当前信息：二站进水流道优化设计研究

［摘要］针对泗阳二站的现状和加固改造需求,保留目前泵站的站身、肘形进水流道和立式轴流泵,对进出水流道进行优化设计,给出优化设计指标和优化目标。对现状进水流道的水泵进行进水条件分析和水力损失计算,然后对肘形进水流道进行优化设计,优化设计方案进水条件和水力损失比较,根据CFD分析结果,泗阳二站在加固改造中宜采用进口宽度为7100mm优化设计的肘形进水流道,为水泵提供良好的进水条件,减小水力损失,提高水泵装置效率。

［关键词］肘形进水流道；优化设计；水力损失；进水条件；水泵装置效率

1概述

【资料图】

泗阳二站位于江苏省泗阳县城东郊,属于江苏省淮水北调第一梯级和江水北调第四梯级,其主要作用是抽引由二河闸下泄的淮水或淮阴站转送的江水,以满足泗阳以北徐淮区工农业生产、生活及中运河航运用水之需要,还可利用上游来水发电。自1997年3月以来,已正式投入运行20多年。该站为堤身式泵房结构,采用肘形进水流道和虹吸式出水流道,装有2.8ZLQ-7.0液压全调节轴流泵,配套TL2800-40/3250立式同步电动机2台套,设计流量66m3/s,设计扬程7.0m。水泵叶轮直径2.85m,转速150r/min,配套电机容量为2800kW。泗阳二站自建成以后,经过多年长时间的运行,加上水情和工情也发生了变化,原水泵扬程偏高,致使水泵装置常常偏离高效区运行,存在机组振动大、导叶导流帽脱落、叶片调节油管漏油等问题。通过安全鉴定,机电设备安全类别定为四类,金属结构定为二类、建筑物评定为二类,综合评定为三类泵站。为保证泗阳二站安全高效运行,经批准,决定对其进行加固改造。

2现状进水流道的水泵进水条件分析和水力损失计算

2.1现状肘形进水流道的水泵进水条件分析

泗阳二站现状肘形进水流道的设计见图1。进口高度5.705m（2.001D0）,进口宽度7.10m（2.491D0）,在设计工况下,流道进口断面的平均流速为0.916m/s。肘形进水流道中设有0.6m宽中隔墩,流道高度4.866m（1.707D0）,流道出口直径3.026m。图3为进水流道出口断面上的全流速分布图和轴向流速分布图,可看出流道出口断面上右侧流速高,左侧流速低,流速分布比较均匀。根据现状进水流道CFD数值计算结果,计算出设计工况下现状进水流道出口断面所提供的进水条件。表1表明,现状进水流道在设计工况下,进口轴向流速分布均匀度为94.65%,入泵水流最大偏流角为4.945°,加权平均偏流角为2.676°,为水泵提供的进水条件一般。

2.2现状肘形进水流道水力损失计算

根据现状肘形进水流道CFD分析获得进、出口断面上计算节点的流速和压力值,应用伯努里方程,采用后处理程序进行数据处理,即可计算出不同流量下的进水流道的水力损失值。图4所示为现状肘形进水流道的水力损失曲线。CFD分析结果表明,在计算流量范围内,现状进水流道的水力损失随流量增加而增加,基本符合二次抛物线分布规律。在模型泵装置设计流量0.366m3/s工况下,对应于原型泵装置流量33m3/s时,进水流道的水力损失为0.230m。图4为换算到原型泵装置时的进水流道水力损失曲线。

3肘形进水流道优化设计

进水流道内的水流运动是较为复杂的三维紊流流动。对进水流道进行大规模的加固改造,在实际泵站工程中是比较困难的,受已有水工结构布置、尺寸限制和建筑物安全等因素的影响。本研究在泗阳二站现状进水流道设计参数,运用CAD与CFD相结合的三维设计技术,针对原水泵2850mm和2950mm两种叶轮直径,重新设计了4个进水流道设计方案,主要设计参数见表2。

4优化设计方案进水条件和水力损失比较

运用大型商用CFD分析软件FLUENT,采用由紊流模型封闭的雷诺时均Navier－Stokes动量方程组、有限体积法和SIMPLE速度和压力耦合算法,针对上述4个进水流道优化设计方案,在设计流量下,进行进水流道内流分析,借助数据处理软件,从泵装置内部流态、水泵进水条件、进出水流道水力损失和装置效率等方面进行性能分析和比较。

4.1优化设计方案进水条件比较

图7为进水流道出口断面上的全流速分布图和轴向流速分布图。从图7中可看到,对应不同的进水流道设计方案,进水流道出口断面的流场是存在显著的差异的。根据水泵装置设计流量下不同进水流道内流数值模拟结果,即可进行4种进水流道设计方案进水条件的计算,并与现状进水流道所提供的进水条件进行比较,见表3。由表3可知,在泗阳二站泵站技术改造中,无论原型泵叶轮直径是2850mm,还是增大到2950mm,在缩小进水流道宽度或保持原进水流道宽度的情况下,4个优化设计的进水流道的进水条件都优于现状进水流道提供的进水条件,入泵水流的各轴向流速分布均匀度提高了2％以上,最大偏流角都有所减小,加权平均的入泵水流偏流角减小幅度大于0.6°。

4.2优化设计方案的水力损失计算

根据4个优化设计进水流道的CFD数值计算结果,由进水流道进、出口断面上计算结点的流速值和压力值,应用伯努里方程,采用后处理程序,即可计算出不同流量下各个进水流道设计方案的水力损失值。表4为设计流量下,4个优化设计进水流道现状进水流道的水力损失比较。表4表明,与现状进水流道相比,优化设计都使进水流道的水力损失有所降低。保持水泵叶轮直径不变,进口较宽的进水流道设计方案,由于内部流速相对较低,可获得较小的水力损失。但是,在叶轮直径不变和进水流道长度一定的情况下,为追求较大的过水面积,在距离弯头较近的距离时才开始收缩,则由于收缩长度较短,使得侧向收缩过快,造成轴向流速分布度降低,入泵水流偏流角增大,影响水泵进水条件。对于新建泵站,减小进水流道的进口宽度,有利于缩短泵房长度,对节省泵站土建投资是有效果的。但是,对于加固改造的泵站而言,进水流道的宽度已经确定,即使原进水流道的进口宽度较大,也不一定需要缩小。因为水泵进水条件中的二个指标―轴向流速分布均匀度与偏流角,并不反映流道水力损失的大小。反过来说,水力损失小的进水流道设计方案,并不一定能提供良好的水泵进水条件。在进水流道水力设计和优化过程中,必须同时兼顾水泵的进水条件和流道水力损失两个因素。

5结论

根据CFD分析结果,泗阳二站在加固改造中宜采用进口宽度为7100mm优化设计的肘形进水流道,为水泵提供良好的进水条件,减小水力损失,提高水泵装置效率.

作者：赵水汨 张前进 杨模 单位：江苏省骆运水利工程管理处