水利工程論文-太浦河泵站進(jìn)出水流道及安裝高程數(shù)模計(jì)算分析.doc

水利工程論文-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(guó)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(dòng)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(guò)太浦閘自流輸入難以滿足下游上海市的供水要求，通過(guò)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泵站基本布置泵站由引水渠、進(jìn)水池、泵房、出水池、出水渠幾部分組成。泵房?jī)?nèi)布置6臺(tái)斜150軸伸泵，每臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為50m3/s，葉輪直徑4.1m，泵站設(shè)計(jì)流量300m3/s。水泵由電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速齒輪箱傳遞功率。減速齒輪箱采用兩級(jí)傳動(dòng)的平行軸齒輪箱。泵站流道布置見(jiàn)圖1。圖1泵站流道布置圖1.2泵站基本參數(shù)進(jìn)水池：設(shè)計(jì)水位1.90m最低運(yùn)行水位1.70m出水池：最高運(yùn)行水位3.34m設(shè)計(jì)水位3.29m最低運(yùn)行水位2.66m揚(yáng)程：最高凈揚(yáng)程1.64m設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程1.39m最低凈揚(yáng)程0.76m2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密切關(guān)系，而太湖水位牽涉到各省市的利益，使水泵的安裝高程、流道進(jìn)水口淹沒(méi)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)安全穩(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)行不帶轉(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(duì)其中的推薦方案進(jìn)行詳細(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)給出下列內(nèi)容：（1）按泵站設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范中流道進(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(chǎng)和壓力場(chǎng)，對(duì)流道內(nèi)的水流流態(tài)進(jìn)行計(jì)算和分析。（3）根據(jù)水泵進(jìn)口的流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)，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）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(duì)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(dòng)計(jì)算程序。清華大學(xué)采用美國(guó)的flowtax軟件，武漢水利電力大學(xué)采用英國(guó)CHAM公司的PHOENICS軟件，上海大學(xué)采用starCD軟件。在三維不可壓縮場(chǎng)的雷諾平均NS方程和標(biāo)準(zhǔn)k紊流模型方程組的基礎(chǔ)上根據(jù)各學(xué)校的經(jīng)驗(yàn)和特點(diǎn)，對(duì)所用的方程進(jìn)行求解和研究，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的k模型進(jìn)行修正。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(duì)進(jìn)出水流道均進(jìn)行了流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)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(jiàn)表31。表31三個(gè)單位的進(jìn)出水流道水力損失單位清華武水上大進(jìn)水流道水力損失hf(m)0.0559m0.2m0.08m出水流道水力損失hf(m)0.227m0.23m0.22m流道總水力損失hf(m)0.2829m0.43m0.30m從表31可見(jiàn)進(jìn)出水流道水力損失的特點(diǎn)是流道水力損失的絕對(duì)值不大。由于斜150軸伸泵的出水流道比較彎曲，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)口淹沒(méi)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，但壓力變化差別不大，未有進(jìn)口漩渦和串通挾氣發(fā)生。整個(gè)進(jìn)水流道比較平順，加速均勻，阻力損失較小。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)口處有很輕微的三維渦強(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(méi)有較大的三維旋渦存在。主要計(jì)算分析結(jié)果如下：（1）出水流道的彎管部分流動(dòng)比較復(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）彎管部分的流速不均勻，其出口處有漩渦區(qū)。彎管中間部分流速高，周圍流速低，說(shuō)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，因而出現(xiàn)了一定的流動(dòng)分離。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(huì)紊亂。（5）流道出口為淹沒(méi)出流，計(jì)算表明靠近出水流道的出水池表面均有較大的漩渦區(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(dòng)的原則確定。低揚(yáng)程軸流式水泵的空蝕有葉片正面汽蝕及背面汽蝕，葉片與輪殼室的間隙汽蝕三種。水泵的汽蝕不僅對(duì)轉(zhuǎn)輪造成損壞，效率下降，而且汽蝕將引起水泵的振動(dòng)和噪音，危及水泵的安全運(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)的必須汽蝕余量依據(jù)水泵汽蝕比轉(zhuǎn)速和其它統(tǒng)計(jì)公式來(lái)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(cè)圖1.96提供的方法。設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為4.67m，非設(shè)計(jì)工況為7.2m。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minhf0.5（m）表3.-1水泵裝置汽蝕余量葉輪上緣的淹沒(méi)水深h淹min進(jìn)水流道的水力損失hf水泵裝置汽蝕余量ha推薦方案1.5m0.2m10.8m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(mén)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0.2m。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3.3.2.1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(guó)內(nèi)的水泵模型試驗(yàn)和原型測(cè)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(guó)內(nèi)對(duì)水泵的必須汽蝕余量是以臨界汽蝕來(lái)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(duì)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(tái)上進(jìn)行，葉片處于同一水平面上。但對(duì)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)有的水泵汽蝕參數(shù)基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、背面和間隙汽蝕三種。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)，葉片背面汽蝕發(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表面移動(dòng)。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(dòng)。前蘇聯(lián)對(duì)額爾齊斯卡拉干運(yùn)河泵站的O11185型軸流泵（H=1.220.5m，Q=14.522m3/s，n=333r/min）進(jìn)行過(guò)間隙空蝕及壓力脈動(dòng)的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）從輪殼室測(cè)點(diǎn)的壓力傳感器上測(cè)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(cè)點(diǎn)時(shí)，該處的壓力大；葉片與該處測(cè)點(diǎn)靠近時(shí)，該處壓力小，為水平線下的朝下凸臺(tái)。該處的絕對(duì)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)比較葉片正面和背面上的壓力峰值差，可達(dá)31m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(guò)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/60（Hz）的速度變化，對(duì)輪殼室表面產(chǎn)生很大的周期性的脈動(dòng)負(fù)荷。（4）測(cè)試表明，輪殼室靠葉片進(jìn)口處壓力變化達(dá)到1.31.5Hr；在葉輪水平軸線高度上，輪殼室壓力變化范圍為1.21.3Hr；在葉片出口邊高度上，輪殼室沿整個(gè)周長(zhǎng)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(cè)試結(jié)果相同。汽蝕最先破壞出現(xiàn)在輪殼室的葉輪水平軸線的下部，然后上部也出現(xiàn)汽蝕。對(duì)水泵的汽蝕，前蘇聯(lián)對(duì)比轉(zhuǎn)數(shù)ns=840（D=0.4m，H=3.20m，n=980r/min）的軸流泵做過(guò)各種汽蝕的模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)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)域的極小部分，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。這些曲線的相互位置很明顯地表明，早在汽蝕對(duì)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發(fā)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(duì)太浦河泵站水泵的汽蝕歸納如下：（1）由于現(xiàn)階段無(wú)法結(jié)合具體的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行數(shù)模計(jì)算，所以無(wú)法提出間隙汽蝕的數(shù)值，但依據(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，基本接近于臥式水泵。該水泵的葉輪直徑在4.1m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(dòng)到