30°斜式进水流道数模分析与泵装置特性试验研究

利用三维湍流数值模拟对某30°斜轴进水流道水力特性进行了分析,研究了设计流量工况下流道的内部流场、不同横断面和纵剖面速度等值线、出口断面速度均匀度和速度加权平均角以及流道水力损失。研究结果表明,斜式进水流道水流处于均匀渐缩,内部流态良好,无漩涡或脱流,出口断面流速分布均匀度Vu=98.2%,速度加权平均角度θ=88.42°,流道水力损失Δh=5.9cm,流道型线合理。试验研究了30°斜轴模型泵装置能量特性、空化特性和飞逸特性,得到5个叶片角度下模型和原型泵装置能量特性曲线、3个不同叶片角度下空化特性及叶片角-2°下的单位飞逸转速和单位飞逸流量。试验结果表明,模型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83%,较大范围运行工况下的空化性能优良,飞逸转速安全。研究结果对低扬程泵站水力优化设计具有重要的参考价值。     

主泵的全流道CFD分析

本文介绍了采用 CFD 技术首次对主泵机组进行的全流道计算分析。并将多个工况的全流道计算结果与试验结果进行比较,表明该计算方法是成功的。     

箱型双向流道轴流泵装置内部流动的数值模拟和试验研究

箱型双向流道泵装置结构简单,实用性好,然而传统的箱型双向流道泵装置存在泵装置效率较低、进水流道内易产生水下漩涡的问题,导致机组振动,危害运行安全。针对此类问题提出新型曲线扩散出水结构和进水导流墩设计方案,用于箱型双向流道泵站的更新改造。通过箱型双向流道泵装置内流场的数值模拟计算,分析了流动规律,获得了泵装置外特性曲线。同时在标准模型水泵试验台上进行了模型的性能试验,并与计算的性能曲线进行了比较,二者在高效区较为接近,说明计算可信。新的设计方案提高了泵装置效率,消除了水下漩涡,可以有效地保证泵机组运行的经济性和安全性。     

钟形箱涵式进水流道泵装置特性模型试验研究

对钟形箱涵流道过流特性及流态进行了试验分析,结合浦东薛家泓泵站模型试验,对钟形箱涵流道立式潜水轴流泵站模型泵装置的能量、气蚀、飞逸特性进行了全面试验研究,得出泵装置综合性能曲线及飞逸特性曲线,同时用示踪线法对进水流道内的流态进行了观察研究,试验分析了不同导流方案对模型泵装置能量特性的影响,提出了改善流态的有效措施,对优化设计高效潜水轴流泵装置提出了几点建议。研究成果不仅对薛家泓泵站设计和施工提供了必要依据,对提高泵站运行维护水平,保证同类泵站安全可靠运行起着重要的指导作用。     

泵装置模型试验模拟方法分析

本文从流体力学的一般原理出发,运用相似理论的方程分析法,系统地分析泵装置动力特性、空蚀特性、飞逸特性的相似模拟方法,阐述了相似准则之间的关系、参数换算比尺及模型试验要点,推导得出了泵及泵装置效率换算新的计算公式,并给出水力效率换算系数的理论表达。     

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。     

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。     

3种泵轴倾角斜式进水流道水力性能的比较

采用三维湍流流动数值计算的方法,对泵轴倾角为15°、30°和45°的3种斜式进水流道的水力性能分别进行了较为深入的研究,并对3种泵轴倾角的斜式进水流道分别进行了流道模型试验研究.结果表明:3种泵轴倾角斜式进水流道内的流态平顺均匀、水力损失小、水力性能优异,可为水泵叶轮室进口提供近乎理想的流态;斜式进水流道出口的目标函数...     

S形轴伸贯流泵装置时变湍流场的脉动特性分析

为研究S形轴伸贯流泵装置时变湍流场内部压力脉动规律,应用CFD技术对S形轴伸贯流泵装置流道内部流动开展了三维非定常数值模拟,并将泵装置性能预测结果与模型试验结果进行了对比。获取了3种特征工况(小流量工况KQ=0.368,高效工况KQ=0.460,大流量工况KQ=0.552)时泵装置流道内部关键位置处21个监测点的压力脉动信息,并对其进行了时域和频谱分析。结果表明:进水流道出口处水流的脉动以叶片通过的频率为主,压力脉动幅值从流道壁面侧向轮毂侧逐渐减小。流量系数KQ从0.368增至0.552时,进水流道出口各监测点的脉动幅值随之减小。出水流道弯管段进口的平均压力系数幅值与流道中部的平均压力系数幅值相差不大,最大差值仅为0.0005,水流诱发的出水流道内部压力脉动较小。受导叶体出口环量的影响,相同流量系数时出水流道内各监测点的脉动主频差异较大,不同流量系数时相同测点的脉动主频也略有差异。     

三峡水电站蜗壳充水加压模型试验研究

本文采用模型试验的方法对三峡水电站蜗壳及外包混凝土结构研究，主要研究蜗壳在充水加压条件下浇筑混凝土后结构的受力状态和破坏规律。通过试验，初步弄清了蜗壳、混凝土和钢筋三者之间的受力关系。试验结果表明：在设计荷载下，蜗壳与外包混凝土可以共同受力，配置的钢筋起的作用较小，结构的安全性可以得到保证。     

南水北调东线江都四站装置模型的试验研究

为了保证南水北调东线江都四站实型机组高效稳定运行,对模型装置不同叶片转角下的装置性能、空化性能和飞逸转速进行了测量,确定了水泵的扬程、效率与流量之间的关系和不同工况下的最大飞逸转速.试验结果表明,装置模型流量大、效率高,符合节能改造要求,在叶片转角ψ为+2°时,最高效率达到79.34%.采用高频振动加速度传感器对不同工...     

大型泵站双孔出水流道偏流分析

原型观测和模型试验都表明,轴流泵和导叶式混流泵双孔出水流道两孔流量不等,存在偏流.指出流道水力损失与水流环量有关,分析偏流对流道水力损失和泵装置效率的影响,研究偏流形成机理,提出消除偏流的方法.结果表明:水泵出流环量和出水弯管二次流共同作用形成了出水流道偏流,偏流使出水流道水力损失增大,泵装置效率下降.增大后导叶出口安放角,可以消除环量和偏流,提高泵装置效率1.6～2.4个百分点.     

大型立式混流泵装置水动力特性数值模拟

应用k-ε和k-ω相结合的SST湍流模型封闭控制方程,对立轴蜗壳式混流泵装置的内部流动结构进行数值模拟。采用全隐式网格耦合求解,计算中考虑了叶轮叶顶间隙的影响。通过计算获得了泵装置全流场,分析了蜗壳出水室的流态和叶轮的水力特性,预测了泵装置性能并与试验值进行了比较。结果表明：蜗壳出水室内的流动为轴向流动与环向旋转的合成流动,静压分布较对称,出口断面轴向流速分布均匀度和速度加权平均角相对较低;叶片表面的静压分布呈现较为清晰的规律,叶片表面静压分布比较均匀,压力面的静压整体上比吸力面要高;随着流量的增大,叶轮承受的轴向力渐小,而径向力则先减小后增大;数值模拟预测的性能结果与试验的性能结果相比较,前者高于后者,趋势基本一致。     

大型双向贯流式潜水泵装置的研究与应用

采用RNG k-ε紊流模型,通过对泵装置内部流动特性的三维紊流数值模拟,研究了城市引排水泵站大型双向贯流式潜水泵模型装置的性能。分析了不同导叶对泵装置水力性能的影响。计算结果表明,采用短直导叶的装置在正反向抽水时的性能均能较好地满足设计要求。模型试验的结果确认了双向贯流式潜水泵装置的优良性能,在扬程（1.45-1.65）m时正反向最高效率均已超过62.5%,验证了数值模拟计算的结果。泵装置内部流动特性数值模拟有助于对泵装置结构优化,对双向泵装置在高效区的性能预测是可信的。该泵装置已在城市生态引水及防洪排水工程中成功应用。     

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%。     

大型立式轴流泵站起动过渡过程研究

本文从水量平衡及水泵机组力矩方程出发,建立起水泵从起动到同步的微分方程式。在计算过程中,比较完整地考虑了各种阻力矩对起动过程的影响,同时重点考察了平直管出水流道,具有快速闸门带小拍门断流装置形式的起动效果。最后,通过对计算结果的分析及运行方案对比,判断机组能否顺利牵入同步和扬水,最终进入稳定工况运行,从而为泵站的设计及运行提出科学合理的建议。     

调水兼顾排涝的贯流泵站机组及工况调节方式定量选择

对于调水、排涝设计扬程相差较大的泵站,泵机组选型比较困难。以南水北调东线金湖泵站为例,同时满足泵站调水、排涝抽水流量,在众多可能泵机组方案中,筛选出可行方案。再在可行方案中,考虑泵站运行扬程变化、运行时间、变工况优化运行、运行费用和设备投资等因素,以泵站寿命期内设备投资和运行费用之和最少为目标,建立泵站总费用计算模型,研究不同工况调节方式的最优运行方案,提出工况调节方式定量选择方法。分析确定了泵站3种可行机组方案,对可行方案的贯流泵装置、工况调节方式以及配套电机功率进行计算。结果表明：金湖泵站宜选用泵型Ⅲ,变角工况调节方式,配套电机功率1800 kW。泵机组及其工况调节方式定量选择方法可以推广应用。     

加导叶轴流泵水动力特性研究

用数值方法计算了加导叶轴流泵的水动力特性.在质量守恒定理和动量守恒定理的基础上建立不可压缩流体的积分方程,以SIMPLE为基本算法,结合速度修正方程和压力修正方程,求解轴流泵的内部速度场和压力场,采用基于二方程雷诺数时均方程方法研究轴流泵的湍流模型.用数值方法建立轴流泵的三维数学模型,用混合网格布置方法提高计算精度.分析了不同流量下加导叶轴流泵器的流量和扬程、功率和效率的关系;研究了导叶对轴流泵水动力性能的影响.     

一种具有储能功能的新型电气制动装置研究

基于超级电容储能原理,具有储能功能的水轮机组电气制动装置,即超级电容储能制动装置(Super Capacitor energy storage Brake Device,SCBD),SCBD可以在发电机故障情况下甩负荷时用于调节发电机转子动能量,以提高机组暂态运行的稳定性,还可在发电机正常停机过程中用于制动发电机转子,辅助水轮机组快速停机。为了验证SCBD在水轮机组暂态运行中所起的作用,采用微分代数多指标非线性控制(Differential Algebraic Multi-index Nonlinear Control,DAMNC)方法对水轮机励磁系统与SCBD进行非线性协调控制设计。仿真结果表明:SCBD具有良好的电气制动效果,明显提高了系统暂态稳定性,动态、静态性能均能得到很好协调。