侯振倫

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 前言

電廠循環(huán)水泵房進(jìn)水流道的布置包括引水段、前池、進(jìn)水室、泵室、吸水喇叭口及進(jìn)水管5個部分，對于循環(huán)水泵房內(nèi)水流流態(tài)的研究已經(jīng)成為一個很重要的水力學(xué)課題。循環(huán)水泵房進(jìn)水建筑物的布置形式對于主泵更高效的運(yùn)行有著重要的作用。水流經(jīng)過引水段進(jìn)入前池后紊動較大，經(jīng)過在進(jìn)水前池的擴(kuò)散，到達(dá)進(jìn)水流道進(jìn)口處尚未充分發(fā)展，而后進(jìn)入進(jìn)水流道內(nèi)經(jīng)過不同建筑物的整流后才進(jìn)入取水泵房。主泵吸水口附近的水流流態(tài)決定了主泵是否可以安全高效的運(yùn)行，所以對于主泵的運(yùn)行效率，關(guān)鍵要看其進(jìn)水建筑物的布置對水流流態(tài)的調(diào)整。

本工程由于受到地形條件限制，海水泵房取水隧洞的轉(zhuǎn)彎半徑較小且直線段較短，海水在進(jìn)入前池后無法保證其配水的均勻性，因此，需通過模型試驗(yàn)優(yōu)化轉(zhuǎn)彎半徑、直線段、配水井與前池的尺寸以實(shí)現(xiàn)均勻配水。

2 取水隧洞段物理模型試驗(yàn)

2.1 工程概況

某電站擴(kuò)建工程5-6號機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)采用海水直流供水方式、單元制供水系統(tǒng)，因取水隧洞與PX泵房的相對平行位置關(guān)系，導(dǎo)致取水隧洞在與PX泵房相銜接時，需90°拐彎，然后通過直線段進(jìn)入PX泵房前池配水井。由于受空間限制，取水隧洞的轉(zhuǎn)彎半徑較小且直線段較短，海水在進(jìn)入前池后無法保證其配水的均勻性，需通過模型試驗(yàn)優(yōu)化轉(zhuǎn)彎半徑、直線段、配水井與前池的尺寸以實(shí)現(xiàn)均勻配水，圖1為工程布置圖。

2.2 模型設(shè)計

根據(jù)模型試驗(yàn)相似原理，要保證不同尺度的兩個流體運(yùn)動的完全相似是不可能的。本項(xiàng)試驗(yàn)綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)，主要考慮重力相似（佛汝德數(shù)相似）：

綜合考慮本工程PX泵房前池布置條件及泵房流道水力特性，擬采用幾何比尺為1∶20的正態(tài)模型，表1為模型相關(guān)參數(shù)比尺對照表。

表1 參數(shù)比尺對照表

為便于流態(tài)及流速觀測，循環(huán)水泵房及部分引水管道全部采用有機(jī)玻璃制作，包括引水隧洞、前池、泵房進(jìn)水口、各個流道、導(dǎo)流設(shè)施、及出水管道等。有機(jī)玻璃的糙率為0.008 5～0.009 0，按阻力相似換算到原型約為0.014～0.014 9，基本滿足阻力相似的要求。

2.3 流速測點(diǎn)布置

隧洞閘門井?dāng)嗝嫔蠝y點(diǎn)水平間距和垂直間距均為1.0 m；流道進(jìn)水口測速斷面上，測點(diǎn)水平間距為0.8 m，垂直間距為1.0 m。模型部分測點(diǎn)布置圖，見圖1。

圖1 工程布置圖及模型測點(diǎn)布置圖

2.4 測量儀器

（1）流量：模型恒定流工況采用標(biāo)準(zhǔn)矩形薄壁量水堰測量和控制。

（2）流速：采用南京水利科學(xué)研究院研制的OA型旋漿式光纖流速傳感器，接專用測量儀器進(jìn)行測量。

（3）水位（恒定流）：采用1/50 mm游標(biāo)測針及平水槽進(jìn)行測控。

2.5 試驗(yàn)成果分析

2.5.1 流速成果

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容，確定兩泵同時運(yùn)行工況作為方案比選工況，單泵流量28 m3/s，水位-12.85 m。

為確定取水隧洞的設(shè)計尺寸，模型試驗(yàn)對比分析了兩種隧洞轉(zhuǎn)彎半徑，分別為原方案19.5 m（3.0D）和修改方案13.0 m（2.0D），D為隧洞直徑6.5 m。

原布置方案：轉(zhuǎn)彎半徑19.5 m，隧洞直段長度假設(shè)為40.0 m，彎管上游直段30 m，彎管下游至前池間距離10 m。隧洞閘門井?dāng)嗝婕傲鞯肋M(jìn)口流速分布見圖2。

圖2 原布置方案下各斷面分層流速分布圖

修改方案：轉(zhuǎn)彎半徑為13.0 m，隧洞直段長度則為53 m，彎管上游直段36.5 m，彎管下游至前池間距離16.5 m。隧洞閘門井?dāng)嗝婕傲鞯肋M(jìn)口流速分布見圖3。

圖3 修改方案下各斷面分層流速分布圖

2.5.2 水頭損失分析

根據(jù)水力學(xué)中水頭損失的計算公式，對兩種方案中各部位的水頭損失情況列于表2。

從表中可以看出，轉(zhuǎn)彎半徑縮小后，隧洞沿程水頭損失及彎道水頭損失均有所加大，隧洞-前池局部水頭損失不變，總水頭損失由0.142 m增加至0.147 m，但數(shù)量級不變。

表2 兩方案下各部位水頭損失情況

2.5.3 流速數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測量所得的流速分布圖，分析閘門井及流道進(jìn)水口斷面上分層流速分布情況，將兩種方案下流道進(jìn)水口斷面的平均流速及偏差列于表3中。

表3 兩種方案下流道進(jìn)口斷面平均流速及偏差

從表3可以看出，在修改方案中，盡管各流道進(jìn)口處平均流速偏差仍然較大，配水均勻性較差，平均流速最大偏差為20%，但是隨著隧洞轉(zhuǎn)彎半徑的縮小，配水均勻性與原方案相比略微有所改善。

圖2和圖3分別描述了各斷面上分層流速分布情況，轉(zhuǎn)彎半徑縮小至13.0 m以后，門井?dāng)嗝娣謱恿魉俜植嫉木鶆蛐悦黠@好于19.5 m方案，垂線平均流速最大偏差由18%降低至7%。但是，各流道進(jìn)水口斷面上流速分布的均勻性與19.5 m方案相比基本相當(dāng)，各斷面垂線平均流速最大偏差都比較大，說明水流從取水隧洞出來后，在前池中仍然不能充分?jǐn)U散，主流過于集中。

3 結(jié)論

綜合考慮本工程彎管中水流流動特性和隧洞沿程及彎管段水頭損失情況：

（1）由于直管段中水流經(jīng)過彎段部分進(jìn)入下游5D范圍以后，水流流態(tài)將重新均勻分布，因此，轉(zhuǎn)彎半徑的降低將增加取水隧洞直線段的長度，有利于隧洞中水流的重新均勻分布。

（2）轉(zhuǎn)彎半徑的減小將使得隧洞沿程及轉(zhuǎn)彎處的水頭損失增加，轉(zhuǎn)彎半徑由19.5 m降低至13.0 m后，水頭損失由0.142 m增加至0.147 m，轉(zhuǎn)彎半徑縮小33.3%，水頭損失增加約3.5%，水頭損失可以控制在允許范圍之內(nèi)。

[1]羅縉，林穎.火（核）電廠循環(huán)水泵房前池水力模型試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報,2000,28(5):106-110.

[2]南京水利科學(xué)研究院.水工模型試驗(yàn)（第二版）[M].北京：水利水電出版社，1985：12-15.

[3]吳持恭.水力學(xué)（第三版）下冊[M].北京：高等教育出版社,2005:326-333.