大型双向流道泵装置优化与试验探究

黄文娟

摘要：大型双向流到泵装置是未来我国大型调水工程主要的应用设备，但由于在双向流到泵发展的过程中，其主要应用与小型调水工程，这就使得大型调水工程若直接使用传统的双向流到泵装置则会导致出现较为严重的水力流失，故而影响了双向流到泵的使用效果，着并不利于大型调水工程的顺利完成，因此，需要对大型双向流道泵装置进行优化。基于此，本文主要研究大型双向流道泵装置优化与试验，希望对相关人员有所启示。

关键词：大型调水工程；双向流到泵；进水口流到；出水口流到；喇叭管

引言：近年来，随着我国水利工程的发展，越来越多的大型泵站被投入到排涝、灌溉中去使用，而在大型泵站运转的过程中，双向流到泵装置以期低成本、高效率的优势得到较大的重视。但就目前情况而言，由于传统的双向流到泵更适用于小型调水工程当中，若将其直接适用于大型调水工程将会导致调水工程质量大打折扣，故而需要对传统的双向流到泵进行优化，使其减少使用时的水力损失，故而推进我国大型流到泵装置的发展。

1. 工程概况

双向流到泵装置在我国水利工程中有着极为重要的作用，双向流到泵装置是在两侧的任意一侧进水，进入的水经过水泵的处理后从另一侧排除，该装置占地面积小且使用成本低，结构简单易于检修，故而被我国大部分小型泵扎广泛的使用。但就目前情况而言，随着我国水利工程逐渐发展，越来越多的大型调水工程也需要利用双向流到泵装置进行引水、调水的工作，但由于双向流到泵装置效率比较低，故而不适用于大型调水工程。因此，本文以某泵站的引排为例，该泵站的引排为双向流到闸站结合使，累积5台轴流泵、5台电机，根据对该泵站的双向流到泵装置的研究，提升扩散水力损失，从而提升泵装置的工作效率，实现大型双向流到泵装置的优化。

2. 双向进出水流到三维参数化建模

在进行双向进出水流到三维参数化建模时，主要利用的建模如阿健为UG建模如阿健，该软件能够利用双向进出水流到的参数实现模拟双向进出水流到，以便于相关工作人员能够更直观的分析双向流到泵的工作流程。

双向进出水流到的喇叭是双向流到泵的重要组成部分，其对双向流到泵的工作效率将会产生直接的影响，最主要的影响便是对入流条件产生的影响，若喇叭的悬空高度过高，则会导致进水条件受到限制，进而导致进水流量减少，故而影响了双向流到泵的工作效率。同时，对于出水流到而言，喇叭的出口与流到顶部的距离会对流到的水力损失产生较为严重的影响，若喇叭的出口与流到顶部的距离过大，则会导致双向流到泵的水力损失较为严重，故而导致双向流到泵的工作效率较低。因此，在进行大型双向流道泵装置优化试验时，需要对喇叭的悬空高度（h）与喇叭的出口与流到顶部的距离（H）进行优化，从而提升双向流到泵整体的工作性能^[1]。

首先，从进水流到的角度来分析，下图为进水流到型参数化示意图。

图1 进水流到型参数化示意图

通过对上图分析可知，在双向流到泵的进水流到中，喇叭管采用的是直线加圆弧的组合，该组合更利于水流的流动。同时，在进水流到的喇叭管中， 与 保持不变，这是为了满足进水流到的进水需求，故而只能通过改变圆弧直径 、涡室直径 与圆心高度H来实现对进水流到喇叭的优化，从而促使喇叭管的悬空高度能够满足水流条件对进水流到的需求。圆弧直径、圆心高度与喇叭管高度的关系式如下所示。

其次，从出水流到的角度来分析，下图为出水流到型参数化示意图。

图2 出水流到型参数化示意图

通过对上图的分析可知，在双向流到泵的出水流到中，出水流到喇叭管采用单圆弧过度，喇叭管口直径D为7500mm，圆弧圆心角为 ，圆弧半径为 。故喇叭的出口与流到顶部的距离H的计算公式如下所示。

3. 优化平台开发

在进行双向流到泵平台优化时，主要应用的是Lsight优化平台实现对双向流到泵的优化设计，该平台能够实现将双向流到泵的各组建分开分析，分别建立各组建的仿真设计，利用三维参数化建模模拟各组件的工作状态，并通过该平台实现对优化方案的设定与选取，从而提高了双向流到泵平台优化设计的精准度与简便性。

在利用Lsight优化平台对双向流到泵进行优化设计时，首先需要考虑进出水流到的喇叭对水流的影响，确定设计变量目标，并根据上述公式合理的确定喇叭的悬空高度与喇叭的出口与流到顶部的距离，采用最优拉丁超立方对样本空间进行均匀踩点，从而实现对双向流到泵工作的建模。其次，需要根据上述结果将变量参数输入到模型当中，采用四阶相应面模型建立近似建模，促使双向流到泵建模能够与双向流到泵实际工作状态相符，从而提高了建模的准确性。最后，选择优化算法对建立的模型进行优化，从而达到合理的设计喇叭的悬空高度与喇叭的出口与流到顶部的距离，进而提高双向流到泵的工作效率与工作质量，实现对双向流到泵良好的优化设计

^[2]。

4. 优化结果分析

首先，从出水流到优化结果的角度来分析。通过优化设计后的出水流到实现了喇叭管与流到上顶盖距离的扩散优化，促使双向流到泵在实际工作的过程中，能够为出水水流提供良好的出水空间，从而减少水力的损失。同时，在优化的过程中发现，出水流到的水流损失随着喇叭管与流到上顶盖距离的增加而呈现先减小、后增加、再减小的趋势，故而存在一个峰值，而该峰值则为出水流到喇叭管与上顶盖之间的最佳距离。

其次，从进水流到优化结果的角度来分析。在优化的过程中发现，当喇叭管的悬空高度 时，悬空高度越小、水力损失越大，而当 时，水力损失呈现直线上升的趋势，故而本工程选择的喇叭管悬空高度与喇叭口直径之比为0.49。

5. 泵装置模拟试验

初试所在的某国家水泵工程技术研究中心高精度水力机械四象限多功能试验台的效率测试综合精度优于0.32%。第三方复测试验所在的某江苏省水利动力工程重点实验室高精度水力机械试验台效率测试综合精度优于0. 39%。试验台均满足国家标准GB /T 18149 - 2000和中华人民共和国水利部行业标准SL140一2006精度要求，通过国家计量认证，证书在有效期内。两次试验结果基本吻合，说明该试验成果准确可信。

结论：综上所述，双向流到泵在我国水利工程领域中具有着十分重要的应用价值，但由于以往双向流到泵普遍应用于小型调水工程当中，故而当期应用于大型调水工程当中需要对其进行优化，以减少水力损失。在优化的过程中，需要分别对进水流到喇叭管悬空高度与出水流到喇叭的出口与流到顶部的距离进行优化，根据喇叭管的实际情况合理的进行悬空高度与流到顶部的距离设计，从而才能够确双向流到泵能够真正的发挥其功能与价值。

参考文献：

1. 赵振江,石磊,蒋红樱.隔墩对双向流道泵装置内流及压力脉动影响研究[J].中国农村水利水电,2021(07):175-180.

2. 孟凡,李彦军,袁寿其.基于流固耦合的双向流道轴流泵装置振动特性研究[J].中国农村水利水电,2016(12):180-184+189.