摘 要：

关键词：

泵站;进出水流道;数值模拟;优化设计;

孙翀(1964—),男，高级工程师，学士，主要研究方向为泵站工程管理。

基金：

工程建设资金山东省重点水利工程(鲁政字[2019]189号);

引用：

孙翀，李四海，韩鹏． 泵站 “S”型进、出水流道优化设计研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 3) : 84-90.

SUN Chong，LI Sihai，HAN Peng． Optimal design of“S”type inlet and outlet flow channel of pumping station［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2022，53( 3) : 84-90.

0 引 言

平面“ S” 型卧式轴流泵装置具有结构简单，安装维护简便，运行可靠等优点，其在低扬程泵站中被广泛使用。近年来，国内不少学者对平面“S” 型卧式轴流泵装置流态和性能进行了大量研究。郑源等通过CFD模拟求取了双向轴伸泵S型弯管中心线圆弧半径比的最优值，并进行了水泵模型验证。张松等以黄金坝泵站为研究对象，研究S 形弯管和流道装置效率的关系，以优化设计、提高泵装置能量性能。吴晨晖等通过数值模拟计算和模型试验研究表明叶轮与导叶相对位置增大时平面S形卧式轴流泵装置效率呈现先上升后下降的趋势，并通过计算确定了叶轮与导叶间的最佳距离。刘超等对泵装置内流动特性进行研究并重点对S形弯管进行优化设计。杨帆等对不通过工况下导叶体的静压值、回收环量比等进行数值模拟并计算性能曲线，经模型验证确认模拟可靠。

1 水泵装置优化方案

1.1 研究对象

王道泵站为引黄济青(胶东调水)抗旱应急调水临时泵站改建泵站，建成后为引黄济青梯级泵站中的第2梯级站，年运行时间243 d。泵站设计流量36 m3/s, 相应净扬程 2.35 m, 泵站加大流量39.6 m3/s, 相应净扬程2.70 m。根据王道泵站设计要求，对比以往的相似泵站模型试验参数，该泵站选用ZM25水力模型(天津试验台测试编号GL-2008-03)。泵装置型式为平面“S”型卧式轴流泵装置，水泵叶轮直径1 750 mm, 转速206 r/min。水泵装置包括进水流道、叶轮、导叶、弯管及出水流道五个部分，三维模型如图1所示。

图1 平面“S”型卧式轴流泵装置几何模型 ①-进水流道；②-叶轮导叶；③-弯管；④-出水流道

1.2 进、出水流道方案设计

进水流道控制尺寸如图2所示。根据方变圆段长度L的不同，设计了3套进水流道方案(L分别为8 095 mm、7 000 mm及6 000 mm),记为进水流道方案1、方案2、方案3。

图2 进水流道控制断面(单位:mm)

出水流道控制尺寸如图3所示，在低扬程泵站中，出水流道的水力损失对整个泵装置效率具有重要的影响。影响直管式出水流道水力性能的主要参数为扩散角，《泵站设计规范》(GB 50265—2010)中关于泵站直管式出水流道当量扩散角宜取8°～12°,扩散角过大容易引起水流脱流。扩散角对于本装置可反映为扩散段长度Lz,共设计了3种出水流道方案(LZ分别为6 890 mm、8 200 mm及9 210 mm),记为出水流道方案a、方案b、方案c。

图3 出水流道控制段面(单位：mm)

2 数值计算方法

2.1 湍流模型及边界条件

泵叶轮内部流动是三维非定常紊流流动，但是在水泵稳定运行(转速恒定)后可认为叶轮相对运行是定常流动。基于ANSYS CFX软件进行数值模拟，为了精确预测逆压力梯度条件下流动分离，湍流模型采用基于SST模型的k-ω方程，充分考虑湍流剪切应力传输。同时为了更好地模拟泵装置内部流动，在进水流道前及出水流道出口加一段延伸段，进口断面采用总压进口条件，总压设置为1atm, 出口断面采用质量流量出流。整体泵装置数模中采用“Stage”交界面处理叶轮与进水流道、导叶体之间动静耦合流动的参数传递，其他交界面采用“None”形式。

2.2 网格划分

采用ANSYS ICEM软件对进水流道、弯管及出水流道进行网格剖分，叶轮和导叶则通过Turbogrid进行划分，最终在CFX软件中导入各部件并进行装配，最终泵装置网格如图4所示(以进水流道方案1和出水流道方案a为例)。

图4 平面“S”型卧式轴流泵装置网格划分

最终生成的网格结点与网格数如表1所列，不同方案网格数大致相同，以尽可能减小网格对不同方案结果的影响。经检查网格质量良好，符合数值模拟要求。

2.3 CFD模拟计算方案设计

针对原型泵(叶片安放角0°)在设计流量9 m3/s, 对“S”型卧式轴流泵整体装置进行三维湍流数值计算。首先以出水流道方案c为基础，更换不同进水流道，计算了3种进水流道方案，比较优劣。再以进水流道方案3为基础，更换出水流道，共进行5次CFD数值模拟。不同方案的进水流道及出水流道的匹配形式如表2所列。

3 数值计算结果分析

3.1 各部件流动损失分析

表3为设计流量下，S型卧式轴流泵装置进水流道、导叶、弯管和出水流道的水力损失。由表3可知，泵装置方案三的总损失最小，为0.419 m。对比泵装置方案一、方案二和方案三的进水流道损失相差较小，其中进水流道方案3和方案2的水力损失小于方案1。对比泵装置方案三、方案四和方案五，出水流道方案c的水力损失为0.131 m, 明显小于其它两个方案。

3.2 进水流道内部流动分析

进水流道主要是将进水池中的水光滑平顺引流至水泵入口，引流的优劣评价标准为：(1)水泵进口的流速分布均匀性；(2)水泵进口速度矢量与水泵进口断面的垂直性。经模拟计算，设计流量下进水流道出口的流速分布均匀度及加权平均角如表4所列。

从计算结果可看出：设计工况下，三个方案的进水流道的速度分布均匀度在96%左右，流速加权平均角达86°,相差较小，各方案的水泵进口速度分布较为均匀，速度矢量已接近垂直于水泵进口断面。图5为进水流道内部三维流线图，由图可知三个方案内部流线平稳，流线与壁面贴合，无明显脱流，无漩涡等不良流态。图6为进水流道出口压力分布图，可见压力分布基本呈现左右对称趋势，三个方案的压力分布较为均匀。综合考虑进水流道水力损失及内部流动，方案3水力损失较小，内部流态较好，且有利于现场施工，故选定进水流道方案3为最优方案。

图5 进水流道内部三维流线及分布云图

图6 进水流道出口压力分布云图

3.3 出水流道内部流动分析

在选定的最优进水流道方案3的基础上，更换出水流道，进行CFD计算。图7为出水流道内部三维流线图，由图可知，水流经弯管进入出水流道，在出水流道内侧出现一定的漩涡，其中方案c的漩涡分布相对较小，与出水流道型线更为贴合，表明出水流道方案c的当量扩散角选取更为合理。图8为出水流道中间剖面压力分布云图，由图可知，三个方案静压分布大致相同，其中出水流道方案c的压力分布更为均匀。综合考虑出水流道方案c的水力损失最小，内部流场更为稳定，故出水流道方案c必选为最优方案。

图7 出水流道内部流线

图8 出水流道中间剖面压力分布云

3.4 平面“S”型卧式轴流泵装置性能预测

经过全流场的数值模拟计算，取进水流道进口到出水流道出口的性能，设计流量9 m3/s下，不同方案的外特性如表5所列。由表5可知，设计流量下，五个平面“S”型卧式轴流泵装置方案扬程均在2.5 m以上，效率均在75%以上，其中泵装置方案三的性能最佳，扬程为2.58 m, 效率约78%。

综合以上分析，选取泵装置方案三为最优方案，基于ZM25模型进行多工况计算，图9为流量为7 m3/s、9 m3/s及11 m3/s下内部泵装置内部三维流线图。由图可知，由于导叶出口剩余环量的影响不同工况下平面“S”型卧式轴泵装置出水流道内均存在一定的漩涡，水流呈螺旋性流动，这种螺旋型流动在流向出口的过程中逐步发展，但总体而言，流动相对稳定，在泵站机组最高扬程及最低扬程范围内，不会影响机组的安全稳定运行。

图9 不同工况下泵装置内部三维流线

图10为泵装置方案3外特性图，由图可知，ZM25模型在设计流量9 m3/s, 转速206.3 r/min时，净扬程为2.55 m, 效率为77.18%,考虑闸门槽损失0.1 m, 略小于设计扬程2.65 m。为此，可将叶片角度向正角度微调或适当增加n、D值。ZM25模型在直径1 750 mm, 转速210 r/min, 设计流量9 m3/s转速下的扬程约为2.7 m, 效率约为77.21%,能够满足泵站运行要求。

图10 平面“S”型卧式轴泵装置外特性 (D=1 750 mm, n=206.3 r/min)

4 结 论

(1)基于轴伸轴流泵装置进水流道方变圆段长度不同，共设计了三种进水流道方案。其中进水流道方案3综合性能更优，方案3水力损失较小，内部流动较好，流道出口流速均匀度在96%左右，流速加权平均角在86°左右，且有利于现场施工。

(2)基于轴伸轴流泵装置出水流道扩散角不同，共设计了三种出水流道方案。其中出水流道方案c水力性能更优，内部流动更为稳定。

(3)对轴伸轴流泵装置方案三计算了不同工况下的泵装置性能，预测了外特性曲线。ZM25模型在直径1 750 mm, 转速210 r/min, 设计流量9 m3/s转速下的扬程约为2.7 m, 效率约为77.21%。

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