低扬程泵站水动力特性分析与主水泵选型研究

发布时间：2020-04-12 01:09

【摘要】：低扬程泵站广泛用于平原或丘陵地区的防汛抗旱工程。进入新世纪以来,随着南水北调、引江济淮等大型跨流域调水工程的实施,对大中型低扬程泵站的研究又上升到了一个全新的高度。随着技术的逐渐成熟,低扬程泵装置的能量特性已经达到了一个相当优秀的水平,人们对低扬程泵装置的稳定性以及反向发电方面的关注度逐渐提高。为了进一步推进对低扬程泵装置的研究,本文采用理论分析、数值模拟、模型试验三者有机结合的研究方法对部分典型低扬程泵装置的水动力特性以及主水泵的选型方法展开深入研究,主要的研究内容和创新点有:(1)从导叶、有压箱涵式进水流道、泵站反向发电、三维过渡过程、主水泵选型以及轴流泵转子的振动特性这六个方面总结分析了低扬程泵装置水动力特性以及主水泵选型的研究现状。利用CFX自带的CEL语言编写出求解诸如轴向速度分布均匀度、效率等水力性能参数的函数以及为了处理压力信号等参数而利用Visual Basic6.0编写出针对Excel的二次开发程序,为后续的研究提供工具支持。采用不同的湍流模型针对具有反向发电功能泵装置外特性进行全流场数值计算,并将计算结果与模型试验换算至原型的值进行比对,得到了适用于水泵、水轮机两种工况的湍流模型。计算并分析了不同叶顶间隙值对具有反向发电功能泵装置水泵与水轮机两种工况外特性的影响,叶顶间隙会对水泵与水轮机外特性产生明显影响,外特性对叶顶间隙值的大小存在一定的敏感性,因此,叶顶间隙是数值计算时需要考虑的一个重要因素。(2)采用UDF与动网格相结合的数值计算方法,对具有反向发电功能泵装置的三维过渡过程展开研究。首次揭示了启动过渡过程中快速门与小拍门相结合的方案与单纯的快速门方案对泵装置水动力特性的影响。当泵装置的运行工况从水泵额定工况转换为水轮机额定工况时,机组需经历水泵工况、制动工况、水轮机工况这三个历程。水泵断电快速门拒动过渡过程时,机组的外特性随时间变化较大,机组在最高扬程断电时历时约25s左右即达到该扬程下的飞逸转速,并将该飞逸转速值与数值模拟换算至原型值进行对比,过渡过程中叶轮出口处监测点的水压脉动幅值随时间的推移迅速增加。水泵与水轮机工况转换时,流道内会出现水击现象。(3)通过理论计算得到有压箱涵式进水流道的型线方程,利用Visual Basic6.0对Auto CAD2008进行二次开发,编写出一套基于有压箱涵式进水流道型线方程控制参数的参数化流道设计程序。计算并分析了不同进水流道型线控制参数对进水流道目标函数的影响。基于CFX数值模拟与模型试验相结合的研究方法对双向立式轴流泵装置的水动力特性与飞逸过渡过程进行研究,CFX数值模拟得到的飞逸转速值与模型试验换算至原型值相吻合。首次研究发现双向立式轴流泵装置在飞逸过渡过程中导水锥附近并不会产生由于尾水管涡带引起的低频水压脉动。(4)对前置竖井贯流泵装置水动力特性进行了研究,首次发现去掉后导叶体后,在前置竖井贯流泵装置的出水流道内出现了与水轮机尾水管涡带特性类似的涡带,出水流道内出现的涡带在整个出水流道内引起了低频水压脉动。(5)采用基于CFX数值模拟的研究方法,计算并分析了不同轴流泵叶轮与导叶之间的匹配性。叶轮对轴流泵段的水力性能有着决定性的影响,通过更换导叶可以调节水力模型的高效区。两副水力性能相近的轴流泵水力模型互换导叶后对泵段的水力性能没有明显的影响。(6)采用基于ANSYS ACT数值模拟的研究方法,对轴流泵转子在不同工况下的自振特性展开研究。研究结果表明流场对水泵叶轮的影响并不明显,水泵叶轮外包裹的水体对叶轮的振动特性有着较显著的影响。不同运行工况下,轴流泵转子的各阶自振频率均远低于水泵叶轮叶片的通过频率,在实际运行时发生共振的可能性很小。(7)通过对传统低扬程泵站主水泵选型方法的研究分析,提出了新的“特性曲线初选,数值模拟精选”选型方法。基于VisualBasic6.0对Auto CAD2008二次开发的技术,编写出了一套低扬程泵站主水泵选型程序,并成功应用在多个大型泵站的主水泵选型工作中,取得了良好的工程效果。新的选型方法能够满足日益增长的工程需求。
【图文】：

轴向速度分布,立式轴流泵,立式泵

叶轮的进口可以获得较为理想的轴向速度分布均匀度与速度加权平均角，流道损逡逑失较小，水力性能优异单向立式泵装置之间的主要不同点在于出水流道，巨前逡逑使用较多的是平．直管与虹吸管两种结构方式，如图１－１所示。平直管结构简单，逡逑应用较早。虹吸管结构相对复杂，但断流方式方便、可靠，目前江苏省大型立式逡逑单向轴流泵站出水流道结构形式主要以虹吸式为主。逡逑ｄ逡逑图１－１两种典型结构单向立式轴流泵装置逡逑Ｆｉｇｌ－１邋Ｔｗｏ邋ｔｙｐｅ邋ｏｆ邋ｔｙｐｉｃａｌ邋ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ邋ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ａｘｉａｌ邋ｐｕｍｐ邋ｄｅｖｉｃｅ逡逑随着流道设计水乎与ＣＦＤ数值模拟技术的不断发展，单向立式轴流泵装置逡逑的效率不断提高，目前新建泵站的装置效率可达７８％以Ｊｌ。逡逑１．２．１．２双向泵装置逡逑双向泵装置的设计初衷是为了满足双向抽水的程设计目标，，随着时代的发逡逑展，学者们发现可以设计出一种集抽水、自流与＾体的泵装置，于是双向立式泵逡逑装置（见图ｌ－２ａ）便诞生了。双向立式泵站设有四道Ｘ作闸门，分布在流道的四逡逑个端口上，泵站工作时叶轮的旋转方向始终不变，通过四道工作闸门的不同配合逡逑即可实现灌溉、排水、自引、自流的设计目标

灯泡贯流泵

（ａ）邋双向立式泵装置逦（ｂ）平面Ｓ型双向泵装置逡逑图１－２双向泵装置逡逑Ｆｉｇｌ－２邋Ｔｗｏ－ｗａｙ邋ｐｕｍｐ邋ｄｅｖｉｃｅ逡逑传统上双向立式泵装置被认为适用于中高扬程的情况，低扬程以及特低扬程逡逑时应该采用卧式双向泵装置。随着新孟河界牌枢纽的研究建设的进展，双向立式逡逑泵装置在特低扬程时使用的空白将被填补。逡逑１．２．１．３灯泡贯流菜装置逡逑灯泡贯泵装置是贯流式机组的一种，由早期的灯泡贯流式水轮机演化而逡逑来，如图１－３所示机组的结构特点主荽在于灯泡体，灯泡体的存在主荽是为电逡逑机等部件提供安放空间，与竖井贯流式机组不同，灯泡贯流式机组水流从灯泡体逡逑四周绕流而过，水力性能优于竖井式、轴伸式等结构。逡逑图１－３灯泡贯流泵装置逡逑Ｆｉｇ邋１－３邋Ｂｕｌｂ邋ｔｕｂｕｌａｒ邋ｐｕｍｐ邋ｄｅｖｉｃｅ逡逑作为画内第一座灯泡贯流栗站，淮安三站自１９９７年建成并投入使用以来＾逡逑直存在着机组超功率、空化严重等问题＜？淮安三站存在的问题某种程度上阻碍了逡逑３逡逑
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV675

【参考文献】