南水北调东线工程泗洪站进出水流道优化设计

杜 威，许朝瑞，白传贞，顾 问

(南水北调东线江苏水源有限责任公司 宿迁分公司，江苏 宿迁 223800)

泗洪站是南水北调东线一期工程江苏境内运西线上的第四梯级泵站，工程位于泗洪县朱湖镇东南的徐洪河上(属淮河流域)，距洪泽湖顾勒河口上游约16 km处，泗洪泵站与泗洪船闸、徐洪河节制闸、利民河排涝闸、排涝调节闸等共同组成泗洪站水利枢纽。泗洪站枢纽的主要任务是由洪泽湖抽水入徐洪河，与睢宁、邳州泵站一起，通过徐洪河向骆马湖输水，与中运河线共同向骆马湖调水。

近年来，我国灯泡式贯流泵装置应用较为广泛，对低扬程水泵装置流道型式的比选一般更加偏重于水力性能[1]。为确保泗洪泵站安全高效运行，满足南水北调东线一期工程调度要求，对泗洪泵站的进出水流道进行三维流动数值模拟及优化水力计算分析是十分必要的。

1 基本资料

1.1 水泵及进出水流道

泗洪泵站安装后置灯泡贯流泵5台套(含1台备机)，单机流量为30 m3/s，设计流量120 m3/s，采用平直管进出水流道。水泵叶轮直径D0=3 050 mm，额定转速n=107.14 r/min，叶轮中心安装高程6.3 m，水泵水力模型型号为Ns2200MA34。进水流道进口宽度为7.5 m(2.50D0)，进水流道进口高度为5.0 m(1.66D0)，进水流道进口至水泵叶轮中心线的距离为10.7 m(3.56D0)。出水流道出口宽度为7.5 m(2.50D0)，出水流道出口高度为5.0 m(1.66D0)，水泵叶轮中心线至出水流道出口的距离为22.8 m(7.59D0)。

1.2 泵站运行特征水位和扬程

见表1。

表1 泗洪泵站运行特征水位和扬程

2 研究目的及研究内容

2.1 研究目的

对泗洪站灯泡式贯流泵装置初步方案的进出水流道进行三维流场CFD分析，了解泗洪站贯流泵装置初步方案进出水流道的流态和水力损失，并对泗洪站泵装置效率进行预测。

通过CFD优化水力设计研究，实现泗洪站进出水流道水力性能的最优化，进一步完善泗洪站水泵装置的水力设计。

2.2 研究主要内容

根据泗洪站灯泡式贯流泵装置初步方案单线图，对进出水流道进行三维流场CFD计算，给出设计流量下进出水流道的流场图和流道水力损失计算值。其中，对进出水流道三维湍流流动的数值模拟采用的是目前应用最为广泛的Fluent软件，同时应用GAMBIT软件完成进出水流道三维流动计算区域的建模和网格剖分工作[2]。

对泗洪站灯泡式贯流泵装置初步方案进出水流道的水力性能作出评价，并对泗洪站泵装置效率进行预测，提出进一步优化和完善泗洪站灯泡式贯流泵装置水力设计的建议。

3 进出水流道水力优化目标

3.1 进水流道

贯流泵装置的进水流道是前池与水泵叶轮室之间的过渡段，其作用是为了使水流在由前池流向叶轮室的过程中更好地收缩。对进水流道水力设计的要求[3]为：①流道内无涡流及其它不良流态；②流道出口断面的流速分布尽可能均匀、水流方向尽可能垂直于出口断面；③流道水力损失尽可能小；④流道控制尺寸取值合理。

3.2 出水流道

贯流泵装置的出水流道是水泵出水导叶与出水池之间的过渡段，其作用是为了使水流在由水泵出口流向出水池的过程中更好地扩散，尽可能多地回收水流动能。对出水流道水力设计的要求为：①流道型线变化均匀，水流在由水泵出口流向出水池的过程中平稳有序地转向和平缓均匀地扩散，充分回收水流的动能；②尽可能避免流道内产生涡流或脱流，最大限度地减少流道水力损失；③流道控制尺寸取值合理。

4 进水流道优化方案及计算结果

4.1 进水流道初步方案及计算结果

对泗洪站后置灯泡贯流泵装置的进水流道在平均扬程工况(平均水位和设计流量)的条件下进行计算和分析。该方案的单线图和流场图见图1和图2，水力性能数值计算的主要结果见表2。可以得出，该方案的流速分布均匀度和水流入泵平均角度分别达到96.9%和89.4°，已达到较高水平，流道水力损失也很小。

图1 泗洪站进水流道单线图(初步方案)

图2 泗洪站进水流道流场图(初步方案)

4.2 进水流道优化方案及计算结果

在进水流道初步方案的基础上，将流道长度缩短0.9 m，并将流道方变圆段的起点由第一道门槽提前至第二道门槽处；将流道出口附近的折线形椎管。该方案的单线图见图3，流场图见图4，水力性能数值计算的主要结果见表2。可以看到，优化方案的水力性能较初步方案有所提高。

图3 泗洪站进水流道单线图(优化方案)

图4 泗洪站进水流道流场图(优化方案)

表2 泗洪站进水流道优化水力计算主要结果汇总表

4.3 进水流道优化方案与初步方案的比较

上述计算结果表明，进水流道优化方案为较优方案。由流场图可以看到，该方案进水流道内水流加速均匀；在流道出口段，流速分布均匀，水流的方向基本上垂直于流道出口断面，可为水泵叶轮室进口提供理想的进水流态。由流场图还可看到，在流道两侧的闸门槽内存在立轴漩涡。较优方案出口断面的流速分布优于初步方案。

5 出水流道优化方案及计算结果

5.1 出水流道初步方案及计算结果

对泗洪站后置灯泡贯流泵装置的出水流道在平均扬程工况(平均水位和设计流量)的条件下进行计算与分析，在流道控制尺寸允许范围内对其进行优化水力设计研究。

泗洪站灯泡式贯流泵装置出水流道初步方案的单线图和透视图见图5，计算所得设计流量时的流道表面流场图及主要剖面的流场图见图6。该方案设计流量时的水力损失计算值为0.224 m。

图5 泗洪站出水流道单线图(初步方案)

图6 泗洪站出水流道流场图(初步方案)

由流场图可以看到，受导叶出口环量的影响，水流呈螺旋状流入流道；受导叶出口环量的影响，流道内的水流流速分布明显不对称，顺水流方向看，水流的主流偏于流道左侧；受水流扩散流动的影响，灯泡体尾部和进入孔尾部区域均存在局部漩涡区。

5.2 出水流道优化方案及计算结果

考虑到为缩小灯泡体下方进入孔后部的涡流区等因素，优化方案在初步方案的基础上，对进入孔的平面形状进行优化，使其尾部型线的变化更为平缓；将出水流道圆变方段向水泵侧移动5.6 m，并将过渡段长度由6.8 m减短为4.6 m，以增大灯泡体段的过流面积；将出水流道平面扩散段加长0.9 m，并将流道出口断面底板高程抬高1 m；将出水流道门槽向出口侧移动0.8 m，与闸门布置位置一致。该方案的单线图见图7，计算所得设计流量时的流道表面流场图见图8。该方案设计流量时的水力损失计算值为0.185 m，与初步方案相比水力损失明显减小。

图7 泗洪站出水流道单线图(优化方案)

图8 泗洪站出水流道流场图(优化方案)

泗洪站灯泡贯流泵装置出水流道各方案水力损失计算结果见表3。

表3 泗洪站灯泡贯流泵装置出水流道各方案的水力损失计算结果

5.3 出水流道优化方案与初步方案的比较

计算结果表明，出水流道优化方案为较优方案，设计流量时的流道水力损失较初步方案减小0.039 m。与出水流道初步方案相比较，优化方案主要作了以下几点改进：①对进入孔尾部型线进行了优化；②将流道圆变方段向水泵侧移动并缩短其长度；③将流道扩散段加长，并将流道出口底板抬高；④使门槽位置与闸门布置方案一致。

6 泵装置效率

表4为南水北调东线工程采用贯流泵装置7座泵站的平均扬程[4]。泗洪站平均扬程为1.6 m，是南水北调东线工程中平均扬程最低的泵站。

表4 0.25 m流道水力损失对贯流泵平均扬程工况流道效率的影响

由于泵装置效率为水泵效率和流道效率的乘积：

η泵装置=η水泵·η流道

对于确定的泵装置扬程,流道效率完全决定于流道水力损失：

上式表明，扬程越低，流道水力损失对流道效率的影响越大。根据计算，表4为7座相关泵站在流道水力损失为0.25 m的条件下平均扬程的流道效率。由表4可见，在平均扬程工况且流道水力损失均为0.25 m的条件下，泗洪站的流道效率比金湖站低2.9%。由此可见，在南水北调东线工程选用贯流泵的泵站中，泗洪站对流道水力损失的要求是最为严格的。

泗洪站泵装置在平均扬程工况(Q=30 m3/s，H=1.6 m)的能量性能预测结果见表5。

表5 泗洪站平均扬程工况(Q=30 m3/s，H=1.6 m)泵装置能量性能预测

7 结 语

泗洪站进出水流道水力优化计算结果表明，泗洪站平均扬程较低，仅为1.6 m，为达到泵装置效率的要求，对限制流道水力损失的要求较高。泗洪站泵装置初步方案的泵装置效率与东线一期工程其他贯流泵站尚有一定差距，有必要对流道进行非常充分的优化水力设计；泗洪站进出水流道优化方案可使平均扬程工况的流道效率提高2.3%，可以获得优异的水力性能。