特低扬程竖井贯流泵装置水力特性试验研究

结合江苏省常州市大运河东枢纽泵站工程,对设计净扬程(1.0m)的特低扬程前置竖井式贯流泵装置特性进行了试验研究。试验测试了模型泵在不同叶片角度下运行的能量特性、汽蚀性能和飞逸转速特性,在此基础上换算得出原型泵的水力特性,绘制了模型以及原型泵装置的综合特性曲线和单位飞逸转速曲线。试验结果表明,泵装置最优工况点的模型装置效率为78.83%,对应的扬程和流量分别为1.70m和22.66m3/s;在设计扬程1.0m、流量25.35m3/s时的模型装置效率为67.5%。对于特低扬程泵站,竖井贯流式水泵具备能量特性好,装置效率高,且运行和维护方便等优点,特别适用于平原水网地区的防洪排涝工程。     

轴流泵装置性能曲线马鞍形区的特点及应用

根据南水北调水泵模型同台测试资料和中水北方水力模型通用试验台的泵装置模型试验资料,对具有代表性的4个轴流泵装置与相应轴流泵扬程-流量性能曲线的马鞍形区特点进行对比分析.结果发现:轴流泵装置扬程-流量性能曲线的马鞍形区只有1个马鞍形,而相应的轴流泵扬程-流量性能曲线有2个马鞍形,第一马鞍形鞍底扬程与泵装置的鞍底扬程接近,而第二马鞍形鞍底扬程则明显低于泵装置的鞍底扬程;透明泵装置模型试验的流态观察结果表明,轴流泵扬程-流量性能曲线马鞍形区出现的第二鞍底是在水泵模型性能测试时受二次回流影响而产生的测量假象.在低扬程泵站水泵选型考虑泵站最高运行扬程的控制扬程时,应将轴流泵扬程-流量性能曲线马鞍形区的第一鞍底扬程作为控制扬程,如有相近泵装置模型试验的扬程-流量性能曲线,则可参考相关泵装置模型试验资料提供的鞍底扬程.     

低扬程泵变速工况性能及合理变速范围的确定

根据南水北调工程中低扬程泵站采用变速运行的具体特点,研究了变速工况下泵装置性能的变化规律,指出在装置净扬程大于零的情况下,传统的水泵相似律不再适用于变速工况下的装置特性换算,提出了采用泵特性线性化和额定转速下装置特性预测变速工况下性能参数的方法.在引入"能耗比"的概念后,对一定时间段调水量恒定条件下的变速运行与其他调节方式的能耗进行了分析.在考虑变速装置效率、电动机效率和不同转速下泵效率变化下能耗比与净扬程关系的基础上,提出了确定不同净扬程下经济合理变速范围的方法.     

竖井贯流泵装置水力特性的数模分析

为了探讨水泵与进出水流道水力耦合所诱发的水泵装置水力特性畸变,选择了典型竖井贯流泵装置作为研究对象,采用雷诺时均的纳维-斯托克斯方程(RANS)和标准k-ε湍流模型,首先数值模拟整体水泵装置的能量特性,并与模型试验结果进行比较。计算结果表明,在水泵装置运行净扬程0~1.22 m范围内,相同净扬程下的流量相对偏差小于3.53%,验证了三维建模、网格剖分和数值模拟方法的合理性。在此基础上,数模研究了不同工况下水泵与进出流道水力耦合与非耦合时的竖井贯流泵装置水力特性。研究结果表明:(1)耦合与非耦合时的进、出水流道水力损失变化规律差异显著;(2)小流量工况,水泵进口存在较大的速度环量诱导进水流道水流旋转,导致进水流道水力损失曲线畸变,水泵进口入流条件变差,并与水泵马鞍区显著关联,但大流量工况时耦合与非耦合特性差异较小;(3)水泵出口存在速度环量,导致出水流道水力损失曲线畸变,出水流道内存在螺旋流动,但随流量增大而减弱,水泵出口断面涡角随流量增大而增大。     

低扬程水泵装置停泵过渡过程的近似计算

根据低扬程泵装置管路特性、水泵机组的动力学特性和停泵过渡过程中泵系统能量守恒原理以及泵相似理论，并结合现场实测停泵过渡过程曲线的特征点，提出了低扬程泵站停泵泵工况动态特性计算的数学模型。     

柱形轮毂型式循环水泵的水力及结构特性

为了研究柱形轮毂型式循环水泵的水力及结构性能,采用CFD软件对循环水泵装置进行数值模拟和结构计算,将其与传统球形轮毂轴流泵的水力性能进行对比分析,并通过模型试验验证数据的可靠性.结果表明:轮毂型式的改变主要对叶轮的水力性能产生影响,对导叶和进出水流道的影响很小.在设计工况下,柱形循环水泵装置的扬程3.35 m,效率86.29%,最高效率86.69%;而球形轮毂轴流泵装置的扬程3.19 m,效率85.63%,最高效率85.74%.2种型式的泵装置扬程相差约0.16 m,效率相差约0.66%,性能差距较明显.柱形循环水泵的扬程在全工况下均大于球型轴流泵;循环水泵的效率曲线在设计流量和大流量下均显著高于轴流泵,在小流量下二者的效率曲线差别很小.循环水泵叶轮的最大应力出现在叶轮进口轮毂与叶轮连接区域,最大位移出现在叶片进口靠近轮缘的位置;随着流量的增大,叶片的最大应力和最大位移均逐渐减小.研究结果可以为轴流泵的叶轮设计和发展提供参考依据.     

蔺家坝灯泡贯流泵机组水力性能及结构分析

蔺家坝泵站作为我国首座采用齿轮箱传动的大型灯泡贯流泵机组的泵站,为使水泵装置具有较优的水力性能,采用CFD仿真技术对该灯泡贯流泵机组的流道进行了优化设计和计算,并与水泵装置模型试验结果进行了比较;重点分析了灯泡体的支撑结构、叶片调角机构、主轴密封装置、轴承布置、齿轮箱及同步电动机等主要设备的结构设计.结果表明：CFD仿真技术应用于灯泡贯流泵机组的水力性能优化是可行的,蔺家坝泵站采用大型灯泡贯流泵机组,在设计净扬程2.4 m工况下,水泵装置效率达到78%,且气蚀性能良好,技术参数均达到了南水北调东线工程的要求;大型齿联传动灯泡贯流泵机组的成功运行,为国内其他大流量低扬程泵站的机组选型、设计及制造提供了可借鉴的经验.     

大型泵站改造中的水泵选型预测

根据相似理论，分析和表达了模型泵及泵装置扬程特性曲线和效率特性曲线，提出了预测原型泵及泵装置扬程特性和效率特性的数学模型，作为泵站技术改造水泵选型预测的理论依据；应用该数学模型对安徽上桥泵站技术改造中适宜的泵水力模型进行了比较、分析，预测了原型泵装置性能；以效率最优为准则，优选了适合于上桥泵站特征水位组合、流量的水力模型．优选结果为采用350ZMB-3．8模型；更换新泵后，在功率未增大的情况下，单泵流量加大5—8m^3／s．     

利用规划求解法确定水泵工况点

利用Excel中的规划求解法的基本功能,解决了水泵工况点的确定问题。首先用抛物线方程H=A1＋B1Q＋C1Q2表示泵流量与扬程曲线,方程H需=H净＋h损表示水泵装置的需要扬程曲线。然后根据在水泵工况点水泵的扬程H与需要扬程H需相等这一理论,给出流量的初值,并分别写出水泵扬程H和需要扬程H需与流量Q之间的计算公式,运用Excel计算功能,分别计算出水泵的扬程和需要扬程。利用此方法和水泵工况点确定的相关理论,准确、快速地求解各类复杂条件下水泵的工况点。这种方法与传统的图解法、数解法相比,具有快捷、精确等优点。     

低扬程泵装置压力脉动特性

初步分析了低扬程泵及泵装置压力脉动的基本规律. 基于浙江姚江上游西排工程排涝泵站立式泵装置不同叶片角度和不同流量时的压力脉动特性模型试验结果,研究泵装置的叶轮室进口、叶轮室出口、导叶体出口和出水流道出口处的压力脉动规律. 从叶轮与导叶之间的水流条件、水泵运行工况等方面,对低扬程泵装置压力脉动进行了初步理论分析,提出了导叶体与叶轮间隙的大小、导叶体的叶片数对低扬程泵装置压力脉动特性的影响等需进一步研究的问题. 从水力因素和水泵制造等方面提出了避免低扬程泵装置压力脉动有害影响的对策:适当加大叶轮与导叶之间的间隙,避免水泵在偏离最优工况较多的条件下运行,提高水泵抗空化性能等;从避免产生共振的角度,提出适当加大叶轮叶片厚度、导叶叶片厚度和加强水泵的结构设计等措施.     

慎江泵站特低扬程大流量竖井贯流泵装置外特性试验研究

【目的】检验特低扬程大流量泵站中竖井贯流泵装置的水力性能,了解泵站的真实运行情况。【方法】采用模型试验的方法,研究了慎江泵站竖井贯流泵装置的外特性,并分析数据提出了改进方案。【结果】泵装置的最高效率出现在叶片角0°工况,可达77.57%,此时泵装置流量为220.5 L/s,扬程为1.95 m。在试验扬程范围内,慎江泵站的装置汽蚀余量充裕,不会产生汽蚀危害。在叶片角为0°时,最大扬程为2.93 m时,飞逸转速相当于额定转速的1.80倍。原方案设计扬程工况下,泵装置的流量偏小,而且在最大扬程工况下的飞逸转速偏大,对泵站安全运行不利。提出提高泵装置额定转速的优化方案,验证得在新转速下泵装置设计扬程对应的能量特性、汽蚀特性以及飞逸转速特性均满足要求。【结论】竖井贯流泵装置水力性能优异,装置效率高,在特低扬程泵站中前景良好,建议优先采用。     

电动机前置和电动机后置潜水贯流泵装置水力性能比较

为了推动潜水贯流泵装置在低扬程泵站中的应用,提出了电动机前置的新型潜水贯流泵装置型式.基于某大型潜水贯流泵站的设计参数,分别设计了电动机前置和电动机后置2种型式的潜水贯流泵装置方案,采用数值模拟方法对这2种型式潜水贯流泵装置的三维流场分别进行数值计算和分析,预测泵装置的扬程和效率,并比较其水力性能和结构特点.结果表明:这2种型式潜水贯流泵装置的进水流道内水流收缩都平缓均匀、流线层次分明,电动机前置方案出水流道内水流扩散平缓且无旋涡或其他不良流态,电动机后置方案出水流道内主流偏向流道扩散段右下侧并在左上侧产生旋涡;电动机前置方案的流道水头损失小、泵装置效率高,水力性能优于电动机后置方案;电动机前置方案的潜水电动机密封更可靠、电动机支撑结构更合理、水泵导叶体的水力设计更成熟.潜水贯流泵装置应优先采用电动机前置方案.     

排涝泵站立式轴流泵装置模型试验

针对排涝泵站改造工程的需要,开展了立式轴流泵装置模型试验研究,轴流泵装置模型由比转速700的水力模型、肘形进水流道和直管式出水流道组成,获得了模型泵和原型泵装置的能量和汽蚀特性曲线以及飞逸转速特性．在叶轮叶片转角为～4。时,泵装置模型最高效率为76．21％,扬程为6．39m,流量为0．298m3／s;对应的原型泵装置设计工况点扬程6．00m,效率为83．87％．流量为25．9m3／s,满足设计流量的要求;在最高扬程下,轴功率小于2300kW．所选用的水力模型性能满足泵站的实际运行要求,经过优化的直管式出水流道保证了泵装置高效稳定运行．     

基于动态规划法的单级泵站日经济运行优化模型

为合理选择泵站机组在不同工况下的组合方式,实现单级泵站的运行优化。通过分析水泵运行效率与水泵流量、扬程以及转速间的相互关系,确定水泵装置的工况点,构建单级泵站日经济优化运行模型,以泵站日运行总费用最低为目标,通过动态规划法从而求解单级泵站的日经济最优运行方案。选定南昌市九圩港提水泵站为研究对象,依据泵站已有的运行数据,在综合考虑泵站日运行分时电价、扬程及流量变化的基础上,将该泵站优化运行模型分为两层,第一层为泵站日经济优化运行模型,确定泵站在一日内运行费用的最小值;第二层为泵站运行效率优化模型,确定在不同时段内泵站效率最优运行方式。结果表明,当日总输水量一定时,分时电价是影响泵站日经济运行费用和不同时段机组流量分配的主要因素;以九圩港泵站的典型工况为例,优化后的泵站运行方案较优化前日单位运行费用降低了18%。该模型对实现单级泵站日经济优化运行具有一定指导意义。     

Efficiency-driven pumping station regulation in on-demand irrigation systems

The objective of this work was to identify a new efficiency-driven pumping station regulation aiming at maximum energy savings in on-demand irrigation systems. This objective can be achieved by matching the discharge and the pressure head required by the network (characteristic curve of the network) during an entire irrigation season by regulating the operation of the pumping station on the basis of operating the pumps at maximum efficiency. The characteristic curve of the network can be obtained by using an appropriate stochastic generation and hydraulic model. Additional performance analyses were also carried out using the AKLA model in order to better characterize the hydraulic behavior of the irrigation systems under study. The characteristic curves of the centrifugal pumps were adapted to the network curve by equipping the pumping station with variable-speed devices. Several types of regulation based on variable-speed techniques were identified and analyzed. The energy consumption for each regulation technique was quantified for two on-demand irrigation districts in Southern Italy, managed by the Water Users Organization “Consortium of Capitanata”. It was demonstrated that, in comparison with the current pumping station regulation, maximum energy savings may be achieved when pump regulation is carried out with variable-speed devices to maintain the pumps at maximum efficiency.     

大型灯泡式贯流泵CFD计算

大型灯泡式贯流泵在国内的研究与运用远远滞后于水轮机,导致国内低扬程泵站的选型一直突破不了传统的结构模式。为了研究解决国内低扬程泵结构选型问题,结合南水北调东线工程的蔺家坝泵站大型灯泡贯流泵,对适用低扬程工况的大型灯泡式贯流泵结构形式、流道水力损失、压力分布、流速分布进行了流体数值计算,并与模型试验作了比较。结果表明,流体数值计算的结果与试验数据非常接近,这为今后国内低扬程泵站设计选型提供了参考。     

锡澄运河整治工程双向竖井贯流泵站流道优化及分析

针对锡澄运河整治工程竖井贯流泵站改造的需求,对双向竖井贯流泵装置原型进行了三维定常数值模拟.以泵站竖井流道为研究对象,分析比较了5种不同的竖井流道优化方案,重点分析了正反向运行时竖井流道的内流场特征.结果表明:前移竖井段,将竖井的迎水面的尖角改成圆弧形,并以各个断面的面积作为控制参数改善流态分布较差的断面面积,有助于水...     

邳州站竖井式贯流泵装置模型试验研究

根据南水北调东线一期工程邳州站建设的需要,在该站进出水流道优化水力设计研究的基础上,对前置竖井式贯流泵装置进行了泵装置模型试验研究。结果表明,经过优化水力设计的前置竖井式贯流泵装置试验方案SJGL—2010-01和SJGL—2010-02的主要工况点泵装置效率分别超过了82%和83%,泵装置临界空化余量NPSHc均优于5m;前置竖井式贯流泵装置不仅具有投资较少、结构较简单、安装维护方便等优点,而且水力性能优异,在低扬程泵站具有十分广阔的应用前景。     

高效平面S形轴伸泵装置优化设计与模型试验

平面S形轴伸泵装置是低扬程泵站的重要装置,现有的平面S形轴伸泵装置效率较低,难以推广应用。对传统的S形弯管和流道进行优化设计,提出平面S形轴伸泵装置方案,通过CFD数值模拟计算,获得了全流道内部流场,显示了优良的流动特性,进水流道出口轴向流速均匀度达到99.2%以上。泵装置在高精度水力机械试验台进行试验,其性能在水泵叶片角2°下流量Q=244.21 L/s,扬程H=2.003 m,最高装置效率为78.35%。在叶片角-2°下,流量Q=232 L/s,扬程H=1.05 m,效率为68%,满足设计运行工况运行要求;叶片角-2°下最高效率点出现在Q=213.79 L/s、扬程H=1.74 m,效率为77.1%。泵装置最高运行扬程大于3 m,满足泵站最高扬程运行要求。模型泵装置试验的结果,验证了数值计算结果,二者在高效区一致。在叶片角度-4°、-2°、0°和2°,扬程1.7~2.0 m时,模型试验最高泵装置效率为77.1%~78.35%,达到实际工程应用的较高要求。高效平面S形轴伸泵装置在黄金坝闸站实际工程应用表明,泵机组运行平稳,性能良好。