出水锥管的优化设计

1出水锥管优化设计

1.1全流道数值计算方法

对于不带水泵而单独进行的进、出水流道数值计算方法,由于不考虑进出水流道与叶轮、导叶等水泵过流部件之间的相互影响,尤其是进水流道的出口和出水流道的进口边界条件是未知的,必须做出一系列的假定。许多研究表明,这种假设可能会影响到水泵装置能量特性计算结果的准确性,尤其是对水泵装置非设计工况下的性能预测结果影响更加明显。本研究运用大型商业CFD软件FLUENT,选择适合澡港泵站特征扬程的水力模型,将水泵叶轮、导叶与进、出水流道及门槽等过流部件作为整体进行水泵装置全流道数值模拟,更加符合水泵装置内部流动特点,接近工程实际情况。根据质量守恒原理,采用RNGk2e紊流模型封闭三维时均不可压Navior2Stokes动量方程组;采用多重参考坐标系(MRF),处理旋转叶轮和静止导叶之间的动静干涉问题,实现进、出水流道的水力优化设计和装置性能预测。

1.2水力设计优化方案

在进水流道优化设计方案确定的基础上,出水流道设计中需确定出水锥管的型线。在出水锥管出口直径保持不变时,锥管高度越长,水流扩散角就越小,越不容易出现脱流和旋涡。但是,在增加锥管高度的同时,也减小了锥管上缘到出水流道顶板的高度,可能影响锥管的出流,引起较大的水力损失。与此相反,若减小出水锥管的高度,则其达到相同的直径时,扩散角必然增大,容易引起脱流,但锥形管上缘到出水流道顶板的高度增加,使得出流扩散的空间较充分。理论上来说,出水锥管的型线优化设计也与出水流道的导水锥型线有关,应该随锥管的型线变化而变化,但由于导水锥上端直径受到水工结构布置的限制,下端直径受导叶体轮毂直径的约束,因而变化范围很小,所以出水流道优化设计的重点是水泵出水锥管。保持进水流道和出水锥管出口直径不变,设计了5种出水锥管,其型线和设计参数分别见图2和表1,其中方案1的出水锥管高度为初始设计高度。

1.3水力设计优化效果

根据澡港泵站开敞式双向流道模型泵装置数值计算结果,可计算出不同设计方案下的出水流道水力损失和装置效率,见表1。在抽排设计流量下,当模型出水锥管高度为170mm时(对应于方案1),模型泵装置效率为64.56%;把出水锥管高度增加到188mm(对应于方案2),相当于把原型泵装置的出水锥管高度增加了150mm,平均扩散角从34.01b减少到31.34b,模型泵装置效率提高到65185%,提高了1129%。当把模型出水锥管的高度从170mm降低到152mm(对应于方案3),相当于把原型泵装置的出水锥管高度在方案一的基础上降低了150mm,平均扩散角从34101b增加到36199b,结果使得模型泵装置效率从64156%降低到63175%,降低了0181%。方案4是在方案2的基础上,相当于把原型泵装置出水锥管的高度进一步提高150mm,结果仅使得模型泵装置效率不但没有提高,反而下降了0154%,原因在于提高出水锥管的高度后,虽然有利于减小锥管的水流扩散角,但其出口水流受到出水流道上方顶板的限制,造成流道水力损失增加;方案5是在比较方案2和方案4设计成果的基础上提出的,相当于把原型出水锥管的高度在方案2的基础上再提高了50mm,泵装置效率达到了到66105%。在5个方案中出水流道的水力损失方案5为最小、装置效率最高,最终确定为优选方案。因此,通过优化出水锥管型线,采用合理的出水锥管设计参数,可有效减少流道水力损失,改善内部流态,提高水泵装置效率。

2结论

双向进出水流道泵装置能方便地实现自灌、自排、提灌和提排任务。在提灌和提排设计扬程和校核扬程相差较大的情况下,采用开敞式双向泵装置结构型式,可减少泵房底板开挖深度,有效节省土建投资。出水锥管是影响出水流道水力损失和装置效率的关键因素,通过多方案比较出水流道的水力损失和装置效率,可实现出水锥管的优化设计。数值计算结果表明,在设计工况下,澡港泵站出水锥管优选方案对应的水泵装置效率达到了66105%,优化效果十分明显。澡港泵站的设计方案可为类似的泵站设计提供有益的参考。

作者：周伟 陶玮 周红兵 唐秀成 单位：江苏省水利勘测设计研究院有限公司 盐城市水利勘测设计研究院

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