（流体机械及工程专业论文）卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究.pdf

陈阿萍：卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究 摘要 南水北调泵站工程东线的主要特点是扬程低、流量大、年运行时间长( 5 0 0 0h ) 。 对于低扬程泵站，科学合理地选择水泵装置的型式，是南水北调泵站工程设计的 关键问题，它不仅关系到泵站建设的投资和日常调水的成本，而且关系到泵站运 行的可靠性。因此，对南水北调东线工程拟采用的水泵装置型式进行深入的研究 是一项十分重要的工作。 灯泡贯流泵装置的流道平直贯通，从理论上讲，这种型式的水泵装置具有水流 条件好、水力损失小的优点，在泵站扬程较低的条件下可望得到较高的泵装置效 率。南水北调东线工程中有7 座扬程特别低的泵站选用了灯泡贯流泵装置。另一 方面，大型灯泡贯流泵装置结构复杂、造价高，国内外的应用都很少，在设计制 造及运行管理等方面还相当缺乏经验。 卧式前轴伸泵装置可以克服灯泡贯流泵装置在结构方面的缺点，但长期以来 被认为水泵装置效率略低而未得到应有的重视。实际上，过去对卧式前轴伸泵装 置水力性能的研究很少，尤其是对这种形式泵装置进、出水流道优化水力设计及 水力性能定量评价等方面的研究还很不够。 为了更为全面的认识和比较适用于低扬程泵站的各种水泵装置型式，很有必要 跳出灯泡贯流泵装置的局限，对其它形式低扬程水泵装置的水力性能及水力优化 作一些补充研究，为低扬程泵站水泵装置的选型设计打开思路，本文选择卧式前 轴伸泵装置展开了较为深入的研究。 本文从以下几方面对卧式前轴伸泵装置进行了研究： ( 1 ) 运用f l u e n t 流体流动计算软件，分别对卧式进水流道和卧式出水流道内 部流动进行了三维湍流数值模拟，计算了进、出水流道的内部流场及流道水力损 失： ( 2 ) 运用f l u e n t 流体流动计算软件，对卧式轴伸泵装置内部流动进行了三维 湍流数值模拟，计算了水泵装置效率及进、出水流道的水力损失； i i扬州大学硕士学位论文 ( 3 ) 根据卧式前轴伸泵装置的实际情况，讨论了三维湍流数值计算的各种关 键技术问题，包括网格模型的建立、边界条件的处理、湍流模型的选择，等等； ( 4 ) 对经过优化的卧式进水流道和卧式出水流道进行透明流道模型试验，观 察流道内的流态、测试流道的水力损失，验证数值计算的结果，结果表明：数值 模拟的结果与模型试验结果吻合一致。 某低扬程泵站( h 泵站) 已成完成对前、后置灯泡贯流泵装置水力性能的研究， 本文将经过优化所得到的卧式前轴伸泵装置的水力性能与它们进行了比较，得到 如下结论： 卧式前轴伸泵装置的能量性能略逊于前置灯泡贯流泵装置而略优于后置灯泡 贯流泵装置。 关键词：低扬程泵装置灯泡贯流泵卧式前轴伸泵三维湍流数值模拟模型 试验性能比较 陈阿萍：卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究 i i i a b s tr a c t t h em a i nf e a t u r e so ft h ee a s t - r o u t ep r o j e c to fs o u t h t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e ra r e l o wh e a d ，l a r g ed i s c h a r g ea n dl o n go p e r a t i o n a lt i m e ( 5 0 0 0h o u r s p e ry e a o f o ra l o w - h e a dp u m p i n gs t a t i o n , h o wt os e l e c tp u m ps y s t e mt y p es c i e n t i f i c a l l yi st h ek e y p r o b l e mf o rt h ed e s i g no fp u m p i n gs t a t i o ni nt h ep r o j e c to fs o u t h - t o - n o r t hw a t e r t r a n s f e r i ti sn o to n l yi n f l u e n c eo nb o t l lo ft h ei n v e s t m e n to ft h ep u m p i n gs t a t i o n c o n s t r u c t i o na n dt h ed a i l y - w a t e r - t r a n s f e rc o s t , b u ta l s or e l a t e dt ot h er e l i a b i l i t yo ft h e p u m p i n gs t a t i o no p e r a t i o n c o n s e q u e n t l y , i ti sa v i t a lw o r kt 0m a k ei n t e n s i v es t u d i e so n t h ep u m ps y s t e mt y p e sw h i c ha r ei n t e n d e dt ob ea d o p t e db yt h ee a s t - r o u t ep r o j e c to f s o u t h t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e r t h ec o n d u i t so fab u l bt u b u l a rp u m ps y s t e ma g el e v e la n df r e e ，i nt h e o r yt h i st y p eo f p u m ps y s t e ms h o u l dh a sa d v a n t a g e so fs m o o t hf l o wa n dl o wh e a dl o s ta n di se x p e c t e d t oo p e r a t ew i t hh i g h e rp u m ps y s t e me f f i c i e n c yu n d e rt h ec o n d i t i o no fl o wp u m p i n g s t a t i o nh e a d t h et y p eo fb u l bt u b u l a rp u m ps y s t e mh a sb e e ns e l e c t e db y7p u m p i n g s t a t i o n sw i t he s p e c i a ll o w - h e a di nt h ee a s t - r o u t ep r o j e c to fs o u t h - t o - n o r t hw a t e r t r a n s f e r o nt h eo t h e rh a n d ，t h es t r u c t u r eo fal a r g eb u l bt u b u l a rp u m ps y s t e mi sm o r e c o m p l i c a t e da n di t si n v e s t m e n ti sh i g h e r ，a n dw a ss e l d o ma p p l i e da th o m ea n da b r o a d a sar e s u l t , t h ee x p e r i e n c e so nt h ed e s i g n , c o n s t r u c t i o n , o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ef o r t h i st y p eo f p u m ps y s t e ma r er a t h e rl a c k t h es h o r t c o m i n g so fb u l bt u b u l a rp u m ps y s t e mo ni t ss t r u c t u r ec o u l db eo v e r c o m e b yh o r i z o n t a ls h a f tp r e - e x t e n s i o np u m ps y s t e m , h o w e v e r , d u et o s o - c a l l e dl o w e r e f f i c i e n c yi t h a sn o tb e e nr e c o g n i z e ds of a r i nf a c t , r e s e a r c h e so nt h eh y d r a u l i c p e r f o r m a n c eo fh o r i z o n t a ls h a f tp r e - e x t e n s i o np u m ps y s t e mw e r ev e r yl i t t l eb e f o r e ， e s p e c i a l l y ，o nt h eo p t i m u mh y d r a u l i cd e s i g no fi t s i n l e ta n do u t l e tc o n d u i ta n d e v a l u a t i o nf o rt h e i rh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e i no r d e rt oc o m p r e h e n s i v e l yu n d e r s t a n da n dc o m p a r em o r et y p e so fp u m ps y s t e m ， i t sv e r yn e c e s s a r yt os t u d yo t h e rt y p e so fp u m ps y s t e ms u i t a b l ef o rl o wh e a dp u m p i n g s t a t i o nw i t h o u tl i m i t a t i o no fb u l bt u r b i n ep u m ps y s t e m t h e r e f o r e ，t h eh o r i z o n t a ls h a f t p r e - e x t e n s i o np u m ps y s t e mi sc h o s e nt ob es t u d i e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h eh o r i z o n t a l i v 扬州大学硕士学位论文 s h a f tp r e e x t e n s i o np u m p s y s t e mi ss t u d i e db a s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) b yt h eh e l po ff l u e n t ，ac f ds o f t w a r e ，t h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n so f3 d t u r b u l e n tf l o wf o rt h eh o r i z o n t a li n l e ta n do u t l e tc o n d u i ta r ec o m p l e t e dr e s p e c t i v e l y , a n d t h e i ri n t e r i o rf l o wf i e l d sa n dh e a dl o s ta r ec o m p u t e d ( 2 ) b yt h eh e l po ff l u e n t ，ac f ds o f t w a r e ，t h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o no f3 d t u r b u l e n tf l o wf o rt h eb o r i z o n t a ls h a f tp r e - e x t e n s i o np u m ps y s t e mi sc o m p l e t e d ，t h e nt h e p u m ps y s t e me f f i c i e n c ya n d1 1 e a dl o s to f c o n d u i ta r ec o m p u t e d ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ea c t n a lc o n d i t i o no fb o r i z o n “s h a f tp r e - e x t e n s i o np u m p s y s t e m ，v a r i o u si m p o r t a n tt e l e o l o g yp r o b l e m s ，s u c ha sc o n s t r u c t i o no fg r i dm o d e l ， t r e a t m e n to fb o u n d a r yc o n d i t i o n s s e l e c t i o no ft u r b u l e n c em o d e la n ds o o n , a r e d i s c u s s e d ( 4 ) t r a n s p a r e n c eh o r i z o n t a lc o n d u i tm o d e lt e s t sa l ee x e c u t e df o rt h eo p t i m i z e d i i l l e ta n do u t l e tc o n d u i t t h ef l o wp a t t e r n si nc o n d u i t sa r eo b s e r v e da n dt h eh e a dl o s ta r e m e a s u r e d t h et e s tr e s u l t sm a k ei tc l e a rt h a tt h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o nr e s u l t sa l e c o n s i s t e n tw i t ht h em o d e lt e s tr e s u l t s t h e s t u d yo nh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo fp r e f i x i n g & p o s t p o s i t i o nb u l bt u b u l a rp u m p s y s t e mo fhp u m p i n gs t a t i o nw i t hl o w - h e mh a db e e nc o m p l e t e d t h e i rh y d r a u l i c p e r f o r m a n c ei sc o m p a r e dw i t ht h a to ft h eo p t i m i z e dh o r i z o n t a ls h a f tp m - e x t e n s i o n p u m ps y s t e m ，i nt h el i g h to fw h i c ht h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d ：t h ee n e r g y p e r f o r m a n c eo fh o r i z o n t a ls h a f tp r e e x t e n s i o np u m ps y s t e mi sl i t t l ei n f e r i o rt ot h a to f p r e f i x i n gb u l bt u b u l a rp u m ps y s t e m ，w h i l ei sl i t t l es u p e r i o rt ot h a to fp o s t p o s i t i o nb u l b t u b u l a rp u m ps y s t e m k e y w o r d s ：l o wh e a d ，p u m ps y s t e m ，b u l bt u b u l a rp u m p ，h e r i z o n t a ls h a f tp r e - e x t e n s i o n p u m p ，3 dt u r b u l e n tf l o w ，n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，m o d e lt e s t ，p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 陈阿萍：卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究 v 符号说明 符号物理含义符号物理含义 刁。装置效率 各单元的轴向速度 ，7 ，蜊， 泵效率l流速分布均匀度 ，7 。m流道效率 单元横向速度 q流量 歹速度加权平均角度 h扬程玑摩阻流速 a h 总水力损失 q单宽流量 i l s比转速水深 c汽蚀比转数d 。绝对糙度 b扬程系数z单元中心至底部的距离 物流量系数 矿平均流速 叩一 最优效率 b进、出水池宽度 n转速 二次曲面方程系数 n功率 一 垂线最大流速 d叶轮直径 kk a l m a n 常数 群速度矢量 气尺寸模型比 “，f 方向的速度分量 如压力模型比 p流体密度 砧流量模型比 流体的动力粘性系数 允速度模型比 f t单位质量力 迸水流道 进水流道水力损失 v i 扬州大学硕士学位论文 符号物理含义符号物理含义 进水流道出1 3 轴向平均流速测 p压力 6 i m - 试误差 出水流道进口轴向平均流速测 国旋转角速度 ” 试误差 流道出1 3 平均流速测试的极限 g重力加速度 “ 相对误差 r e雷诺数 磊 流速测试极限相对误差 测压管水头测试的极限相对误 七紊动能 磊 兰 短直管水力损失测试的极限相 占紊动能耗散率 焉 对误差 ，单元内切圆、球半径 屯 进水流道水力损失综合误差 盖单元外接圆、球半径 j z m 水流通出水流道水力损失 岛单元边长度 日m 泵段扬程 d ，单元对角线 0 。一m 叶轮进口的的总压 s ，单元第f 条边 0 。一。 导叶出1 3 的总压 红单元边线最大夹角m叶片扭矩 e 。单元边线最小夹角 珥。装置扬程 钆等边单元边线夹角泵装置进1 3 总压 口平均角 气。泵装置出口总压 瓦平均轴向速度 陈阿萍：卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究 1绪论 由于特定的自然地理条件，中国水资源时空分布严重不均，北方水少，南方水 多。长江以北水系的流域面积占国土面积的6 3 5 ，水资源量却只占全国的1 9 ； 西北内陆河地区面积占3 5 3 ，水资源仅占4 6 。北方地区长期干旱缺水，尤其 是黄淮海地区人均水资源量仅为全国平均水平的2 2 ，是我国水资源供求矛盾最 突出的地区。目前华北地区地下水已经超采，地下水位下降得很快，如北京市公 主坟一带的地下水位已经到了基岩，基本抽干了。按照现在的速度，再过1 0 年华 北地区的地下水也将难以支撑。 虽然现在一方面缺水、一方面浪费严重是事实，但现实告诉我们，节水已经不 足以从根本上解决许多城市的缺水问题。跨流域调水便成为我国北方许多城市的 必然选择，其中包括南水北调。 兴建南水北调工程是解决我国北方地区水资源严重短缺问题的一项重大战略 举措，是迄今为止世界上最大的水利工程。国务院批准的南水北调工程总体规划 对工程总体布局进行了深入研究论证，提出东线、中线和西线三条调水线路，规 划分期逐步实施。 目前，东线工程进展顺利。苏鲁边界工程几经协调，各方关系已基本理顺，一 批控制性工程开工建设。先期开工的三潼宝工程和济平于渠工程在2 0 0 6 年汛期防 洪度汛中发挥了重要作用。2 0 0 6 年底，东线江苏境内骆马湖水资源控制工程、中 线以安阳段为标志的南水北调河南段工程也已开工建设。 东线工程利用江苏省已有的江水北调工程，逐步扩大调水规模并延长输水线 路，从长江下游扬州江都抽水站抽引长江水。利用京杭大运河及与其平行的河道 逐级提水北送，并连接起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖等湖泊。 出东平湖后分两路输水：一路向北，在位山附近经隧洞穿过黄河；另一路向东， 通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海。 1 1 南水北调东线泵站工程的特点及灯泡贯流泵的选用 南水北调泵站工程东线一期工程的主要特点是扬程低、单机流量大、年运行时 间长( 5 0 0 0h ) 。工程主要作用在于跨流域调水，兼顾排涝。对于跨流域调水的大 型泵站特别注重水泵机组长期运行的效率，而具有时均意义的平均扬程是影响泵 装置长期运行效率的关键因素。“在泵站平均扬程时，水泵运行在高效区；在设 2扬州大学硕士学位论文 计扬程时，水泵满足泵站设计流量”，这是南水北调东线一期泵站工程的选泵的 基本原则。 科学合理地选择泵型及结构型式是南水北调工程设计的关键问题。选型的合理 与否直接关系到泵站工程的投资、建成后的运行费用和调水的可靠性。目前国内 低扬程泵站的效率普遍偏低，其中因选型不当而造成效率低下的案例为数不少。 因此，从技术、经济的角度出发，认真研究泵型选择原则和方法是非常必要的。 由于泵装置结构型式的选择与诸多因素有关，因此很难采用某一简单的原则指导 不同泵站选择水泵装置形式。 张仁田根据近1 0 年来的泵站工程设计经验，从水力模型的选择到装置结构 型式的确定系统地进行了分析，提出了一套较完整的泵型选择原则和方法，并且 总结过去的经验，对1 1 7 座世界各地己建成和正在兴建的扬程在1 2 m 以下、叶轮 直径大于1 2 0 0 m m 的泵站进行了统计分析( 表1 1 ) 。 表1 1 泵站结构型式统计表“ 卧式斜式立式合计 扬程范围 数量百分比数量百分比数量百分比数量百分比 h 2 0 m55 0 22 0 33 0 l o1 0 0 2 o 5 0 m47 5 47 5 4 58 5 5 31 0 0 合计1 71 4 5 1 31 】1 8 7 7 4 41 1 71 0 0 初步设计阶段选择水泵装置结构型式的原则为：h 2 0 m 时采用卧式结构、 h 5 0 m 时为立式结构，当2 0 h 5 0 m 时，根据具体特点经综合比较后确定结构 型式。 南水北调工程是特大型工程，其泵站工程的泵装置水力性能指标无疑应该达到 国内先进水平。南水北调工程建设专用技术规定( n s b d l 2 0 0 5 ) 提出水泵( 装置) 的性能保证值，一般包括设计扬程、最大扬程、最小扬程，平均扬程下的流量、 轴功率、效率、汽蚀余量值，泵的最大轴功率和飞逸转速等，重点是考核水泵( 装 置) 平均扬程工况下的水泵及装置效率( 见表1 2 ) “。 陈阿萍：卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究 表1 2 平均扬程工况下的永泵及装置模型效率参考值 根据不同泵装置的水力性能现状和同类泵装置的研究结果分析，文献 3 提 到南水北调低扬程泵装置水力性能的考核指标，其中针对贯流泵装置提出的性能 指标如表1 3 ，泵装置仅包括泵水力模型和进、出水流道，不包括动力机和传动装 置。 表1 3 泵装置模型水力性能建议考核指标 泵装置效率是泵效率与流道效率的乘积，式1 1 所示： = ，7 m m ( 1 1 ) 式中：。一装置效率；节。一泵效率；叩。一流道效率模型泵段 的性能，对某一水力模型而言是唯一的，而水泵模型装置因流道的型式和尺寸的 不同而各不相同。因此，无论采用何种泵装置，在水泵效率一定的情况下，决定 泵装置效率的关键因素是进、出水流道的效率。 流道效率决定于装置扬程和流道水力损失： 4 扬州大学硕士学位论文 卵 ：坠竺loocondu 2 瓦j 石则0 0 ( 1 2 ) 式中，。一装置扬程，m ；a h 是进、出水流道的总损失，m 。 综合式1 1 ，1 2 可以看出，对于低扬程泵站，装置扬程愈小，流道水力损失对 整个装置效率的影响愈大。流道水力损失，又与泵站的机组形式密切相关，由此， 水泵机组形式的选择显得尤为重要。 根据文献 4 ，低扬程泵站采用贯流式机组可得到较高的装置效率。国内从 1 9 6 5 年开始研制灯泡贯流式水轮机机组，近年来，以大中型机组为主的灯泡贯流 式水轮机机组得到了较大的发展。在机电排灌方面，淮安三站开大型灯泡贯流式 水泵机组之先河，于1 9 9 7 年6 月建成投运。2 0 0 4 年建成的盐城妇女河排涝泵站首 次采用了伞齿轮传动灯泡贯流泵机组。我省一些中型泵站选用了竖井贯流式水泵 机组，如无锡梅梁湖泵站。这些都为贯流式泵机组的应用积累了一定经验。 南水北调东线工程新建2 1 座泵站中，设计扬程介于( 2 o m 5 o m ) 之间的有 1 3 座。在项目建议书阶段，江苏境内1 4 座泵站中有7 座泵站选用的是灯泡贯流式 机组，比重很大。南水北调东线一期工程已确定采用灯泡贯流泵装置泵站的主要 参数列于表1 4 。 袭1 4 南水北调东线工程灯泡贯流泵站情况表 1 2 轴伸泵装置研究的目的和意义 到目前为止，大型灯泡式贯流泵在国内外的运用都很少，在设计、制造及运行 等方面都缺乏经验。1 9 9 7 年6 月建成投运的淮安三站，从实际运行情况看，该泵 站机组结构、轴承、密封等运行正常，电机冷却效果好，但也暴露出一些问题， 陈阿萍：卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究 主要有：机组启动困难，电机超功率，装置效率不高，大修周期短，大修时间长， 未能达到模型试验研究成果的水平瞪】。因此，对采用灯泡贯流泵机组能否真正实 现安全可靠高效的运行，尚待实践的检验。 南水北调工程中的低扬程泵站之所以选用灯泡贯流泵装置，主要是有以下四 个缘由 6 9 3 ( 1 ) 装置效率高； ( 2 ) 国内大型灯泡贯流式水轮机机组的技术己比较完善； ( 3 ) 一般认为其土建费用较省； ( 4 ) 南水北调工程技术创新的要求。 另一方面，目前对灯泡贯流泵装置的工程运用，还存在着以下几点担心： ( 1 ) 灯泡式贯流泵国内运用还不是很成熟： ( 2 ) 灯泡贯流泵装置的电机置于灯泡中，结构复杂，管理不便； ( 3 ) 选购满意的贯流泵机组，投资要相应增加，特别是需要从国外进口设备； ( 4 ) 安装不方便和检修周期长； ( 5 ) 贯流式机组造价未必低，在具有防洪水位要求、而且防洪水位较高的泵 站，贯流式机组的土建成本并不低，原先这方面的优势就不突出了。 为此，刘军等提出需继续对贯流式泵装置进行深入研究，将可靠性放在第一位 考虑哺】。中国国际工程咨询公司和水利部水利水电规划设计总院项目评估和审查 报告中，均提出对采用灯泡式贯流泵机组需作进一步论证。文献 1 0 中也提到 江苏境内泵型选择，灯泡贯流泵装置的比重偏大，鉴于生产制造方面的不足，工 期又紧的情况下，建议本着“可靠，先进，高效”的原则，泵型选择应作适当调 整。从南水北调前期调研的情况来看，国内水泵制造企业普遍缺乏大型灯泡贯流 泵的制造经验，至今无类似大型泵站工程的成功业绩，需引进相关技术和设备。 从目前正在进行的贯流泵机组招投标情况看，有关的国外公司提交的贯流泵装 置的结构设计和水力设计方面的资料，也还有一些内容需作深入的研究。在督促 承包方修改完善现有方案的同时，有必要跳出灯泡贯流泵的局限，对其它形式低 扬程水泵装置的水力性能及水力优化作一些补充研究，探讨低扬程泵站水泵装置 选型多元化的可能性。 卧式前轴伸泵装置也是一种贯流泵装置，它的主要特点是泵主轴穿过流道，电 机、轴承及传动设备等均设在流道外面，结构简单、造价低、管理方便，水泵装 置效率也不差。卧式前轴伸泵装置的迸水流道弯曲，不如灯泡贯流泵的流道平顺， 直观上看水力性能要打点折扣。卧式前轴伸泵装置最大的优点在于：电机布置在 6 扬州大学硕士学位论文 流道外面，结构上避免了灯泡贯流泵装置的缺点，解决了运行管理上的隐患。 关于卧式前轴伸泵装置的效率，文献 4 根据一些初步的研究资料分析指出， 轴伸贯漉式与灯泡贯流式的效率相差并不很大，约低1 3 。究竟相差多少， 尚需要进一步研究，才能得出结论。实际上，过去对卧式前轴伸泵装置的水力性 能研究锝很少。在南水北调工程中，由于年运行时间较长，机组的可靠性、高效 率和运行维护的方便性都必须兼顾。因此，有必要展开对卧式前轴伸泵装置的深 入研究。 本文将对卧式前轴伸泵装置的水力性能进行分析研究，以求得对这种形式泵装 置性能更为深入的认识，并与灯泡贯流泵装置进行能量性能的比较。 1 3 卧式轴伸泵装置的研究及应用现状 1 3 1 卧式轴伸泵装置的研究 早在上世纪8 0 年代，就根据南水北调东线工程中扬程很低的特点，对贯流泵 装置中的灯泡贯流泵装置与轴伸泵装置分别进行了研究。从查阅到的资料来看， 对灯泡贯流泵装置和斜式轴伸泵装置的研究较多，对卧式轴伸泵装置研究很少。 文献 1 1 对1 0 9 的水泵转轮，匹配不同型式的流道，进行了立式轴流泵模型、 后置式和开敞式灯泡贯流泵装置模型，卧式轴伸泵装置模型、以及泵段的对比试 验，表1 5 所列为其主要研究结果。 表1 5 五种型式低扬程泵装置特征工况性能参数表( r i d = 4 0 5 ) 转轮 最优工况 扬程3 5 m 扬程2 5 m 型式 导叶 3 0 0 3 0 0 挑 型号 叶轮流量q扬程h效率n 比转速 效率 转角 ( 1o s - i )( m ) ( ) t l s 立式 1 0 9 g l l - 7 4 2 1 63 8 07 6 48 4 07 0 46 3 6 后置式 i o g g ：1 4 。 2 7 03 8 08 1 59 4 08 0 67 5 6 开敞式1 0 9 g 1 1 2 6 2 7 54 o o8 1 39 0 07 9 67 4 2 轴伸式1 0 9 c 1 4 4 。2 6 03 9 58 0 58 9 0 7 8 67 1 6 泵段i o g g 2 25 6 2 5 03 9 0s 5 48 7 08 3 67 8 。5 由表1 5 可见，与灯泡贯流的两种泵装置相比，轴伸式泵装置效率略低，在 4 m 左右的扬程区域，二者相差不大。虽然表中列出的试验数据显示的卧式轴伸的 性能不如灯泡贯流的两种泵装置形式，但文献 1 1 同时也指出，上述的比较试 陈阿萍：卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究 7 验有一定的局限性。实际上，上述研究的重点，主要在水力模型的研究方面，对 进、出水流道还有进步优化的余地。 文献 1 2 曾针对特低扬程的蔺家坝泵站( h 1 2 3 m ) 进行过卧式轴伸泵装置 的初步研究，并且与1 5 。斜轴伸、后置灯泡贯流进行了对比研究( 表1 6 ) 。比较 结果表明，卧式轴伸泵装置与灯泡贯流泵装置相比，在流量系数、扬程系数相当 的条件下，装置效率低1 1 。 表1 6 水平轴伸、1 5 。斜轴伸和灯泡贯流参数比较 流量系数 扬程系数展优效率 轴伸型式备注 砀，c h( ) 水平轴伸 0 4 2 00 0 8 77 8 2 峋= 普 1 5 4 轴伸 0 4 3 6o 0 7 77 8 6 3 6 0 0 h “h 。斧d 后置灯泡 0 4 2 00 0 8 67 9 ，3 经由上述一系列卧式轴伸泵装置与灯泡贯流泵装置的比较，灯泡贯流在水力 性能上略占优势，但有一点值得注意的是，早期对泵装置的研究，研究的重点放 在转轮和导叶的研究方面，对这种形式的泵装置进、出水流道的水力性能没有准 确的定量的评价，尤其是对流道水力优化设计研究的深度还很不够。低扬程泵装 置进、出水流道损失对泵装置效率的影响比较大，因此，上述结论并不能完全代 表卧式轴伸贯流泵装置所可能达到的水力性能。 事实上，近十多年来，随着人们对泵站流道水力设计问题认识的不断深入，随 着计算机技术和计算流体动力学的迅速发展，以三维流动理论为基础的流道优化水 力设计方法得到了广泛应用。借助于c f d 技术并结合流道模型试验，可以对卧式 前轴伸泵装置进行数值实验和优化水力设计，流道水力性能可望得到迸一步提高。 1 3 2 卧式轴伸泵装置的应用现状 受诸多因素的制约，卧式轴伸泵装置在国内的实际工程中运用很少，目前也就 广东斗门排涝站与江苏秦淮新河枢纽泵站采用，而且投运时间都在上世纪的8 0 年 代初期，是我国最早采用卧式轴伸泵装置的泵站。国内外有代表性的卧式轴伸泵 装置列于表1 7 。广东斗门的西安泵站采用了后轴伸形式，又称为猫背式( 图1 1 ) ， 8扬州大学硕士学位论文 虽然结构复杂，但具有自流排水和水泵机械排水的双重功能。荷兰的泽顿泵站采 用卧式安装的大型轴流泵，机组形式就是前轴伸形式的。 图1 1 猫背式泵房剖面图 表1 7 国内外卧式轴伸泵站情况表4 3 1 。4 某低扬程泵站简介 本文拟借用某低扬程泵站( 以下简称h 泵站) 的有关参数，进行卧式前轴伸 泵装置水力性能的具体研究。 h 泵站的平均扬程3 0 6 m ，设计扬程是4 2 8 m ，单泵设计流量3 4m 3 s ，水泵叶 轮直径初步设计阶段确定为3 。3 m 。 在本文研究的泵装置三维流动数值模拟计算中，选用了与h 泵站泵装置水力 性能要求相近的z b m 7 9 1 1 0 0 水泵水力模型，其性能曲线示于图1 2 ，主要性能参 数列于表1 8 。 陈阿萍：卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究 9 l o 3 9 8 6 ， ， d 4 曩 2 1 z d m lm r 如o i 严l $ 为r j i n 、i。、 艘菠， v攘莲 呻睢 鑫噔- if 6 。i t 羁 心辽静 绣 聚鞲蔓式 、 ，3 y - 6 q l o o1 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 04 0 04 5 0 , 3 0 05 口( 1 s ) 图1 2z b m 7 9 1 1 0 0 轴流泵水力模型性能曲线 表1 8z b m 7 9 1 1 0 0 的主要性能参数 巾 q ( v s )h ( m )n ( k w )n ( 呦d ( m m ) n ( r m i n ) “4 3 7 54 4 5 1 9 4 08 4 2 3 0 01 4 5 0 + 2 。3 5 04 4 31 8 0 08 4 0 3 0 01 4 5 0 o 。3 3 04 2 1 1 6 2 08 4 o 3 0 01 4 5 0 - 2 。3 0 04 3 91 5 3 78 4 o 3 0 01 4 5 0 4 。 2 8 04 1 01 3 5 5 8 3 1 3 0 01 4 5 0 + 6 。2 5 04 ，1 61 2 4 38 2 o 3 0 01 4 5 0 1 4 1h 泵站的控制尺寸 流道的控制尺寸对泵装置的水力性能具有很大影响，对泵站土建投资也有很 大影晌。在本文研究中，以h 泵站初步设计确定的泵站长度、宽度和水泵叶轮中 心高程及进、出水流道底板高程为基础进行卧式前轴伸泵装置水力性能的研究。h 泵站的初步方案的泵房纵剖视图示于附图l 。 1 4 2h 泵站灯泡贯流泵装置方案的研究 目前根据h 泵站已经所作的研究是：为确保h 泵站所设计的灯泡贯流式水泵 l o 扬州大学硕士学位论文 装置水力性能优异、充分发挥出灯泡贯流式水泵装置在低扬程条件下运行效率高 的特点，对h 泵站的灯泡贯流泵装置进行了一系列的优化水力计算及模型试验研 究工作。应用f l u e n t 软件对整个灯泡贯流泵装置进行了三维流动的数值模拟， 并对前、后置灯泡贯流泵装置的进、出水流道进行了充分地水力优化，比较了前 置灯泡和后置灯泡贯流泵装置的水力性能”。本文将部分引用该项研究成果，作 为卧式前轴伸泵装置的水力性能与灯泡贯流泵装置进行比较的依据之一。 1 5 本文主要研究内容 如何提高低扬程泵装置的效率，以往人们更多地是将目光放在如何进一步提高 水泵效率上，这当然是水泵装置研究与开发必须重视的问题，但目前水泵的水力 设计己经达到较高水平，想要进一步提高水泵效率，还有一定难度。水泵是在配 套的抽水装置中运行的，机组形式和与之配套的进、出水流道，对装置效率有着 举足轻重的影响。如果进、出水流道设计不合理，不仅将由于流道效率低而导致 水泵装置效率低，而且还会由于进水流道不能为水泵的工作提供良好的水流流态， 导致水泵的实际工作点远离设计工作点，从而进一步引起泵站装置效率的下降。 本文从h 泵站的实际情况出发，应用商业软件f l u e n t ，研究紊流模型在水泵装置 三维流动模拟中的应用的同时，注重不同计算方案的差异，并且通过透明流道试 验，对数值计算结果进行验证，进而对卧式前轴伸泵装置的水力性能有个比较 准确的认识；在此基础上，将卧式轴伸泵装置与灯泡贯流泵装置的水力性能进行 比较，孰优孰劣，好在哪里，差在何处，也有一个较为明确的认识。 下面简要阐述一下本文的主要研究任务。 1 5 1 泵装置及进、出水流道内部流场的数值计算 研究泵装置及其相关部分内部流场的数值计算，包括网格模型的建立、边界 条件的处理、湍流模型的选择等。 网格模型建立在实体模型的基础上。随着最近几年计算机容量的迅速增大和 计算速度的提高，使用微型计算机对泵装置进行数值计算己经成为现实。网格的 疏密程度和不同的处理方法对计算结果也会有显著的影响，建立怎样的网格模型 是研究的要点之一。 采用什么样的边界条件，对数值计算的结果影响很大。尤其是进口边界和出口 边界，需要重点研究。本文将在在常规设置的基础上，对f l u e n t 的二次开发做 一个初步探索。研究设定不同的边界条件，尤其是流场进口速度的设定对进出水 陈阿萍：卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究 1 1 流道及泵装置数值模拟的影响。给定进口的边界条件，重要的是定义指定断面的 速度分布情况，因此确定在哪个位置可以找到一定规律的速度分布是关键。流场 出口要求是接近充分发展流，出口所在的位置亦是关键。湍流模型随着计算流体 动力学的发展，不断的从理论和实际应用中得到完善，目前k 一占双方程模型在流 体机械的流场计算中得到了广泛的应用，并在工程实际中取得了较好的效果。本 文主要应用k 一笤双方程模型计算泵装置及进、出水流道的内部流场。 1 5 2 对进、出水流道数值模拟的试验验证 对于流体力学试验、数值模拟、理论研究的关系，可以尝试从哲学的方面加以 揭示。如同在蒙着眼睛过河，面对的是不清楚的事实，通过观察，测量，得到数 据，然后用可接受的规律理解它们，最后依靠这套规律来解释和预测有关流动现 象。人们都是被动的在接受存在的事物。这就像哲学上的认识论，人类的知识总 是在不断增加，但最终能够完全认识整个宇宙吗? 恐怕很难有答案。人们对流体 的认识不断加深，但最终能够完全用数学描述流体吗? 也难。那理论研究的目的 是什么? 为了尽可能的了解。数模计算是在尽可能了解的基础上做近似，而后用 来反演事实。虽然不够准确，但只要方法正确，应该可以达到近似准确的境界。 c f d 软件通用化程度较低，因此使用者必须具备一定的计算方法和流体力学的理 论知识，以及流体流动数值计算的专业经验。c f d 软件一般必须针对于不同类型 的问题和条件预设一些可调参数和选项，使用者如果没有长期使用c f d 软件的经 验，就很难针对自己所需要解决的问题选择合适的参数和选项，自然得不到精确 可靠的结果。要得到相对准确的研究成果，对于数值实验，还需用模型试验来进 行验证，二者是相互联系、相辅相成的和谐的关系。所以说，数值模拟的最终结 果需要试验来验证，反过来，模型试验的验证结果又有助于数值模拟方法的完善。 本文将对经过优化的前轴伸卧式进、出水流道进行流道模型试验，观察流道内的 流态、测试流道的水力损失，验证进、出水流道优化水力计算的结果。 1 5 3 卧式前轴伸泵装置的能量性能分析 根据卧式泵前轴伸泵装置的进、出流道的数值模拟、试验验证以及泵装置整体 数值模拟的研究成果，可以重新认识这种形式泵装置的能量性能。根据文献 1 3 对前置灯泡贯流泵装置和后置灯泡贯流泵装置研究成果，在三者都尽量优化的情 况下，进行比较，以期对这三种泵装置能量性能的差异有更为全面的认识和理解。 1 2 扬州大学硕士学位论文 2 贯流式泵机组的分类及特点 2 1贯流式泵机组的类型 贯流式水轮机的分类有全贯流式和半贯流式 1 4 j 。本文参照此种分类方式，也 将贯流式水泵机组分为全贯流式和半贯流式两种贯流式水泵机组。 全贯流式水泵机组，将水泵和电机合二为一，即机泵同轴，又称为电机泵机组。 电动机的转子与水泵叶轮合为一体，动力机的磁极直接安装在机组叶片的外缘上。 轴向尺寸最短，无需灯泡体，机组结构紧凑，构造简单。迸、出水流道平直，又 可双向抽水，工程造价较省。图2 1 即为全贯流式水泵机组f 1 5 电机的定子和转 子在水中，实际上相当于大型潜水电泵。因此，要求电机绕组具有更高的绝缘等 级。另外，因电机的定子和转子之间存在间隙，对水泵和电机效率都有影响，故 机组效率较低，已有模型泵机组投入运行，大泵尚未用于生产。 一，f 善 l s o 。o 一山纠 i 头 掣自杀t 。1 己曼 蝉i 麓t t ：目 i 。 襽 雾 6 。 = 犏 4 尸 f 0 i j ? ：麓：知，。了 ：- ：! i ：；j ：j ；：i ：j 。：1 ，：；，：i ；：； ：? o ：+ ? ： 、譬皇：j _ ：譬一。