太浦河泵站進(jìn)出水流道及安裝高程數(shù)模計算分析

1、太浦河泵站進(jìn)出水流道及安裝高程數(shù)模計算分析             摘要太浦河泵站采用數(shù)學(xué)模型仿真計算的方法，計算和模擬不帶水泵轉(zhuǎn)輪的整個流道裝置的水流流態(tài)及水力損失。根據(jù)計算結(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，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

2、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。泵房內(nèi)布置6臺斜150軸伸泵，每臺水泵設(shè)計流量為50 m3/s，葉輪直徑4.1m，泵站設(shè)計流量300 m3/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 泵站基本參數(shù)進(jìn)水池： 

3、0; 設(shè)計水位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)模計算2.1 數(shù)模計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

4、湖水位牽涉到各省市的利益，使水泵的安裝高程、流道進(jìn)水口淹沒水深等條件受到一定限制。為使水泵在整個泵站揚(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)三個單位進(jìn)行不帶轉(zhuǎn)輪的三種方案的流道數(shù)模計算和安裝高程的分析。以下僅對其中的推薦方案進(jìn)行詳細(xì)的分析。2.2 數(shù)模計算內(nèi)容進(jìn)出水流道及水泵安裝高程數(shù)模計算應(yīng)給出下列內(nèi)容（1）   按泵站設(shè)計規(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)行計算和分析。（3）   根據(jù)水泵進(jìn)口的流速場和

5、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）   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)模計算結(jié)果和分析3.1數(shù)模計算理論三個計算單位對進(jìn)出水流道及水泵安裝高程的數(shù)模計算均采用三維流動計算程序。清華大學(xué)采用美國的flowtax軟件，武漢水利電力大學(xué)采用英國CHAM公司的PHOENICS軟件，上海大學(xué)采用starCD軟件。在三維不可壓縮場的雷諾平均N S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)，對所用的方程進(jìn)行求解和研究，并對標(biāo)準(zhǔn)的k 模型進(jìn)行修正。3.2 進(jìn)出水流道水力計算

6、和流態(tài)分析三個單位對進(jìn)出水流道均進(jìn)行了流速場和壓力場的三維粘性流計算，根據(jù)計算結(jié)果得出進(jìn)出水流道的水力損失。水力損失詳見表3 1。表31  三個單位的進(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)0.0559m 0.2 m0.08m出水流道水力損失 hf  (m)0.227m 0.23m0.22m流道總水力損失   hf  (m)0.2829m 0.43m0.30m從表3 1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，

7、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)輪的理論計算值。在流道進(jìn)口淹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，但壓力變化差別不大，未有進(jìn)口漩渦和串通挾氣發(fā)生。整個進(jìn)水流道比較平順，加速均勻，阻力損失較小。三個單位均認(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，沒有較大的三維旋渦存在。主要計算分析結(jié)果（1）出水流道的彎管部分流動比較復(fù)

8、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）流道出口為淹沒出流，計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)生汽蝕和振動的

9、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)計公式來考慮，非設(shè)計工況的水泵必須汽蝕余量參考日本泵站工程技術(shù)設(shè)計手冊圖1.96提供的方法。設(shè)計工況點(diǎn)為4.67m，非設(shè)計工況為7.2 m。3.3.1.2 水泵裝置汽蝕余量水泵裝置汽蝕余量計算：ha =   + h淹min hf 0.5  （m）表3.-1

10、0;  水泵裝置汽蝕余量 葉輪上緣的淹沒水深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1.5 m0.2m10.8m三個單位的進(jìn)水流道的水力損失計算值差距較大，考慮到進(jìn)水門槽的水力損失，綜合三個單位的計算值后暫取進(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，此時已有大量的汽泡產(chǎn)生。根據(jù)有關(guān)資料，臨界

11、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)行，葉片處于同一水平面上。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，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

12、隙汽蝕三種。葉片正面汽蝕發(fā)生在低于設(shè)計揚(yáng)程的大流量區(qū)，葉片背面汽蝕發(fā)生在高于設(shè)計揚(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)程低時強(qiáng)度弱，揚(yáng)程高時強(qiáng)度增大。間隙汽蝕是軸流式水泵的一個特點(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。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O11 185型軸流泵（H=1.220.5m，Q=14.522m3/s，n=333r/min）進(jìn)行過間隙空蝕及壓力脈動的測試。測試結(jié)果有以下幾個特點(diǎn)（1）從輪殼室測點(diǎn)的壓力傳感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

13、，該處的壓力大；葉片與該處測點(diǎn)靠近時，該處壓力小，為水平線下的朝下凸臺。該處的絕對壓力，其值等于當(dāng)時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）由于每個葉片通過輪殼室壁時，壓力由最大（比泵揚(yáng)程還大）到最?。ù嬖谄g區(qū)時等于飽和汽化壓力），按頻率f =nZ/60（Hz）的速度變化，對輪殼室表面產(chǎn)生很大的周期性的脈動負(fù)荷。（4）測試表明，輪殼室靠葉片進(jìn)口處壓力變化達(dá)到1.3 1.5Hr；在葉輪水平軸線高度上，輪殼室壓力變化范圍為1.2 1.3 Hr；在葉片出口邊高度上，輪殼室沿整個周長的壓

14、力均為正值，同時壓力變化很小，數(shù)值上等于1.1 1.2 Hr。（5）水泵實(shí)際破壞情況與輪殼室的壓差測試結(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。對水泵的汽蝕，前蘇聯(lián)對比轉(zhuǎn)數(shù)ns =840（D=0.4m，H=3.20m，n=980r/min）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，早在汽蝕對水泵的能量特性曲線顯

15、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)展綜合三個單位的計算和分析，結(jié)合其它有關(guān)的資料，對太浦河泵站水泵的汽蝕歸納（1）由于現(xiàn)階段無法結(jié)合具體的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行數(shù)模計算，所以無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)動到該處時，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

16、低，轉(zhuǎn)速也低，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，在葉片上緣必須要有一定的淹沒水深。3.3.2.4 水泵裝置的淹沒水深與汽蝕和振動汽蝕和振動有相應(yīng)的關(guān)系，增加淹沒水深對減輕（葉片）正面汽蝕有較好效果，對減少背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O11 185型水泵的淹沒水深與間隙汽蝕做過試驗(yàn)。試驗(yàn)表明淹沒水深對間隙汽蝕的發(fā)展有影響。在泵的所有研究工況下，隨著淹沒水深的增加，葉片兩面的壓差減小，從而限制了間隙汽蝕的發(fā)展。淹沒水深與間隙汽蝕發(fā)展的關(guān)系詳見圖3 3。圖中縱坐標(biāo)為用中心角

17、的度數(shù)衡量的汽蝕區(qū)長度。          圖3  不同淹沒水深Hs對汽蝕發(fā)展的影響     1= 00 H=22.75m   2= 00 H=21.25m   3= 00 H=22.45m圖4   不同淹沒水深Hs的葉輪外殼最大振動值前蘇聯(lián)對O11 185型水泵的淹沒水深與水泵振動做過試驗(yàn)。試驗(yàn)表明隨著淹沒水深的增加，水泵振幅顯著減少。從圖4中可見該水泵淹沒水深減少1m，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淹沒在最低水位以下。例如2.8 m口徑的大型立式軸流泵，制造廠要求的最小淹沒水深為2.0m。在實(shí)際安裝運(yùn)行中，南套溝泵站為0.6m，北涇咀泵站