馮建剛,李 杰

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098;2.山東省水利工程局,山東 濟南 250013)

在大型城市水源泵站建設中,由于受用地條件限制和施工方法的制約,較多采用沉井泵房形式。沉井泵房的布置特點是引水管(涵)與進水建筑物分離。引水管(涵)布置在沉井前水源地,用地條件富裕,可按照設計規(guī)范要求進行布置;進水建筑物中前池、進水流道通常與水泵機組布置在沉井內(nèi),由于受用地條件和沉井工程投資的制約,前池往往難以按照水力條件良好的設計規(guī)范[1]要求布置,因此前池中易產(chǎn)生不良的水流現(xiàn)象,直接影響到進水流道水流流態(tài),從而對水泵機組的安全運行產(chǎn)生影響。所以,有必要對水源泵站前池的進水流態(tài)以及進水流態(tài)對水泵性能的影響進行研究。陸曉如等[2]、史海冰等[3]對城市取水泵站進水流態(tài)以及采用導流墩措施來改善前池流態(tài)進行了相關研究,筆者結合上海市長江引水三期工程中水源泵站(以下簡稱“水源泵站”)整體水力模型試驗,進一步研究大型城市水源泵站前池流態(tài)的特點和改善前池不良流態(tài)的工程措施,分析消渦板、底坎、導流墩等工程措施在水源泵站前池流態(tài)改善中的作用以及合理性。

1 整體水力模型設計

1.1 模型布置

水源泵站共設置5臺88LKSA-8.2型立式導葉式斜流泵,四用一備,總裝機容量為1 400×5 kW。主水泵單泵性能參數(shù)如下:流量 Q=13.7～12.0m3/s,揚程 H=7.3～9.1m。5臺主泵共用前池,前池中間設置底坎。引水頭部為蘑菇形取水頭,2根重力式進水管進入泵房前池。根據(jù)水源泵站的布置特點,模型試驗采用自循環(huán)、開敞式的幾何正態(tài)整體水力模型,布置方案見圖1。模型由水庫、調節(jié)池、進水管、前池、進水流道、模型泵機組、虹吸式出水管路、出水池、回水渠以及控制和量測系統(tǒng)組成。

1.2 相似準則

考慮模型水流在阻力平方區(qū)(即自動模擬區(qū))的要求以及模型泵的選擇,選取模型幾何比尺 λL=8。前池中為具有自由表面的無壓水,對于水源泵站前池進水流態(tài)的模擬按照重力相似準則進行設計,以佛勞德準則作為模型試驗的基礎,即Frm=Frp。按照相似律計算可得原型與模型的流速比尺 λv=λL0.5=2.83,流量比尺 λQ=λL2.5=181.0,時間比尺λt=λL0.5=2.83,糙率比尺 λΔ=λL1/6=1.414。

圖1 水源泵站整體水力模型布置方案示意圖

1.3 量測方法

流量由安裝在水泵出水管路上的電磁流量計進行量測,在回水渠中安裝薄壁堰對單泵流量進行比測、率定,并量測和校驗多泵運行時的總流量。水位由安裝在建筑物各量測點的測壓管進行量測,通過水位測針讀數(shù)。水泵軸功率由轉矩轉速功率測量儀量測。流速采用光電流速儀進行量測,由計算機進行數(shù)據(jù)采集。對于典型斷面的部分測點,采用聲學多普勒三維剖面流速儀(ADV)進行流速量測。

2 試驗方法

前池流態(tài)研究采用表面流態(tài)觀測和典型過流斷面流速分布量測2種試驗方法。2種方法的試驗工況相同,即模擬泵站前池特征水位及水泵特征流量等運行工況條件相同。表面流態(tài)觀測采用懸浮示蹤物低速拍照結合攝像對比分析的方法。表面流態(tài)觀測內(nèi)容是觀察前池中死水區(qū)及回流區(qū)的分布情況、旋渦及渦帶發(fā)生的位置及種類、水流偏斜與立面旋滾情況,以及水流是否平順、均勻等。典型過流斷面流速分布量測是在流態(tài)觀測的基礎上,在前池及進水流道中選擇典型過流斷面布置測點,用流速儀量測各測點的流速,通過繪制流速分布圖來進一步分析前池流態(tài)。

典型過流斷面流速測點在立面上從池底至水流自由表面分4層布置,在平面上分2個橫斷面Ⅰ和Ⅱ以及20個縱斷面A～T布置,布置方案見圖2。

圖2 典型過流斷面流速測點布置(高程單位:m,尺寸單位:cm)

3 試驗研究及成果分析

3.1 前池流態(tài)試驗

結合水源泵站引水運行特點,試驗對單臺泵運行和多臺泵組合運行工況條件下的前池流態(tài)進行了流態(tài)觀測和典型斷面流速分布量測,試驗結果如下:①單臺泵工況運行時,前池水位較高,前池表面水流比較平順,流速較小,無明顯的回流區(qū)存在;但是在邊機組進水流道進口處隔墩背水側間歇性地產(chǎn)生旋渦,見圖3。②在多機組工況運行時,前池表面水流流速隨著開機臺數(shù)的增多而增大,在底坎兩側水流表面有一定范圍的回流區(qū),底坎兩端池壁處存在由池壁流向中間機組方向的斜向流,中間機組流道前水流較平順,邊機組流道前形成斜向進流,進水流態(tài)不均勻,進水流道前水流表面無旋渦、回流區(qū)出現(xiàn)。以4臺模型機組(1號泵+2號泵+4號泵+5號泵)運行工況為例,邊機組1號泵和中間機組2號泵對應Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布見圖4。從該流速分布圖可以看出,邊機組1號泵前Ⅰ-Ⅰ典型斷面正向進水方向的垂線平均流速小于中間機組2號泵前Ⅰ-Ⅰ典型斷面正向進水方向的垂線平均流速,同時三維剖面流速儀量測結果表明1號泵前Ⅰ-Ⅰ典型斷面的法向和垂向進水流速大于2號泵前Ⅰ-Ⅰ典型斷面法向和垂向進水流速,說明邊機組進流條件相對較差,相對于該運行工況設計流量而言1號泵進水流量明顯小于2號泵進水流量。

圖3 邊機組5號泵進水流道前水流表面旋渦

圖4 Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布

前池流態(tài)試驗表明水源泵站前池存在不良流態(tài),主要特征是邊機組進水流道進口處隔墩背水側間歇性地產(chǎn)生旋渦;前池底坎兩側附近產(chǎn)生回流,存在由前池側壁流向中間機組方向的斜向流;前池向進水流道配水不均勻,邊機組與中間機組進流條件差異較大。

3.2 改善前池進水流態(tài)措施

前人的研究成果[4-10]表明,如果泵站前池內(nèi)存在旋渦、流速分布不均等不良流態(tài),在不改變前池布置尺寸的條件下,可以通過在前池內(nèi)增設底坎、立柱、導流墩等工程措施,起到改善流態(tài)的作用,從而保證水泵安全高效地運行。

針對水源泵站前池不良流態(tài)的特征和城市水源泵站沉井工程施工建設的要求,在改變前池布置尺寸和整體結構的前提下,通過在前池內(nèi)采取消渦措施和整流措施調整水流流態(tài),可以促進水流流態(tài)滿足泵站設計的要求。

3.2.1消渦措施

水源泵站前池產(chǎn)生旋渦的主要原因是前池擴散角偏大(80°),遠大于水流的天然擴散角(一般不大于40°),且水源泵站采取的是對稱布置的2根重力式引水管進水,進入前池的水流主流居中,流速較大,前池底坎兩側附近產(chǎn)生回流等不良水力現(xiàn)象。前池邊機組側形成流向中間機組的斜向流,造成中間機組進流充分而邊機組進流不足,中間機組進水流道前富余的水量向前池兩側壁方向流動,受隔墩及胸墻的影響,形成側向繞流進水,從而在邊機組進水流道進口處隔墩背水側間歇性地產(chǎn)生旋渦。

消除前池內(nèi)存在的旋渦,一方面可以通過前池流態(tài)的改善來改變進水流道前進流條件,從而達到消減旋渦的目的;另一方面可以通過增設專門的消渦裝置消除旋渦。經(jīng)試驗比較,在邊機組進水流道前設置消渦板可以有效地消除邊機組進水流道前產(chǎn)生的旋渦。設置消渦板后邊機組進水流道前的水流流態(tài)見圖5。

圖5 設置消渦板后5號泵進水流道前水流流態(tài)

3.2.2整流措施

3.2.2.1 底坎整流

水源泵站初設方案考慮到進水前池擴散角偏大,在前池底部設置了全段式底坎調整流態(tài)。在底坎作用下,主流居中現(xiàn)象有所緩解,但由于底坎設置偏高,水流從引水管進入前池后,主流直沖向前,以較高的流速與底坎碰撞,一部分水流翻越底坎在坎后形成立面旋滾,另一部分水流受底坎阻擋,在底坎前順著底坎向兩側流動,流至前池側壁處形成較強的立面旋滾,在邊機組側形成流向中間機組的斜向流,導致前池向進水流道配水不均勻。

底坎是前池內(nèi)調整流態(tài)的一種常見措施,其原理是通過底坎的挑流作用,造成坎后水流立面旋滾和平面水量交換,使坎后水流充分擴散紊動,從而消除回流等不良流態(tài)。針對具體泵站進水建筑物的布置特點不同,需要采取適宜的底坎形式,以有效地改善前池內(nèi)產(chǎn)生的不良流態(tài)。針對水源泵站引水管集中進流和前池擴散角偏大的特點,采用非全段式底坎(即前池中間部分設置底坎,兩側無底坎)和降低底坎高度(底坎坎頂高程降低0.8m)可以有效地改善前池流態(tài)。整流措施方案見圖6。

圖6 非全段式底坎整流措施方案

采取非全段式底坎整流措施后,由于降低了底坎高度和取消了前池兩側壁處的底坎,使得水流通過底坎后比較均勻地分配至各進水流道,原受底坎阻擋在底坎前順著底坎向兩側流動的水流在前池兩側較平順地流向進水流道,在前池表面基本消除了回流區(qū)和斜向流,前池流態(tài)得到明顯優(yōu)化。以4臺機組(1號泵、2號泵4號泵、5號泵)組合運行工況為例,采取改善措施后邊機組1號泵和中間機組2號泵對應Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布見圖7。

圖7 采取非全段式底坎整流措施后Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布

3.2.2.2 導流墩整流

導流墩是泵站前池調整流態(tài)的一種常見措施,其原理是通過不同角度導流墩的導流作用,減小前池平面擴散角,在平面上均化水流,從而消除脫壁回流、偏流等不良流態(tài)。根據(jù)具體泵站進水建筑物的布置特點,采取適宜的導流墩形式,可以有效改善前池內(nèi)產(chǎn)生的不良流態(tài)。水源泵站進水前池擴散角偏大,主流集中,易形成脫壁回流,需要采取整流措施調整前池內(nèi)的不良流態(tài)。經(jīng)試驗比較,取消前池底坎,在前池擴散段設置八字形導流墩也可以有效改善前池流態(tài),具體的整流措施方案見圖8。

圖8 導流墩整流措施方案

采取導流墩整流措施后,由于導流墩可以有效減小水流的擴散角,在平面上均化水流,使得水源泵站前池水流主流居中現(xiàn)象得到有效緩解,基本消除了前池側壁處產(chǎn)生的大范圍回旋區(qū)。前池水流在導流墩的導流作用下比較均勻地分配至各進水流道,在前池表面基本消除了斜向流,從而使前池進水流態(tài)得到明顯優(yōu)化。以4臺機組(1號泵、2號泵、4號泵、5號泵)組合運行工況為例,采取導流墩整流措施后邊機組1號泵和中間機組2號泵對應Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布見圖9。

圖9 采取八字形導流墩整流措施后Ⅰ-Ⅰ典型斷面流速分布

3.3 不同整流措施條件下進水流態(tài)對水泵性能的影響

為分析研究不同整流措施在相同運行工況及開泵組合條件下進水流態(tài)對水泵性能影響的差異,在進水流態(tài)試驗的同時,進行了水泵性能量測,以著重分析中間機組與邊機組的性能差異。

水泵性能量測結果表明,采取整流措施前,前池存在不良流態(tài),邊機組進流量不足,邊機組的水泵性能與中間機組的性能差異較大;采取整流措施后,前池流態(tài)得到明顯改善,有效地改善了水泵的吸水條件,提高了水泵的運行效率。邊機組的水泵性能明顯提高,與中間機組之間的性能差異明顯減小。以模型泵各項工作參數(shù)為例,采取非全段式底坎整流措施后,1號水泵(邊機組)在4臺泵(1號泵、2號泵、4號泵、5號泵)組合工況運行時,流量和效率分別比采取整流措施前增長了1.28 L/s和0.41%;相同工況與開機組合條件下采取導流墩整流措施后,1號水泵的流量和效率分別比采取整流措施前增長了1.43L/s和0.46%。水泵性能曲線見圖10。試驗數(shù)據(jù)表明,底坎與導流墩布置形式不同,但是兩者改善流態(tài)的效果差異不大,均能在前池內(nèi)均化水流,使得進入水泵前的水流流速分布均勻,提高了水泵運行的工作效率。

圖10 采取整流措施前后邊機組1號泵性能比較

4 結 語

a.水源泵站前池存在表面旋渦、回流區(qū)和斜向流等不良流態(tài),邊機組與中間機組進流條件差異較大。采取消渦板消渦措施和非全段式底坎整流措施、八字形導流墩整流措施后均能有效改善前池進水流態(tài),使水流流速分布均勻,水流平順地進入進水流道,從而改善了水泵的吸水條件。

b.水泵性能試驗研究表明,采取消渦措施和整流措施后,前池流態(tài)得到明顯改善,提高了水泵的運行效率。邊機組水泵的流量和效率明顯提高,與中間機組之間的性能差異明顯減小,說明底坎和導流墩均是改善泵站前池流態(tài)的有效工程措施。在具體設計條件下采取針對性的底坎或者導流墩布置形式,不僅可以改善前池流態(tài),而且結構簡單,施工方便。

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