泗陽二站進水流道優(yōu)化設(shè)計

趙水汨，張前進，楊 模

（江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 概述

泗陽二站位于江蘇省泗陽縣城東郊，屬于江蘇省淮水北調(diào)第一梯級和江水北調(diào)第四梯級，其主要作用是抽引由二河閘下泄的淮水或淮陰站轉(zhuǎn)送的江水，以滿足泗陽以北徐淮區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活及中運河航運用水之需要，還可利用上游來水發(fā)電。自1997 年3 月以來，已正式投入運行20 多年。

該站為堤身式泵房結(jié)構(gòu)，采用肘形進水流道和虹吸式出水流道，裝有2.8ZLQ-7.0 液壓全調(diào)節(jié)軸流泵，配套TL2800-40／3250 立式同步電動機2 臺套，設(shè)計流量66 m3／s，設(shè)計揚程7.0 m。水泵葉輪直徑2.85 m，轉(zhuǎn)速150 r／min，配套電機容量為2800 kW。

泗陽二站自建成以后，經(jīng)過多年長時間的運行，加上水情和工情也發(fā)生了變化，原水泵揚程偏高，致使水泵裝置常常偏離高效區(qū)運行，存在機組振動大、導葉導流帽脫落、葉片調(diào)節(jié)油管漏油等問題。通過安全鑒定，機電設(shè)備安全類別定為四類，金屬結(jié)構(gòu)定為二類、建筑物評定為二類，綜合評定為三類泵站。為保證泗陽二站安全高效運行，經(jīng)批準，決定對其進行加固改造。

2 現(xiàn)狀進水流道的水泵進水條件分析和水力損失計算

2.1 現(xiàn)狀肘形進水流道的水泵進水條件分析

泗陽二站現(xiàn)狀肘形進水流道的設(shè)計見圖1。進口高度5.705 m（2.001 D0），進口寬度7.10 m（2.491 D0），在設(shè)計工況下，流道進口斷面的平均流速為0.916 m／s。肘形進水流道中設(shè)有0.6 m 寬中隔墩，流道高度4.866 m（1.707 D0），流道出口直徑3.026 m。

圖1 現(xiàn)狀肘形進水流道剖面

圖2 現(xiàn)狀肘形進水流道CFD 分析模型和網(wǎng)格剖分圖

圖3 為進水流道出口斷面上的全流速分布圖和軸向流速分布圖，可看出流道出口斷面上右側(cè)流速高，左側(cè)流速低，流速分布比較均勻。

圖3 現(xiàn)狀進水流道出口斷面上的流速分布圖（單位：m/s）

根據(jù)現(xiàn)狀進水流道CFD 數(shù)值計算結(jié)果，計算出設(shè)計工況下現(xiàn)狀進水流道出口斷面所提供的進水條件。表1 表明，現(xiàn)狀進水流道在設(shè)計工況下，進口軸向流速分布均勻度為94.65%，入泵水流最大偏流角為4.945°，加權(quán)平均偏流角為2.676°，為水泵提供的進水條件一般。

表1 現(xiàn)狀肘形進水流道提供的水泵進水條件計算結(jié)果

2.2 現(xiàn)狀肘形進水流道水力損失計算

根據(jù)現(xiàn)狀肘形進水流道CFD 分析獲得進、出口斷面上計算節(jié)點的流速和壓力值，應(yīng)用伯努里方程，采用后處理程序進行數(shù)據(jù)處理，即可計算出不同流量下的進水流道的水力損失值。圖4 所示為現(xiàn)狀肘形進水流道的水力損失曲線。

CFD 分析結(jié)果表明，在計算流量范圍內(nèi)，現(xiàn)狀進水流道的水力損失隨流量增加而增加，基本符合二次拋物線分布規(guī)律。在模型泵裝置設(shè)計流量0.366 m3／s 工況下，對應(yīng)于原型泵裝置流量33 m3／s 時，進水流道的水力損失為0.230 m。圖4 為換算到原型泵裝置時的進水流道水力損失曲線。

圖4 現(xiàn)狀肘形進水流道水力損失曲線

3 肘形進水流道優(yōu)化設(shè)計

進水流道內(nèi)的水流運動是較為復雜的三維紊流流動。對進水流道進行大規(guī)模的加固改造，在實際泵站工程中是比較困難的，受已有水工結(jié)構(gòu)布置、尺寸限制和建筑物安全等因素的影響。本研究在泗陽二站現(xiàn)狀進水流道設(shè)計參數(shù)，運用CAD 與CFD 相結(jié)合的三維設(shè)計技術(shù)，針對原水泵2850 mm和2950 mm 兩種葉輪直徑，重新設(shè)計了4 個進水流道設(shè)計方案，主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 重新設(shè)計的肘形進水流道與現(xiàn)狀流道設(shè)計參數(shù)對比

新設(shè)計的4個肘形進水流道單線剖面圖和平面圖見圖5。

圖5 新設(shè)計的肘形進水流道單線剖面圖和平面圖

圖6 新設(shè)計的肘形進水流道三維造型和網(wǎng)格剖分

4 優(yōu)化設(shè)計方案進水條件和水力損失比較

運用大型商用CFD 分析軟件FLUENT，采用由紊流模型封閉的雷諾時均Navier-Stokes 動量方程組、有限體積法和SIMPLE 速度和壓力耦合算法，針對上述4 個進水流道優(yōu)化設(shè)計方案，在設(shè)計流量下，進行進水流道內(nèi)流分析，借助數(shù)據(jù)處理軟件，從泵裝置內(nèi)部流態(tài)、水泵進水條件、進出水流道水力損失和裝置效率等方面進行性能分析和比較。

4.1 優(yōu)化設(shè)計方案進水條件比較

圖7 進水流道出口斷面上的流速分布圖（單位：m/s）

根據(jù)水泵裝置設(shè)計流量下不同進水流道內(nèi)流數(shù)值模擬結(jié)果，即可進行4 種進水流道設(shè)計方案進水條件的計算，并與現(xiàn)狀進水流道所提供的進水條件進行比較，見表3。

表3 優(yōu)化設(shè)計進水流道與現(xiàn)狀進水流道進水條件比較

由表3 可知，在泗陽二站泵站技術(shù)改造中，無論原型泵葉輪直徑是2850 mm，還是增大到2950 mm，在縮小進水流道寬度或保持原進水流道寬度的情況下，4 個優(yōu)化設(shè)計的進水流道的進水條件都優(yōu)于現(xiàn)狀進水流道提供的進水條件，入泵水流的各軸向流速分布均勻度提高了2%以上，最大偏流角都有所減小，加權(quán)平均的入泵水流偏流角減小幅度大于0.6°。

4.2 優(yōu)化設(shè)計方案的水力損失計算

根據(jù)4 個優(yōu)化設(shè)計進水流道的CFD 數(shù)值計算結(jié)果，由進水流道進、出口斷面上計算結(jié)點的流速值和壓力值，應(yīng)用伯努里方程，采用后處理程序，即可計算出不同流量下各個進水流道設(shè)計方案的水力損失值。表4 為設(shè)計流量下，4 個優(yōu)化設(shè)計進水流道現(xiàn)狀進水流道的水力損失比較。

表4 5 個進水流道設(shè)計方案水力損失的比較

表4 表明，與現(xiàn)狀進水流道相比，優(yōu)化設(shè)計都使進水流道的水力損失有所降低。保持水泵葉輪直徑不變，進口較寬的進水流道設(shè)計方案，由于內(nèi)部流速相對較低，可獲得較小的水力損失。但是，在葉輪直徑不變和進水流道長度一定的情況下，為追求較大的過水面積，在距離彎頭較近的距離時才開始收縮，則由于收縮長度較短，使得側(cè)向收縮過快，造成軸向流速分布度降低，入泵水流偏流角增大，影響水泵進水條件。

對于新建泵站，減小進水流道的進口寬度，有利于縮短泵房長度，對節(jié)省泵站土建投資是有效果的。但是，對于加固改造的泵站而言，進水流道的寬度已經(jīng)確定，即使原進水流道的進口寬度較大，也不一定需要縮小。因為水泵進水條件中的二個指標―軸向流速分布均勻度與偏流角，并不反映流道水力損失的大小。反過來說，水力損失小的進水流道設(shè)計方案，并不一定能提供良好的水泵進水條件。在進水流道水力設(shè)計和優(yōu)化過程中，必須同時兼顧水泵的進水條件和流道水力損失兩個因素。

5 結(jié)論

根據(jù)CFD 分析結(jié)果，泗陽二站在加固改造中宜采用進口寬度為7100 mm 優(yōu)化設(shè)計的肘形進水流道，為水泵提供良好的進水條件，減小水力損失，提高水泵裝置效率。