一种用于低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法及其应用与流程

本发明属于水利工程泵站技术领域，具体涉及一种用于低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法及其应用，主要用于消除大型低扬程泵站出水流道内的偏流及旋涡，解决由此引发的出水流道内流态不稳定问题。

背景技术：

大型低扬程泵站广泛用于平原地区水资源调配、水环境改善、农业灌溉和城市防洪等领域。在低扬程泵站应用较多的立式泵装置和斜式泵装置中，与水泵导叶体连接的出水流道均呈弯曲形状。立式泵装置的低驼峰式出水流道需作大于90°的弯曲，斜式泵装置中的斜式出水流道则需作先向上、后向下、再向上的“s”形弯曲。

立式泵装置和斜式泵装置的出水流道依次分为进口弯曲段、中部扩散段和出口直线段，进口弯曲段为采用钢板加工成形的薄壁结构，中部扩散段和出口直线段采用混凝土浇筑成形。由于低扬程泵站流量大，其出水流道的宽度也大，为控制闸门在启闭过程中的平衡，需在出水流道出口直线段的中部设置中隔墩，以便将宽度较大的闸门分为两扇宽度较小的闸门。顺水流方向看，所述中隔墩将大型低扬程泵站出水流道等分为左侧出水孔和右侧出水孔。

低扬程泵站立式泵装置和斜式泵装置中，出水流道进口与水泵导叶体出口连接，由于流出导叶体的水流仍具有较大环量，水流呈螺旋状进入出水流道。研究发现：所述出水流道内的主流明显偏向左侧出水孔，同时在出水流道的右侧区域产生较大范围的旋涡。这种流态导致出水流道左、右两孔的出流量相差很大，并造成出水流道内的水流运动不稳定，严重影响到泵站的安全稳定运行。

技术实现要素：

本发明是针对低扬程泵站立式泵装置和斜式泵装置出水流道内存在的偏流及旋涡问题，提供一种用于低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法及其应用，以达到纠正出水流道内左右偏流、消除出水流道内旋涡的目的。经研究分析，发现：从水泵导叶体流出的旋转水流作用于弯曲的出水流道是出水流道出现偏流的根本原因。

本发明的特征是：基于消减低扬程泵站出水流道进口环量的原理进行出水流道的纠偏消涡；引入出水流道左、右孔偏流系数λ作为衡量出水流道偏流程度的指标，将流道内的旋涡体积v作为出水流道旋涡大小的考核指标，将流道水头损失δh作为出水流道能量性能的考核指标；在出水流道的进口弯曲段内均匀设置m块横向导流板和n块竖向导流板，横向导流板和竖向导流板垂直相交；横向导流板的两端与进口弯曲段的左右两边壁焊接，竖向导流板的两端与进口弯曲段的上下两边壁焊接，横向导流板与竖向导流板相交处焊接；所述横向导流板和竖向导流板的厚度均为0.02d0，d0为低扬程泵站采用的水泵叶轮直径，横向导流板和竖向导流板的头部均为半圆形，横向导流板和竖向导流板的尾部均为流线型；所述导流板的头部距泵轴边缘0.1～0.3m，以不影响泵轴的转动，所述导流板的尾部位于进口弯曲段的出口断面处；

采用数值计算方法对设置导流板的出水流道进行三维流场数值模拟，计算左右孔偏流系数λ、旋涡体积v和流道水头损失δh，以左右孔偏流系数λ、旋涡体积v、流道水头损失δh为定量指标，用以综合评价设置导流板的效果；通过计算调整横向导流板和竖向导流板的数量，实现偏流系数尽可能接近于1、旋涡体积v尽可能小和流道水头损失δh尽可能小的纠偏消涡目标。本发明提供的低扬程泵站出水流道导流板及其设计方法能够有效纠正出水流道内的偏流现象、消除流道内的旋涡和减小流道水头损失，保障低扬程泵站的安全稳定运行。

为实现本发明的目的，一种用于低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法采用下技术方案：

1.通过数值模拟和模型试验研究提出纠偏消涡的原理：低扬程泵站立式泵装置和斜式泵装置水泵导叶体出口水流具有环量，水流以螺旋状旋转进入出水流道，从水泵导叶体流出的旋转水流作用于弯曲的出水流道是出水流道出现偏流的根本原因；由于出水流道的弯曲结构是低扬程泵站泵装置的功能所需要的，所以只能通过消减出水流道进口水流的环量这一途径来解决出水流道的偏流和旋涡问题；

2.为消减出水流道进口环量，在出水流道的进口弯曲段内均匀设置m块横向导流板和n块竖向导流板，横向导流板和竖向导流板垂直相交；所述横向导流板与出水流道进口弯曲段左右两边壁焊接，所述竖向导流板与出水流道进口弯曲段上下两边壁焊接，所述横向导流板与所述竖向导流板相交处焊接；

3.所述横向导流板和竖向导流板的厚度均为0.02d0，d0为低扬程泵站采用的水泵叶轮直径；为了获得平顺的水流流态，横向导流板和竖向导流板的头部均为半圆形，横向导流板和竖向导流板的尾部均为流线型；

4.所述横向导流板和竖向导流板的头部距泵轴0.1～0.3m，以不影响泵轴的转动，所述横向导流板和竖向导流板的尾部位于进口弯曲段的出口断面处；

5.引入出水流道左、右孔偏流系数λ作为衡量出水流道偏流程度的指标，将流道内的旋涡体积v作为出水流道旋涡大小的考核指标，将流道水头损失δh作为出水流道能量性能的考核指标；所述偏流系数λ、旋涡体积v和流道水头损失δh均采用出水流道三维流场数值模拟的方法进行计算；

6.所引入的偏流系数λ计算式为：

式中，a左和a右分别为出水流道左侧出水孔和右侧出水孔的断面面积，和分别为通过左侧出水孔和右侧出水孔水流的平均流速；

计算偏流系数偏差值δλ＝|λ-1|；δλ愈大，表明出水流道内的偏流程度愈严重；若δλ＝0，则说明左、右两孔的出流流量相等；

7.采用数值计算方法对设置导流板的出水流道进行三维流场数值模拟，以偏流系数λ、旋涡体积v和流道水头损失δh为评价指标，计算所需要的横向导流板数量m和竖向导流板数量n，采用以下方法：

(1)将拟采用导流板的低扬程泵站出水流道方案记为方案fi，i＝0，1，2，3，……；其中，无导流板的出水流道方案记为方案f0；

(2)采用数值计算方法对出水流道方案fi进行三维流场数值模拟，计算流量为低扬程泵站单泵设计流量，流场计算的进口环量根据水泵导叶体出口环量的检测结果设置；根据数值模拟结果，计算出水流道方案fi的偏流系数λi、旋涡体积vi和流道水头损失δhi，计算偏流系数偏差δλi＝|λi-1|；

(3)对出水流道方案fi的偏流和旋涡情况进行判别，当偏流系数偏差δλi小于0.01但出水流道内有旋涡，或偏流系数偏差δλi大于0.01时，转入第(4)步；当偏流系数偏差δλi小于0.01且出水流道内无旋涡时，转入第(7)步；

(4)在方案fi的基础上增加1块竖向导流板并均匀布置记为方案fi+11，在方案fi的基础上增加1块横向导流板并均匀布置记为方案fi+12；

(5)计算出水流道方案fi+11和方案fi+12的偏流系数λ、旋涡体积v和流道水头损失δh，计算偏流系数偏差δλ；对方案fi+11和方案fi+12的指标进行比较，指标的重要程度由高到低依次为偏流系数、旋涡体积、流道水头损失，选择偏流系数偏差δλ小、旋涡体积v小、流道水头损失δh小的方案记为方案fi+1；

(6)在第(5)小步的基础上，令i＝i+1，重返回第(2)步；

(7)计算完成，得到所需的横向导流板数量m和竖向导流板数量n。

8.若横向导流板数量m＝0，则在竖向导流板的左、右两侧均匀设置2道顺水流方向的加强筋，以提高竖向导流板的刚度；若竖向导流板数量n＝0，则横向导流板的上、下两侧均匀设置2道顺水流方向的加强筋，以提高横向导流板的刚度；所述加强筋的断面形状为矩形，厚度和高度分别为10mm和50mm，加强筋的头部为半圆形、尾部为流线型；

9.绘制在所述出水流道进口弯曲段设置的横向导流板和竖向导流板的单线图。

上述低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法在斜式出水流道的应用，在斜式出水流道进口弯曲段内均匀设置2块竖向导流板，所述竖向导流板与斜式出水流道的上下两侧壁焊接；

所述竖向导流板的厚度为0.02d0；竖向导流板的头部均为半圆形，竖向导流板的尾部为流线型；

所述竖向导流板的头部位于进口弯曲段的断面处，距泵轴的边缘0.1～0.3m；所述竖向导流板的尾部位于进口弯曲段的出口断面处；

所述竖向导流板的左右两侧设置2道顺水流方向的加强筋，加强筋的断面形状为矩形，加强筋厚度为10mm，加强筋高度为50mm，加强筋的头部为半圆形，加强筋的尾部为流线型。

上述低扬程泵站出水流道纠偏消涡方法在低驼峰式出水流道的应用，在低驼峰式出水流道的进口弯曲段内均匀设置1块横向导流板和2块竖向导流板，横向导流板和竖向导流板垂直相交；

所述横向导流板的两端与进口弯曲段的左右两侧边壁焊接，所述竖向导流板的两端与进口弯曲段的上下两侧壁焊接，所述横向导流板和所述竖向导流板相交处焊接；

所述横向导流板和竖向导流板的厚度为0.02d0；横向导流板和竖向导流板的头部均为半圆形，横向导流板和竖向导流板的尾部均为流线型；

所述横向导流板和所述竖向导流板的头部位于进口弯曲段的断面处，距离泵轴的边缘0.1～0.3m，所述横向导流板和所述竖向导流板的尾部位于进口弯曲段的出口断面处。

与现有方法相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明通过消减低扬程泵站立式泵装置和斜式泵装置出水流道进口水流的环量，有效解决了出水流道内的偏流和旋涡问题，提高了出水流道内水流流动的稳定性。

第二，本发明在低扬程泵站立式泵装置和斜式泵装置出水流道进口弯曲段增设导流板，对薄壁结构的出水流道进口弯曲段起到了加固支撑作用，提高了进口弯曲段的刚度和承载能力，从结构上保障了低扬程泵站装置的稳定运行。

第三，应用本发明可以改善低扬程泵站立式泵装置和斜式泵装置出水流道内的流态，保障了低扬程泵站的安全稳定运行，对于大型低扬程泵站在水资源调配、水环境改善、农业灌溉和城市防洪等领域的广泛应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1斜式泵装置立面示意图；

图2a为本发明实施例1无导流板的斜式出水流道立面示意图；

图2b为本发明实施例1无导流板的斜式出水流道平面示意图；

图3a为本发明实施例1无导流板的斜式出水流道流场图侧俯视图；

图3b为本发明实施例1无导流板的斜式出水流道流场图侧仰视图；

图4a为本发明实施例1设有1块竖向导流板的斜式出水流道立面示意图；

图4b为本发明实施例1设有1块竖向导流板的斜式出水流道平面示意图；

图5a为本发明实施例1设有1块横向导流板的斜式出水流道立面示意图；

图5b为本发明实施例1设有1块横向导流板的斜式出水流道平面示意图；

图6a为本发明实施例1设有2块竖向导流板的斜式出水流道立面示意图；

图6b为本发明实施例1设有2块竖向导流板的斜式出水流道平面示意图；

图7a为本发明实施例1设有1块竖向和1块横向导流板的斜式出水流道立面示意图；

图7b为本发明实施例1设有1块竖向和1块横向导流板的斜式出水流道平面示意图；

图8a为本发明实施例1设有2块竖向导流板的斜式出水流道流场图侧俯视图；

图8b为本发明实施例1设有2块竖向导流板的斜式出水流道流场图侧仰视图；

图9为本发明实施例1设有2块竖向导流板及加强筋的示意图；

图10为本发明实施例2立式泵装置立面示意图；

图11a为本发明实施例2无导流板的低驼峰式出水流道流场图侧俯视图；

图11b为本发明实施例2无导流板的低驼峰式出水流道流场图侧仰视图；

图12a为本发明实施例2设有导流板的低驼峰式出水流道立面示意图；

图12b为本发明实施例2设有导流板的低驼峰式出水流道平面示意图；

图13为本发明实施例2设有导流板的低驼峰式出水流道三维示意图；

图14a为本发明实施例2设有导流板的低驼峰式出水流道流场图侧俯视图；

图14b为本发明实施例2设有导流板的低驼峰式出水流道流场图侧仰视图；

图中：1斜式进水流道，2水泵叶轮，3导叶体，4斜式出水流道，4a进口弯曲段，4b中部扩散段，4c出口直线段，5泵轴，6电动机，7中隔墩，8横向导流板，9竖向导流板，10横向加强筋，11肘形进水流道，12水泵叶轮，13导叶体，14低驼峰式出水流道，14a进口弯曲段，14b中部扩散段，14c出口直线段，15泵轴，16电动机，17中隔墩，18横向导流板，19竖向导流板。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

某低扬程泵站采用斜式泵装置，水泵倾斜布置，泵轴倾角为20°，单泵设计流量为50m³/s，选择了南水北调水泵模型同台测试的tj04-zl-20水泵模型，确定水泵叶轮直径d0为3.65m、水泵转速为107r/min，进水流道为斜式进水流道，出水流道为斜式出水流道。所述斜式泵装置的立面图如图1所示，从泵装置进口到出口依次为斜式进水流道1、水泵叶轮2、导叶体3和斜式出水流道4。斜式出水流道4顺水流方向依次分为进口弯曲段4a、中部扩散段4b和出口直线段4c，在出口直线段4c内设置中隔墩7，如图2a和图2b所示。由导叶体1流出的水流呈螺旋状进入斜式出水流道4，为满足泵轴5穿过斜式出水流道4和布置电动机6的需要，斜式出水流道4呈先向上、后向下、再向上的“s”形弯曲。当旋转的水流在“s”形弯曲的斜式出水流道4中运动时，出水流道内发生偏流和旋涡，导致水流流态不稳定。拟应用本发明设计用于斜式出水流道4的导流板，以解决斜式出水流道4内的偏流和旋涡问题。

应用本发明对所述斜式出水流道4进行纠偏消涡的导流板设计的步骤如下：

1.为消减斜式出水流道4的进口环量，在出水流道进口弯曲段4a内均匀设置m块横向导流板8和n块竖向导流板9，横向导流板8和竖向导流板9垂直相交；所述横向导流板8与斜式出水流道4的左右两侧壁焊接，所述竖向导流板9与斜式出水流道4的上下两侧壁焊接，所述横向导流板8与所述竖向导流板9相交处焊接；

2.所述横向导流板8和竖向导流板9的厚度为0.02d0＝0.02×3.65＝0.073m；横向导流板8和竖向导流板9的头部均为半圆形，横向导流板8和竖向导流板的尾部9均为流线型；

3.所述横向导流板8和竖向导流板9的头部位于进口弯曲段4a的断面处，距泵轴5的边缘0.21m；所述横向导流板8和竖向导流板9的尾部位于进口弯曲段4a的出口断面处；

4.引入出水流道左、右孔偏流系数λ作为衡量出水流道偏流程度的指标，将流道内的旋涡体积v作为出水流道旋涡大小的考核指标，将流道水头损失δh作为出水流道能量性能的考核指标；所述偏流系数λ、旋涡体积v和流道水头损失δh均采用出水流道三维流场数值模拟的方法进行计算；

5.所引入的偏流系数λ计算式为：

式中，a左和a右分别为出水流道左孔和右孔的断面面积，所述斜式出水流道4的左孔和右孔的断面面积均为18.45m²；和分别为出水流道左孔和右孔通过水流产生的平均流速；

根据计算得到的偏流系数λ计算偏流系数偏差δλ＝|λ-1|；当偏流系数λ等于1时，表明出水流道左孔与右孔的出流流量相等，此时偏流系数的偏差δλ＝0；

6.采用以下方法确定斜式出水流道4的横向导流板8和竖向导流板9的数量：

(1)将无导流板的斜式出水流道4记为方案f0，如图2a和图2b所示；

(2)采用数值计算方法对斜式出水流道4方案f0进行三维流场数值模拟，计算流量为斜式泵装置的设计流量50m³/s，出水流道流场计算的进口环量为100，计算得到的流场图示于图3a和图3b；根据数值模拟结果，计算得到斜式出水流道4方案f0的偏流系数λ0为1.667、旋涡体积v0为25.9m³和流道水头损失δh0为0.307m，计算偏流系数偏差δλ0＝|λ0-1|＝0.667；

(3)斜式出水流道4方案f0的偏流系数偏差δλ0＝0.667＞0.01，出水流道内的偏流严重，流道内旋涡体积v0为25.9m³，进入下一小步；

(4)在方案f0的基础上增加1块竖向导流板9并均匀布置记为方案f11，如图4(a)和图4(b)所示；在方案f0的基础上增加1块横向导流板8并均匀布置记为方案f12，如图5(a)和图5(b)所示；

(5)根据出水流道方案f11和方案f12的三维流场数值模拟结果，出水流道方案f11的偏流系数λ11为1.117、旋涡体积v11为8.64m³和流道水头损失δh11为0.301m，偏流系数偏差δλ11为0.117；出水流道方案f12的偏流系数λ12为1.241、旋涡体积v12为12.96m³和流道水头损失δh12为0.313m，偏流系数偏差δλ12为0.241；经比较，方案f12偏流系数偏差δλ小、旋涡体积v小、流道水头损失δh小，将方案f12记为方案f1；

(6)斜式出水流道4方案f1的偏流系数偏差δλ1＝0.117＞0.01，流道内存在旋涡，进入下一小步；

(7)在方案f1的基础上增加1块竖向导流板9并均匀布置记为方案f21，如图6(a)和图6(b)所示；在方案f1的基础上增加1块横向导流板8并均匀布置记为方案f22，如图7(a)和图7(b)所示；

(8)根据出水流道方案f21和方案f22的三维流场数值模拟结果，出水流道方案f11的偏流系数λ21为1.008、旋涡体积v21为0m³和流道水头损失δh21为0.317m，偏流系数偏差δλ21为0.008；出水流道方案f22的偏流系数λ22为1.069、旋涡体积v22为4.32m³和流道水头损失δh22为0.322m，偏流系数偏差δλ22为0.069；经比较，方案f21出流比偏差δλ小、旋涡体积v小、流道水头损失δh小，将方案f21记为方案f2；

(9)斜式出水流道4的方案f2的偏流系数偏差δλ2＝0.008＜0.01，出水流道内不存在旋涡，流场图如图8a和图8b所示，进入第7步；

7.根据第6步的计算结果，确定所述斜式出水流道4纠偏消涡需要的横向导流板8数量m＝0和竖向导流板9的数量n＝2；为了增加竖向导流板9的刚度，在竖向导流板9的左右两侧设置2道顺水流方向的加强筋10，所述加强筋10的断面形状为矩形，厚度和高度分别为10mm和50mm，加强筋10的头部为半圆形、尾部为流线型，如图9所示；

8.绘制设有2块竖向导流板的斜式泵装置出水流道单线图。

实施例2

某大型低扬程泵站采用立式泵装置，单泵设计流量为33.5m³/s，选用南水北调工程水泵模型同台测试的tj04-zl-06水泵模型，水泵叶轮直径d0为3.15m、水泵转速为125r/min，进水流道为肘形进水流道，出水流道为低驼峰式出水流道。如图10所示，所述立式泵装置由进口到出口依次为肘形进水流道11、水泵叶轮12、导叶体13和低驼峰式出水流道14。低驼峰式出水流道14由进口至出口依次为进口弯曲段14a、中部扩散段14b和出口直线段14c，所述出口直线段14c的中部设置中隔墩17，中隔墩17将出水流道出口直线段14c分为左孔和右孔，如图12a和图12b所示；由导叶体13流出的水流呈螺旋状进入低驼峰式出水流道14，为满足泵轴15穿过低驼峰式出水流道14连接电动机16的要求，低驼峰式出水流道14呈弯曲形。当旋转的水流在弯曲的低驼峰式出水流道14中运动时，低驼峰式出水流道14内出现偏流和旋涡，导致流态不稳定，如图11a和图11b所示。拟应用本发明的方法解决低驼峰式出水流道14内的偏流和旋涡问题。

为解决低驼峰式出水流道14内的偏流和旋涡问题，应用本发明的方法消减低驼峰式出水流道14进口水流的环量，在低驼峰式出水流道14内设置导流板，经过计算得到的所述低驼峰式出水流道14的导流板具体构成如下：

1.在低驼峰式出水流道14的进口弯曲段14a内均匀设置1块横向导流板18和2块竖向导流板19，横向导流板18和竖向导流板19垂直相交；如图13所示，所述横向导流板18的两端与进口弯曲段14a的左右两侧边壁焊接，所述竖向导流板19的两端与进口弯曲段14a的上下两侧壁焊接，所述横向导流板18和所述竖向导流板19相交处焊接；

2.所述横向导流板18和竖向导流板19的厚度为0.02d0＝0.02×3.15＝0.063m；横向导流板18和竖向导流板19的头部均为半圆形，横向导流板18和竖向导流板的尾部19均为流线型；

3.所述横向导流板18和所述竖向导流板19的头部位于进口弯曲段14a的断面处，距离泵轴15的边缘0.102m，所述横向导流板18和所述竖向导流板19的尾部位于进口弯曲段14a的出口断面处；

4.对设置1块横向导流板18和2块竖向导流板19的低驼峰出水流道14的三维流场进行数值模拟，得到的流场图如图14a和图14b所示；根据数值模拟结果，低驼峰式出水流道14的偏流系数λ为1.01、旋涡体积v为0m³和流道水头损失δh为0.301m，偏流系数偏差δλ为0.01；

所述立式泵装置低驼峰式出水流道14在应用本发明的导流板后，有效消除了流道进口水流的环量，解决了出水流道内的偏流及旋涡问题。