太浦河泵站進出水流道及安裝高程數(shù)模計算分析

太浦河泵站進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)實際泵站運行情況及有關資料，確定太浦河泵站的水泵裝置安裝高程。

關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重點工程，其建造目的是在枯水年份4~6月，當太湖水位較低時，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)。泵站基本布置泵站由引水渠、進水池、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，每臺水泵設計流量為50m3/s，葉輪直徑，泵站設計流量300m3/s。水泵由電動機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泵站流道布置圖泵站基本參數(shù)進水池：設計水位最低運行水位出水池：最高運行水位設計水位最低運行水位揚程：最高凈揚程設計凈揚程最低凈揚程2進出水流道及水泵安裝高程數(shù)模計算數(shù)模計算目的和要求太浦河泵站具有水泵揚程特低，單泵流量大，葉輪直徑大，及水泵轉(zhuǎn)速低的特點。泵站的運行條件與太湖水位有密切關系，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程范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運行，在未確定水泵制造廠之前，委托清華大學、武漢水利電力大學、上海大學三個單位進行不帶轉(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行詳細的分析。數(shù)模計算內(nèi)容進出水流道及水泵安裝高程數(shù)模計算應給出下列內(nèi)容按泵站設計規(guī)程規(guī)范中流道進水口的流速要求，確定進水口斷面面積。計算進出水流道的流速場和壓力場，對流道內(nèi)的水流流態(tài)進行計算和分析。根據(jù)水泵進口的流速場和壓力場，參考最優(yōu)工況點氣蝕比轉(zhuǎn)速為1000的轉(zhuǎn)輪，考慮葉片最高點的初始汽蝕和臨界汽蝕，確定汽蝕控制要求。提出進出水流道的優(yōu)化建議。3進出水流道及水泵安裝高程數(shù)模計算結(jié)果和分析數(shù)模計算理論三個計算單位對進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。清華大學采用美國的flowtax軟件，武漢水利電力大學采用英國CHAM公司的PHOENICS軟件，上海大學采用star–CD軟件。在三維不可壓縮場的雷諾平均N–S方程和標準k–ε紊流模型方程組的基礎上根據(jù)各學校的經(jīng)驗和特點，對所用的方程進行求解和研究，并對標準的k–ε模型進行修正。進出水流道水力計算和流態(tài)分析三個單位對進出水流道均進行了流速場和壓力場的三維粘性流計算，根據(jù)計算結(jié)果得出進出水流道的水力損失。水力損失詳見表3–1。表3–1三個單位的進出水流道水力損失

單位清華武水上大進水流道水力損失hf(m)~m出水流道水力損失hf(m)~流道總水力損失hf(m)~從表3–1可見進出水流道水力損失的特點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。在流道進口淹沒水深滿足要求的前提下，雖然進水流道有彎曲，流速分布有變化，使流道上部流速大于下部流速，在進口頂板處出現(xiàn)進口斷面的最大流速，但壓力變化差別不大，未有進口漩渦和串通挾氣發(fā)生。整個進水流道比較平順，加速均勻，阻力損失較小。三個單位均認為進水流道的流態(tài)較好，但提出應注意進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水口前流道有彎曲，直管段較短，水泵進口處有很輕微的三維渦強度和螺旋度密度，但總體上進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)果出水流道的彎管部分流動比較復雜，既有彎曲又有擴散，影響水流流態(tài)，出水流道彎度越大水流流態(tài)越差。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擴散，導致流道出口流速分布不均勻。由于葉輪后的出口流道彎曲，加上流道是擴張的，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。因為進出水流道是個整體，進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。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)。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)生汽蝕和振動的原則確定。低揚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，危及水泵的安全運行產(chǎn)生影響。汽蝕余量水泵必須汽蝕余量在太浦河泵站未能選定水泵前，設計工況點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，非設計工況的水泵必須汽蝕余量參考日本《泵站工程技術設計手冊》圖提供的方法。設計工況點為，非設計工況為m。水泵裝置汽蝕余量水泵裝置汽蝕余量計算：ha=–+h淹min–hf–表3.-1水泵裝置汽蝕余量

葉輪上緣的淹沒水深h淹min進水流道的水力損失hf水泵裝置汽蝕余量△ha推薦方案m三個單位的進水流道的水力損失計算值差距較大，考慮到進水門槽的水力損失，綜合三個單位的計算值后暫取進水流道的水力損失為。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。水泵裝置汽蝕分析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)的水泵模型試驗和原型測試，均按水泵效率下降1%或揚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算的。許用汽蝕余量通常按必須汽蝕余量的倍考慮，但對大型尤其是特大型水泵按此要求是不夠的。

水泵汽蝕的模型和原型換算一般水泵的汽蝕試驗均在立式水泵的試驗臺上進行，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得到的因素。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)生在低于設計揚程的大流量區(qū)，葉片背面汽蝕發(fā)生在高于設計揚程的小流量區(qū)。而間隙汽蝕一般是在各種揚程下都有，揚程低時強度弱，揚程高時強度增大。間隙汽蝕是軸流式水泵的一個特點，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—卡拉干運河泵站的Oп11–185型軸流泵進行過間隙空蝕及壓力脈動的測試。測試結(jié)果有以下幾個特點從輪殼室測點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，葉片遠離測點時，該處的壓力大；葉片與該處測點靠近時，該處壓力小，為水平線下的朝下凸臺。該處的絕對壓力，其值等于當時溫度下的飽和汽化壓力，表示有汽蝕區(qū)的存在。試驗比較葉片正面和背面上的壓力峰值差，可達31m幾乎比泵的靜揚程大一倍多，將造成很高的汽蝕侵蝕強度。由于每個葉片通過輪殼室壁時，壓力由最大到最小，按頻率f=nZ/60的速度變化，對輪殼室表面產(chǎn)生很大的周期性的脈動負荷。測試表明，輪殼室靠葉片進口處壓力變化達到~；在葉輪水平軸線高度上，輪殼室壓力變化范圍為~Hr；在葉片出口邊高度上，輪殼室沿整個周長的壓力均為正值，同時壓力變化很小，數(shù)值上等于~Hr。水泵實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的軸流泵做過各種汽蝕的模型試驗。試驗結(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大于水泵翼型汽蝕的汽蝕余量，更遠大于模型效率下降點的汽蝕余量。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)合其它有關的資料，對太浦河泵站水泵的汽蝕歸納由于現(xiàn)階段無法結(jié)合具體的轉(zhuǎn)輪進行數(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。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左右，上下高差很大。葉輪上緣是水泵的最低壓力點，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。太浦河水泵的揚程低，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)水泵的實際運行情況。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。水泵裝置的淹沒水深與汽蝕和振動汽蝕和振動有相應的關系，增加淹沒水深對減輕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，相應地也可減小水泵裝置的振動。前蘇聯(lián)對Oп11–185型水泵的淹沒水深與間隙汽蝕做過試驗。試驗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)展的關系詳見圖3–3。圖中縱坐標υ為用中心角的度數(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—Φ=00H=2—Φ=00H=3—Φ=00H=圖4不同淹沒水深Hs的葉輪外殼最大振動值前蘇聯(lián)對Oп11–185型水泵的淹沒水深與水泵振動做過試驗。試驗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，將導致水泵振動增加~倍。國內(nèi)水泵實際運行情況國內(nèi)的軸流式水泵在進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m口徑的大型立式軸流泵，制造廠要求的最小淹沒水深為。在實際安裝運行中，南套溝泵站為，北涇咀泵站，沉湖泵站為，漢川、排湖等十余座泵站均為。實踐證明，在設計揚程以下運行，淹沒水深在~時，水泵機組運行基本平穩(wěn)；淹沒水深在時，振動噪音隨之增大；淹沒水深在時，水泵已無法運行。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的斜45o軸流泵，葉輪上緣的最小淹沒水深為，實際運行平穩(wěn)。廣東斗門的西安泵站的口徑臥式貓背后軸伸式軸流泵，葉輪上緣高于進水池的水面~，實際運行中水泵泵組震動現(xiàn)象嚴重，現(xiàn)正準備進行技術改造。國內(nèi)已建的斜軸伸式水泵安裝情況詳見表3–3。表3–3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淹沒水深進水流道上緣最小淹沒水深水泵制造廠紅圪卜泵站斜450軸伸泵上海水泵廠鹽官泵站斜150軸伸泵*無錫水泵廠黃蓋湖泵站斜150軸伸泵富春江水工機械廠新夏港泵站斜300軸伸泵無錫水泵廠張家塘泵站斜300軸伸泵無錫水泵廠浦東機場泵站斜300軸伸泵上海水泵廠福州排水泵站斜150軸伸泵長沙水泵廠淮安三級泵站貫流泵~*~天津發(fā)電設備廠新川河口泵站貫流泵*日本荏原公司注:1.紅圪卜泵站的進水流道為大喇叭口型式。2.*均為進水流道頂板的淹沒水深.水泵安裝高程的確定綜合上述計算和分析，太浦河泵站的水泵各種汽蝕余量詳見表4–1。表4–1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計工況非設