(yáng)程泵站直管式出水流道優(yōu)化方案

圖1為低揚(yáng)程泵站直管式出水流道優(yōu)化方案的透視圖，圖2為這種優(yōu)化方案的立面流場(chǎng)圖，該流場(chǎng)圖是利用的數(shù)值模擬的方法得到的。

圖1 低揚(yáng)程泵站直管式出水流道優(yōu)化方案

圖2 低揚(yáng)程泵站直管式出水流道立面流場(chǎng)圖

（1）在90°彎管處適當(dāng)?shù)脑黾恿⒚娣较虻霓D(zhuǎn)彎半徑，并且在其平面的方向作均勻的擴(kuò)散。

（2）把閘門段歸入到了平面方向和立面方向的漸變的擴(kuò)散范圍。

通過低揚(yáng)程直管式出水流道的立面流場(chǎng)圖可以看出立面方向的漩渦區(qū)得到了明顯的改善。另外，優(yōu)化后的直管式出水流道的流態(tài)被大幅度改善，流道內(nèi)的水力損失也得到了顯著的減少。

4 流道模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 直管式出水流道實(shí)驗(yàn)裝置

直管式出水流道的實(shí)驗(yàn)裝置為一套立式的循環(huán)系統(tǒng)。因?yàn)樗贸隹谔幍沫h(huán)量是影響出水流道水力損失的一個(gè)重要因素，因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室在出水流道前面安裝了150 mm（葉輪直徑）的模擬泵對(duì)泵站出口的水流條件進(jìn)行模擬。

4.2 直管式出水流道內(nèi)的流態(tài)

在進(jìn)行未進(jìn)行優(yōu)化的模擬時(shí)，出水流道的水進(jìn)入流道后，在立面方向會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致水流流速分布不均勻，在流道的下部延伸到流道出口都有很大范圍的回流區(qū)；在進(jìn)行優(yōu)化方案處理后，在進(jìn)行90 °轉(zhuǎn)向的半徑變大并且轉(zhuǎn)向過程也相對(duì)平穩(wěn)，流速在轉(zhuǎn)向過程中也逐步減小，轉(zhuǎn)向后的平面擴(kuò)散角也得到了減小，流道下面的漩渦范圍明顯減少。

4.3 直管式出水流道的水力損失

通過對(duì)實(shí)施優(yōu)化方案前和優(yōu)化方案后進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)直管式出水流道內(nèi)的水力損失計(jì)算分別為0.796 m和0.643 m，經(jīng)過優(yōu)化方案后，流道內(nèi)的水力損失比初始方案減少了0.153 m。

5 結(jié)束語(yǔ)

低揚(yáng)程直管式出水流道的水流偏向上部導(dǎo)致了在流道的下面出現(xiàn)一定的漩渦區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致流道內(nèi)的水力損失增加。根據(jù)漩渦區(qū)產(chǎn)生的原因并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)直管式出水流道進(jìn)行水力優(yōu)化，可以有效的改善流道內(nèi)的水力性能和流道型線。

[1] 伍杰，秦鐘建，陸林廣，吳開平，冷豫，陳阿萍. 低揚(yáng)程泵站直管式出水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算及模型試驗(yàn)研究[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2005，06：16~18.

[2] 李彥軍，顏紅勤，葛強(qiáng)，楊敬江，嚴(yán)登豐. 大型低揚(yáng)程泵裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，09：144~148.

（R-03）

TV136

1009-797X (2015) 24-0202-02

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.082

沈智宏（1981-），男，畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)，本科學(xué)歷，機(jī)械技術(shù)員，現(xiàn)為機(jī)械設(shè)備維護(hù)助理工程師。

2015-11-06