太浦河泵站进出水流道及安装高程数模计算分析

摘要：太浦河泵站采用数学模型仿真计算的方法，计算和模拟不带水泵转轮的整个流道装置的水流流态及水力损失。根据计算结果分析，结合国内实际泵站运行情况及有关资料，确定太浦河泵站的水泵装置安装高程。

关键词：水泵装置 模计算 水流流态 水力损失 汽蚀 振动 安装高程

1 泵站概况

太浦河泵站是太湖流域综合治理的一项重点工程，其建造目的是在枯水年份4~6月，当太湖水位较低时，通过太浦闸自流输入难以满足下游上海市的供水要求，通过太浦河泵站抽取太湖水向上海市供水，改善上海市黄浦江上游取水口处水质。太浦河泵站位于江苏省吴江市太浦闸南侧。

1.1 泵站基本布置

泵站由引水渠、进水池、泵房、出水池、出水渠几部分组成。泵房内布置6台斜15⁰轴伸泵，每台水泵设计流量为50 m³/s，叶轮直径4.1m，泵站设计流量300 m³/s。水泵由电动机通过减速齿轮箱传递功率。减速齿轮箱采用两级传动的平行轴齿轮箱。泵站流道布置见图1。

                       图1       泵站流道布置图

1.2 泵站基本参数

进水池：     设计水位1.90m         最低运行水位1.70m   

出水池：     最高运行水位3.34m     设计水位3.29m    最低运行水位2.66m

扬程：      最高净扬程1.64m       设计净扬程1.39m    最低净扬程0.76m

2 进出水流道及水泵安装高程数模计算

2.1 数模计算目的和要求

太浦河泵站具有水泵扬程特低，单泵流量大，叶轮直径大，及水泵转速低的特点。泵站的运行条件与太湖水位有密切关系，而太湖水位牵涉到各省市的利益，使水泵的安装高程、流道进水口淹没水深等条件受到一定限制。为使水泵在整个泵站扬程范围内安全稳定运行，在未确定水泵制造厂之前，委托清华大学、武汉水利电力大学、上海大学三个单位进行不带转轮的三种方案的流道数模计算和安装高程的分析。以下仅对其中的推荐方案进行详细的分析。

2.2 数模计算内容

进出水流道及水泵安装高程数模计算应给出下列内容：

（1）   按泵站设计规程规范中流道进水口的流速要求，确定进水口断面面积。

（2）   计算进出水流道的流速场和压力场，对流道内的水流流态进行计算和分析。

（3）   根据水泵进口的流速场和压力场，参考最优工况点气蚀比转速为1000的转轮，考虑叶片最高点的初始汽蚀和临界汽蚀，确定汽蚀控制要求。

（4）   提出进出水流道的优化建议。

3 进出水流道及水泵安装高程数模计算结果和分析

3.1数模计算理论

三个计算单位对进出水流道及水泵安装高程的数模计算均采用三维流动计算程序。清华大学采用美国的flowtax软件，武汉水利电力大学采用英国cham公司的phoenics软件，上海大学采用star–cd软件。在三维不可压缩场的雷诺平均n – s方程和标准k – ε紊流模型方程组的基础上根据各学校的经验和特点，对所用的方程进行求解和研究，并对标准的k – ε模型进行修正。

3.2 进出水流道水力计算和流态分析

三个单位对进出水流道均进行了流速场和压力场的三维粘性流计算，根据计算结果得出进出水流道的水力损失。水力损失详见表3 – 1。

表3–1  三个单位的进出水流道水力损失

从表3– 1可见进出水流道水力损失的特点是流道水力损失的绝对值不大。由于斜15⁰轴伸泵的出水流道比较弯曲，在叶轮出口水流经导叶后不能平稳地变为轴向出流，使出水弯管处水流更紊乱，实际的出水流道的水力损失将大于不带转轮的理论计算值。

在流道进口淹没水深满足要求的前提下，虽然进水流道有弯曲，流速分布有变化，使流道上部流速大于下部流速，在进口顶板处出现进口断面的最大流速，但压力变化差别不大，未有进口漩涡和串通挟气发生。整个进水流道比较平顺，加速均匀，阻力损失较小。三个单位均认为进水流道的流态较好，但提出应注意进水流道中墩尾部的型线，防止脱流发生。有一单位指出因水泵进水口前流道有弯曲，直管段较短，水泵进口处有很轻微的三维涡强度和螺旋度密度，但总体上进水流道出口断面三维流速较为均匀，没有较大的三维旋涡存在。

主要计算分析结果如下：

（1）出水流道的弯管部分流动比较复杂，既有弯曲又有扩散，影响水流流态，出水流道弯度越大水流流态越差。

（2）弯管部分的流速不均匀，其出口处有漩涡区。弯管中间部分流速高，周围流速低，说明出水流速未充分扩散，导致流道出口流速分布不均匀。

（3）由于叶轮后的出口流道弯曲，加上流道是扩张的，在那里造成了较大的逆压梯度，因而出现了一定的流动分离。此外由于水体重力影响，流道内的水压力沿水深方向变化明显。

（4）因为进出水流道是个整体，进水流道的水力不均匀及叶轮出口的漩涡，加大出水流道弯管处的水流会紊乱。

（5）流道出口为淹没出流，计算表明靠近出水流道的出水池表面均有较大的漩涡区。

3.3 水泵装置安装高程

水泵装置的安装高程根据水泵不发生汽蚀和振动的原则确定。低扬程轴流式水泵的空蚀有叶片正面汽蚀及背面汽蚀，叶片与轮壳室的间隙汽蚀三种。水泵的汽蚀不仅对转轮造成损坏，效率下降，而且汽蚀将引起水泵的振动和噪音，危及水泵的安全运行产生影响。

3.3.1 汽蚀余量

3.3.1.1.水泵必须汽蚀余量

在太浦河泵站未能选定水泵前，设计工况点的必须汽蚀余量依据水泵汽蚀比转速和其它统计公式来考虑，非设计工况的水泵必须汽蚀余量参考日本《泵站工程技术设计手册》图1.96提供的方法。设计工况点为4.67m，非设计工况为7.2 m。

3.3.1.2 水泵装置汽蚀余量

水泵装置汽蚀余量计算：h_a =  – + h_淹min – h_f – 0.5  （m）

表3.-1   水泵装置汽蚀余量

三个单位的进水流道的水力损失计算值差距较大，考虑到进水门槽的水力损失，综合三个单位的计算值后暂取进水流道的水力损失为0.2m。水泵装置汽蚀余量必须大于水泵的许用汽蚀余量。经计算太浦河泵站的水泵装置汽蚀余量满足此器。

3.3.2 水泵装置汽蚀分析

3.3.2.1水泵装置临界汽蚀和初生汽蚀

根据水泵的汽蚀理论，汽蚀可分为临界汽蚀和初生汽蚀。国内的水泵模型试验和原型测试，均按水泵效率下降1%或扬程已有明显变化考虑，此时已有大量的汽泡产生。根据有关资料，临界汽蚀和初生汽蚀之比在2以上。国内对水泵的必须汽蚀余量是以临界汽蚀来计算的。许用汽蚀余量通常按必须汽蚀余量的1.5倍考虑，但对大型尤其是特大型水泵按此要求是不够的。

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