| 标题 | 虹吸式出水贯流泵装置结构特点及对比试验研究 |
| 范文 | 雍成林等 摘要：广泛应用于低扬程和特低扬程泵站的贯流泵装置，传统设计基本采用平直管出水的结构型式。针对城市防洪泵站扬程低、年运行时间短、安全性和可靠性要求高的特点，提出了5种新型虹吸式出水流道的贯流泵装置结构型式，它们具有结构简单、断流可靠、安装检修方便、维修和养护成本低等优点。在保持模型泵不变的情况下，采用CFD数值模拟技术，进行了不同结构型式的虹吸式出水贯流泵装置数值分析、优化水力设计和性能预测。根据优化设计结果，在高精度试验台上进行了虹吸出水和直管出水的竖井贯流泵装置模型对比试验。试验结果表明，两种竖井贯流泵装置的水力性能基本接近，平直管出水和虹吸式出水都是合适的低扬程泵站出水流道结构型式；在特低扬程情况下，采用虹吸式出水流道的泵装置结构型式具有更明显的优势。 关键词：贯流泵装置；结构型式；虹吸出水；对比试验；CFD 中图分类号：TV675 文献标志码：A 文章编号： 16721683（2014）05003605 Structural features and comparison tests of different tubular pumping systems with siphon outflows YONG Chenglin1，TANG Zhengjun1，ZHU Honggeng2，ZHANG Rentian2，3 （1.Jiangdu Water Project Administration Agency of Jiangsu Province，Yangzhou 225200，China； 2.School of Hydraulic，Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China； 3.Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China） Abstract：Tubular pumping systems which are widely applied in the low and extralow head pumping stations usually adopt the structure of straight outflows in the conversional design.In order to meet the requirements of low head，short annual operation time，and high safety and reliability in the municipal flood control pumping stations，five structural types of tubular pumping systems with siphon outflows were proposed，and they have the advantages of simple structure，reliable shutdown device，convenient installation and maintenance，and cheap cost of operation and management.Under the condition of unchanged model pump，CFD simulation technology was used to perform the numerical analysis，optimal hydraulic design，and performance prediction of various tubular pumping systems with siphon outflows.According to the optimization results，a comparison test of the shafttype tubular pumping systems with straight and siphon outflows was carried out in the model test stand with high accuracy.The model test results showed that hydraulic performances of two outflows are similar so that the structural types of straight and siphon outflows are both suitable for the low head pumping station when the tubular pumping system is used.For the extralow head pumping station，the tubular pumping systems with siphon outflows have significant advantages compared with those with straight outflows. Key words：tubular pumping system；structural type；siphon outflow；comparison test；CFD 贯流泵广泛应用于低扬程水泵装置。根据布置方式和电机与传动装置的安装位置的不同，贯流泵有灯泡式、竖井式、轴伸式等型式之分，还有前置和后置之别。在立式和斜式水泵装置中有虹吸出水、低驼峰出水、平直管出水等不同出水流道结构结构型式，但在国内已经建成投运的贯流泵站中，基本采用的是平直管出水流道的结构型式，国外在贯流泵装置中采用其它出水结构型式的报道也鲜见。虹吸式出水流道国内最早应用于江都一站的立式机组[1]，它具有结构简单、断流可靠、节省投资、便于安装、方便检修、易于管理等优点，经过优化设计后水力性能与平直出水管接近。 针对城市防洪泵站扬程低、年运行时间短、安全性和可靠性要求高的特点，本文在研究现有贯流泵装置性能和结构特征的基础上，提出了5种虹吸出水和真空破坏阀断流的新型贯流泵装置结构型式，并以某市防洪泵站为例，在CFD（计算流体动力学）优化设计的基础上开展直管出水和虹吸式出水的两种贯流泵装置的模型对比试验研究，验证CFD优化设计的可靠性和有效性，分析新型竖井贯流泵装置结构型式在低扬程泵站中具有的优势。 1 新型贯流泵装置结构型式与特点 1.1 不同出水结构竖井贯流泵装置的比较 1.1.1 直管出水的前置式竖井贯流泵装置特点 竖井贯流泵装置有竖井前置和后置之分。竖井贯流泵装置机组结构简单，平面尺寸小，开挖深度浅，工程投资省，站身高度低，具有通风、散热和防潮条件良好，运行维护比较方便等优点[23]，在低扬程中、小型泵站，尤其是城市防洪泵站中得到广泛应用。传统的竖井贯流泵装置大多采用了直管出水、竖井前置的装置结构型式，断流方式为拍门或快速闸门。图1为典型的采用液压式快速闸门断流的前置式竖井贯流泵房剖面图。 1.1.2 虹吸式出水的竖井贯流泵装置的特点 排涝泵站尤其是城市防洪泵站具有年运行时间短、安全可靠性要求高的特点，也要求便于安装检修和运行管理。在充分调研、分析和比较现有的水泵装置结构型式与断流方式的基础上，作者研发了一种虹吸式出水、真空破坏阀断流的新型竖井贯流泵装置结构型式，并申请了国家专利[4]。图2为采用虹吸式出水、真空破坏阀断流的竖井贯流泵房剖面图。 虹吸式出水的新型竖井贯流泵装置具有如下优点[5]。 （1）与常规的竖井贯流泵装置相比，虹吸式出水的新型竖井贯流泵装置在保留竖井结构的基础上，采用了虹吸式出水流道和真空破坏阀断流方式，提高了泵站运行的安全可靠性，操作更简便，易于实现启动和停机自动化。真空破坏阀安装在副厂房中，方便维护与管理，工作环境好，使用寿命长。与绳鼓式卷扬机和液压启闭机相比，真空破坏阀的维护与保养简单方便，省时省力。 （2）与灯泡贯流泵装置相比，虹吸式出水的新型竖井贯流泵装置安装与检修方便，机组通风、散热、防潮条件好。由于城市防洪泵站的规模与装机容量较小，通常由所在城市的水利部门管辖与管理，与流域性的大型泵站相比，运行管理的技术力量较弱。而竖井贯流泵装置结构简单，安装检修难度低，更适合于中小型城市防洪泵站的人员配备和技术力量。 （3）相对于结构简单的拍门而言，虹吸式出水流道施工复杂一些，土建投资较大，但与采用快速闸门的断流设施相比，虹吸式出水流道本身的结构要简单得多。如果拍门和快速闸门的外侧再装检修门，以及配套的工作桥和起吊设备，工程造价会更高。虹吸出水的新型竖井贯流泵装置采用真空破坏阀断流，结构简单，维护工作量少。直径为2 000 mm的机组，每台套土建和设备投资可节省100万元左右。 （4）与采用虹吸式出水的立式水泵装置相比，在同样满足水泵汽蚀性能的前提下，虹吸出水的新型竖井贯流泵装置能为水泵提供良好的进水条件，能有效地减小泵房基础开挖深度，降低泵房高度，大幅度节省土建投资。 1.2 虹吸式出水的前轴伸和后轴伸式贯流泵装置 在虹吸式出水的竖井贯流泵装置结构型式基础上，作者提出了虹吸式出水的前轴伸和后轴伸式贯流泵装置结构型式，见图3，并已申请了国家专利[67]。 与虹吸式出水的竖井贯流泵装置相比，虹吸式出水的前轴伸和后轴伸式贯流泵装置取消了竖井结构，动力机与传动设备布置在进水流道上部和虹吸式出水流道的下方，使得安装、检修和维护十分便利，通风、采光、防潮等条件也得到了明显改善。对于这两种贯流泵装置结构型式，水泵机组完全可以采用立式水泵机组的结构设计，仅需要在轴承和支撑等方面做出一定改变。由于没有了竖井尺寸的限制，动力机可采用内燃机，电机的转速和外形尺寸也可在更大范围内选择，还有可能采用直接传动方式，缩短机组长度，提高传动效率，有利于减少传动装置的运行噪声，提高水泵机组运行的安全性和稳定性。虹吸出水的前轴伸和后轴伸式贯流泵装置均可采用直管进水方式，水力损失减少，进水条件也将得到明显改善，有利于提高水泵装置效率和改善汽蚀特性。 1.3 虹吸式出水的灯泡贯流泵装置 目前在建的和已建的灯泡贯流泵装置多采用灯泡后置方式（见图4），快速闸门是常用的断流方式，为了避免机组启动时电动机超载、停机时机组发生飞逸，对快速闸门的提升时间和关闭速度有较为苛刻的要求。 图4 后置灯泡贯流泵房剖面 Fig.4 Logistical view of rearbulb tubular pumping station 作者提出的一种虹吸式出水的前置灯泡贯流泵装置结构型式[8]，采用真空破坏阀断流方式，如图5所示，由于采用了虹吸式出水流道，舍弃了快速闸门，具有便捷、易管理、自动化程度高等优点，有效地避免了快速闸门的启闭速度与机组的启动和停机不协调，可能导致的启动时电机超载、停机时机组发生飞逸的风险，也利于节省断流设备投资，降低断流设施维护费用，提高了贯流泵装置运行的安全性和可靠性。 图5 虹吸式出水的灯泡贯流泵装置 Fig.5 Bulb tubular pumping system with siphon outflow 1.4 虹吸式出水的潜水贯流泵装置 作者还提出了虹吸式出水的新型潜水贯流泵装置结构型式（图6），并已申请国家专利[9]。虹吸式出水的潜水贯流泵装置同样能降低断流设备投资和维护费用，便于运行管理，提高泵站运行的安全性和可靠性，其性能与灯泡贯流泵装置接近，但大型化仍存在一定的难度，因此使用范围不同。 采用虹吸式出水的5种不同型式贯流泵特点对比见表1。 图6 虹吸式出水的潜水贯流泵装置 Fig.6 Submerged tubular pumping system with siphon outflow 2 直管出水和虹吸出水的竖井贯流泵装置对比模型试验 为检验采用虹吸式出水的贯流泵装置性能，以某市城市防洪泵站为案例进行不同出水流道型式的对比研究。该泵站排涝设计扬程1.15 m，最高扬程1.95 m，泵站设计流量40 m3/s，单泵设计流量10 m3/s，安装叶轮直径为1.75 m、转速为189.5 r/min的卧式轴流泵4台套，配异步电动机，间接传动。根据《泵站设计规范》（GB/T 50265-2010）的规定，结合设备安装和水工布置等要求，首先对虹吸式出水装置进行水力优化设计，并对平直管出水和虹吸式出水的2种竖井贯流泵装置进行全流道CFD数值模拟和性能预测，然后根据CFD优化设计结果进行对比模型试验研究。 2.1 虹吸式出水的竖井贯流泵装置水力优化设计 运用CFD方法，借助商业软件ANSYS FLUENT，对虹吸式出水的竖井贯流泵装置内流流动进行数值分析和优化设计[1011]。与立式机组采用虹吸式出水流道不同，竖井贯流泵装置的虹吸式出水流道是水平进水、水平出水，优化设计的主要参数是驼峰的高度和位置[1012]，优化设计方案见图7。水力优化设计的详细过程不再赘述，可参考文献[1012]。 典型驼峰高度、不同驼峰位置以及典型驼峰位置、不同驼峰高度下，泵站的性能对比见图8，在一定的变化范围内，不同方案的H～Q曲线基本重合，主要是效率存在差异，因此可以根据泵站的运行时间等要求综合选择相应的尺寸。 2.2 直管式和虹吸式出水的竖井贯流泵装置对比模型试验 对比模型试验时，模型泵叶轮直径为300 mm，转速为1 105 r/min。两种出水结构的竖井贯流泵装置试验台照片见图9，对比模型试验结果见图10，CFD性能预测及模型试验结果见表2。 两种出水结构的竖井贯流泵装置对比模型试验结果表明[13]： （1）直管出水的竖井贯流泵装置最高效率点出现在-4，为76.44%，对应的流量为217.05 L/s，扬程为2.05 m；虹吸 式出水的竖井贯流泵装置最高效率点出现在-2，为75.96 %，对应的流量为196.98 L/s，扬程为1.95 m。2种出水流道型式的竖井贯流泵装置的综合水力性能均已接近国内同类装置的优秀水平，CFD优化设计取得了显著的效果。 （2）叶片安放角度为+2、扬程1.15 m时，采用直管式出水流道的模型贯流泵装置，流量为Q=300 L/s，效率为5921%；采用虹吸式出水流道的模型贯流泵装置流量为Q= 304 L/s，效率为6210%。因此，虹吸式出水的设计方案与直管出水的竖井贯流泵装置相比，在叶片安放角度为+2°时、设计扬程工况下，流量增加了127%；效率提高了289%，即在低扬程工况虹吸式出水具有优势。 3 结论 （1）虹吸式出水可以应用于不同结构型式的贯流泵，本文提出的5类新型贯流泵装置均具有结构简单、断流可靠、安装检修方便、维修和养护成本低等优点，同时能够提高贯流泵装置运行的安全性和可靠性。 （2）直管出水和虹吸式出水的两种竖井贯流泵装置对比模型试验结果表明，两种出水结构的泵装置性能基本接近；在特低扬程情况下，采用虹吸式出水流道的泵装置结构型式能获得较高的装置效率，具有更明显的优势。因此，虹吸式出水是适合低扬程贯流泵站的出水流道结构型式之一。 本文仅对虹吸式出水竖井贯流泵装置的性能进行了深入的研究，而其它类型虹吸出水的贯流泵装置性能还需要进一步深入研究，包括不同运行范围下的进水流道对比和优化，不同型式进水时虹吸式出水流道的结构型式优化，驼峰的高度、尺寸，上升段和下降段的倾角以及与机组之间的配合。 参考文献（References）： [1] 沈日迈.江都排灌站[M].第3版.北京：中国水利水电出版社，1985.（SHEN Rimai.Jiangdu irrigation and drainage station[M].The third edition.Beijing：China Water and Power Press，1985.（in Chinese）） [2] 朱红耕，张仁田，冯旭松，等.不同型式贯流泵装置结构特点与水力特性分析[J].灌溉排水学报，2009，28（5）：5860，85.（ZHU Honggeng，ZHANG Rentian，FENG Xuesong，et al.Structural features and hydraulic performances analysis of various tubular pumping systems[J].Journal of Irrigation and Drainage，2009，28（5）：5860，85.（in Chinese）） [3] 徐辉.贯流式泵站[M].北京：中国水利水电出版社，2008.（XU Hui.Tubular pumping station[M].Beijing：China Water and Power Press，2008.（in Chinese））. 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