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.     

基于CFD的低扬程泵装置变速特性及相似性

根据南水北调工程中低扬程泵站采用变频调速进行工况调节的运行要求,应用相似准则分别分析了泵和泵装置在不同转速下能量特性的关系,指出不同转速下泵的流量扬程关系特性符合相似律,但由于进、出水流道中的流动受到水泵流动的影响,泵装置的流量扬程关系在不同转速下不完全符合相似律。采用计算流体动力学方法分析了典型灯泡贯流泵装置在3种不同转速下出水流道的流场分布,发现随着转速差距的加大,同一截面上的速度分布甚至出现相反的分布规律,进一步证明了不同转速下的泵装置特性不完全符合相似律,因此变速工况下的低扬程泵装置特性不能采用传统的相似律预测.     

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.     

变频调速灯泡贯流泵站停机过渡过程研究

变频调速的灯泡贯流泵站借助于变频装置逐步降低机组转速,实现机组的安全平稳停机.分析了变频调速机组的正常停机特点,建立停机过程的水量平衡和力矩平衡动态方程.根据变频装置的特性设置转速的变化规律,通过数值模拟停机过程中主要水力参数的变化特征,寻求转速变化规律、起始时刻与闸门关闭时间之间的最佳匹配,为变频调速灯泡贯流泵站的安全稳定运行提出了不同停机规律的建议.     

变频调速灯泡贯流泵站的起动过渡过程

为了获得变频调速灯泡贯流泵站的起动过渡过程水力特性,分析了变频调速贯流泵机组起动时采用矢量控制变频装置、低速同步起动的基本特点,建立了同步起动的灯泡贯流泵机组过渡过程力矩动态平衡方程;研究了同步电动机电磁转矩随转速变化的数学表达方法,分析了灯泡贯流泵机组阻力矩由水阻力矩、轴承摩擦力矩、电动机风扇阻力矩和转子风阻力矩等构成,并给出了相应的数学表达式,提出了快速闸门及其分流拍门在开启过程中的流量分配与平衡方程式.以南水北调东线工程中淮阴三站为案例,对设计工况下起动过程中的主要电气参量和水力参数进行仿真模拟,起动瞬间的励磁电流达到设计值的0.63倍,当频率为6.5 Hz时机组开始转动,迟滞时间为15 s,从而得到了频率变化规律与快速闸门延迟开启时间的最佳匹配.在设计工况下,当同步电动机转速线性变化从0到125 r/min的历时为100 s时,快速闸门延迟开启的最佳时刻为70 s.     

大型泵站水泵机组工况调节方式定量优化选择

为了合理选择水泵机组工况调节方式,实现大型泵站优化运行,考虑机组起停机特性、安装维护性、可靠性等因素,在此基础上,针对优化运行功能,在保证抽水流量的前提下,以设备投资与运行总费用之和最小为目标,提出了定量选择水泵机组工况调节方式的方法.该方法综合考虑了泵站的扬程变化范围、运行时间、变工况优化运行、运行费用及设备投资.应用该方法对典型泵型的工况调节方式进行了优化计算,结果表明:当泵站运行扬程偏离高效区较多或扬程变幅较大时,泵站需要设置变角或变频变速工况调节机构.泵站年运行扬程分布不同,工况调节方式选择受到一定影响.设备费用降低后,泵站采用变角调节或变频变速调节的扬程适用范围增大,设置工况调节方式实现优化运行的效果更加显著.该方法为定量确定水泵机组工况调节方式提供了依据.     

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...     

南水北调东线一期工程灯泡贯流泵性能分析

南水北调东线一期工程中有6座泵站采用灯泡贯流泵,由于其结构不同,因此性能存在差异.分析了这6座泵站装置模型试验成果,介绍了优化设计的方法和措施;根据模型装置验收试验成果,其性能均达到和优于合同保证值.采用量纲一的流量系数、扬程系数和空化系数,对6座泵站的性能进行对比分析,相同的水力模型在不同结构中的扬程系数-流量系数曲线基本重合,而且最高效率都达到了约80%,因此性能均较优.通过现场测试的数据,进一步验证了灯泡贯流泵的优越性能和良好的运行稳定性,而且实测数据好于模型装置试验预测值,灯泡贯流泵适合于南水北调工程低扬程泵站.     

南水北调东线泵站变速运行模式的适应性

以南水北调东线工程源头泵站江都四站为例,通过单机组优化运行（叶片全调节、变频变速）数学模型的求解、分析可知,在南水北调东线源头泵站扬程变幅（日均扬程7.8~3.8 m,潮差1.2 m）范围内,不管是否实行峰谷电价,泵站叶片全调节优化运行是较为合适的运行模式;变频变速运行仅在扬程低于5.0 m、非满负荷运行时优于叶片全调节;在满负荷工作时,泵站变频变速与定角恒速运行相比,变频变速优化运行带来的效益不足以抵消变频装置的耗损.同时,从泵装置运行的机理出发,证明了大型提水泵站只有在一次调水过程中的扬程变幅足够大时,变频变速优化运行才能产生效益的论点.该成果可为南水北调东线大型泵站的改造、优化运行提供理论依据.     

黄金坝泵站平面S形贯流泵装置物理模型试验分析

平面S形贯流泵装置是特低扬程泵站的重要装置形式之一,以黄金坝泵站为研究对象,通过对该贯流泵装置S形弯管和流道的优化设计,达到了提高泵装置能量性能的目的。经物理模型试验结果表明,在叶片安放角为2°时,平面S形轴伸贯流泵装置的最高效率达78.35%,此时泵装置的流量为244.21 L/s,装置扬程为2.003 m。在扬程1.5～2.0m范围内,泵装置的效率均在73%以上,泵装置高效区运行的流量范围较大。该优化方法为后续S形贯流泵装置的优化设计提供了有效的参考。     

贯流式机组在南水北调工程中的应用研究

根据南水北调工程中许多泵站扬程特低的特点，分析了不同结构型式的贯流式机组结构型式、水力性能和技术经济指标，指出在特低扬程的泵站可以采用轴伸贯流式、竖井贯流式和灯泡贯流式等多种结构型式，其关键在于必须解决水导轴承的材料和润滑方式以及齿轮箱的使用寿命和噪音等问题。     

灯泡体支撑件对贯流泵水力性能的影响

灯泡体支撑件(包括进人孔和底部支承)是贯流泵装置内部重要的过流部件,本文采用CFD方法对贯流泵装霞内部流场进行数值模拟,对不同支撑件形状进行了比较分析和优化,并与试验结果比较.结果表明,进人孔和底部支承的形状对泵装置的水力损失和水流流态的影响都比较明显,合理的支撑件形状可以改善流态、减少水流环量,提高泵装置效率.     

不同流量工况灯泡贯流泵压力脉动混沌特性

灯泡贯流泵机组振动来源十分复杂,为了分析机组振动规律,从流场压力脉动出发,分析其混沌特性,从而指出贯流泵站机组振动特征源自流场压力脉动特性的影响.为了研究不同工况下灯泡贯流泵压力脉动混沌特性,在贯流泵机组叶轮导叶、灯泡体壁面和流道内部设置压力脉动监测点,通过相空间重构、最大Lyapunov指数、相轨迹图、分形标度、关联维数分析各工况下各个监测点压力脉动信号混沌特性.结果表明：泵机组内部特定位置压力脉动信号最大Lyapunov指数大于0,信号具有混沌特性;3种流量工况下,叶轮进口处监测点压力脉动信号关联维数为2.00～2.50,叶轮出口处为1.80～2.00,导叶出口处为1.20～1.50,流道内普遍大于2.00,不同流量下关联维数亦有差异,可以通过关联维数判断泵机组是否有偏工况运行以及是否存在异常水力脉动的情况,研究结论可为泵站防治异常水力振动提供参考.     

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.     

灯泡贯流泵装置的三维流动数值模拟

为了配合南水北调东线工程淮阴三站灯泡贯流泵装置的优化水力设计研究工作,对该站前、后置灯泡贯流泵装置内部流动的数值计算方法进行了初步研究;参照该站初步设计阶段初步拟定的机组结构形式,建立了前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置几何型体数学模型;分别对两种装置内部的流动进行三维湍流数值模拟,得到了前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置的内、外水力特性;讨论了两种灯泡贯流泵装置进、出水流态的主要特征.计算结果表明：采用数值计算的方法研究灯泡贯流泵装置内部的三维流动及贯流泵装置的水力性能是可行的;淮阴三站前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置初步设计方案的能量性能尚不能满足南水北调工程的要求,需通过进一步的优化计算,争取实现可能的最高装置效率.     

大型泵站能量特性现场测试研究

为了直接获得大型泵站运行参数,对大型泵站能量性能进行了现场测试和分析.采用五孔探针和声学多普勒流速剖面仪（ADCP）测定水泵流量,根据泵站设置的仪表读取相关数据,计算得到泵装置扬程、电动机输入功率和泵装置效率;分析流量与效率测定的精度,检验原型与模型水泵效率和泵装置效率换算方法.试验泵站五孔探针测流断面选在水泵基坑以上、叶轮前的断面.结果表明：五孔探针法测定泵装置过流断面流速分布重复性好,能够反映断面实际轴向流速分布规律,流量和效率测试精度可以控制在2.0%以内,能够满足大型泵站现场测试的要求.泵装置扬程为1.73 m时,水泵流量与泵装置效率分别为11.837 8 m3/s,55.998%,达到了设计要求.由于尺寸效应,原型水泵和泵装置效率明显高于模型效率.采用相关公式,可以根据模型效率较为准确地预测原型水泵效率和泵装置效率.     

泵站用行星齿轮变速传动装置的设计

基于泵站的更新改造,针对目前国内泵站采用直联传动的现状,结合泵站变速调节的优点,提出了采用行星齿轮变速的泵站传动装置.该传动装置由行星齿轮变速和齿轮减速两部分组成,行星齿轮变速由一排2X-H型行星齿轮传动及控制变速器运动输入的两个离合器和两个制动器组成.通过分析行星齿轮的运动得到了变速比.通过对行星齿轮两种配齿方案的计算和分析,确定了用于泵站的行星齿轮传动变速方案：选用转速为1 500 r/min的电动机,行星齿轮变速的两种传动比为3和1.5.经过配齿设计,得出泵站所需要的输出转速为250 r/min和125 r/min.采用行星齿轮变速传动也可以满足南水北调工程泵站流量和扬程变化大的特点.     

考虑峰谷电价及清水池调节容积的取水泵站优化调度

取水泵站优化运行调度研究对泵站节能具有较好的指导意义。针对取水泵站的工作特点,以取水泵站日运行耗电费最小为目标,考虑峰谷电价及清水池调节容积对取水泵站日运行耗电费的影响,建立了含定速泵或双速泵的取水泵站优化运行调度数学模型,并利用基于动态规划法的求解策略对该数学模型进行了求解。最后通过实例计算结果表明：在原有泵型不变且同等满足供水要求的情况下,该取水泵站采用本文优化后的运行方案较目前实际的运行方案,可有效地实现充分利用清水池调节容积应对峰谷电价进行错峰运行,泵站运行耗电费可明显降低,这验证了本文所建立的优化调度数学模型是合理、有效的,对类似的取水泵站节能运行具有良好的指导意义。