魏村枢纽扩容改建工程双向立式泵装置模型试验及流场分析

为明确魏村枢纽扩容改建工程泵站的双向立式轴流泵装置的水力特性,对该泵站的泵装置物理模型开展了能量性能、空化性能及飞逸性能的试验和泵装置内流场的数值分析。结果表明：在叶片安放角-8°～+4°时,泵装置最高效率为74.26%,此时叶片安放角为-6°、泵装置扬程为3.981 m;在泵装置扬程2.72～5.25 m范围内模型泵装置运行平稳,无明显不良噪音和振动。在最大泵装置扬程5.25 m、叶片安放角+2°时,水泵的淹没深度满足最大必需汽蚀余量9.35 m的要求。在叶片安放角-8°时,原型泵的飞逸转速是其额定转速的1.705倍。箱涵式双向出水流道的水力损失是影响此类泵装置水力效率的主要因素。     

轴流泵水力模型选择专用软件的开发

为选择到合适的轴流泵水力模型，基于轴流泵段性能与泵装置性能之间的关系，确定水力模型选择的方法与步骤，提高泵段模型与进、出水流道组成的泵装置效率。以南水北调工程水泵模型同台测试成果为主要的数据资料，采用Manab结合Visual C＋＋语言开发了选择轴流泵水力模型的专用软件，通过输入泵站扬程、流量数据，计算出满足基本要求的水力模型、原型泵的转速与叶轮直径以及原型泵的综合特性曲线。计算结果表明，该专用软件为比选水力模型建立了优秀的平台，在轴流泵站设计水泵选型中具有较高的应用价值。     

睢宁县凌城泵站轴流泵装置模型试验

根据睢宁县凌城泵站更新改造要求,为检验该泵装置的水力性能,对凌城泵站立式轴流泵装置进行了模型试验研究。在高精度水力机械试验台上对该立式轴流泵装置进行了能量特性、汽蚀特性和飞逸特性的物理模型试验,以获取该泵装置的综合特性。试验结果表明,该立式轴流泵装置水力性能十分优异,在叶片安放角+2°时立式轴流泵装置最高效率达80.2%,此时泵装置的流量为383.29 L/s,扬程为5.303 m。在净扬程为2.80~7.40 m时,该轴流泵的汽蚀性能均可满足实际运行的要求。该泵装置的单位飞逸转速随叶片角度增大而减小,在叶片角度为-4°,最高净扬程为7.40m时,最大飞逸转速为额定转速1.91倍。     

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。     

泗阳二站轴流泵装置模型流道优化及模型试验分析

【目的】提高泗阳二站改造工程泵装置的水力效率,明确泗阳二站改造后泵装置的水力性能,了解泵站的真实运行情况,便于泵站的安全运行管理。【方法】以泗阳二站的立式轴流泵装置为研究对象,采用数值模拟技术分析了原设计方案(方案1肘形进水流道的流道高度1.707D、长度3.895D、进口面积4.984D²;虹吸式出水流道长度6.14D、进口直径1.09D、出口面积3.934D²,其中D为叶轮名义直径。)的泵装置水力性能并开展了流道的优化分析,通过物理模型试验获得了泵装置的能量性能。【结果】给出了肘形进水流道弯肘段方变圆渐缩型线、出水流道隔墩起始位置及隔墩长度的优化方案,优化后的肘形进水流道出口面的轴向速度分布均匀度提高了3.32%,加权平均偏流角减小了0.945°,水力损失减小了10.4%;相比原设计方案,优化的虹吸式出水流道水力损失减小了7.51%。在叶片安放角+2°、设计扬程6.30 m时,原型泵装置流量为35.2 m³/s,满足设计流量的要求,效率为76.02%;在最大扬程6.8 m时,原型泵装置流量为33.84 m^3...     

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．     

对旋式轴流泵后置叶轮水力性能分析

为了研究对旋式轴流泵后置叶轮对其水力性能的影响,采用CFD软件对该对旋式轴流泵装置进行数值模拟计算,将前置叶轮与后置叶轮水力特性进行对比分析,研究后置叶轮的进口安放角对整个装置水力特性的影响,最后通过模型试验验证数据的可靠性.结果表明:在设计工况下,对旋式轴流泵扬程为11.32 m,效率为87.57%.在小流量工况下,流量为300 L/s左右泵提前进入马鞍区,此时泵扬程为14.06 m,效率为79.48%;在大流量工况下,流量为440 L/s时,泵装置扬程为2.24 m,效率为54.16%.对旋泵后置叶轮的水流进口冲角要大于前置叶轮的水流进口冲角,导致后置叶轮叶片做功能力增强,后置叶轮扬程增大.改变后置叶轮安放角,特别在小流量工况下,后置叶轮的马鞍区同样提前,后置叶轮的进口液流角几乎相同.研究结果对于对旋式轴流泵后置叶轮的设计和优化提供参考依据.     

15°斜轴泵装置特性试验

结合广东省惠州市文头岭大型排涝泵站,对经过CFD数值模拟优化后的斜式进水与斜式出水流道匹配组成的15°斜轴模型泵装置进行了能量试验、汽蚀试验和飞逸特性试验研究．通过特性试验研究得出了模型及原型装置的能量特性曲线、3个不同叶片角度下特征扬程的临界汽蚀余量及0°叶片角下最大装置扬程的飞逸转速．试验结果表明,该泵装置最高效率随叶片角度减小而增大,叶片角-4°时的最高效率可达80％左右,泵站进、出水流道型线设计合理,汽蚀性能优良,飞逸转速安全,15°斜轴泵装置性能优越．提出的斜轴泵装置对同类低扬程泵站水力优化设计具有重要的参考价值．     

大型低扬程泵装置nD值的选取

从水泵选型、能量性能、汽蚀性能等3个方面,讨论了减小nD值对大型低扬程泵装置水力性能的影响;提出了减小nD值的低扬程泵装置水泵选型设计思路;借助于叶片泵相似律,推导了减小nD值与增径降速的一致关系,在设计流量一定的条件下,若叶轮直径增大5%,则水泵转速和nD值将分别下降13.6%和9.3%;从叶轮直径对流道水力损失的影响上,分析了减小nD值对提高泵装置流道效率的作用;根据nD值与水泵扬程的关系,低扬程泵装置选型时,宜适当减小nD值,以便在较低扬程下选用到更优秀的轴流泵水力模型;根据叶片泵汽蚀相似律,分析了减小nD值对低扬程泵装置汽蚀性能的影响;同时,还讨论了泵装置汽蚀性能的考核指标,以及增径降速对流道控制尺寸及设备投资的影响等问题.结果表明：对于平均扬程为4 m、单泵设计流量为33.5 m3/s的泵站,若将叶轮直径由2.9 m增大至3.1 m,则流道效率可提高2.9%;在设计流量一定的条件下,若将nD值由435降为387.5,由水力模型TJ04-ZL-06换算的原型泵高效区扬程可由5 m左右降为4 m左右,水泵必需汽蚀余量可降低20.6%;对于年运行时数较长的大型低扬程泵站,宜采用较小的nD值.     

基于CFD的轴流泵针对性设计与试验

凌城抽水站各运行工况下的扬程范围变化比较大,在对该泵站轴流泵选型分析时发现,南水北调同台测试中的水力模型能够满足其运行的基本要求,但均有其不合理性:高效区扬程满足设计扬程时,最高扬程缺少安全余量;最高扬程满足时,高效区扬程偏离设计扬程,效率偏低。基于CFD计算对凌城站水力模型进行针对性设计,通过改变叶栅稠密度和翼型安放角,采用多工况优化设计的方法,使得最终设计方案能够满足凌城站的运行要求。然后对水力模型的最终设计方案进行泵段数值模拟研究,数值模拟结果表明该针对性设计的水力模型效率较高,同时兼顾到凌城站最高扬程的要求。最后对针对性设计的水力模型进行泵段试验,试验结果表明基于CFD的轴流泵水力模型的针对性设计是准确的、可靠的,针对凌城站设计的水力模型确实能够更好地满足该泵站的特殊水位要求。同时也说明,对于大型泵站的更新改造,水泵水力模型的针对性设计研究是必要的。     

南水北调东线工程泗阳站流道型式的比选

南水北调东线工程泗阳泵站采用立式轴流泵装置,在初步设计阶段提出了流道方案1（肘形进水流道、虹吸式出水流道）和流道方案2（钟形进水流道、蜗壳出水流道）2种流道型式.从水力性能、水泵结构、安装检修、断流方式及工程投资等方面对这2种方案进行了比选.经技术经济综合比较,得到主要结果：方案1的进、出水流态和流道水力性能优于方案2;方案1的断流方式更为简单可靠,且日常维护工作量少,具有明显优势;方案2的水泵结构较复杂、安装检修不便;方案1的泵房土建尺寸较大、土建投资较多;方案1的工程总投资比方案2要节省约146.5万元.比选结论：泗阳站流道型式的2种方案各有特点、均可应用,但方案1总体上具有更明显的优势,宜优先采用.泗阳站根据比选结果最终采用了方案1.     

轴流泵装置反向发电的水力特性

为探究某泵站轴流泵装置反向发电的水力特性,对该轴流泵装置反向发电工况进行全流道数值模拟分析.结果表明：轴流泵装置在额定转速进行反向发电时,其最优工况相比于水泵模式,水头和流量分别提高43%和38%;随着转速增大,效率-流量曲线呈现向大流量方向偏移趋势,高效区范围逐渐增大;导叶进口、转轮进出口压力脉动呈周期性,转轮进出口压力脉动受转轮旋转影响更为显著;压力脉动系数幅值沿径向由轮毂至轮缘逐渐增大,转轮出口的压力脉动幅值最大,约为转轮进口的2倍;在频域方面,压力脉动主频为叶频,次频为2倍叶频,在转轮进出口主频所对应的压力脉动系数幅值沿径向由轮毂至轮缘逐渐增大;在小流量工况,随着轴流泵反向发电运行时的流量越小,出水流道流线越混乱且涡带越明显.研究结果可为泵站轴流泵装置反向发电提供一定的理论支撑和工程运行参考.     

立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

依托南水北调东线一期工程某低扬程泵站的设计参数,基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对由肘形进水流道、轴流泵和虹吸式出水流道组成的低扬程立式轴流泵装置模型内部流动进行数值模拟,分析了小流量工况(0.180 m³/s)、设计流量工况(0.299 m³/s)和大流量工况(0.360 m³/s)等3个典型工况时的泵装置流态和叶轮叶片表面的压力分布情况,对泵装置模型的能量性能进行预测,并与泵装置模型试验结果进行对比分析.结果表明:泵装置效率的数值计算结果与模型试验结果基本一致,最优工况点附近较为接近,在计算范围内最大差值不超过2%;设计流量工况时泵装置进、出水流道内的三维湍流流动状况,与进、出水流道分别进行数值计算时的状况基本一致;3种不同典型工况时泵装置进水流道内的流场分布状况相同,而出水流道内的流场差别很大.对不同工况时立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动的研究结果,可为低扬程泵装置多工况水力设计优化研究提供一定的参考.     

低扬程立式泵装置流道优化及模型试验研究

为了在低扬程条件下实现较好的水力性能,分别对南水北调东线一期工程的长沟站和邓楼站的进、出水流道进行了优化水力设计和泵装置模型试验研究。结果表明,经过优化水力设计的长沟站和邓楼站立式泵装置在4m以下的低扬程条件下得到了优异的水力性能,设计扬程和平均扬程工况点的泵装置效率均达到78%、临界空化余量均小于6m。     

基于全流场的泵装置出水流道内流特性分析

为了研究立式轴流泵装置出水流道的流动特性,以一立式轴流泵装置为研究对象,基于全流场非定常计算,结合湍动能和流线分布以及压力分布,分析出水流道内非定常流动特性;基于Q准则,在小流量工况下对流道内涡旋结构进行可视化分析;基于特征值法和涡量法,对不同工况下1个非定常旋转周期内的出水流道里的涡核进行提取.结果表明:小流量工况下,出水流道的入口处产生的涡旋结构数量最多,流道内提取到的涡核数量也最多;出水流道内的涡核强度从流道入口处往后逐渐减弱;2种方法均在额定工况下提取到的涡核数量最少,并且额定工况下流道中后部均未出现涡核.掌握出水流道内流特性及涡核分布,有助于今后优化设计出低水力损失的出水流道.     

双向流道立轴潜水泵系统流动特性研究

为探索将潜水电泵和双向流道泵装置结合在一起的双向流道潜水电泵系统,通过CFX软件对该系统进行全流道数值模拟,获得了系统内的流动特性,并预测了泵装置的水力性能。对进水流道内加设不同导流措施的水流特性进行了分析,结果表明,加设椭圆线导流锥的进水流道出口流速分布均匀度效果最好,能够防止有害旋涡,保证水泵运行的进水条件。应用特别设计的、单边18°的大扩散角出水室,有效地抑制了脱流和水力损失,确保水泵系统整体效率水平。在高精度水力机械试验台进行了模型试验。试验结果表明,泵装置扬程为3.11 m,流量为256 L/s,泵装置效率达到71.9%,正、反向分别高于可逆式双向潜水泵装置7和13个百分点。说明双向流道配立轴潜水泵装置具有良好的工程应用价值。模型试验结果和性能预测结果在高效区范围内吻合,数值计算得到较好的验证。     

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.     

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.