大型低扬程泵装置水力设计关键技术的创新与发展

我国低扬程泵站建设的水平经历了由低到高的发展过程,特别是南水北调东线一期工程的建设,促进低扬程泵站的关键技术取得了长足的进步;为进一步满足南水北调东线二期工程等重大工程大型低扬程泵站的需要,对南水北调东线一期工程低扬程泵装置水力设计的关键技术进行了较为系统的总结和提炼.结果 表明:南水北调工程水泵模型及水泵装置同台测试为保障我国低扬程泵装置水力设计质量作出了重要贡献;大型低扬程泵装置的水泵选型新方法可保证低扬程泵站设计扬程工况位于泵装置高效运行区、最高扬程工况位于稳定运行区;采用分层次优化水力设计方法可以有效完成低扬程泵装置流道优化水力设计工作;立式低扬程泵装置宜优先采用肘形进水和虹吸式出水流道;对于特低扬程泵站宜优先应用前置竖井贯流式泵装置,可满足结构稳定和水力性能优异的要求;为实现泵站工程整体最优化设计,需要采用泵装置水力设计与泵房水工设计、结构设计之间的协同优化设计方法.     

低扬程泵装置优化水力设计的关键问题

对低扬程泵装置的优化水力设计问题进行了较为深入的研究.将低扬程泵装置效率分解为水泵效率和流道效率两个方面,讨论了泵装置中泵段的概念和泵段效率的修正等问题,分析了流道水力损失对流道效率及泵装置效率的影响,通过实例说明了流道内的流速和流态对流道水力损失的影响,得到以下结论:在低扬程条件下,尽可能减小流道水力损失是提高泵装置效率的关键;减小流道水力损失的关键是降低流道内的流速和改善流道内的流态,其途径主要包括选择水力性能最优的泵装置型式和流道型式、适当降低水泵的nD值、选择更优秀的水泵水力模型、适当放宽流道控制尺寸、对流道型线进行充分的优化水力设计等.     

低扬程泵装置选型设计一些问题的思考

从泵装置效率和流道效率的定义出发，分析了影响低扬程泵装置效率的主要因素，提出可采用流道水力损失较小的泵装置形式、适当增加水泵叶轮直径和对流道型线进行充分的优化水力设计等三种途径来减少低扬程泵装置流道水力损失；简要分析了贯流泵装置的分类和三种形式半贯流式泵装置的异同点；提出了进、出水流道优化水力设计的目标和评价流道水力损失的方法；简要分析了泵装置水力性能几种研究方法的特点及相互之间的关系。面对大型低扬程泵站建设不断提高的要求，提出：在低扬程泵装置水力设计的研究方面需进一步贯彻科学发展观，提倡多元化的研究和设计理念，深入细致地做好相关的技术准备工作，对水力性能、设计、制造、运行、管理和投资等方面进行多方案、全方位的综合比较。     

南水北调东线灯泡贯流泵水力模型及装置研究开发与应用

根据南水北调东线一期工程灯泡贯流泵站设计和建设需要,以南水北调金湖泵站设计工况为基础,自主研制开发贯流泵水力模型装置,利用FLUENT软件进行了CFD流场计算分析和设计优化。通过天津同台测试和专家鉴定,研制开发的两套水力模型装置最优工况点效率分别达到79.4%和81.9%,空化比转速达到1100以上。装置模型综合性能良好,运行范围宽,适用于1.0～4.5m的特低扬程泵站,在3m扬程下和相同性能的立式轴流泵相比,效率约提高5%,流量提高10%以上。同时,在水泵模型设计和装置性能优化方法上有所创新。     

模型泵装置同台对比试验

模型泵装置同台对比试验胡小湘关键词模型泵泵段装置同台对比试验引滦入津工程中，尔王庄暗渠输水、补库兼用泵站，原设计扬程１０ｍ，多年来实际运行扬程多在７ｍ左右，故水泵长期在偏离高效区工况下运行，效率低、能耗大，且气蚀严重。１９９６年更新改造，决定选用适合...     

大型低扬程开敞式泵站性能测试研究

苏南某泵站机组进出水流道结构改造之后,对该泵站的性能参数进行了现场测试。对该泵站机组流量进行测量,测试的误差为±0.53%。利用泵站的自动采集系统测得扬程和功率,通过效率的计算公式,得到该泵站在不同工况下的效率值。利用CFD软件建立该泵站的泵装置三维模型,并进行数值模拟计算,得到水力性能参数。将现场测试的结果与数值模拟结果相比较,结果表明,数值模拟的结果与现场测试的结果较为吻合,设计工况下,效率的误差为±1.25%,数值模拟方法具备较高精度,其结果可靠性较高。对泵装置内的水流流态进行分析,进水流道和出水流道封闭侧的漩涡影响该泵站泵装置的效率。     

九曲河泵站流动特性数值模拟分析

在江苏沿江地区,低扬程防洪减灾泵站分布较广。针对沿江九曲河泵站,采用CFD数值模拟方法,计算分析泵装置3个特征工况下内部流动特性。数值计算结果表明,九曲河泵站采用双向流道形式较为复杂,流道内存在盲端,水流回流较大,水力损失增加,对泵装置整体效率略有影响。在大流量零扬程附近工况下,内部流动特性较为特殊,泵站运行过程中需多加关注。     

樊口泵站水泵技术改造模型泵开发试验研究

湖北省樊口泵站装有目前亚洲单机容量最大的轴流泵．长期以来，泵站运行扬程远远低于设计扬程，造成运行工况差、气蚀破坏严重、叶片操作油压过高且低扬程下仍难于开启泵轮叶片，造成低扬程区域无法正常开机．中国水利水电科学研究院水力机电研究所为樊口泵站轴流泵改造进行了模型泵开发试验研究，为泵站水泵技术改造提供了性能优良的水力模型，可大幅度提高效率、降低能耗、改善气蚀性能，实现在2．5MPa的设计操作油压下对叶片进行全调节，全面解决现用泵目前在运行中存在的水力问题．在与原型泵装置全模拟的模型泵流道上进行的第Ⅰ方案和第Ⅴ方案模型试验结果表明，其中第Ⅴ方案的水力模型性能指标达到了国内先进水平．     

密云水库调蓄工程水泵装置模型试验及分析

南水北调来水调入密云水库设九级梯级泵站,其中七级低扬程泵站中近半数为超低扬程泵站,净扬程小于2 m,为保证超低扬程条件下泵装置具有较好的水力性能,针对泵站的进、出水流道进行水力优化设计及泵装置模型试验研究,并通过天津同台测试模型进行验证。经过水力优化设计的泵装置在扬程低于2 m的条件下水力性能优异,满足合同规定要求,对于年运行时数长的供水泵站可降低能耗,且运行安全可靠。     

南水北调东线大型低扬程水泵性能后评估指标与现场测试方法

南水北调东线第一期工程大型低扬程泵站群水泵性能后评估指标的提出,对水泵采购、监造、安装、验收等环节高质量、高标准执行具有指导和促进作用。大型低扬程水泵原型性能后评估内容包括装置效率和振动、噪声水平。基于南水北调工程水泵模型同台测试成果和有关规程规范,提出水泵装置效率、振动及噪声后评估指标。大泵流量测试建议采用内置式超声波流量计;水泵机组固定部件振动量测试应采用振动速度传感器。泵效率测试误差不大于±2.0%。     

特低扬程泵站水力性能研究

采用数值计算和物理模型试验方法研究特低扬程泵站的水力性能,并以苏州市东风新平面S形轴伸泵为例,对其内、外特性,包括装置的水力性能、流道沿程典型断面流速分布、空化特性及进出水流道的水头损失进行分析研究。通过对数值模拟计算及物理模型试验成果的逐项对比,证明数值模拟方法在特低扬程泵装置性能研究中具有良好的应用价值,特别是在高效率附近区域,数值模拟计算成果具有良好的精度。对断面流速分布和流道水力损失等内特性的进一步分析,揭示了不同工况下泵站性能差异的原因,为进一步优化流道型线提供了依据。     

西藏稀缺资料地区洪峰流量推求

洪峰流量是水利工程规划设计、工程建设和运营管理的重要依据,对水利工程的投资规模和安全运行有着重要的意义。西藏地区主要水文测站实测洪峰流量(Instantaneous Peak Flow,简称:IPF)资料稀缺,而按水位计算整编的日径流资料(Mean Daily Flow,简称:MDF)相对较多。通过构建实测资料时段的洪峰流量与对应日平均流量间的函数关系,基于长序列的日径流资料估算洪峰流量,延长洪峰流量序列,为设计洪水提供数据支撑。研究结果表明:(1)西藏地区主要水文测站IPF～MDF函数关系稳定,利用这种函数关系由实测MDF推求的IPF误差均在10%以内,且延长后的IPF序列频率分析计算结果更加合理;(2)对于实测MDF序列缺乏的测站,可以通过气象资料驱动HIMS系统水文模块(Hydro Informatic Modeling Systerm)拓展MDF序列,在此基础上推求IPF序列。基于HIMS系统水文模块对西藏三条典型河流(年楚河、拉萨河和尼洋河)的日径流序列进行了模拟,结果表明,模型对日径流整体过程与高流量值的模拟效果均良好。进而利用模型延长的MDF序列以及构建的IPF～MDF函数关系拓展了西藏三条典型河流2000年-2010年间的IPF序列。     

双向进水流道水力特性模型试验研究

分析模型的相似准则及其主要作用力 ,考虑工况相似要求 ,提出泵站进出水池和流道内分别按不同的相似准则进行设计的方法 .结合彭越浦泵站水工模型试验 ,对双向流道进口前漩涡及流道内的涡带、喇叭口附近流速分布、水泵起动及稳定运行过程中流道内的脉动压力和进出水流道的水头损失等水力特性进行全面的观测和分析 ,提出在流道内设置垂直隔板及导流锥加隔板两种消涡的工程措施 .     

大型泵站选型合理性评价体系研究

在总结大型低扬程泵站泵型选择不同的方法与原则基础上,提出了泵型选择合理性评价模型,该模型包括能量特性、可靠性和运行稳定性3个方面,分为三级指标,一级3个、二级8个、三级16个。采用模糊综合评判的方法进行多因素、分层评判,并以南水北调东线工程江苏省境内的泵站设计为案例,根据评判结果为这些泵站选型提供改进的指导性建议,取得了良好的效果。     

虹吸式出水贯流泵装置结构特点及对比试验研究

广泛应用于低扬程和特低扬程泵站的贯流泵装置,传统设计基本采用平直管出水的结构型式。针对城市防洪泵站扬程低、年运行时间短、安全性和可靠性要求高的特点,提出了5种新型虹吸式出水流道的贯流泵装置结构型式,它们具有结构简单、断流可靠、安装检修方便、维修和养护成本低等优点。在保持模型泵不变的情况下,采用CFD数值模拟技术,进行了不同结构型式的虹吸式出水贯流泵装置数值分析、优化水力设计和性能预测。根据优化设计结果,在高精度试验台上进行了虹吸出水和直管出水的竖井贯流泵装置模型对比试验。试验结果表明,两种竖井贯流泵装置的水力性能基本接近,平直管出水和虹吸式出水都是合适的低扬程泵站出水流道结构型式;在特低扬程情况下,采用虹吸式出水流道的泵装置结构型式具有更明显的优势。     

胥浦活水泵站肘形进水流道流态分析及优化

胥浦活水泵站为一座长江边低扬程引水泵站,设计流量5.0 m3/s,最大扬程3.3 m。为适应其低扬程、小流量的特点,选用了全贯流潜水泵,在原胥浦节制闸底板上改建安装。为了保证在长江低水位时,水泵进水口完全淹没,进水流道型线平顺,流道内无涡带或其他不良流态,机组启动正常和运行稳定,利用三维数值建模、边界条件设置与三维湍流流动模拟,运用计算流体动力学CFD方法,进行进水流道内部流动数值模拟,多方案分析和比较进水流道内部流态、水泵进水条件和流道的水力损失。计算结果表明,进口尺寸1.1 m×3.4 m(高×宽),出口直径1.2 m的型线B方案进水条件好,流道水头损失小,满足水泵高效运行的要求。优化设计方案为泵站安全运行提供最优的设计进水流道型线和设计参数。     

常熟水利枢纽泵站水泵典型故障分析与改造

对常熟水利枢纽泵站主水泵近年来运行中发生的典型故障进行分析,找到发生故障的原因,通过水力计算和模型试验研究,制定泵装置优化设计方案,指导常熟水利枢纽泵站加固改造。采用理论分析与试验相结合的方法,对原水泵、流道结构以及运行工况等进行分析。通过原型泵的装置数模计算和性能试验,选择合适新的水力模型,并对原泵装置结构进行优化,改善了水流特性。对水泵结构和材料进行了优化和加强,提高水泵的运行可靠性。改造后泵站机组,运行稳定性大大提高,为"引江济太"调水引流的效益发挥提供了的保障。常熟水利枢纽泵站机组加固改造的成功为江苏沿江泵站运行管理和今后的改造,提供了借鉴。     

灌北、善南泵站潜水贯流泵装置的水力特性研究

通榆河北延送水工程灌北泵站和善南泵站扬程低且年运行时间较长,为得到较高的泵装置效率,采用了单泵设计流量为10m3/s、叶轮直径为2m的卧式潜水贯流泵装置。采用三维湍流流动数值计算和模型试验的方法,分别对这种型式泵装置的内外水力特性进行了研究,表明卧式潜水贯流泵装置具有水流平顺、均匀和流道水力损失小的优点,水力性能十分优异。     

长沟泵站泵装置流道优化与选型研究

经对南水北调长沟泵站肘型和钟型进水流道分别与平直管式、低驼峰式、虹吸式出水流道组合成10个装置流道方案,进行水力优化设计和CFD计算分析,优选出较佳的2种进水-出水流道与优选的2个转轮模型,再组合成4组泵装置,进行装置模型同台对比试验。试验所得最优泵装置即TJ04-ZL-06模型转轮配肘型进水流道-低驼峰出水流道,在设计工况（对应泵站平均扬程3.66、流量33.5m3/s）时装置效率达78.2%,综合性能达到了较理想的目标,大大提高了装置效率和叶轮中心安装高程,不仅减少了工程投资还节约了年运行费。