1、太浦河泵站進(jìn)出水流道及安裝高程數(shù)模計(jì)算分析摘要：太浦河泵站采用數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算的方法，計(jì)算和模擬不帶水泵轉(zhuǎn)輪的整個(gè)流道裝置的水流流態(tài)及水力損失。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際泵站運(yùn)行情況及有關(guān)資料，確定太浦河泵站的水泵裝置安裝高程。關(guān)鍵詞：水泵裝置模計(jì)算水流流態(tài)水力損失汽蝕振動安裝高程1泵站概況太浦河泵站是太湖流域綜合治理的一項(xiàng)重點(diǎn)工程，其建造目的是在枯水年份46月，當(dāng)太湖水位較低時(shí)，通過太浦閘自流輸入難以滿足下游上海市的供水要求，通過太浦河泵站抽取太湖水向上海市供水，改善上海市黃浦江上游取水口處水質(zhì)。太浦河泵站位于江蘇省吳江市太浦閘南側(cè)。1.1泵站根本布置泵站由引水渠、進(jìn)水池、泵房、出水池、

2、出水渠幾局部組成。泵房內(nèi)布置6臺斜150軸伸泵，每臺水泵設(shè)計(jì)流量為503/s，葉輪直徑4.1，泵站設(shè)計(jì)流量3003/s。水泵由電動機(jī)通過減速齒輪箱傳遞功率。減速齒輪箱采用兩級傳動的平行軸齒輪箱。泵站流道布置見圖1。圖1泵站流道布置圖1.2泵站根本參數(shù)進(jìn)水池：設(shè)計(jì)水位1.90最低運(yùn)行水位1.70出水池：最高運(yùn)行水位3.34設(shè)計(jì)水位3.29最低運(yùn)行水位2.66揚(yáng)程：最高凈揚(yáng)程1.64設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程1.39最低凈揚(yáng)程0.762進(jìn)出水流道及水泵安裝高程數(shù)模計(jì)算2.1數(shù)模計(jì)算目的和要求太浦河泵站具有水泵揚(yáng)程特低，單泵流量大，葉輪直徑大，及水泵轉(zhuǎn)速低的特點(diǎn)。泵站的運(yùn)行條件與太湖水位有親密關(guān)系，而太湖水位牽涉到

3、各省市的利益，使水泵的安裝高程、流道進(jìn)水口吞沒水深等條件受到一定限制。為使水泵在整個(gè)泵站揚(yáng)程范圍內(nèi)平安穩(wěn)定運(yùn)行，在未確定水泵制造廠之前，委托清華大學(xué)、武漢水利電力大學(xué)、上海大學(xué)三個(gè)單位進(jìn)展不帶轉(zhuǎn)輪的三種方案的流道數(shù)模計(jì)算和安裝高程的分析。以下僅對其中的推薦方案進(jìn)展詳細(xì)的分析。2.2數(shù)模計(jì)算內(nèi)容進(jìn)出水流道及水泵安裝高程數(shù)模計(jì)算應(yīng)給出以下內(nèi)容：1按泵站設(shè)計(jì)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)中流道進(jìn)水口的流速要求，確定進(jìn)水口斷面面積。2計(jì)算進(jìn)出水流道的流速場和壓力場，對流道內(nèi)的水流流態(tài)進(jìn)展計(jì)算和分析。3根據(jù)水泵進(jìn)口的流速場和壓力場，參考最優(yōu)工況點(diǎn)氣蝕比轉(zhuǎn)速為1000的轉(zhuǎn)輪，考慮葉片最高點(diǎn)的初始汽蝕和臨界汽蝕，確定汽蝕控制要求

4、。4提出進(jìn)出水流道的優(yōu)化建議。3進(jìn)出水流道及水泵安裝高程數(shù)模計(jì)算結(jié)果和分析3.1數(shù)模計(jì)算理論三個(gè)計(jì)算單位對進(jìn)出水流道及水泵安裝高程的數(shù)模計(jì)算均采用三維流動計(jì)算程序。清華大學(xué)采用美國的fltax軟件，武漢水利電力大學(xué)采用英國HA公司的PHENIS軟件，上海大學(xué)采用starD軟件。在三維不可壓縮場的雷諾平均NS方程和標(biāo)準(zhǔn)k紊流模型方程組的根底上根據(jù)各學(xué)校的經(jīng)歷和特點(diǎn)，對所用的方程進(jìn)展求解和研究，并對標(biāo)準(zhǔn)的k模型進(jìn)展修正。3.2進(jìn)出水流道水力計(jì)算和流態(tài)分析三個(gè)單位對進(jìn)出水流道均進(jìn)展了流速場和壓力場的三維粘性流計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出進(jìn)出水流道的水力損失。水力損失詳見表31。表31三個(gè)單位的進(jìn)出水流道水

5、力損失單位清華武水上大進(jìn)水流道水力損失hf()0.05590.20.08出水流道水力損失hf()0.2270.230.22流道總水力損失hf()0.28290.430.30從表31可見進(jìn)出水流道水力損失的特點(diǎn)是流道水力損失的絕對值不大。由于斜150軸伸泵的出水流道比擬彎曲，在葉輪出口水流經(jīng)導(dǎo)葉后不能平穩(wěn)地變?yōu)檩S向出流，使出水彎管處水流更紊亂，實(shí)際的出水流道的水力損失將大于不帶轉(zhuǎn)輪的理論計(jì)算值。在流道進(jìn)口吞沒水深滿足要求的前提下，雖然進(jìn)水流道有彎曲，流速分布有變化，使流道上部流速大于下部流速，在進(jìn)口頂板處出現(xiàn)進(jìn)口斷面的最大流速，但壓力變化差異不大，未有進(jìn)口漩渦和串通挾氣發(fā)生。整個(gè)進(jìn)水流道比擬平順

6、，加速均勻，阻力損失較校三個(gè)單位均認(rèn)為進(jìn)水流道的流態(tài)較好，但提出應(yīng)注意進(jìn)水流道中墩尾部的型線，防止脫流發(fā)生。有一單位指出因水泵進(jìn)水口前流道有彎曲，直管段較短，水泵進(jìn)口處有很細(xì)微的三維渦強(qiáng)度和螺旋度密度，但總體上進(jìn)水流道出口斷面三維流速較為均勻，沒有較大的三維旋渦存在。主要計(jì)算分析結(jié)果如下：1出水流道的彎管局部流動比擬復(fù)雜，既有彎曲又有擴(kuò)散，影響水流流態(tài)，出水流道彎度越大水流流態(tài)越差。2彎管局部的流速不均勻，其出口處有漩渦區(qū)。彎管中間局部流速高，周圍流速低，說明出水流速未充分?jǐn)U散，導(dǎo)致流道出口流速分布不均勻。3由于葉輪后的出口流道彎曲，加上流道是擴(kuò)張的，在那里造成了較大的逆壓梯度，因此出現(xiàn)了一定

7、的流動別離。此外由于水體重力影響，流道內(nèi)的水壓力沿水深方向變化明顯。4因?yàn)檫M(jìn)出水流道是個(gè)整體，進(jìn)水流道的水力不均勻及葉輪出口的漩渦，加大出水流道彎管處的水流會紊亂。5流道出口為吞沒出流，計(jì)算說明靠近出水流道的出水池外表均有較大的漩渦區(qū)。3.3水泵裝置安裝高程水泵裝置的安裝高程根據(jù)水泵不發(fā)生汽蝕和振動的原那么確定。低揚(yáng)程軸流式水泵的空蝕有葉片正面汽蝕及反面汽蝕，葉片與輪殼室的間隙汽蝕三種。水泵的汽蝕不僅對轉(zhuǎn)輪造成損壞，效率下降，而且汽蝕將引起水泵的振動和噪音，危及水泵的平安運(yùn)行產(chǎn)生影響。3.3.1汽蝕余量3.3.1.1.水泵必須汽蝕余量在太浦河泵站未能選定水泵前，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的必須汽蝕余量根據(jù)水泵

8、汽蝕比轉(zhuǎn)速和其它統(tǒng)計(jì)公式來考慮，非設(shè)計(jì)工況的水泵必須汽蝕余量參考日本?泵站工程技術(shù)設(shè)計(jì)手冊?圖1.96提供的方法。設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為4.67，非設(shè)計(jì)工況為7.2。3.3.1.2水泵裝置汽蝕余量水泵裝置汽蝕余量計(jì)算：ha=+h淹inhf0.5表3.-1水泵裝置汽蝕余量葉輪上緣的吞沒水深h淹in進(jìn)水流道的水力損失hf水泵裝置汽蝕余量ha推薦方案1.50.210.8三個(gè)單位的進(jìn)水流道的水力損失計(jì)算值差距較大，考慮到進(jìn)水門槽的水力損失，綜合三個(gè)單位的計(jì)算值后暫取進(jìn)水流道的水力損失為0.2。水泵裝置汽蝕余量必須大于水泵的許用汽蝕余量。經(jīng)計(jì)算太浦河泵站的水泵裝置汽蝕余量滿足此器。3.3.2水泵裝置汽蝕分析3.3

9、.2.1水泵裝置臨界汽蝕和初生汽蝕根據(jù)水泵的汽蝕理論，汽蝕可分為臨界汽蝕和初生汽蝕。國內(nèi)的水泵模型試驗(yàn)和原型測試，均按水泵效率下降1%或揚(yáng)程已有明顯變化考慮，此時(shí)已有大量的汽泡產(chǎn)生。根據(jù)有關(guān)資料，臨界汽蝕和初生汽蝕之比在2以上。國內(nèi)對水泵的必須汽蝕余量是以臨界汽蝕來計(jì)算的。許用汽蝕余量通常按必須汽蝕余量的1.5倍考慮，但對大型尤其是特大型水泵按此要求是不夠的。3.3.2.2水泵汽蝕的模型和原型換算一般水泵的汽蝕試驗(yàn)均在立式水泵的試驗(yàn)臺上進(jìn)展，葉片處于同一程度面上。但對臥式水泵，由于葉輪上下葉片的高度相差大，重力的影響也大。所以在確定臥式或小傾角斜軸伸式水泵的安裝高程時(shí)，應(yīng)考慮到現(xiàn)有的水泵汽蝕參

10、數(shù)根本是按立式水泵模型試驗(yàn)得到的因素。3.3.2.3水泵裝置汽蝕分析水泵汽蝕部位主要有正面、反面和間隙汽蝕三種。葉片正面汽蝕發(fā)生在低于設(shè)計(jì)揚(yáng)程的大流量區(qū)，葉片反面汽蝕發(fā)生在高于設(shè)計(jì)揚(yáng)程的小流量區(qū)。而間隙汽蝕一般是在各種揚(yáng)程下都有，揚(yáng)程低時(shí)強(qiáng)度弱，揚(yáng)程高時(shí)強(qiáng)度增大。間隙汽蝕是軸流式水泵的一個(gè)特點(diǎn)，間隙汽蝕區(qū)隨著葉片以等于葉輪圓周速度的速度沿著水泵室外表挪動。在間隙區(qū)內(nèi)及出口之后形成很多汽泡，引起噪音和振動。前蘇聯(lián)對額爾齊斯卡拉干運(yùn)河泵站的11185型軸流泵H=1.220.5，Q=14.5223/s，n=333r/in進(jìn)展過間隙空蝕及壓力脈動的測試。測試結(jié)果有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1從輪殼室測點(diǎn)的壓力傳感

11、器上測出的壓力波波形可明確的看出，壓力波呈周期性的變化。在葉輪旋轉(zhuǎn)中，葉片遠(yuǎn)離測點(diǎn)時(shí)，該處的壓力大；葉片與該處測點(diǎn)靠近時(shí)，該處壓力小，為程度線下的朝下凸臺。該處的絕對壓力，其值等于當(dāng)時(shí)溫度下的飽和汽化壓力，表示有汽蝕區(qū)的存在。2試驗(yàn)比擬葉片正面和反面上的壓力峰值差，可達(dá)31幾乎比泵的靜揚(yáng)程大一倍多，將造成很高的汽蝕侵蝕強(qiáng)度。3由于每個(gè)葉片通過輪殼室壁時(shí)，壓力由最大比泵揚(yáng)程還大到最小存在汽蝕區(qū)時(shí)等于飽和汽化壓力，按頻率f=nZ/60Hz的速度變化，對輪殼室外表產(chǎn)生很大的周期性的脈動負(fù)荷。4測試說明，輪殼室靠葉片進(jìn)口處壓力變化到達(dá)1.31.5Hr；在葉輪程度軸線高度上，輪殼室壓力變化范圍為1.21

12、.3Hr；在葉片出口邊高度上，輪殼室沿整個(gè)周長的壓力均為正值，同時(shí)壓力變化很小，數(shù)值上等于1.11.2Hr。5水泵實(shí)際破壞情況與輪殼室的壓差測試結(jié)果一樣。汽蝕最先破壞出如今輪殼室的葉輪程度軸線的下部，然后上部也出現(xiàn)汽蝕。對水泵的汽蝕，前蘇聯(lián)比照轉(zhuǎn)數(shù)ns=840D=0.4，H=3.20，n=980r/in的軸流泵做過各種汽蝕的模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果詳見圖2。圖中的hut是初生間隙汽蝕，hnp是初生翼型汽蝕，h2%是模型效率下降2%時(shí)的汽蝕余量。從圖中可明顯地看出除了大流量區(qū)域的極小局部，間隙汽蝕的汽蝕余量遠(yuǎn)大于水泵翼型汽蝕的汽蝕余量，更遠(yuǎn)大于模型效率下降點(diǎn)的汽蝕余量。這些曲線的互相位置很明顯地說明，

13、早在汽蝕對水泵的能量特性曲線顯示出損害以前，在葉輪里已存在各種形狀的空蝕。圖2比轉(zhuǎn)速ns=840軸流泵模型的各種汽蝕開展綜合三個(gè)單位的計(jì)算和分析，結(jié)合其它有關(guān)的資料，對太浦河泵站水泵的汽蝕歸納如下：1由于現(xiàn)階段無法結(jié)合詳細(xì)的轉(zhuǎn)輪進(jìn)展數(shù)模計(jì)算，所以無法提出間隙汽蝕的數(shù)值，但根據(jù)類似的水力機(jī)械情況，間隙汽蝕值可能大于水泵的翼型汽蝕及模型的臨界汽蝕，在考慮水泵汽蝕時(shí)須注意到這一點(diǎn)。2太浦河水泵為小傾角的斜軸伸式水泵，根本接近于臥式水泵。該水泵的葉輪直徑在4.1左右，上下高差很大。葉輪上緣是水泵的最低壓力點(diǎn)，葉片轉(zhuǎn)動到該處時(shí)，最易發(fā)生汽蝕，比同類型的立式水泵更易受到汽蝕損壞。3太浦河水泵的揚(yáng)程低，轉(zhuǎn)速

14、也低，按水泵的臨界汽蝕要求容易得到滿足，但考慮到上述幾個(gè)因素后，根據(jù)國內(nèi)水泵的實(shí)際運(yùn)行情況。水泵的安裝高程不能過高，在葉片上緣必需要有一定的吞沒水深。3.3.2.4水泵裝置的吞沒水深與汽蝕和振動汽蝕和振動有相應(yīng)的關(guān)系，增加吞沒水深對減輕葉片正面汽蝕有較好效果，對減少反面汽蝕和間隙汽蝕也有好處，相應(yīng)地也可減小水泵裝置的振動。前蘇聯(lián)對11185型水泵的吞沒水深與間隙汽蝕做過試驗(yàn)。試驗(yàn)說明吞沒水深對間隙汽蝕的開展有影響。在泵的所有研究工況下，隨著吞沒水深的增加，葉片兩面的壓差減小，從而限制了間隙汽蝕的開展。吞沒水深與間隙汽蝕開展的關(guān)系詳見圖33。圖中縱坐標(biāo)為用中心角的度數(shù)衡量的汽蝕區(qū)長度。圖3不同吞

15、沒水深Hs對汽蝕開展的影響1=00H=22.752=00H=21.253=00H=22.45圖4不同吞沒水深Hs的葉輪外殼最大振動值前蘇聯(lián)對11185型水泵的吞沒水深與水泵振動做過試驗(yàn)。試驗(yàn)說明隨著吞沒水深的增加，水泵振幅顯著減少。從圖4中可見該水泵吞沒水深減少1，將導(dǎo)致水泵振動增加1.52.0倍。3.3.3國內(nèi)水泵實(shí)際運(yùn)行情況國內(nèi)的軸流式水泵在進(jìn)水流道的阻力損失不大的情況下，從理論計(jì)算來看，葉輪安裝在水面以上均無問題，但實(shí)際情況往往要求立式水泵的葉輪中心必須吞沒在最低水位以下。例如2.8口徑的大型立式軸流泵，制造廠要求的最小吞沒水深為2.0。在實(shí)際安裝運(yùn)行中，南套溝泵站為0.6，北涇咀泵站0

16、.8，沉湖泵站為1.0，漢川、排湖等十余座泵站均為2.0。理論證明，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程以下運(yùn)行，吞沒水深在1.52.0時(shí)，水泵機(jī)組運(yùn)行根本平穩(wěn)；吞沒水深在1.0時(shí)，振動噪音隨之增大；吞沒水深在0.8時(shí)，水泵已無法運(yùn)行。另外，內(nèi)蒙的紅圪卜泵站和廣東順德市的桂畔海泵站采用的是口徑為2.5的斜45軸流泵，葉輪上緣的最小吞沒水深為1.08，實(shí)際運(yùn)行平穩(wěn)。廣東斗門的西安泵站的3.0口徑臥式貓背后軸伸式軸流泵，葉輪上緣高于進(jìn)水池的水面2.53.0，實(shí)際運(yùn)行中水泵泵組震動現(xiàn)象嚴(yán)重，現(xiàn)正準(zhǔn)備進(jìn)展技術(shù)改造。國內(nèi)已建的斜軸伸式水泵安裝情況詳見表33。表33國內(nèi)已建的斜軸伸式水泵安裝情況泵站名稱水泵型式葉輪直徑葉輪上緣最小

17、吞沒水深進(jìn)水流道上緣最小吞沒水深水泵制造廠紅圪卜泵站斜450軸伸泵2.51.08上海水泵廠鹽官泵站斜150軸伸泵3.81.57*1.90無錫水泵廠黃蓋湖泵站斜150軸伸泵3.02.85富春江水工機(jī)械廠新夏港泵站斜300軸伸泵2.051.62無錫水泵廠張家塘泵站斜300軸伸泵2.53.031.15無錫水泵廠浦東機(jī)場泵站斜300軸伸泵1.63.010.5上海水泵廠福州排水泵站斜150軸伸泵3.33.98長沙水泵廠淮安三級泵站貫流泵3.12.95*2.0天津發(fā)電設(shè)備廠新川河口泵站貫流泵4.21.7*1.6日本荏原公司注:1.紅圪卜泵站的進(jìn)水流道為大喇叭口型式。2.*均為進(jìn)水流道頂板的吞沒水深.4.1水泵安裝高程確實(shí)定綜合上述計(jì)算和分析，太浦河泵站的水泵各種汽蝕余量詳見表41。表41太浦河泵站的水泵各種汽蝕余量水泵必須汽蝕余量水泵許用汽蝕余量水泵裝置汽蝕余量設(shè)計(jì)工況非設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)工況非設(shè)計(jì)工況4.677.207.0