泵站钟形进水流道设计探讨

刁军伟 张晓芳 夏姝珺

（南京市水利规划设计院有限责任公司，江苏南京 210016）

0 引言

进水流道是泵站工程的重要组成部分，与水泵共同组成过流通道。工程实践和试验观测表明，进水流道水流状态对水泵性能有较大影响，流道设计的合理与否直接影响机组的运行效率和安全。

常见的块基型泵站进水流道包括肘形、钟形、贯流式、斜式和簸箕型等，其中，以钟形进水流道和肘形进水流道应用最多。

1 进水流道设计

1.1 设计要点

进水流道基本要求是流道末端（即水泵吸水室进口）流速和压力分布均匀、速度环量为零。流道出口水流偏流角和流道阻力系数决定末端水流的水力特性，直接影响水泵能量特性和汽蚀特性，流道的水力损失关系到水泵装置效率的高低。若流道设计不当，易产生漩涡或加大漩涡强度，涡带进入水泵，会引起水泵汽蚀、机组振动；若空气进入水泵内，则将导致水泵流量减小、效率降低。

进水流道设计应为水泵提供均匀的流速分布和压力分布等进水条件，流道内应无回流及有害漩涡（涡带），避免产生振动、噪音等。在实际设计中，需要针对工程特点选择合适的水泵机组及进水流道型式，同时，要兼顾土建投资和施工可行性。工程设计中主要考虑以下因素：

（1）流道水力损失小，流道末端断面的流速和压力分布均匀。

（2）在各种工况下，不允许有涡带进入水泵，尽量减少流道内漩涡。

（3）流道进口断面处流速宜取0.8～1.0 m/s。

（4）选择合适的流道宽度和开挖深度，尤其应减少开挖深度，以降低土建工程量，节约投资。

（5）流道线型应简单，便于施工。

1.2 主要设计参数分析

1.2.1 吸水室

进水流道吸水室形式对流态的影响较大。流态从差到好依次排序为矩形、多边形、半圆形和涡壳形，相应对施工工艺要求由低到高。

1.2.2 流道高度

流道高度H是流道设计的重要参数。在满足流道水力性能良好的前提下，流道高度大则利于水流流态调整，但底板高程降低，开挖深度工程量大；设计合理时，H越小土建造价越经济。肘形进水流道H/D值一般为1.5～1.8（H和D分别为流道高度和叶轮直径），钟形进水流道H/D=1～1.5，可见其H相对较小，据日本有关试验资料，在钟形进水流道H/D=1～1.4的范围内水泵效率最高。

1.2.3 喇叭管和导水锥

喇叭管与导水锥型线设计是进水流道设计关键，一般采用二次曲线，常用的有椭圆曲线法和zi=KDi2法等。设计要求喇叭管与导水锥之间的环形截面面积沿流程单调递增。设置在底板上的导水锥对流态有利，可以消除涡带，避免引起水泵强烈振动，使水流在流道内的流速均匀地递增。

2 工程实例简介

笔者以无锡市伯渎港泵站工程（钟形进水流道加箱涵式出水流道）为例，对泵站钟形流道设计进行分析。

2.1 无锡市城市防洪伯渎港泵站工程

伯渎港泵站设计流量45 m3/s，配套叶轮直径2.2 m的2200ZLB-2.0型立式轴流泵3台套，设计扬程1.95 m，单机设计流量15 m3/s。

2.2 进水流道选型

设计以常用的肘形和钟形进水流道为例进行比较分析。

肘形流道应用较早，单侧进水，优点是：水流状态较好，水力损失较小。缺点是：因流道内需要调整水流，故流道较长、较高；因安装需要，流道底板高程比水泵叶轮中心线低得多，流道基础开挖较深，增加了土建工程投资。

钟形流道为四周环向进水，优点是：流道高度小，但宽度较大，水力性能较好；缺点是：流道线型相对复杂，对施工工艺要求更高。

伯渎港泵站工程扬程低、流量大，为减少泵室地基开挖深度，设计采用钟形进水流道。

2.3 水力设计优化

图1 钟型进水流道平面图

图2 钟型进水流道纵剖面图

设计过程中，通过水工物理模型试验［1］和数值计算，对钟形进水流道高度（含喇叭口悬空高度h）及后壁距离、后壁形状开展了研究验证。试验和计算结果表明，钟形进水流道的H/D介于 0.5～0.8 之间，较为合理［2］；采用平面对称蜗壳型式后壁型线、设置导水锥和垂直隔水墩，可有效改善水流条件。

根据试验结果对流道进行了优化设计。设置垂直隔水墩，长度4.2 m；喇叭口悬空高度h优化为1.3 m，同时，为降低前池和捞污机工作的深度，进一步节约土建工程量，采用了流道底板上翘5°、顶板上翘12°的优化措施。

图1及图2为钟形进水流道最终设计平面图及纵剖面图，进口断面6.0 m×2.9 m，流速 0.86 m/s，单孔进水流道H为2.7 m，H/D值为1.227，流道调整段长9 m，吸水室后壁型线采用平面对称蜗壳型式。喇叭管与导水锥型线设计采用椭圆曲线法，喇叭管及导水锥底部直径同为3.0 m。

工程建成后经数年运行，机组稳定安全，达到了设计要求。

3 结语

笔者通过实例介绍了钟形进水流道主要设计参数，水力设计优化主要注意如下要点：

（1）合理确定流道线型尺寸及H/D取值。

（2）喇叭管与导水锥型线设计，并注意优化喇叭口悬空高度。

（3）设置隔水墩（隔板），隔板宜设在顺水流方向的喇叭口两侧。

［1］扬州大学水利科学与工程学院.无锡市九里河、伯渎港水利枢纽泵站泵装置模型试验研究报告，2006.

［2］李大亮，张晓芳，陈松山.泵站出水流道的优化试验［J］.排灌机械，2007，25（4）.