竖井贯流泵装置水力设计方案比较研究

竖井贯流泵装置流道顺直、水力损失小,并具有投资较少、结构较简单、安装维护方便等许多优点。为了充分提高这种型式贯流泵装置的水力性能,结合南水北调东线一期工程的邳州站建设的需要,采用三维湍流数值计算的方法,对竖井贯流泵装置进行了水力设计方案比较研究,并分别采用了透明泵装置流态模型试验和泵装置性能模型试验的方法检验竖井贯流泵装置方案比较的成果。研究结果表明：前置竖井贯流泵装置进、出水流道内的流态平顺均匀,流道水力损失小;前置竖井贯流泵装置的水力性能明显优于后置竖井贯流泵装置;经过充分水力设计的邳州站前置竖井贯流泵装置在低扬程条件下得到了十分优异的水力性能,主要工况点的泵装置效率超过83%、临界空化余量小于5m。这种型式的贯流泵装置不仅适用于邳州站,而且也适宜在其它特低扬程泵站推广应用。     

灯泡式贯流泵站机组起动过渡过程仿真计算

为掌握大型贯流泵站同步电动机起动过程中水泵动态流量、装置扬程等水力量及同步电动机的起动电压、起动电流、机组转速等电气量、机械量参数随机组起动历时的变化过程，对贯流泵机组起动过程进行了详细的理论分析并进行了仿真计算。从泵系统整体出发，运用刚体动力学、流体动力学、水力机械全特性理论，分析泵机组系统起动过程中同步电动机的电磁驱动力矩、水阻力矩及其它各种阻力矩动力学特性，建立了大型贯流泵站起动动态过程数学模型，以淮安三站贯流泵为算例，通过仿真计算，揭示大型贯流泵泵站起动过渡过程中各种重要参数如转速、流量、扬程、转矩等随时间变化关系，研究成果对贯流泵站合理设计和安全可靠运行具有重要理论指导意义。     

竖井贯流泵装置内部流动数值模拟与性能分析

优化竖井贯流泵装置的水力性能,应了解包括转轮在内的竖井贯流泵装置的流动特性。采用一维水力设计方法设计了竖井贯流泵装置的进、出水流道,并采用ANSYS CFX软件对前、后置竖井贯流泵装置进行三维定常流动数值模拟。引入平均涡漩角的概念,分析了前、后置竖井贯流泵装置内部流动的差异性,重点对不同形体的进、出水流道的水力性能及前、后置竖井贯流泵装置的外特性进行了分析比较,并通过模型试验得到了前置竖井贯流泵装置的综合特性曲线。结果表明,竖井与直管进水流道水力性能差异较小,出水流道对泵装置能量性能的影响较大。在叶片安放角0°时,前置竖井贯流泵装置最高效率为77.79%,后置竖井贯流泵装置最高效率为78.82%。本文可为竖井贯流泵装置设计及形式选择提供有益参考。     

工况调节与传动方式对贯流泵结构和装置性能的影响

对不同工况调节和传动方式的贯流泵机组结构型式和性能进行了比较。运用计算流体力学,对采用相同水泵模型而工况调节方式不同的3套灯泡贯流泵装置进行数值模拟,评价不同工况调节方式对贯流泵装置性能的影响。计算结果表明,由于机组结构型式不同,在进水流道中安装变角调节机构的水泵装置,取得较低的装置效率,其中较长的进水流道和调节装置对水流的阻碍,降低水泵装置效率1.0～1.5%左右。采用变速调节机构的水泵装置能取得较高的装置效率,部分原因是进水流道较短,部分原因是装置结构型式不同。变频调节机构消耗的功率约占电机输入功率的3～4%,变频调节提高的装置效率,可能抵消不了这部分功率损耗。     

泵段、水泵模型测试段与泵段效率修正

根据低扬程大型泵站泵装置出水流道的水力设计要求,修正了＂泵段＂的定义,计算了水泵模型测试段中进出水管道的水力损失,并对＂泵段＂效率进行了修正;根据修正后的＂泵段＂效率对南水北调东线工程3个泵站设计工况的＂泵段效率＂、流道效率和泵装置效率之间的关系进行了验证性计算。研究结果表明：＂泵段＂宜定义为由水泵叶轮和导叶体这两个最基本的过流部件组成;南水北调工程水泵模型同台测试提供的水泵模型综合特性曲线表达的是水泵模型测试段的水力性能,其中包含了测试段中进水管道和出水管道的水力损失;大型泵站泵装置中的＂泵段＂性能应在水泵模型测试段水力性能的基础上考虑进出水管道水力损失进行修正;由水泵模型测试段性能修正得到的＂泵段＂扬程和效率均较水泵模型测试段高,设计流量时的扬程修正值约为0.15m左右;效率修正值与水泵模型测试段扬程有关,水泵模型测试段扬程愈低,修正值愈大,其幅度约为（1～4）%。流道效率根据流道水力损失及泵装置扬程计算得到,根据流道效率和修正后的＂泵段＂效率对设计工况的泵装置效率进行预测,其结果与泵装置模型试验得到的结果相比小于1%。     

基于特征尺寸规则化的竖井贯流泵装置研究

为了探讨竖井贯流泵装置规则化设计方法,选择了二十余座典型大型竖井贯流泵装置作为统计分析对象,通过分析得出了竖井进水流道和出水流道主要控制尺寸合理取值范围。结合实际工程,基于规则化设计方法,设计了叶轮直径3.2 m的大型竖井贯流泵装置。利用三维湍流数值模拟,分析了规则化设计的竖井进出水流道流动特征、水力损失特性以及进水流道出口的速度分布、速度均匀度和入流角。结果表明,基于规则设计的进出水流道流动平顺,设计工况,进出水流道的水力损失为0.064 m、0.096 m,速度均匀度和入流角为97.63%和87.74°。按照模型比尺10.667设计制作模型水泵装置,构建试验系统,开展了模型水泵装置能量特性试验研究。研究结果表明,基于规则化设计的竖井贯流泵装置在特低装置扬程1.08 m,装置效率达77.5%,设计工况点Q = 25 m3/s、H = 0.62 m的效率达66%,水泵装置效率高。研究结果对竖井贯流泵装置的水力优化设计具有重要指导意义。     

灯泡式贯流泵同步电动机电磁设计的特点

研制的同步电动机是用于南水北调东线一期泗洪站枢纽工程的贯流泵站机组,泵站的特点是扬程低、效率高。工程特点决定了水泵设备必须具备高可靠性及高水利性能。贯流机组设计从进水到出水方向为轴向贯通,能保证流速分布均匀,水力损失小。扬程越低,越能体现低扬程贯流泵的优势。基于以上特殊的工作环境,为保证机组运行的安全、可靠、高效等要求,确定了同步电动机的主要电磁设计参数,介绍了电动机主要结构特点,线电压波形畸变,对电动机输出机械性能进行了校核。     

竖井位置对双向贯流泵装置水力特性的影响

双向竖井贯流泵作为一种可实现双向抽引的低扬程泵装置形式,在平原城市地区应用广泛,而竖井布置位置一直是工程实际中需要考虑的问题之一。本文通过三维造型软件建立模型,并使用全结构化网格划分方法划分竖井流道、直管流道、叶轮段及导叶段网格,数值计算控制方程为连续性方程、k-ε湍流模型方程和雷诺时均方程并采用稳态计算对双向竖井贯流泵装置进行模拟。计算分别模拟了竖井贯流泵的竖井前置、后置两种情况下泵装置叶轮正向反向运行共计四种运行情况的水力性能特性。结果表明,设计工况下无论竖井后置或是前置,泵装置正向运行效率皆高于反向运行。无论泵装置正反向运行,竖井流道和直管式流道作为进水流道时流态皆较为平顺,水力性能差异不大;泵装置正向运行时竖井流道和直管式流道作为出水流道时尽管因造型不同内部流态有所差异但总体水力损失较小。反向运行时出水流道环量不能被导叶回收,产生能量损失较正向运行大,而此时竖井流道作为出水流道水力性能要劣于直管式出水流道。     

高效S形轴伸贯流泵装置内流动特性研究

为深入研究新型高效S形轴伸贯流泵装置流道内部流动特性,采用CFD技术对该泵装置进行了全流道三维定常流动计算,获得了在大流量、小流量和最优工况时泵装置的内部流场。结果表明:在叶片安放角0°的最优工况(泵装置计算最高效率为81%,试验最高效率82.57%,流量系数KQ=0.492,扬程系数KQ=0.830)时进水流道的速度加权平均角为88.8°,轴向速度分布均匀度达到97.51%,水力损失为3.89cm;泵装置流道效率达到98.5%。运行工况范围内,出水流道出口断面的最大速度为1.429 m/s,满足国家标准(GB50265-2010)的要求;在大流量工况时,出水流道的弯管段上侧出现了小范围的漩涡。与该泵装置物理模型试验结果比较可知,数值预测泵装置性能与试验的性能数据符合较好,该泵装置匀顺的整体流动形态使能量损失很小,泵装置性能优异。     

竖井贯流泵不同出水流道型式的对比研究*

竖井贯流泵广泛应用于低扬程和特低扬程泵站,并且常规设计都是采用平直管出水的结构型式。本文提出了竖井进水、虹吸式出水的一种新型结构型式,在保持竖井进水设计和模型泵不变的情况下,采用CFD数值模拟技术进行两种出水流道结构型式的全流道优化设计,并进行性能预测。根据优化设计结果,在高精度试验台上进行两种出水流道结构型式的泵装置对比模型试验。预测和试验结果均表明,在低扬程竖井式贯流泵站,平直管出水和虹吸式出水都是合适的结构型式,其水力性能基本接近,在特低扬程虹吸式出水流道结构型式具有明显优势。