（农业水土工程专业论文）轴流泵水力模型系列型谱及其应用软件研究与开发.pdf

摘要 摘要 基于轴流泵水力模型系列型谱进行设计选型是目前泵站设计主要采取的方 法。当前，国内还没有具有实际应用价值的轴流泵水力模型系列型谱软件，因此 开发轴流泵水力模型系列型谱及其应用软件具有很大的应用价值和现实意义。 2 0 0 4 年水利部会同国家质量监督检验检疫总局开展了南水北调水泵模型同 台测试工作，参试的轴流泵水力模型涵盖了轴流泵的扬程使用范围，形成了系列， 为轴流泵水力模型系列型谱的编制提供了良好的依据。 本文以南水北调工程水泵模型同台测试成果为主要资料，在m i c r o s o f t w i n d o w s 操作系统下用v i s u a lc + + 和m a t l a b 联合开发了轴流泵水力模型系列型 谱及其应用软件。其中，对试验数据的拟合方法、依据系列型谱进行轴流泵水力 模型选择的方法和步骤进行了较为深入的研究。软件具有友好的人机交互界面和 良好的开放性，为大中型轴流泵站设计中水力模型的选择提供了便捷的操作和比 选平台。 关键词：轴流泵；水泵综合特性；水力模型选择；软件开发 a b s t a b s l r a c t n o w a d a y s ，t h es e l e c t i o no fp u m pb a s e do nt h es p e c t r u mf o rh y d r a u l i cm o d e lo f a x i a lf l o wp u m pi ss t i l lam a i nm e t h o do fp u m p i n gs t a t i o nd e s i g n h o w e v e r , t h e r ei s n os u c hk i n do fs p e c t r u ms o f t w a r ew i t hah i g hv a l u ei nc h i n a s od e v e l o p i n gt h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r eo fs p e c t r u mf o rh y d r a u l i cm o d e lo fa x i a lf l o wp u m ph a sah i g h l y p r a c t i c a lm e a n i n g t h em i n i s t r yo fw a t e rr e s o u r c e sa n dt h eg e n e r a la d m i n i s t r a t i o no fq u a l i t y s u p e r v i s e ，i n s p e c t i o na n dq u a r a n t i n es t a r t e dam o d e lp u m pt e s ti n2 0 0 4 a n dt h e m o d e lp u m p sh a v ec o v e r e dt h eg e n e r a lh e a ds c o p ea n db e c a m eas e r i e s t h er e s u l t s c a np r o v i d eg o o dm a t e r i a l sf o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h e a p p l i c a t i o n s o f t w a r eo f s p e c t r t t mf o rh y d r a u l i cm o d e lo f a x i a lf l o wp u m p i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo fs p e c t r u mf o rt h eh y d r a u l i cm o d e lo f a x i a lf l o wp u m pi sd e v e l o p e db yv i s u a lc + + a n dm a t l a bu n d e rm i c r o s o f tw i n d o w s b e s i d e s ，t h ef i t t i n gm e t h o do fc o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dt h em e t h o da n d p r o c e d u r eo fh y d r a u l i cm o d e lp u m ps e l e c t i o nh a v eb e e nf u r t h e rs t u d i e dh e r e t h e s o f t w a r eh a saf r i e n d l ym a n c o m p u t e ri n t e r f a c ea n dag o o do p e n i n gc h a r a c t e r i s t i c ， w h i c hc a np r o v i d eac o n v e n i e n ta n dc o m p a r a t i v ep l a t f o r mf o rt h es e l e c t i o no fm o d e l p u m pi nt h ed e s i g no fl a r g eo rm i d d l es c a l ea x i a lf l o wp u m p i n gs t a t i o n k e yw o r d s ：a x i a lf l o wp u m p ；c o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i s t i c o fp u m p ；s e l e c t i o no f h y d r a u l i cm o d e lp u m p ；s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 学位论文独创性声明： 本人所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 敝作者c ：釜幽砂净岁月才日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者c 签孙釜壁蜩 砷够脚 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究的意义 几十年来我国泵站特别是大型泵站建设十分迅趔1 】_ 【3 】，主要集中在长江三角 洲、洞庭湖地区、江汉平原、珠江三角洲及杭嘉湖等地区，以排涝、调水为主。 目前，我国已建及计划待建的大型泵站工程9 0 以上为低扬程泵站，绝大多数 安装轴流泵。目前我国轴流泵产量基本上维持在年产1 0 0 0 0 台左右。生产的大中 型轴流泵共计有4 0 多种型号、5 0 多种不同规格。其中，属于大型的有1 0 多种 型号、1 5 种规格，已经能制造口径为4 5 0 0 m m 、流量为5 7 5 d s 的大型轴流泵。 大型轴流泵的选型设计需要以小尺寸的模型泵性能为基础资料，性能优秀的 轴流泵水力模型是高质量建设大型轴流泵站的前提条件。我国轴流泵的发展走过 了一条由仿制到自主设计开发的道路m h g 。2 0 世纪6 0 年代初期以前，生产的大 型轴流泵，主要参照前苏联的轴流泵水力模型，如比转数n 。= 5 0 0 ( 苏0i i 型) ， n s = 7 0 0 ( 苏p v a 型) 和n 。= 7 0 0 ( 美3 5 8 0 型) 。6 0 年代中期，研制了d = 1 5 4 0 m m 的6 4 z l b - - 5 0 型轴流泵。7 0 年代术8 0 年代初，研制了一批n ，= 5 0 0 、7 0 0 、1 0 0 0 、 1 2 5 0 、1 4 0 0 和1 6 0 0 的优秀轴流泵水力模型，其水力性能与先进国家不相上下。 2 0 世纪9 0 年代以来，江苏大学、中国水利水电科学研究院、扬州大学等单位经 过研究开发又研制了不少性能较优秀的轴流泵( 包括贯流式轴流泵) 水力模型。 南水北调东线一期工程需要新建2 l 座和改建3 座大型低扬程泵站，考虑到 优秀轴流泵水力模型性能资料来源渠道比较多，性能测试和数据分析整理的条件 也有差别，为了保证东线水泵前期工作的设计质量，水利部在南水北调前期工作 阶段开展了水泵模型同台测试工作1 3 1 。为了保证水泵模型同台测试工作在公平、 科学、可靠的条件下进行，建立完整的组织体系和监督机制，选择中水北方勘测 设计研究有限责任公司( 原水利部天津院) 为水泵模型同台测试工作的承担单位， 负责水泵模型l 刊台测试的全部工作，于2 0 0 4 年9 月2 8 日至2 0 0 5 年1 月1 6 日在 南水北调j = 程水泵模型试验台( 技术鉴定结论：试验台运行稳定，重复性好，泵 效率测量综合误差小于0 3 ，试验台综合技术居国内领先水平) 完成了公开 征集的2 5 台轴流式水泵模型和2 台导叶式混流模型泵泵段效率和汽蚀性能测试。 河海大学硕士学位论文 从2 0 0 4 年南水北调水泵模型同台测试结果看，参试的轴流泵水力模型涵盖 了轴流泵的扬程使用范围，形成了系列，而且性能也比较优秀，因此具备了编制 轴流泵水力模型系列型谱的基础条件。尽管有些特别重要的或者有特殊要求的泵 站选型可以象大中型水电站设计选型那样采用针对性水力模型研究与开发，但由 于泵站建设周期较短，轴流泵应用扬程变幅不大，目前水力模型系列基本以0 5 m 分档开发，因此编制轴流泵水力模型系列型谱，并据此进行选型应是主要的方法， 可以使得轴流泵站设计选型方便快捷。目前国内还没有具有实际应用价值的轴流 泵水力模型系列型谱，因此在分析研究基础上开发轴流泵水力模型系列型谱及其 应用软件具有较大的现实意义和重要的应用价值。 1 2 国内外的研究现状 我国的机电排灌设备在数量上居世界首位，工程规模也跻身于世界前列，但 是与国外相比，总体技术水平有一定差距，主机泵及其配套设备的品种规格和制 造质量方面差距较大，水利行业有关水泵模型及水泵装置的专用软件在我国的开 发也比较少。 关于水泵设计和选型国外的一些跨国公司如w j i r 、s i m p s o n 、三菱等都拥有 专用的软件【1o 】【1 4 1 。美国的p a c o 公司对自己的离心泵产品系列研制了水泵选型 软件p a c os e l e c t l l 5 1 ，其主要功能是：根据设计工况的泵流量、泵扬程及泵转 速等，从该公司的泵目录中选择合适的泵产品，并以泵效率最优为目标进行优化。 该软件还提供了离心泵的车削调节设计功能，可用图表、曲线等方式显示流量、 扬程、功率等参量的变化。该系统用于p a c o 公司的销售人员推销产品。 我国低扬程水泵的水力模型从五十年代以来一直采用前苏联的p v a 型，水 力模型比较单一，比转数缺档较多。从八十年代以来，有关高校和研究院以及水 泵生产厂家投入较大力量研制、开发出不同比转数的先进的低扬程泵水力模型， 取得了丰硕的成果。近年来，随着计算机的普及，泵装置选型、设计越来越多地 受到关注，开发了一些专用软伊1 6 l - 【2 0 】，在较大的程度上满足了工程实际的需要。 太原工业大学吴建华、贾货民等【2 ”以年运行费用为目标函数，考虑泵站投资 2 第一章绪论 折旧、泵站年运行管理费( 包括电耗费、大修费、管理费及维修费) ，即以经济 指标为优化函数进行水泵选型优化，该方法对泵站优化设计有所提高和发展。但 是，使用该系统前提条件是必须已经完成流道的水力设计；而且求解水泵工作点 要求用户输入水泵性能曲线及管路需要扬程曲线方程有关数据，因而要求用户完 成的工作和输入的信息较多。 扬州大学鄢碧鹏硕士论文水泵选型专家系统研究1 2 2 1 ，主要分析和研究了 水泵选型方法、判别准则、评价模型等，提出了在水泵选型中必须同时考虑水泵 装置对水泵扬程和流量损失的影响、选型应使装置效率最高的观点，建立了利用 层次分析方法综合评价水泵性能的数学模型，在分析各种装置形式的性能特点 后，提出了判别轴流泵的方法。 华中理工大学张学明、张克危1 2 3 】等开发了泵站选型专家系统( p u m p 。s t a t i o n s e l e c t i o ne x p e r ts y s t e m ，简称p s e s ) ，是一个适用于特定领域的专家系统，包括 三个主要组成部分：知识库、推理机和人机界面。但该专家系统不能提供用户参 与设计的机会，而优秀的系统软件应能方便地提供人机接口；专家经验与专家之 间毕竟存在很大的差距，所以仅靠软件不可能解决所有工程实际问题。 综合比较，现有的关于水泵选型的应用程序，大都以水泵产品库为基础，开 放性较差，甚至没有开放性；在数据拟合方面，采用传统的最小二乘法拟合，易 出现拟合曲线的振动即龙格现象，泵段综合特性曲线中的等效率曲线拟合往往根 据数据的拟合趋势示意画出因而精度较差。因此开发和建立具有友好人机交互界 面和良好丌放性的轴流泵水力模型系列型谱及其应用软件，可为大中型轴流泵站 设计中水力模型选择提供便捷的操作、比选平台，有利于优秀水力模型的推广， 可以促进国内水泵选型整体水平的提高。 1 3 本文主要研究内容 本文以南水北调工程水泵模型同台测试成果为主要资料，在m i c r o s o f t w i n d o w s 操作系统下用v i s u a lc + + 、m a t l a b 建立和开发了轴流泵水力模型系列 型谱及其应用软件，通过计算和可视化编程，实现了试验数据的可视化，具有友 河海大学硕士学位论文 好的人机交互界面和良好的开放性。 软件的编制分为泵段综合特性模块、水泵模型选择模块和模型泵数据维护模 块三部分，同时对轴流泵综合特性、依据系列型谱进行轴流泵模型选择的方法和 步骤等方面进行了较深入的研究。 4 第二章软件开发总体设计 第二章软件开发总体设计 可视化技术作为当前发展迅速并引人注目的技术之一，把原来抽象的数字、 表格、功能逻辑等用直观的图形、图像的形式表现出来是可视化技术的主要特点。 因此，轴流泵水力模型系列型谱及其应用软件的开发过程就是利用计算机可视化 技术对轴流泵综合特性试验数据的处理过程和对实际工程条件下水力模型的优 选过程。 2 1 开发思想和实现技术 2 1 1 软件开发环境 轴流泵水力模型系列型谱及其应用软件根据对轴流泵综合特性曲线、水泵模 型选择的深入研究，采用高级编程语言进行软件开发。本软件需要计算的部分采 用目前广泛应用于数值计算的m a t l a b 软件来编程，采用v i s u a lc + + 和m a t l a b 软 件自带的g u i 工具进行界面的设计和数据的可视化，并利用相关计算机技术实 现界面v i s u a lc h 和m a t l a b 软件的结合和数据的传输1 2 4 h 3 3 1 。 v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司推出的目前使用极为广泛的基于w i n d o w s 平台 的可视化编程环境，其功能十分强大。v i s u a lc + + 支持面向对象编程技术，支持 组件共享，不仅可以提高软件系统开发的速度，而且可以大大提高软件的质量。 v i s u a lc + + 提供了大量的实用工具以支持可视化编程，如项目工作区、类向导 ( c l a s sw i z a r d ) 、应用序向导( a p p w i z a r d ) 、向导栏( w i z a r d b a r ) 、控件 ( c o n t r o l s ) 等，这些工具可用于设计界面和实现各种功能，减少了编程人员的 工作量，简化了界面设计过程，从而有效的保障了应用程序的运行效率和面向对 象的可靠性。 m a t l a b ( m a t r i x 和l a b o r a t o r y 两词的前三个字母组合) 是由m a t h w o r k s 公司推出的具有强大数值计算能力、数据可视化能力及符号计算功能的数 学软件，不仅可以很容易的进行数值分析、数据处理、优化分析、自动控制、信 号处理等方面的数学计算，同时还可以实现计算可视化、图形绘制、图像处理、 虚拟现实等分析处理工作，是目前国际上最流行、应用最广泛的科学工程计算软 河海大学硕士学位论文 件，在设计研究单位和工业部门，m a t l a b 被认作进行高效研究、开发的 首选软件工具。 2 。2m a t l a b 与v i s u a lc + + 接口 实现v i s u a lc + + 和m a t l a b 的混合编程是实现本软件的一个关键，即可以发 挥m a t l a b 在数学计算和数据图形绘制等方面的优势又提高了代码执行速度。因 r 两者的结合能最大限度的发挥它们的优势，给工程应用提供快捷有效的实现 方法。实现v i s u a lc + + 和m a t l a b 的混合编程，既可以用m a t c o mt 具，也可以用 m a t l a b 自带的m a t l a b 编译器( m c c ) ，c o m b u i l d e r 工具。 本文采用m a t l a b 编译器( m c c ) 与v c + + 对接。 m c c 是m a t l a b 中经过优化的编译器。使用m c c ，用户可以将m a t l a b 数学 库、图形库和界面的m a t l a b 函数文件( m 文件) 转化为独立于m a t l a b 的独立应用 稃序( e x e 程序) 或软件组件( d l l 动态连接库) 。编译器根据最后要生成的目标 带州生成合适的打包器文件，打包器文件包含编译后的应用程序和所支持的可执 行对象之间的接口并且根据执行环境的不同而有所不同。为了提供必要的接口， 矗包器可以完成指定的初始化和终止运行工作，定义包含路径信息、加密密匙和 m a t l a b 组件运行时( m c r ) 所需要的其他信息的组件，提供传递接口函数调用 m c r 中m a t l a b 函数时的必要代码。m a t l a b 编译器生成的组件技术文件( c f t ) 与最后生成的目标类型( n - i 执行文件或库) 是独立的。打包器文件会提供与目标 文件类型之间的必要接口。 以下是配置m a t l a b 编译器( m c c ) 及编译器与v c + + 对接的步骤：。 配置m a t l a b 编译器。用“r e b u i l d s e t u p ”将m a t l a b 编译器设置为v i s u a l c 十卜6 o ： 编译m 文件。以带“一v ”选项的m c c 命令编译m 文件，这里假设m 文件 名为p r o j e c t m ，则命令如下： m e , e - bc s h a r e d l i b ：l i b p r o j e c tp r o j e c t m v 将p r o j e e t m 文件编译成库文件l i b p r o j e e t ； 6 第二章软件开发总体设计 添加库文件。刨建v c + + 工程，进入菜单栏中的“t o o l s o p t i o n s ”，在对 话框中选择“d i r e c t o r i e s ”选项卡，在右侧“s h o wd i r e c t o r yf o r ”下拉列表中选 择“l i b r a r yf i l e s ”，然后在下面的“d i r e c t o r i e s ”栏中添加“ e x t e m 、i n c l u d e ”目录； 添加头文件。在上步“s h o w d i r e c t o r y f o r ”下拉列表中选择“i n c l u d e f i l e s ”， 然后在下面的“d r e c t o r i e s ”栏中添加“ e x t e m i n c l u d e ”目录； 设置编译链接选项。进入菜单栏中的“p r o j e c t s e t t i n g s ”对话框，选择 “g e n e r a l ”选项卡，在“m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ：”的下拉菜单中选择“u s e m f ci nas t a t i cl i b r a r y ”；再选择“l i n k ”选项卡，在“o b j e c t l i b r a r ym o d u l e s ：” 中添加m c l m c r r t 1 i bl i b p r o j e c t 1 i b ； 添加m c c 编译文件。将用m e t 编译“p r o j e c t m ”生成的“l i b p r o j e c t h ”、 “l i b p r o j e c t 1 i b ”、“l i b p r o j e c t d l l ”和“l i b p r o j e c t c t f 文件拷贝到当前工程目录下， 并通过p r o j e c t - a d dt op r o j e c t - f i l e s 选择拷贝到当前目录下的文件，将文件引 入工程，并在对话框程序文件中添加头文件“l i b p r o j e c t h ”和“m c l m c r h ”，格式 如下： # i n c l u d e “l i b p r o j e e t h ” # i n c l u d e “m c l m c r h ” 初始化进程。在o n l n i t d i a l 0 9 0 函数中添加以下代码，以便在进行对话 框初始化后，进行初始化l i b t e s t d l l 进程，代码置于对话框初始化与进程返回之 间。 i f ( ! m c l l n i t i a l i z e a p p l i c a t i o n ( n u l l o ) ) 。 a f x m e s s a g e b o x ( c o u l dn o ti n i t i a l i z et h ea p p l i c a t i o n ) ；e x i t ( 1 ) ； i f ( ! l i b p r o j e c t l n i t i a l i z e ( ) ) ( a f x m e s s a g e b o x ( c o u l dn o ti n i t i a l i z et h el i b r a r y ”) ；e x i t ( 1 ) ； 调用m l f 函数。在要调用函数的响应代码中添加： m l 邱r o j e c t 0 ； 7 河海大学硕士学位论文 进程终止与资源释放。利用c l a s sw i z a r d 为对话框添加o n d e s t r o y ( 1 函数， 并添加以下代码。 c d i a l o g ：o n d e s t r o y ； l i b p r o j e c t t e r m i n a t e o ； m c l t e r m i n a t e a p p l i c a t i o n 0 ； 2 1 3 独立应用程序发布 用m a t l a b 编译器创建组件以后，可以将它分发或部署到其他机器上，使其 他用户可以不依赖m a t l a b 的情况下使用该组件。 首先，终端用户需要在目标机器上运行一次m c r l n s t a l l e r 程序。目标计算机 指的是即将运行应用程序或库的机器。在w i n d o w s 操作系统中，m c r i n s t a l l e r 是一个可自解压可执行程序，它可安装运行应用程序所必需的组件，其具体路径 为m a t l a b e x t e m l i b w i n 3 2 u v l c r i n s t a l l e r e x e 。 接着，将打包好的组件分发给终端用户。在m a t l a b 与v c + + 对接的应用程序 中，需要将工程文件中的可执行程序( e x e ) ，共享库( d i d 和共享库对应的c t f 文件复制到目标计算机上，即可运行程序了，并且程序独立于m a t l a b 环境。 2 2 软件的功能及组成 轴流泵水力模型系列型谱及其应用软件始终以智能化自动处理和人机交互 为两条并行主线3 4 h 3 6 1 ，建立以泵段特性和水泵模型选择为一体的总体设计集成 环境，主要用以实现如下功能： 轴流泵水力模型主要参数查找； 模型泵综合特性曲线的绘制； 模型泵与原型泵性能换算和原型泵综合特性曲线的绘制； 水泵模型选择； 水力模型的添加、修改和删除。 第二章软件开发总体设计 软件分别由开始界面，系统说明，主菜单和各功能模块组成，图2 1 与图2 2 分别为本软件的界面和主菜单。 图2 1 轴流泵水力模型系列型谱及其应用软件主界面 图2 2 轴流泵水力模型系列型谱及具应用软件主菜单 本软件主要包括泵段综合特性、水泵模型选择和模型泵数据库维护等三个部 分。其功能概述及设计流程图如图2 3 所示。 9 河海大学硕士学位论文 图2 3 软件设计流程图 1 0 第三章泵段综合特性模块设计 第三章泵段综合特性模块设计 泵段综合特性模块是轴流泵水力模型系列型谱及其应用软件最重要的组成 部分，这一部分将各水力模型的特性以参数和综合特性曲线的方式表现出来，形 成了一个覆盖轴流泵使用扬程范围的轴流泵水力模型系列型谱；同时，通过这一 部分的原型泵综合特性予模块可实现从模型泵到原型泵的性能换算。在试验数据 处理方面，本文采用b 样条函数法拟合数据，避免了传统拟合方法中出现的摆动 和几何形状不易控制的问题。 3 1 轴流泵水力模型型号 参加2 0 0 4 年天津水泵模型同台测试的轴流泵水力模型基本覆盖了轴流泵使 用扬程范围，形成较完整的水力模型系列，能够代表当前国内轴流泵水力模型研 制的先进水平，从而为编制轴流泵选颦型谱创造了良好条件。 参照有关资料并结合实际，对轴流泵水力模型型号做了规定，一个完整的轴 流泵水力模型型号表达如下： z m 模型特征扬程一名义比转数受试方代号天津同台测试编号 具体说明如下： z m ：轴流泵水力模型； 模型特征扬程：数值保留小数点后一位，小数位规整为0 ，5 ； 名义比转数：三或四位整数； 受试方代号：j ( 江苏大学) ；y ( 扬州大学) ；h ( 中国水科院) ；w ( 无锡水 泵厂) ；g ( 高邮水泵厂) ；z ( 华中科技大学) ；q ( 清华大学) ； 天津同台测试编号：如0 2 ，1 9 等。 本文综合考虑2 0 0 4 年同台测试2 5 个轴流泵水力模型测试成果优秀程度和对 参试时具体情况的调研，对其中的1 8 个优秀水力模型确定进入轴流泵系列水力 模型系列型谱。 河海大学硕士学位论文 入谱水力模型的比转数在5 5 0 1 2 5 0 之间，模型扬程范围为3 5 m 9 5 m 。 轴流泵水力模型系列型谱及其应用软件将各水力模型以各受试方代号为一个组 织单元按照扬程由低到高的顺序编入型谱，根据上述型号规定，对1 8 个轴流泵 水力模型型号编制如表2 1 所示。 表3 1 入谱水力模型型号一览表 序号轴流泵水力模型型号序号轴流泵水力模型型号 l z m 3 5 - 1 2 5 0 j 0 7 1 0z m 5 0 - 1 0 0 0 y 2 2 2 z m 4 5 - l o o o j 0 6 1 1z m 5 5 - 9 0 0 y 2 1 3 z m 6 0 - 8 5 0 j 1 9 1 2z m 6 o 8 5 0 y 1 2 4 z m 6 5 - 8 0 0 j 2 0 1 3 z m 6 5 - 8 0 0 y 2 6 5 z m 6 5 - 7 5 0 j 0 4 1 4 z m 7 0 7 5 0 y 1 1 6 z m 7 5 - 7 0 0 j 0 2 1 5 z m 7 0 7 5 0 y 2 4 7 z m 8 5 6 0 0 j 0 3 1 6 z m 7 5 7 0 0 y 2 5 8 z m 9 5 - 5 5 0 j 0 8 1 7 z l l 4 5 - 1 0 0 0 w 1 5 9 z m 4 5 - 1 0 0 0 y 2 3 1 8 捌7 5 - 7 0 0 g 1 3 3 2 模型泵综合特性 3 2 i 模型泵主要参数 模型泵的主要参数包括几何参数和工作参数。 几何参数反映水泵的主要尺寸及几何形状。其中包括模型泵叶轮叶片数、导 叶叶片数、转轮直径、轮毂直径、轮毂比、叶片间隙、叶片端部厚度和叶片根部 厚度等不同参数。 工作参数反映水泵的性能状况，有流量、扬程、功率、效率、转速、允许吸 上真空高度或汽蚀余量和机械损失转矩等。本文采用两种方式表征模型泵的最高 效率点参数，一种是常规的流量、扬程( q - h ) 形式，另一种是流量系数、扬程 系数( k q k n ) 形式。轴流泵流量系数和扬程系数的表达式如下： 铲器 1 2 第三章泵段综合特性模块设计 ， 3 6 0 0 h 2 i 瓦 其中：q 泵流量( 1 n 3 s ) ； 日泵扬程( m ) ； 水泵流量系数； “水泵扬程系数； h 。模型泵试验转速( r m i n ) ，一般为1 4 5 0 r m i r a d 。模型泵叶轮直径( m ) ，一般为0 3 0 m 。 表3 1 为进入型谱的轴流泵水力模型系列主要参数表。 3 2 2 模型泵综合特性程序设计与功能分析 在泵段综合特性模块中，模型泵综合特性部分集中反映了各入谱模型泵的主 要参数，包括几何参数和工作参数；同时，可以查阅相应模型水泵的综合特性曲 线，其中包括常规的以扬程一流量( q - h ) 方式表达的综合特性曲线和以流量系 数一扬程系数( k q k a ) 方式表达的综合特性曲线。 模型泵综合特性部分的程序流程图见图3 7 。 图3 7 模型泵综合特性设计流程图 糌 蓥誉 高2霉 “ 豁 | 噼 曩3 昧捌 磐始 量 葛 星8 占 籁 6 诋 龊 掣 落 避 h g 嘣 皇 g v d e 寸 、一 8 z o 。o 苎羹 寸 叶叶q寸 6 懈 毒菩巅 薯菩籁 蠡蕾 寸 小 辑妻 。 靶占 季搿3 昌 8 n ：2 a 喜 譬 砉 剥审 垡 爱 荨 0 辎副 菁 鬲 叶 苫 n 辎f 9 ：! ，、 赢耀目 吨 曦副、一 寸 僻搽确雠州赢k剥轼r*垛爆群器密剥射n僻 议搿掣扑卅醪扑收赠鞋 士 魁 晕f ： 辎 趟 聋 如 | 孽 盛 1 幛； 料 l 1 1 按 葛荨 o “ q哼吨 a 卜 荨 o 导 葛 窨 苫 = 6 6d。 苫 峥 。 苫 芝葛葛 吨 n吨叶 。o。 。 n 葛 “ 叶q叶 吨吨 。 。 气 n 一 r _ 一。 砉 罢 窖 詈 墨 量 暑 毫 昂 毒 畦 弩 弩 暑暑 暑 萏 吾 罱 萏 吾 9 议 盘 趔 扑 书 匿 外 姥 庭 夏g葛葛 器 o “ “o“ o o 。 吨 o 。 荨 8葛荨 一 = 22 荨 6dd 6 o 口 8 吨 峋 o 。 荨8 o n11 寸 。o oo 。 f 、 g 荨 话 。 寸 寸叶 寸 卜 。o 譬 g 岘 。 叶 一 葛 一 叶 n 暑 量 罢 g 卑 萎 墨 号 ：2 话 毒 ： 罱 萏吞 吞 罱 9 吨 卜 卜 七 魁 式 邶 签 非 d 蝾 盛 聪 船 1 | 1 缺 g 乜 。 寸 寸q寸q n n 兽 喜 运 皇 暑 冀 墨 岬嚣 吐 1 基 旨鬲 羔 吾n 河海大学硕士学位论文 模型泵综合特性部分的设计界面见图3 4 ，以流量、扬程( q h ) 方式表达 和流量、扬程系数( k q k h ) 方式表达的综合特性曲线绘图界面分别见图3 5 和 图3 6 。 图3 4 模型泵综合特性设计界面 图3 , 5 流量、扬程c q - f i ) 方式表达的综合特性曲线图绘图界面 第三章泵段综合特性模块设计 图3 6 流量、扬程系数( k q - k n ) 方式表达的综合特性曲线图绘图界面 点击绘图界面左上角的菜单，可进行“保存图形”、“保存数据”、“打印” 和“退出”等操作，快捷键分别为“c t r l + s ”，“c t r l + d ”，“c t r l + p ”和“c t r l + x ”。 其中在执行保存操作时，可通过选择保存类型来保存用户所需的图片类型， 有j p e g 图像( j p g 格式) 和w i n d o w s 位图( b m p 格式) 两种类型。 3 3 原型泵综合特性 3 3 1 原、模型水泵综合特性换算方法 在泵站设计过程中，要给泵站设计提供必要的依据，要对所选方案进行比较 和论证，就要预先知道泵及泵装置的各种特性。对于大中型泵站，通常要经过模 型试验来确定泵及泵装置的特性，根据模型的试验成果使用相关性能换算公式得 到原型泵及泵装置性能。 叶片式水力机械中能量的转换是通过转轮来实现的，因此水流在转轮中的运 动状态是研究水泵性能的基础。从流体力学可知，如果在两台水泵中保持水流状 态相似，则必须满足几何相似、运动相似、动力相似。我们常常用相似准则把上 述三个相似条件转化成可以计算的判据形式，包括斯特劳哈( s t r o u h a l ) 相似准 9 河海大学硕士学位论文 则( s t ) 、弗故德( f r o u d e ) 市h 似准则( f r ) 、欧拉( e u l e r ) 相似准则( e u ) 和 雷诺( r e y n o l d s ) 相似准则( r e ) 1 3 7 1 。 ( 1 ) 流量、扬程、汽蚀余量的换算公式 由斯特劳哈相似准则： = 土n p d p = 矗一o c 鲁d * 彘dr l ，l m 巩 2 2 ， 则生n p d ；r l , p = 彘； 帆鲁= 甏 ( 3 1 ) 式中，y 水流速度( m s ) ，以、分别为原型泵和模型泵的水流速度( m s ) ； q 流经叶轮的总流量( m 3 s ) ，珐：q + g ：旦； q 水泵流量( m v s ) ，q ，、q 胛分别为原型泵和模型泵流量( 啪) ； g 漏损量( m 3 s ) ； 仉水泵容积效率，玎。，叩。分别为原型泵和模型泵的容积效率，； 胛水泵转速( r z i 曲，厅。、，l 。分别为原型泵和模型泵的转速( r m i 力) ； d 泵叶轮直径( 面，d 。，以分别为原型泵和模型泵的叶轮直径( 而。 由欧拉相似准则： 耻嘉= 彘，而po c 一嚣* 店嚣 则型e ：挚丝1 2 2 2 册p u 矾h 。pp n ：d m h hj i i 可知鲁= ( 卷 2 薏 髓丽 n p s h p = ( 卷 2 石1 7 h , p 式中：p ：水泵叶片压力( n ) ，c ， ( 3 2 ) ( 3 3 ) p 卅分别为原型泵和模型泵的叶片压力( n ) 第三章泵段综合特性模块设计 日理：流经叶轮的理论总扬程( m ) ，日理= ； ，h 日：水泵扬程( m ) ，日。、f 分别为原型泵和模型泵的扬程( m ) ； 巩：水泵水力效率，r l ，r l 。分别为原型泵和模型泵的水力效率，； h 水泵转速( r m i n ) ， ，、分别为原型泵和模型泵的转( r m i n ) ； d ：泵叶轮直径( 痂，d 。，d 。分别为原型泵和模型泵的叶轮直径( 动； ，p ，g ：分别为流体的容重( n m 3 ) 、密度( k g m 3 ) 和当地加速度( m s 2 ) ； 【n p s h 。：原型水泵临界汽蚀余量( 痂； n p s h 。：模型水泵临界汽蚀余量( 动； ( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) 分别为相似水泵在相似工况下流量、扬程与转速及 直径的关系式。如果不考虑水泵尺寸及转速对各种效率的影响，可将上三式简化 为下列近似公式，即水泵相似律公式： 绯= 以( 百n p 人y 瓦d pj 3 耻以( 笥阿 c 护c 一，。( 瓢纠2 ( 2 ) 原型泵与模型泵的效率换算 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 原型泵与模型泵的效率换算有多种换算公式，但没有国际统一的模型效率换 算公式，以下是国内外几种常用轴流泵效率换算公式。 等效律换算 在原型计算水力效率换算时不计效率增量，即在相似工况点处有 巩2 式中； 2 1 河海大学硕士学位论文 玎p 原型水泵效率，； 叩。模型水泵效率，； a c k e r e t 公式换算 鲁r 一o s + o s 唇r e s ， 1 一。 vp 此式假定了模型的水力损失中一半为旋涡损失，不做修正，而另一半为摩擦 损失，用雷诺数的五次方根来换算，使用雷诺数来代替直径比值体现了对水头效 应的考虑。 式中； r 矿r = 分别为原型水泵、模型水泵效率，； r e 。、r e 。分别为原型水泵、模型水泵的雷诺数。 i e c 9 9 5 ( 1 9 9 1 ) 公式换算 i e c 9 9 5 ( 1 9 9 1 ) 是i e c 基于很多有关研究成果公布的关于模型到原型进行效 率比尺放大的标准，目i j 已在国际模型验收试验中得到应用，其换算公式为： r i b ，p 2 r l h ，m + 7 7 慨= 冰斟6 一陪 0 1 6 r p 。：d u v 式中： 叩 原型水泵计算水力效率，； 叩。模型水泵计算水力效率，； r e 。珂= 7 x 1 0 6 ； 船每一试验点的模型雷诺数； ( 3 1 0 ) 葚鸢 第三章泵段综合特性模块设计 r e 。相似工况点的原型雷诺数； 相应于r p 。，阿的相对可换算损失； 仉硝，模型水泵最优计算水力效率，； r e 。m ，模型最优效率叩。点处的雷诺数； 相应于碱，一的损失分布系数，对于水泵= 0 6 ； 沪卅轮名义直径，四： u 叶轮名义直径口处的圆周速度，m s 。 己知常温2 0 。时水的运动粘度系数y - 一- i 1 0 1 和u = # n d 6 0 ，将其代入公式 中可得： h 。p = r h m + a q h 觇= 冰嚣r ”6 2毓i-hom 。1 1 严登丰公式换算 扬州大学严登丰教授在对构成水泵效率的各分部效率进行分析的基础上，提 出轴流泵效率的计算公式： 玎：_ 生 ( 3 1 2 ) j k m h + h t q l 式中，只= h + k ，+ k ：( q q o ) 2 q l = q + k v h ：“ 厨机械摩擦损失系数 瓜水流摩擦损失系数 尼冰流撞击损失系数 以冰流泄漏损失系数 经分析有惫=idem；华啦柳；嘉=ide脚；熹=idend d 1 d da 埘四个 2 a 4 相似关系式进行换算可得出原型水泵的各分部效率，式中九为摩阻系数， a “。9 6 7 ( 会) 石( n i k u r a d s e 公式，为过流壁面粗糙度) 以为推力轴承平均 摩擦直径，a 为叶轮和叶轮室间的径向间隙。当换算到原型水泵时有： 苦= 羞瓷聪。叫一2 以， 等= 畿 巩，矿”参； 惫= 苦 洲v = d r 一； 瓦g v , p = 瓦d p a e j k 矿4 q 根据上述关系式可计算出原型水泵相关的损失系数，然后再利用( 3 1 2 ) 式可以 计算出原型水泵效率。 泵站安装及验收规范推荐式： 泵站安装及验收规范( s l 3 1 7 - 2 0 0 4 ) 借鉴日本j i s b 8 3 2 7 2 0 0 2 规范推荐 用以下公式进行效率换算： 叩，= 【1 + ( 1 一a ) l r 。 a = 时8 o 4 + 。甜 叶倍一o - 6 卜，卜 c s = 0 1 2 9 8 5 n , 。0 ”一0 0 0 7 驴s 彤 式中，r p 原型泵的效率( ) ； 模型泵的效率( ) ； g 原型泵过流表面的粗糙度； 第三章泵段综合特性模块设计 e 。模型泵过流表面的粗糙度； e pe 。表面粗糙比，其测量的位置由供货方和购货方确定； 疋摩擦损耗系数； q 计算点的流量( 甜s ) ； q 0 最高效率点的流量( 甜s ) ； 艿。最高效率点的摩擦损耗系数： ，1 泵的比转数； 珂泵的转速( r m i n ) ： h 。水泵在最高效率点的扬程( m ) 。 对于全调节水泵，上述给出的效率换算公式是针对每一叶片安放角的性能曲 线而言的。 3 3 2 原型泵综合特性程序设计与功能分析 原型泵段特性曲线部分主要实现模型泵与原型泵的性能换算。输入原型泵的 转速和叶轮直径，按照水泵性能换算公式进行换算；而水泵效率换算则有不同的 方法【3 8 】1 棚。 用户可以根据需要，选择不同的模型泵和模型泵与原型泵效率换算方法。软 件中提供了常用的轴流泵原、模型效率换算方法，有等效率换算、瑞士a c k e