太浦河泵站斜15度軸伸泵水力動態(tài)力分析

1、    太浦河泵站斜15度軸伸泵水力動態(tài)力分析            作者：胡德義1 王為人2 時間：2007-11-25 12:18:00                     摘要：太浦河泵站選用斜15°軸伸式軸流泵（以下簡

2、稱斜15°軸伸泵），為特低揚程、大流量的水泵。它具有葉輪直徑大、水泵裝置流態(tài)復雜、水泵軸承受力大等特點。本文針對太浦河泵站斜15°軸伸泵，進行了水泵裝置從吸入口至出口包括葉片、導葉、彎管段等在內(nèi)的整體三維粘性流動分析，得到了流道內(nèi)部不同工況下的流動特性如壓力、速度分布規(guī)律及泵特性曲線，以及流道內(nèi)部的旋渦分布和水力損失情況。同時進行了導葉和葉輪流動動靜干涉引起的三維不穩(wěn)定流動分析，得到了葉輪在不同工況下受到的軸向水推力及徑向水推力在旋轉(zhuǎn)過程中的變化規(guī)律，從而為軸承設(shè)計提供了比較準確的受力條件。該項研究對其它斜式泵的內(nèi)部流態(tài)及受力分析也是一個很好的借鑒。 關(guān)鍵詞：斜式軸流泵 三

3、維不穩(wěn)定流場 水力動態(tài)力  Abstract: Six 15°slantways axial-flow pumps are in use at the Taipuhe Pump Station, which provid with specially low head and larger discharge, resulting in the large impeller diameter, the complicated flow field and the more great unsteady hydraulic force on the bearing. This

4、 paper analyzes the whole three-dimensional viscous flow from the inlet to the outlet including the impeller, stay vane and the syphon, acquires the flowing properties such as pressure and velocity distribution and the property-curve of the pump, and the vortex distribution and hydraulic loss. In ad

5、dition, the three-dimensional unsteady flow indeced by the rotor-stator interaction is analyzed. The values of axial thrust and radial thrust against the impeller at different operation conditions provides the bearing design a more exact force boundary condition. More, this study was useful for the

6、inner flow field and force analysis of other slantwise pumps. Key words: slandwise axial-flow pump; three-dimensional unsteady flow field; unsteady hydraulic force1前言太浦河泵站位于江蘇省吳江市的東太湖邊，是太湖流域治理中的一項重點工程。泵站由進水渠、進水池、泵房、出水池、出水渠等部分組成。水泵裝置從進水池的流道進口至出水池處的流道出口，見圖一。泵站基本參數(shù)見表一。圖一 太浦河泵站水泵裝置圖表一   

7、泵站基本參數(shù) 設(shè)計（m）最高（m）最低（m）設(shè)計流量（m3/s）傳動運行水位進水池1.90/1.706×501600KW電動機平行的兩級傳動減速齒輪箱出水池3.293.342.66揚程靜揚程1.391.640.76考慮損失1.691.941.162 斜軸伸泵的受力特點和水力動態(tài)力計算的必要性由于斜軸伸泵呈斜式布置，受力狀態(tài)較臥式和立式水泵要復雜，水泵軸承同時受水平分力和垂直分力。在靜水工況須承受水泵轉(zhuǎn)動部分的重量和浮力，在運行工況還須承受水力不平衡力、泵葉輪的靜不平衡力和泵軸撓度引起的離心力等。泵葉輪的靜不平衡和泵軸撓度引起的離心力由制造廠根據(jù)機械加工的技術(shù)要求考慮，而因水

8、流引起的不平衡力以及壓力脈動則比較復雜，以往因缺乏有力的計算工具，通常按經(jīng)驗進行估算，誤差不易分析，也難以分析不平衡力的產(chǎn)生原因。太浦河泵站斜15°軸伸泵葉輪直徑為4.1m，遠大于常規(guī)水泵的葉輪尺寸，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的斜軸伸式水泵的運行經(jīng)驗，對水泵泵軸和軸承的各種受力須予以重視，充分考慮水泵受到的周期性水推力和徑向力，以保證水泵安全運行。為此清華大學流體機械及工程研究所、上海院及其它單位一起對水泵裝置進行比較全面的數(shù)模計算和水力動態(tài)力分析，第一，檢驗水泵裝置的設(shè)計合理性，并對水泵葉片、導葉型線等過流部件的設(shè)計提出修改意見；第二，獲得水泵裝置完整的水力特性，為軸承、泵軸等受力部件設(shè)計提供參

9、考。3 太浦河泵站泵內(nèi)部流道的數(shù)模計算3.1 計算內(nèi)容本次計算和分析是對整個水泵裝置的數(shù)模計算。進行了從進水池進口至出水池（包括葉輪和導葉）7個運行工況的三維穩(wěn)定粘性流動分析，以及導葉、葉輪流動相互干涉引起的3個運行工況的內(nèi)部三維不穩(wěn)定粘性流動的計算機仿真試驗。從而計算出流道內(nèi)部的各運行工況下的流動特性及葉輪受到的水推力和經(jīng)向力隨時間的變化規(guī)律及其頻譜特性，并提出了保證機組安全高效運行的建議。由于數(shù)模計算能顯示整個水泵流道裝置任意斷面任意點的壓力場和流速場，所以計算中也可表示水泵轉(zhuǎn)動部分的汽蝕和水流流態(tài)等情況。3.2 三維粘性流動分析模型本研究采取SIMPLEC方法，并用有限體法離散求解穩(wěn)定流

10、場內(nèi)部流動基本方程（即N-S方程）。湍流模型采用了現(xiàn)實（）的模型。在各種計算中發(fā)現(xiàn)模型在最優(yōu)工況附近和在偏離最優(yōu)工況，都表現(xiàn)出穩(wěn)定的收斂性和較高的計算精度。本次研究專門建立了太浦河泵站水泵裝置從進水池的進水口至出水池出水口（包括進出水支墩、葉輪、導葉體、出水支墩等，但不包括進出水流道的三道閘門門槽）整體流道的流動仿真試驗臺，如圖二。圖二 整體流道流動仿真試驗臺通過給定進口邊速度條件及出水管出口靜壓條件，就可以進行多種工況組合（不同揚程和流量）的流動特性試驗。在實際分析中，整體流道的流動分析顯然可以獲得許多完善的流動現(xiàn)象及高精度的計算結(jié)果。4  太浦河泵站泵的內(nèi)部流動仿真計算結(jié)果4.1

11、 太浦河泵站泵內(nèi)部流道流動特性整體流道的流動特性，如圖三。水流從進水池進水口流到葉輪進口處，流道收縮，靜壓力降低，在水流進入葉輪后在葉片背面進口靠輪緣處及葉輪和葉輪室間隙處壓力達到最低，該局部區(qū)域也是汽蝕的最易發(fā)生處。通過葉輪作功后，壓力上升，水流有一定的沖角進入導葉，流道擴散，在導葉背面產(chǎn)生回流。水流繼續(xù)轉(zhuǎn)彎，流道繼續(xù)擴散，水流減速，靜壓力提高，內(nèi)部水流產(chǎn)生回流，流到出水池。在設(shè)計流量50m3/s下，水流從葉輪出口流至出水池的過程中，經(jīng)碰撞、擴散、回流、轉(zhuǎn)彎、摩擦等損失較大。而從進水池流入葉輪進口區(qū)域水力損失很小。4.2  太浦河泵站泵內(nèi)部流道流動仿真結(jié)果在葉片的安放角為00時，不

12、考慮三個閘門門槽的水力損失，泵站7個運行工況的三維穩(wěn)定粘性流動分析結(jié)果如圖表一。 圖表一  泵站7個運行工況點的三維穩(wěn)定粘性流動分析結(jié)果揚程流量汽蝕否軸向力縱向徑向力橫向徑向力徑向力合力mm3/sPv=0.323NNNN3.06420是411063-4804.35892.477602.792.60830是354851-4308.71808.604672.872.40640是323765-6659.0-1056.76742.351.93449.64臨界280045-10346.-1035314636.41.59655否247292-14828.-10967.18443.11.25460否210755-20217-1008622593.30.40870否114837-33703.-1010235183.94.3   太浦河泵站泵內(nèi)部流道不穩(wěn)定流動仿真結(jié)果考慮葉輪和導葉的水流流動相互干涉，進行太浦河泵站葉輪進口至導葉出口流道（導葉、葉輪體、槳葉片等）的三維粘性RSI現(xiàn)象流動分析。其計算區(qū)域如圖四。圖四 三維粘性不穩(wěn)定流動計算區(qū)域?qū)Υ朔N情況共計算了葉片安裝角為00時的3個運行工況（流量為40 m3/s、50 m3/s、