潜水泵站方箱式双向进水流道设计

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1、潜水泵站方箱式双向进水流道设计潜水泵站方箱式双向进水流道设计郭绍艾（河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021）摘要：方箱式双向进水流道具有结构简单、施工方便、流态平顺、自流过水能力强等特点。结合叶三拨泵站设计，对方箱式双向进水流道的数值模拟水力优化设计、水泵装置模型试验、水力设计准则等进行了阐述。关键词：潜水泵站；方箱式；双向流道；设计１　方箱式双向进水流道的特点叶三拨泵站近期设计流量３０ｍ３／ｓ，加大流量３６ｍ３／ｓ。根据叶三拨枢纽兼有自流引水入库、扬水入库和自流供水出库的３种功能要求，经多方案比较，设计选定泵站为

2、堤后式布置，装有４台常规轴流泵组和３台潜水电泵机组。７台机组分两种机型并列布置，其中３台潜水电泵机组采用了方箱式双向进水流道。双向式泵站可将平面上４座闸、两条河的交叉调度，转换为水泵进出水双向流道立面上的交叉配合，实现灌排两用的目的，工程投资可节省３０％以上，因而得到较多的应用。双向进水流道大体可分为双向钟型进水流道、对拼肘形进水流道及方箱式进水流道等几种型式。钟形、肘行流道共同的特点是形状复杂、施工困难。而方箱式双向进水流道具有结构简单、施工方便、流态平顺、自流过水能力强等特点，近几年来已开始得到应用，并受到越来越多的重视，预计今

3、后将会有更大的发展。２　数学模拟计算数学模拟应用计算流体力学的三维紊流数值计算方法，模拟了方箱式双向进水流道内的水流流动，并在此基础上，对影响方箱式双向进水流道形状的有关参数进行了比较性优化水力计算，经过多种流道线型方案的逐步优化，最终给出方箱式双向进水流道的水力设计准则。结果不仅可以应用于叶三拨泵站，对于类似的兼有自流引水任务的单向或双向进水泵站也有参考价值。进水流道的流场计算采用流体力学不可压缩流动在常规条件下的连续方程、动量方程、紊动能方程和紊动能耗散率方程作为控制方程。考虑流场进口边界条件为来流速度在垂直方向上呈对数分布，流

4、场出口边界条件按沿垂直于该断面方向的压力梯度等于零考虑；进水池边壁、前池底部、流道边壁及水泵导流帽等固壁边界条件按固壁定律处理；并据此建立数学模型。将进水流道沿水流方向剖分为３６×２０×１０个单元网格。以流速分布均匀度Ｖｕ和速度加权平均角度θ为目标函数进行优化计算。流速分布均匀度：式中ua——水泵进口断面的平均轴向速度ｕａｉ——该断面各单元的轴向速度ｍ——该断面的单元个数速度加权平均角度式中　ｕｔｉ——水泵进口断面各单元的横向速度显然，从轴流泵设计要求来看，Ｖｕ＝１００％和θ＝９０°为理想值，在达不到理想值情况下，优化目标取接近理想

5、值。方箱式双向进水流道待优化的几何参数可以分为两类，一类是流道基本尺寸，包括：流道高度Ｈｊ、流道宽度Ｂｊ和长度ＸＬ；另一类是靠近水泵进口断面的尺寸，包括喇叭管内壁线型，喇叭管进口直径ＤＬ、喇叭管高度ＨＬ和悬空高度ＨＢ。３　水泵装置模型试验模型试验的目的是验证数模计算的初步成果，最后选定流道线型和尺寸，同时观察进水流道内的水流状态是否伴有涡带发生，确定流道进口淹没深度，检验水泵装置的能量指标。试验的主要内容为进水流态试验，装置能量试验和流道进口临界淹没深度试验。试验模型水泵转轮直径Ｄｍ＝３００ｍｍ，原型水泵转轮直径Ｄｐ＝１２００ｍｍ，

6、模型比例λＬ＝４，试验采用的相似准则为ｎＤ＝Ｃｏｎｓｔ。流道尺寸根据数模优化计算成果并参照类似工程确定。考虑叶三拨泵站ｎＤ值较大（ｎＤ＝４４４）的特点，在进水流道中增设了导流锥，以确保流道内不发生涡带。通过对模型试验装置进水流道两侧开设的有机玻璃窗口，对进水流道内的水流状态进行长时间的观察，在各种工况（Ｈ＝２～８ｍ）下进水流态平顺、均匀，流道内无涡带发生，水泵运行平稳。４　方箱式双向进水流道水力设计准则通过对叶三拨泵站２５个流道几何参数方案的优化计算和水泵装置模型试验，得出的方箱式双向进水流道水力设计的准则为：（１）在一定范围内，方

7、箱式进水流道的基本尺寸对水泵进口处的流场影响很小，可根据泵站结构布置、过流面积、最小宽度等要求确定。（２）愈是靠近水泵进口处，固壁边界的形状对水泵装置的运行性能影响愈大，因而愈须经水力优化确定。喇叭管内壁线型以１／４椭圆为佳。建议喇叭管进口直径取１．４５Ｄ０左右，喇叭管高度和悬空高度分别不宜小于０．５Ｄ０和０．７Ｄ０（Ｄ０——水泵叶轮直径）。潜水泵站方箱式双向进水流道设计:　（３）对于采用方箱式进水流道的大型水泵装置，喇叭管宜采用混凝土浇筑，以防喇叭管振动，确保泵站运行的安全。由于混凝土浇筑的喇叭管内壁线形及光滑度难以保证，建议喇叭

8、管内壁采用金属铸件，浇筑时取代内壁模板，与混凝土浇筑成一个整体。（４）采用以三维紊流理论计算为主、模型试验为辅的方法，优化泵站双向进水流道的水力设计是可行的。但由于双向进水流道的特殊性，设计不当将导致流道内产生涡带，须予以重视。任何带