改善城市排水泵站進(jìn)水流態(tài)的試驗研究

羅海軍，張 睿，徐 輝,

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

城市排水泵站因受用地面積限制、排水管網(wǎng)布置、施工條件復(fù)雜等因素影響，使得泵站進(jìn)水建筑物難以按照泵站設(shè)計規(guī)范中水力條件良好的要求布置。因此，城市排水泵站進(jìn)水建筑物尺寸偏小、布置局促，水力條件復(fù)雜，容易在前池和進(jìn)水池內(nèi)產(chǎn)生漩渦、回流、橫向流動等不良水力現(xiàn)象，進(jìn)而會造成水泵能量性能下降，甚至?xí)鹚脵C(jī)組振動和誘發(fā)汽蝕現(xiàn)象等[1]。因此，改善城市排水泵站進(jìn)水系統(tǒng)內(nèi)的不良流態(tài)，對于保障其運行的安全可靠性具有重要意義。

目前，增設(shè)整流措施是有效改善泵站進(jìn)水系統(tǒng)內(nèi)水流流態(tài)的主要方法，諸多學(xué)者對此開展了深入廣泛的研究[2-6]。夏臣智等[7]研究了倒T型底坎對前池流態(tài)改善的影響，結(jié)果表明倒T型底坎可顯著改善前池中的流態(tài)，提高邊側(cè)機(jī)組的流速，改善前池中流速分布均勻度；洪磊等[8]通過數(shù)值計算和物理模型試驗相結(jié)合的手段，研究了前池壓水板對改善前池流態(tài)的影響，明確了合理的壓水板布置參數(shù)；陸曉如等[9]通過模型試驗研究了導(dǎo)流墩對泵站進(jìn)水池流態(tài)的改善效果，結(jié)果表明導(dǎo)流墩可以有效改善進(jìn)水池進(jìn)水流態(tài)，提高水泵運行工作效率；項曉嬡等[10]以一大型泵站為例，研究了十字消渦板對喇叭管下方水體及進(jìn)入喇叭管內(nèi)部水體的整流效果。對于泵站進(jìn)水系統(tǒng)流態(tài)的改善，大多數(shù)研究者所提出的整流措施較為單一，對于水力條件較為復(fù)雜的城市排水泵站來說，其改善效果十分有限。組合式整流措施通過合理運用多種整流方案，能夠較為全面地改善泵站進(jìn)水系統(tǒng)水流流態(tài)[11,12]，是值得研究和推廣應(yīng)用的新型整流措施，但目前對此研究還普遍偏少。

某城市排水泵站由于受到占地面積、施工條件等因素的限制，布局較為緊促，為分析該泵站進(jìn)水系統(tǒng)的水力流動特性，本文基于物理模型試驗的方法，研究該泵站進(jìn)水箱涵、前池及進(jìn)水池內(nèi)的水流流態(tài)，并針對存在的不良流動現(xiàn)象，提出一種組合式整流措施并分析其對泵站進(jìn)水系統(tǒng)水力流動特性的改善效果，以期為泵站設(shè)計提供參考。

1 研究對象

1.1 泵站概況

某城市排水泵站由斜向進(jìn)水總管進(jìn)流，經(jīng)閘門井向兩側(cè)進(jìn)水箱涵和前池配水，泵站排水總流量為20.4 m3/s，屬于大型城市排水泵站，水泵采用干式抽芯混流泵，共6臺，其中單泵流量為3.4 m3/s，揚程為6.9 m，功率為400 kW。泵站設(shè)置左右前池兩個，前池對稱布置，前池總長13.85 m，前池底部高程-8.0 m，最高水位-1.1 m，進(jìn)水池的長度為5.3 m，相鄰兩泵的泵中心線相距4 m。泵站結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，水泵機(jī)組編號從上至下為1、2、3、4、5和6號，進(jìn)水箱涵從上至下編號為1孔、2孔、3孔、4孔。

圖1 泵站結(jié)構(gòu)圖(尺寸單位：mm)Fig.1 the structure of pump station

1.2 物理模型設(shè)計

2 原方案流態(tài)分析

圖2是模型試驗中測得的斷面垂線平均流速分布圖，圖中流速均換算為原型泵站的流速，圖3是模型試驗觀測的前池表面流態(tài)圖。模型試驗發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水管出流集中，在閘門井中產(chǎn)生回流，主流斜向流入閘門井，受箱涵頭部隔墻和前池布置形式影響，水流分為兩股流入箱涵，使得箱涵內(nèi)配水不均，箱涵中間孔過流量較大，兩側(cè)孔過流量較小，1孔箱涵、2孔箱涵、3孔箱涵、4孔箱涵過流流量占總流量的百分比分別是8.3%、52.1%、27.2%、12.4%，前池內(nèi)流速分布很不均勻，最大流速是最小流速的38倍，且斷面1、斷面2有反向流速出現(xiàn)。由于箱涵來流不均勻，主流偏向一側(cè)，且前池擴(kuò)散角過大，水流在前池內(nèi)形成大范圍回流區(qū)，造成水泵配水不均勻，受前池擴(kuò)散段底坡影響，前池末端立面流速分布上，表面流速較大，底層流速較小，對水泵進(jìn)流不利。進(jìn)水池前流速分布不均勻，橫向水流明顯，進(jìn)水流道內(nèi)無任何消渦裝置，部分進(jìn)水池內(nèi)有回流及間歇性吸氣渦產(chǎn)生。

圖2 泵站斷面垂線平均流速分布圖(流速單位：m/s)Fig.2 Pump station cross-section vertical flow velocity distribution map

圖3 前池表面流態(tài)圖Fig.3 Flow state diagram of for-bay

3 組合式整流措施的研究

3.1 整流措施設(shè)計

由于占地面積、工程造價等方面的原因，在不改變泵站主體結(jié)構(gòu)的情況下，提出合理的工程整流措施，改善泵站內(nèi)不良水力流態(tài)，對于泵站的安全高效運行至關(guān)重要。導(dǎo)流墩是泵站前池調(diào)整流態(tài)的一種常用工程措施，原理是通過不同角度導(dǎo)流墩的導(dǎo)流作用，對來流進(jìn)行分割，并強(qiáng)迫其轉(zhuǎn)向，減小前池平面擴(kuò)散角，在平面上均化水流，消除拖壁回流、偏流等不良流態(tài)[13]。為了防止進(jìn)水池內(nèi)產(chǎn)生漩渦、吸氣渦等不良流態(tài)，可在進(jìn)水池進(jìn)口添加消渦板。

為使前池、進(jìn)水池流態(tài)更好地改善，首先應(yīng)使四孔箱涵過流過流流量盡量相近，擬決定在閘門井內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流墩，使得進(jìn)入四孔箱涵的流量盡量分配均勻。在四孔箱涵來流盡量相等的情況下，在前池、進(jìn)水池設(shè)置合理的工程整流措施，與閘門井內(nèi)整流措施組成組合式整流措施，從而更加有利于改善前池、進(jìn)水池流態(tài)。對閘門井、前池、進(jìn)水池內(nèi)整流措施的組合進(jìn)行了多組次多方案的試驗比較，最終選擇在閘門井內(nèi)設(shè)置3個導(dǎo)流墩，在前池設(shè)置川字型導(dǎo)流墩，前池首段添加一道橫梁，橫梁頂部距最高水位進(jìn)水池進(jìn)口各設(shè)置一塊消渦板，使水流進(jìn)水池底部進(jìn)入進(jìn)水池，從而構(gòu)建了一種“導(dǎo)流墩+橫梁+消渦板”的組合式整流措施，整流措施相對位置如圖4所示，模型實物圖如圖5所示。

圖4 組合式整流措施布置圖(尺寸單位：mm)Fig.4 Layout of combined rectification measures

圖5 組合式整流措施模型布置圖Fig.5 Model layout of combined rectification measures

3.2 改善效果分析

圖6是整流后泵站斷面垂線平均流速分布圖，圖7是整流后前池表面流態(tài)圖，圖8是1號進(jìn)水池3個測點的垂線流速分布圖，其中由于進(jìn)水池進(jìn)口斷面上層為消渦板結(jié)構(gòu)，消渦板后基本為滯水區(qū)，因而斷面3-3僅量測下部四層流速。由圖6-8可知，通過在閘門井井內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流墩，利用導(dǎo)流墩導(dǎo)流、繞流、分割水流的作用，使得四孔箱涵流量分配較為均勻，1孔、2孔、3孔、4孔過流流量占總流量的百分比分別為29.8%、23.7%、21.2%、25.3%，較原方案改善較為明顯，有利于前池進(jìn)水流態(tài)的改善；川字型導(dǎo)流墩具有導(dǎo)流、分流的作用，能有效減弱前池大尺度表面漩渦，使得水流均勻性提高，因此在前池擴(kuò)散段，來流受導(dǎo)流墩和橫梁作用影響，前池表面基本無回流、漩渦等不良流態(tài)產(chǎn)生，橫梁立面上使部分水流下壓，增大了底層流速，減小了表層流速，水流平面方向上向前池兩側(cè)均勻擴(kuò)散，在立面方向上向前池底部擴(kuò)散，在前池末端，平面流速分布趨于均勻，立面流速呈底部流速稍大，表層流速稍小，對水泵底部抽水有利；進(jìn)水池內(nèi)水流均勻平順，底部流速較大，使得大部分水流從進(jìn)水池底部流入水泵吸水口，表層水流流速較低，有利于防止表面漩渦產(chǎn)生。

圖6 整流后泵站斷面垂線平均流速分布圖(流速單位：m/s)Fig.6 Average flow velocity distribution of the section of the pumping station after rectification

圖7 整流后前池表面流態(tài)圖Fig.7 Flow state diagram of for-bay after rectification

圖8 1號進(jìn)水池測點垂線流速分布(流速單位：m/s)Fig.8 Vertical velocity distribution of No.1 suction sump

為了進(jìn)一步分析組合式整流措施對泵站前池、進(jìn)水池流態(tài)的改善的效果，決定采用文獻(xiàn)[8]中的公式來計算泵站斷面1-1、2-2、3-3的橫向流速分布不均勻系數(shù)，其表達(dá)式為：

試驗過程中原方案斷面1共采集流速數(shù)據(jù)480個，斷面2采集數(shù)據(jù)560個，斷面3采集數(shù)據(jù)720個，整流后斷面1、斷面2、斷面3分別測得流速數(shù)據(jù)480個、560個和576個，根據(jù)所得數(shù)據(jù)可求得最大流速、最小流速和平均流速，并計算相應(yīng)斷面的橫向流速分布不均勻系數(shù)。對于不均勻系數(shù)k，其值越小，表明流速分布均勻性越好。

經(jīng)計算，原方案斷面1-1、斷面2-2、斷面3-3的不均勻性系數(shù)分別為2.16、1.95、1.07，整流后斷面1-1、斷面2-2、斷面3-3不均勻性系數(shù)為0.45、0.38、0.15，結(jié)果表明組合式整流措施能顯著改善前池、進(jìn)水池流態(tài)，經(jīng)組合式整流措施沿程調(diào)整，進(jìn)水池內(nèi)的水流流速分布較為均勻，為水泵提供了良好的進(jìn)流條件。

4 結(jié) 論

本文以某城市排水泵站為研究對象，采用物理模型試驗的方法研究了其進(jìn)水系統(tǒng)的水力流動特性，并針對所存在的不良流態(tài)，提出了一種新型的組合式整流措施，并通過物理模型試驗研究其流態(tài)的改善效果。通過上述研究，得到以下結(jié)論：

(1)因泵站進(jìn)水管側(cè)向布置，原方案中閘門井進(jìn)流集中且主流偏斜，使得進(jìn)水箱涵兩側(cè)配水不均，進(jìn)而導(dǎo)致前池內(nèi)主流偏向一側(cè)，而另一側(cè)形成大范圍回流區(qū)，進(jìn)一步造成進(jìn)水池進(jìn)流不均且存在漩渦、回流等不良流態(tài)，對于水泵運行不利。

(2)通過在閘門井內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流墩、在前池內(nèi)設(shè)置川字型導(dǎo)流墩、橫梁以及在進(jìn)水池進(jìn)口處設(shè)置消渦板，構(gòu)建了一種組合式整流措施。試驗結(jié)果表明，整流后泵站進(jìn)水箱涵各孔流量分配性得到顯著改善，前池內(nèi)的偏流和大范圍回流等不良流態(tài)得到有效改善，進(jìn)水池進(jìn)流均勻；前池進(jìn)口、中部及進(jìn)水池測速斷面不均勻性系數(shù)分別由2.16、1.95、1.07降至0.45、0.38、0.15；進(jìn)水池內(nèi)流速分布在立面上呈底部較大、上部較小分布，有利于水泵進(jìn)流和防止表面渦形成。