灯泡贯流泵装置内部流动及水力特性

为了深入研究灯泡贯流泵装置内部流动与水力特性之间的联系,采用数值计算、性能试验与PIV流场测试方法,获得了灯泡贯流泵装置在大流量、小流量和最优工况下的流动和水力特性.采用RNG紊流模型和SIMPLEC算法,基于多旋转坐标系模型,计算了灯泡贯流泵内部定常流动.分析了泵装置内部流动,指出小流量工况下泵叶轮的进口有较大范围的旋涡区,出水灯泡体内流态较为紊乱;而在最优工况及大流量工况下,泵装置内未见明显回流区.研究表明,灯泡贯流泵进水流道水力损失符合传统管道内局部水力损失规律,而出水流道的水力损失表现为与泵装置运行工况相关的规律,最优工况点附近损失最小,小流量和大流量工况点水力损失均较大.计算结果与二维PIV流动测试结果均表明在小流量下进口近泵壳侧有明显的回流区,而在叶轮出口靠近轮毂处有大面积的脱流.因此,灯泡贯流泵装置优化水力设计应当重视小流量工况下叶轮和导叶处的流动特性.     

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.     

灯泡式贯流泵内湍流流动数值模拟和性能预测

为深入了解贯流泵的内部流动及其水力性能,基于标准k-ε湍流模型,利用Fluent软件对贯流泵内流场进行了数值模拟,并计算了贯流泵外特性曲线.结果表明:偏离最优工况时,导叶体和出水流道内出现二次流,造成较大的水力损失,装置效率降低;大流量工况时,水流在叶片进口边产生负冲角,叶片工作面进口附近出现最小压力值;小流量工况时,水流在叶片进口边产生正冲角,背面进口边附近存在最小压力值;最优工况时,整个泵的内部流动平顺均匀,叶片工作面和背面进口边的压力值均较大,而在背面进口偏后区域出现低压区.通过进一步计算得到了新设计贯流泵的扬程、功率和效率的性能曲线,将该模型计算结果与原有JGM-3模型试验数据对比可知,该模型的设计较为合理,其数值结果可为优化低扬程灯泡式贯流泵的设计提供重要的参考.     

灯泡贯流泵机组支撑形式比较

为了优化贯流泵机组支撑结构,提高其综合性能,将贯流泵机组支撑划分为主轴系轴承座支撑、灯泡体支撑和泵体支撑3个层次．研究了3种典型贯流泵机组的支撑形式;通过受力分析,计算了主轴变形和疲劳强度安全系数;从泵机组可靠性、安装维修性、总体结构和泵装置水力性能等方面,比较了几种支撑形式．从主轴轴承数量、布置及安装、灯泡体支撑和泵体支撑等方面,提出了灯泡贯流泵机组支撑的设计原则和方法．结果表明：灯泡贯流泵机组支撑形式不但影响可靠稳定性能和安装维修性能,还严重影响系统水力性能．电机转子和水泵叶轮挠度分别为0．19～0．39mm和0．22～0．62mm,滑动轴承和滚动轴承油膜厚度分别为0．41～0．53mm和0．12～0．17mm：为了保证运行时电机空气间隙和水泵叶片间隙均匀,导轴承座安装高程应考虑转子和叶轮的挠度以及导轴承的油膜厚度．合理布置导轴承,灯泡体采用辐射板支撑,进人孔与灯泡体底部主支撑合用,采用金属管泵段式结构,可以提高灯泡贯流泵机组的可靠性能和水力性能．结果对灯泡贯流泵机组的优化设计具有参考价值．     

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.     

灯泡式贯流泵空化流的数值研究和性能预测

采用RNG k-ε湍流模型、完全空化模型对低扬程灯泡式贯流模型泵设计工况下的空化流动进行全流道数值计算,并预测其汽蚀性能曲线.选择包括空化开始出现、临界汽蚀余量点、空化严重时6个工况比较分析贯流泵内部空化流动的发展情况.计算获得了不同汽蚀余量时灯泡式贯流模型泵叶轮叶片吸力面静压、气体体积分数分布以及不同轴截面上的气体体积分数分布.计算结果表明:在给定的计算流量条件下,空化发生初期,空化发生在叶轮叶片吸力面的进口边,随着有效汽蚀余量的降低,预测了叶轮流道内的空化区域的演变,这些现象将会影响贯流泵的能量特性;在给定流量的其他空化条件下,当汽蚀余量为0.81 m时,Z=-20 mm横截面上的气体体积分数超过10%的区域占据了Z=-20 mm横截面进口流道的1/3,此时大量气泡严重堵塞叶轮流道.该灯泡式贯流泵空化流动的所有计算成果都可以被用来优化贯流泵的水力与结构设计.     

扩散导叶对贯流泵装置性能影响

贯流泵装置中扩散导叶的叶片数是影响其装置水力性能的一个因素,故有必要对其进行计算和分析.通过CFD方法对配有不同导叶体的灯泡贯流泵装置内部三维流动进行了全流道数值模拟计算,获得了5种不同方案（4片、5片、7片、8片导叶和改进后的5片导叶）下贯流泵装置水力性能以及导叶段的水力损失,分析了不同导叶叶片数和叶片形状对贯流泵装置外特性的影响.结果表明,导叶体内的水力损失基本上随着导叶叶片数的增加而增大,而泵装置的效率不完全符合这一规律;采用5叶片导叶方案的泵装置效率较高,且内流场的压力和流速分布较为均匀;改进后的5叶片导叶体内的水力损失最小,泵装置效率最高,提出了对确定叶轮的最佳导叶叶片数的匹配.     

前导叶叶片位置对灯泡贯流泵水力性能的影响

以南水北调东线淮安三站后置灯泡贯流泵装置为研究对象,采用ANSYS CFX数值模拟方法,并通过试验进行验证,计算并分析了不同的前导叶体叶片位置对进水流道水力性能以及泵装置能量特性的影响.结果表明:前导叶叶片由原设计位置向叶轮方向移动500 mm(此时与进水流道出水断面距离为0.064 5D)之后,设计工况下泵装置的效率较原来相比提高了1.28%;同时还使得进水流道的水力损失明显下降,降低了流道损失;改善了进水流道剖面的速度分布;不同工况下进水流道出水断面的轴向速度分布均匀度与速度加权平均角的值均有显著提高,转轮室的吸入流态得到了明显的改善.前导叶叶片位置对进水流道与泵装置的影响并不是简单的线性关系,前导叶体叶片位置与叶轮之间的距离存在着最优搭配.     

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。     

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.     

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。     

中隔墩对大型泵站出水流道水力性能的影响

为了研究中隔墩对大型低扬程泵装置出水流道水力性能的影响,借用某泵站的有关参数,采用三维数值计算的方法,将出水流道从泵装置中分解出来,计算了出水流道内的流态和水力损失;设置中隔墩会使设计流量时的虹吸式和直管式出水流道的水力损失分别增加0．024m和0．033m;采用透明流道模型试验的方法对数值计算的结果进行了验证,模型试验结果与数值计算结果基本一致;根据计算和试验结果研究了中隔墩对虹吸式和直管式出水流道水力性能的影响．研究结果表明：由于水泵导叶出口水流具有环量,出水流道内的流态存在较为明显的偏流现象,流道的水力性能在一定程度上受到中隔墩的影响;中隔墩愈长,出水流道水力性能所受的影响愈大．因此,设置中隔墩无益于出水流道的水力性能．对于大型低扬程泵站,可在满足出水流道结构设计的条件下取消中隔墩或采用较短的中隔墩．     

大型低扬程泵与泵装置特性预测

针对大型低扬程泵站广泛采用的轴流泵和导叶式混流泵两类泵型,通过对泵内损失相似性的分析,从理论上建立了水泵机械效率、水力效率、容积效率及泵和泵装置总效率表达式,并采用最小二乘法对模型泵性能试验数据进行拟合求取泵的效率常数。所推导泵和泵装置的效率公式同时考虑了泵内形状阻力损失、摩擦阻力损失和冲击损失的影响,能够很好地适应泵和泵装置在设计工况点和非设计工况点的效率换算,从而可以较准确地预测原型泵装置的动力特性。     

对称翼型转轮双向竖井贯流泵装置

为了使转轮具有相同的正向和反向性能,可采用压力面和吸力面相同的翼型即对称翼型.针对城市水环境治理工程中超低扬程双向抽水的要求,对基于对称翼型转轮的双向竖井贯流泵形式的装置,研究了其水力性能.运用三维数值模拟技术优化获得了泵装置进、出水流道型线和控制尺寸.依据国家相关试验方法和规程,基于高精度水力机械试验台,从大流量到小流量依次测试了正反向工况下各5个叶片角度下的水力性能.模型试验结果表明,该装置形式可以获得较好的正反向能量特性.根据莫迪公式换算的原型性能结果表明,裴家圩泵站中采用的对称翼型转轮双向竖井贯流泵装置,可以保证正反向工况下均能高效运行,运行效率均超过了60%.该研究成果对同类双向超低扬程泵站的选型和设计有着重要参考价值.     

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.