（水利水电工程专业论文）托克托电厂循环水泵站进水流道模型试验研究.pdf

摘要 摘要 进水流道是大型火电厂循环水泵站的一个重要组成部分，主要包括冷却水塔 集水池取水口、引渠或进水管、前池、进水池、喇叭口、水泵吸管至叶轮室进口 的过流部分。进水流道的作用是将水流均匀平稳地引至循环水泵叶轮进口，为水 泵进水创造良好的水力条件。设计合理的进水流道能有效地减少水力损失和消除 进水池内部的各种有害旋涡，保证循环水泵高效运行，同时还能节约工程投资。 在实际工程中，大型火电厂循环水泵站往往受地形、工业用地、水源的限制， 布置要求结构紧凑，导致前池底坡设计较陡，易形成回流、旋涡等不良流态，从 而造成水泵效率下降，甚至引起汽蚀、振动等不良后果，从而影响水泵的正常运 行。 托克托电厂二期工程循环水泵站设计了两种不同形式的进水流道，其中受场地 限制3 ”机组泵站前池底坡设计为2 3 7 。，大于泵站设计规范要求的前池底坡不宜 陡于l ：4 ( 即1 4 0 4 。) 。中国水利水电科学研究院水力学所对这两种进水流道分 别进行了模型试验，试验结果表明：进水流道前池设置导流墩和进水池设黄导流 锥的措施是切实可行的，有效地改善了进水流态，水深在7 4 m 以上时进水池不会 出现有害旋涡，3 。机组循环水泵运行是安全的；4 + 机组泵站进水流道设计非常合理， 流态、最小允许淹没深度、预旋角等各项水力性能指标十分优良，结构形式简单。 关键词火电厂；循环水泵站：进水流道；旋涡；流态 i n k t n d u i t 虹o 北0 ft h ei m p o r tc o m 印眦n t0 fc i r c | u l a t i gp i 瑚p i n g s 协廿o no fl a l l g et h e r 腿ip l a n l ，m a 柚yh c l u d i n gn o wp a r t s 行砌w a t 盯i n t a k eo f s u m pb a s i no fc 蛐gt o w e ra 硼a p p r 吣c hc h n n e lo ri n 纽l 汜p i p ea n df 0 m b a ya n d n c e i v i n gb a s i l i 跳dm 加磕b e ua 耐册c 慵帅p l p eo fp 啪pt oi l n p d l e rc h a 皿【b e ro f p u m p w a t 盯a o 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h a p ei sv e r ys i m p i e k 七y w o r d s ：t h e m a ip d w e rp i a n t ；c i l u i a d n gp u m p i n gs 细廿o ；i n l e tc o n d u i t ； v o r t e x ；n o w p a n 咖 i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：血导师签名：三匦日期：2 竺正_ ( ：! 罗 1 1 前言 第1 章绪论 循环水系统对火电厂的安全和高效运行起着十分关键的作用，火电厂循环水系 统工艺流程如图1 1 所示。 蹙睫窭摹丝避窭萼蓬， 图l l 火电厂循环水系统流程图 f j g 1 lf 】o wc l i a f to f d f c l d a 晒g w a l e r8 y s t e m0 f 她咖a lp i a n t 火电厂循环水泵站进水流道主要包括冷却水塔集水池取水口、引渠或进水管、 前池、进水池、导流墩、进水喇叭日、水泵吸管至水泵叶轮室进口的过流部分，如 图卜2 所示为一种典型的火电厂进水流道形式。 警蜂一一一5 璧一彳 盯1 一 ! 当- l ， l i 曩 丽掩 n ri i _ 。一 7| l i 疆 i i i 一 纱：主三： l 【一l 1 _ 。一 点一蜘胭断幽二舞鼍喾= 暑 = = 墨量三哥 图1 2 典型的火电厂进水流道示意图 f i g 1 2s c h e m a i i cc h 哪o ft y p i c a li n l e tc o n d 向o ft h e m a 】p l 粕t 进水流道的主要作用是将水流平顺地引至水泵叶轮进口，为叶轮创造轴对称的 来流条件，这种均匀平稳的来流是使泵在各种工况下运行良好的前提条件。所蹦， 进水流道形式的合理选择和设计，不仅直接关系到流道内水头损失的大小和流态的 优劣，而且对循环水泵是否能安全和高效运行起着非常重要的作用。设计合理的进 水流道能有效地减少水力损失和消除进水池内部的各种有害旋涡，从而改善循环水 泵的性能和提高效率。而设训不合理的进水流道，可能会导致水泵产牛汽蚀和振动 泵的性能和提高效率。而设训不合理的进水流道，可能会导致水泵产牛汽蚀和振动 北京工业大学工学硕士学位论文 等不良后果。此外，进水流道的形式还直接影响到整个泵站的工程投资。 1 2 模型试验 进水流道的水流是三维流动，受力情况和边界条件很复杂，用目前的数值分析的 方法，很难得出其中的流动规律，且经简化的求解条件与实际差距比较大。 模型试验是将原型实际工程中的水流运动，根据其所受的主要作用力，按照一 定的相似准则将其转换到较小的水工模型中去重演与原型相似的工况，进行观测和 试验，取得数据，从而进行分析和研究，这就是模型试验的基本任务。运用模型试 验的方法，不仅可以论证设计的合理性，而且可以预测原型可能发生的现象。 由于影响流态的因素较多，相互之闾的关系较为复杂，在许多大型泵站的设计、 改造过程中，为了获得良好的水力性能，常需要对进水流道的布置形式以及尺寸、 整流消涡措施、防淤措施、运行方案等进行模型l 试验研究，以确定最优方案。此外， 大型火电厂循环水泵站往往受地形、工业用地的限制，布置要求结构紧凑，有的前 池底坡较陡、有的进水池扩散段较短、有的采用侧向进水的形式，在这些不利的边 界条件下易形成回流、旋涡等不良流态，从而造成水泵效率下降，甚至引起汽蚀和 振动，影响水泵的正常运行。 模型试验手段比较成熟，结果可靠准确。可以说模型试验是流体力学理论和实际 工程的中间桥梁，一直受到工程界的重视i 朋，能直接解决设计和生产中的许多复杂问 题。所以，国内外对较为重要的泵站和安全性要求较高的泵站均要求进行模型试验 研究。 1 3 国内外研究现状 美国、日本等国还制定了模型试验标准，强调进行模型试验的重要性，认为每 个工程都有其特殊性，不存在适合于任何场合下的某种标准设计。国内外不少学者 对模型试验相似性、旋涡控制等方面进行了很多研究，粒子图像测速技术作为一种 先进的流场测量和显示技术在模型试验研究中也得到了广泛应用。 国内一些单位如中国水利水电科学研究院水力学所近年来先后对甘肃平凉电 厂、山东石横电厂、孟加拉国h a l d a 泵站、苏州华能电厂、扬州二电厂等大型火电 厂循环水泵站进水流道进行了模型试验研究。通过对循环水泵站前池、进水池和侧 向进水旋转滤网对水泵进水池的流态的影响及改进的工程措施对比研究，论证和比 较了循环水泵各种进水流道的水力性能，对工程布置进行了优化，提出了较好的工程 方案，为各电厂循环水泵站设计提供了充分可靠的科学理论依据【4 l 【5 l 【6 】n 1 3 1 模型相似性 a n w a r a m p h l e t t ( 1 9 8 2 ) 、j a i n 等( 1 9 7 8 ) 、d a g g e t t k e u l e g a n ( 1 9 7 4 ) 等指 出，进水口旋涡模拟的相似条件除几何相似要求外，模型的佛汝德数、雷诺数、韦伯 数等要求与原体中相应值一致，这在实验中无法同时实现。由于具有自由水面的水流 运动，其主要作用力是重力，模型首先要符合重力相似，即满足佛汝德数相似准则：当 第l 苹绪论 模墼太誊，稔潜力与表蟊张力佟弱较大靖，瓣哥l 存程会低 砉旋漏生成懿霹怒毪帮严 重性的盹尺效应问题。为克服比尺效应问题，可采用以下三种方法： ( 1 ) 加大模型尺寸( 模型几何比尺不应大于 = 2 0 ) ，使模型佛汝德数、雷诺数 大于一定的临界值； ( 2 ) 兔诲 莩在一定兹糙滞力影晌，需增加一个修派系数； 3 ) 爨鬻摸垄! 运嚣窳滠寒壤大模型孛霉诺数。 另一个消除院尺效应盼囊蕊楚加大模型流速，帮将模垄流速增热翳魄佛汝德数 相似准则新袋求的更大一些，谳水深值不变，这实际上是为了加大模型的霄诺数、韦 伯数，从而减少粘滞力与表面张力的比尺影响，放弃了佛汝德数准则，对一些比尺大、 尺寸小的模溅而言，这个方法可能有一定效果，但流速究竟应该增大多少才合适，至 今尚无定论。有人建议采用2 3 倍佛汝德数的流速，其中d e n n y 1 5 1 0 4 ，韦伯数w e 6 0 0 时，按照佛汝德数相似准则模拟自 由表面旋涡。没有发现明显的比尺效应； ( 2 ) 鹭籍邋寒流霉诺数蠢 l 1 0 5 时，模型与原体的避水口阻力损失情况闲； ( 4 ) 就旋涡而言，比尺模型巾没有表现出比尺效戚，因而实验中无需采用高于佛 汝德数相似准则的流速比尺进行测试【1 0 1 。 各国学赣报据不同实验和僚攫调研资料提出了一些相应的模型流速或流量的比 只要求，认识羚不完全统一，褪戳效票夯蘧摸菝对象褥雾。嚣蓑较戈通用黥办法是：摸 壅尼霞芷态，缓傍浚德鼗准菇设诗，雳貔涝力稳骰象髂麴淡狡孩，著在试验过程孛遥 当增加流薰( 流速) 作为补充溉察。 1 3 2 旋涡控制 由于麓溺熬生藏与弱霞承浚滤态及逮器条终熬关系稳当复杂，迄今程鬏渊冀隶 力程髓及形成条穆等方蚕疆取褥静磅变成果蠢来宠龛箴熬。旱先酶礤究蠹螽r e d d y ( 1 9 7 2 ) 、g o r d o n ( 1 9 7 0 ) 等通_ j 建实验或原型观测，将旋涡形成的主要影响参数简化为 佛汝德数和相对淹没值。近年的e c h a v e z m c c a n n ( 2 0 0 2 ) 对垂直表面旋涡二三维结构 的实验研究中，发现将旋转水流的出流量按径向分擞和轴向分量分开考虑的重要性， 北京工业大学工学硕士学位论文 分剐量灏箕径向流餐、轴囱流量及相应旋满静空气核深度，分耩表萌总密瀛的轴向分 量对所形成的旋涡核深度的影响更为敏感i l u 。 进瘩泌中旋涡瓣生残彼炷是嚣麓涟孛露在一个或多个旋滠源，妇：进水池或引水 渠方位设鬣不当、底坡坡度太陡、边墙扩散角过大弓f 起的不均匀行近水流：存在流遽 梯腹较大的剪切流：沿行避水流方向设景的几何体戏障碍物引起的旋转尾流等情况 下部虿会诱发旋满【1 罐珏l 。 对于旋涡，其控制方法主要从三个方面来考虑： ( 1 ) 增加水泵逆水日鲶淹没深度； ( 2 ) 减弱和消除行近承流酌不均匀往，搿在进求漶中期设底绞、立柱、鼯流墩、 导流板等； ( 3 ) 竣踅毒效黪瀵涡设涟( 热撵条、茨滚梁等) 。控铡水中涡兹途径主要是尽量漓 除水流中存在的较大的流德梯度，避免进水池中出现水流分离现象。可采取的相应措 施有：进水池在几何构造上避免水流突然转向，保诚进水口与边壁、底面有适当间躐， 迸承日下安装底谣锥体、分流嚣袋透壁嵌条等久王装置 1 4 】。 3 。3 粒子图像测速技术 利用浚场显示技术羯承流体运动豹内穗旋律一直是实验流传力学豹主要研究手 段，近年来，随着光学电子救术和计算机瓣飞速发最，流场箍示铡逮技术也褥割了逐 猛发展，其中在三维紊流流场研究中，应用较为广泛的是采用示踪粒子及其图像进行 溪l | 速戆糖_ 予图稼测：遴薮拳，筵释p i v ( 魏f t i e l el 黻g e ￥e l o c i 融t r y ) 接拳。 美国1 0 w a 大学p a t e l 等1 9 9 8 年农对水泵进水口旋涡方谳的实验研究中，通过采用 传统的染色法显示旋涡的发生，应用p i v 等现代化爨测技术来捕获旋涡的数目、位 置、形获、大小及强度等霆藿蔼意，善次壹麓逢孬璃并耋亿了旋涡豹瓣辩缩构帮辩均 结构的细节，揭示出旋涡并不是固定的、丽是游离的，有一魑旋涡鼠有间断性【1 5 】。 涛华大学吴玉裤、李永等人等人在求凝避水池躲研究巾，使用p i v 技本进行了遴 水池复杂流场的流态显示殿承中旋涡的特性分析，用s i l n s i g h t 圈像处理软件，方 便地得出流场中的速度、流线和紊动能分布图，以及进水喇叭口处的环量、涡量镣 羹整静滚动参数，逶蓬鼹黎纛努耩浚速鹜、滚线嚣、滚动麓嚣程涡囊藿，发瑗了这 样的流动规律：流量越大，整个流场的湍劝越大；旋涡总是发生在吸入管中心附j 琏 靠近流量较小的一侧，随饕流量的增加面增大；农吸入管入口范嗣内，总楚竖直方 向静速度蠢主导穗彼。逶过灏量流溺串甾蠛蔚气该数量，磷究了气孩的尺寸隘及密 现概率。研究表明：在流速比较太时，中等尺寸的气核出现概率最大；流速比接近1 拜寸，夺足寸气孩出现壤率最大。认为吸承泌采翅封耀式结构，糍够缀好缝避免和减 少各种旋涡的发生，有效蟪改善了泵站的避行性能f 糯。 ，霹课题来源及主要研究内容 1 霹 谦麓来源 内蒙吉托竞援电厂：。：鬻工程瓣环球象站因受场逡限镧为3 8 矿橇缝配露设计了涎 种不同的流道形式，3 。机循环水泵站进水前池的底坡设计为2 3 7 。，大于泵站设计 第l 章绪论 规范骚求，即泵站正向迸水的前池底坡不宜陡于1 ：4 ( 即1 4 0 4 。) 。为了验证进水 流道内水流流态是否合乎避行要求，是否会发生汽蚀和振动以及水泵能否安全稳定 运行，中国水利水电科学研究院对这两种流道分别进行了模型试验。 + 毒。2 主要磅突内容 泵站模型试验的常规工作包括流态观测、测爨进水池典型断丽的流速分布、水 泵吸管喇叭口最小允许淹没深度、预旋角等水力性能，从而判断设计是否合理。如 果进水池中有旋涡和回流嚣不良流态，则通过修正设计，如改变水力参数，或通过 工程措施如设置导滤墩、爵流镞、底坎、立棱簿整溅措施，予以改善。采取这些工 程接熬鹣鼙静蓑是逶过教嶷窳滚蠡孽边要条咎或壤麓窳滚爨邦整力激迭蘩调整承滚懿 窳力褥瞧。在一个蒸俸工程中采用骤释整流播施舞| j 需要逶过模黧试验并进行死绝 方寨的对比试验才能确定。 结合内蒙古托克托电厂循环水泵站进水流邋的设计情况，模趔试验对以下几个 方面进行了研究： ( 1 ) 在各种可能的流量、水位及水泵运行组会的情况下，观测前池和进水池的流 态，对遴水浊水瑟涡、农凌涡寝底部涡等发生的状况移条 牛进行试簸研究。若进水 藏态誉耱会要求，蘩采取麓濂撞藏采袭善送拳滚态，菠绦逐本泵焱酝有霹貉懿运行 工魏下都能获褥良耋 魏滋承流态； ( 2 ) 量测各种工况下的水泵吸管喇叭口最小允许淹没水深； ( 3 ) 蟹测水泵吸管内水流的预旋角。预旋角的大小反映了吸管内水流切向流速和 轴向流速的比值，如该值较大，说明涡流强度较大，易导致水泵出现振动等异常现 象： 鳓爨溅进永流道典羹麟嚣流速，磋究漆瀵分毒是：夏均匀。 第2 章进水流道的纰成和旋涡分析 2 1 概述 第2 章进水流道的组成和旋涡分析 循环水泵站进水流道主要包括冷却水塔集水池取水口、引渠或进水管、前池、 进水池、导流墩、进水喇叭口、水泵吸管至水泵叶轮室进口的过流部分。自2 0 世纪 8 0 年代中期开始，国内一些大型泵站开始采用带喇叭口的进水池，进入9 0 年代以来， 大型火电厂循环水泵站几乎都采用带喇叭口的进水池，实践表明这种进水流道能保 证水泵稳定可靠运行，如图2 1 所示： 2 2 引渠 图2 - 1 带喇叭口的进水池示意图 f i g 2 - 1s c h e m i i cc h a r to f c c i v i n g 埘t hb c m o u t l l 引渠的作用是将水源中的水引向前池，引渠流态影响前池和进水池中的流态， 因此在泵站设计时，应尽量采用正向进水，避免引渠急转弯。引渠纵坡和断面，应 根据地形、地质、水力、输沙能力和工程量等条件计算确定，并应满足引水流量， 行水安全，渠床不冲、不淤和引渠工程量小的要求。引渠末段的超高应按突然停机， 压力管道倒流水量与引渠来水量共同影响下水位壅高的正波计算确定n 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 前池 2 3 1 前池主要作用 前池怒泵站工程进水流道的一个重要缱成部分，前池把引渠和迸水池台理遣衔 接起来，以便使水流均匀平顺的流入进水池，向浆站的每台水泵均匀地供水，为水 泵汲拳剖遥一个蓖好懿承力条传。 前池的主要作用是调熬进水瀚态，一个设计比较合理的前池，能保证流态良好， 两侧没有或仅有较小的卿流区，水流能够乎顺进入进水池，丽前池设计不当时则会 造成承流的圈流、侧商流、脱整流、死承隧、旋涡等不懿流态，不仅会增大麓萤消 耗，而且还会恶化水流条件，影响多机组泵站各机组间的流景分配【2 0 】。在多泥沙的 承滚泵站鞠城市涎水泵站孛，兹涎及遴拳漶内不良粒承力条搏还会弓l 起i 串艇秘淤积。 因此，改蒋泵站前池水流流态，对提高水采装置效率、防止泥沙淤积等具有十分麓 要的意义。 2 3 2 前池常见形式 在工程实际中，常见的前池最敞开的，运行嫩程中水流具有自由表面，这种形 式躲前池称为无厦兹媲，它广泛皮月予各种泵站工程中。如果前池封顶，在运行过 程中承流簸于有垂状态，囊l 称为有疆前漉。有嚣前涟主要应用在承电站工程中，程 给排水工糨中有时由于布鬟上紧凑的需要或者场地所限，也采用有压前池。 攫攥萼| 渠、藏漶窝泵旗厂房瓣穗互位爨，分梵正彝逡承彝铡囊进拳嚣耪形式。 正向进水怒指前池中水流方向和避水池水流方向致，如图2 2 所豕前池中心线与引 渠及进水池中心线重合；侧向进水是指前池来水水流方向和进水池水流方向正交戏 勰交。在蠢三蠢帮鬻彝进零馥滚孛，又霹分菊寄隔墩帮无隔墩蘸耱澎式，蘸涟麓隔墩 的目的在于分流导水，使水流平稳，水量分配均匀，特别是对于不对称开机时避免 翦池水流产生摆动、回流以及旋涡等闯题删。 匿2 正向迸承前沲示意闰 f j g 2 心s c h e i 默t i cc b a r t 硝p o s i t i v ej n l e tf o e r b a y 2 3 3 前池流态改善措施 进水流道设计的优劣决定了前池内水流的流态，并进而影响到进入水泵的水流 第2 章进水流道的组成和旋涡分析 从而对水泵的运行效率起着重要的作用。不仅进水流道的形状和尺寸对前池中水流 有影响，而且前池与引渠以及进水池的连接形式也对前池中水流有影响。前池内的 水力特性与前池内水流流速分布、通过导流墩、拦污栅及其它障碍物时的能量损失 和流速变化等因素有关。如果前池本身的形式和尺寸设计不当，就会发生旋涡或加 大旋涡强度，从而使进水水力条件恶化，这样就破坏了水泵设计的进水条件，使叶 片进口速度环量远远偏离零值。 为了改善前池的流态和控制旋涡，实践中人们提出了多种有效的工程措施，诸如 加导流墩、底坎、立柱、压水板掣“。采取这些工程措施的目的是通过改变水流的 边界条件或增加水流的局部阻力以达到调整前池水流的整体水力特性。在一个具体 的工程中到底采用哪一种改善措施以及该设施的大小及形状，则需要通过模型试验 并进行几组方案的对比试验才能确定。 2 4 进水池 2 4 1 进水池主要作用 一个泵站性能的好坏，是由多方面因素决定的，其中水泵进水池设计的合理与 否，会直接影响到泵站的安全和效率。好的进水池应该尽可能的减少进水池内部的 水力损失，能尽可能地消除进水池内部的各种旋涡，能使泵的水力性能得到充分发 挥，另外还要求进水池的结构简单，施工方便，造价合理。 2 4 2 进水池常见形式 泵站进水池是连接泵站前池和水泵吸管进口之间的一过渡段，目的是使水流平 稳转向和加速，给水泵提供良好的进水流态，尽量满足水泵进口的设计要求。进水 池形式众多，按照有无自由水面，大体上可分为开敞式进水池和封闭式进水池两大 类；按照前池来流方向可分为正向进水池和侧向迸水池两种；按照进水池的平面形 状，进水池又可分为如下几种形式【2 1 l ： ( 1 ) 直锥形进水池 主要用于单吸泵，结构简单性能好。进水池中液流的流速是逐渐增加的，分布 比较均匀，具有较好的水力性能，能保证叶轮进口均匀无旋的进流条件。 ( 2 ) 弯管形进水池 主要用于卧式离心泵与混流泵中。为避免弯头对液体所产生的扰动，般采用 等截面或渐缩弯管将弯头与叶轮进口相连。等截面弯管性能较差，而渐缩弯管由于 液体的加速而具有较好的水力性能。此种进水池不适用于高比转速的泵，因为弯头 损失对这种低扬程泵的影响比高扬程泵大得多。 ( 3 ) 环形进水池 主要用于节段式多级泵。环形进水池呈环状，各断面形状均系统，结构简单对 称，轴向尺寸小，环形进水池不能保证叶轮进口具有轴对称的流速场，液流进入进 水池后突然扩散，进入叶轮时又突然收缩，水力损失较大，并且显然上部进入叶轮 的流速大，下部小；同时液流绕过泵轴时会形成旋涡，各处进入叶轮液体具有的圆 周速度也很不一样，总之进入叶轮的速度很不均匀。 北京工业大学工学硕士学位论文 f 4 1 半螺旋形进水池 主要用于单级双吸泵、中开式多级泵、大型节段式多级泵以及单级悬臂泵上。 由于这种进水池在圆周上有相当一部分是螺旋形，因此进入叶轮的流速较为均匀， 水力损失也较小，但是叶轮进口处会有一定的旋涡。 ( 5 ) 肘形和钟形迸水池 主要用于大型立式泵，可以减少开挖深度。肘形进水池由水平吸入部分、肘形 弯管及圆锥形收缩管三部分组成，整个流道为不断收缩的流道：钟形吸水室主要包 括水平集水室及喇叭形吸入管。肘形进水池较钟形进水池的平面宽度小，可以减少 厂房长度，钟形进水池则较矮，在保证水泵相同安装高度的情况下，可以减少挖深， 降低土建造价。由于存在拐弯，进口的流速不会太均匀。 2 4 3 进水池流态改善措施 进水池对水泵装置性能的影响主要表现为进水流态对水泵工作状态的影响。首 先，由于水泵吸管的吸水作用和水流流过喇叭口的绕流作用，难免会有局部旋涡出 现；其次，水流是粘性流体，水泵叶轮的旋转势必影响吸管流速的分布，使进水池 中水流产生旋转。在这种情况下，如果进水池设计不当，就会产生旋涡，破坏水泵 设计的先决条件；如果旋涡进入水泵，会使水泵叶片受到不等负荷；更有甚者，如 果旋涡具有吸气能力，则可能会使空气进入泵内，造成水泵吸水量的减少和效率的 降低，甚至产生汽蚀、振动等异常情况，严重时水泵不能正常工作。 在进行进水池的设计时，最重要的是考虑如何减少进水池内部流动中的旋涡， 它们是诱发振动、汽蚀和泵效率降低的主要原因，这些都将使得水泵的性能恶化， 严重时水泵将不能正常工作【2 1 j 。进水池内部的旋涡有多种类型，它们的产生与进水 池的结构有很大关系，同时与泵的运行工况有着直接的联系。 改善进水池中流态的常见的措施主要有： ( 1 1 加设隔板：常用的有水平、垂直及倾斜三种型式，可以安装在水面、水下、 后墙、管前、管后、侧面等位置； f 2 1 在泵吸管进口下部的底板上设导流板或导流锥； ( 3 ) 可以在前池中采取适当措施，如设立垂直立柱和水平底坎，可以使进水池中 仅发生不影响水泵正常工作的具有微涡的紊流。 2 5 旋涡 2 5 1 旋涡的主要形式及危害 根据对已建的泵站调查研究和大量试验资料，旋涡有如下的一些现象： ( 1 ) 旋涡有大有小，时生时灭，旋转速度有快有慢； f 2 1 旋涡旋转的方向有时和叶轮转向一致，有时相反； ( 3 ) 旋涡基本靠近进水管和轴流泵周围转动，逐渐靠拢、消失，周而复始； ( 5 ) 有的旋涡只在水面旋转，有的则形成很长的漏斗，伸入管口或水泵，并把窄 气带入。 进水池中出现的旋涡，一般分为自由表面旋涡和水中旋涡两种，其中表面涡对 第2 章进水流道的组成和旋涡分析 工程影响较大，通常是关注的重点。美国舢d e n 实验研究室根据实验观察到的现象， 将表面涡依其强弱分为以下六种类型【8 】： 旋涡对工程产生的影响因其类型而异，如表中1 2 型近于无旋涡，不会引起危害， 允许存在：3 4 型为弱旋涡，对水泵可能会产生一定作用，危害一般不太严重，宜考 虑防止出现；5 6 型属于强旋涡，可能引起较严重的后果，工程中通常不允许出现。 ；型 留 鞋霹涡毁嘲露不下泌，求魄艟转不潮景鼓十叠 撇辆。 2 型 飞f 一 表露始陷祸一谍藤徽躲，水露之下宥携詹的蠼慢旋转镌伴但糸鸯下 廷仲。 3 型 飞 枭科校旋锅袭霹下陷，梅颜色水鞋凡其中时，可皿热色承体形脏孵 摄的漏斗状挺转隶枉进 取木口。 扩一 接物趣满裘霹下陷聪箍絷铸蔫 旋涡腊袅随艇满蝓辅下沉并暇 4 塑 二艚 凡暾水臼内但竣霄空气哑人 专 可 5 受 迄，_ 删断吸气竭穗露下陷较撮，簿满间断飑攮带鼍抠进 歌水口， 6 塑 一r i 塑睡暖气羁嗤涡中心为贯通蝴斗形气柱莹瓮蛭；续避 取水口。 图2 3 各种表面涡示意图 f i g 2 - 3s c h e m a n cc h a r lo fa l lk i n d so f f f a c ev o n e x ( a ) 无涡心 t。 ，( b ) 有涡心 ( a ) w i t h 叫tv o n 麟c e n c e r( b ) w i t hv o r i e xc c n t c r 图2 - 4 水下涡示意图 f i g 2 - 4s c h e m a 吐cc h a no f 蛐d e n a t e rv o r t e x 2 5 2 旋涡产生的原因 旋涡的产生的原因是多方面的，但主要与进水条件和边界条件有关【2 3 】。 2 5 2 1 进水条件 当从前池中正向引水，且进入池中的流速较小时，就可以使进水池中流速较均 匀地分布，不易产生旋涡。当侧向进水时，由于水流的惯性作用，9 0 。转弯处主流偏 移，进口断面流速分布不均，极易形成旋涡。当进水池从引渠中斜向引水时，池中 也易产生旋涡。 2 5 2 2 边界条件 ( 1 ) 进水池平面形状：进水池水下部分平面形状对流态有一定的影响。矩形进水 池两角易产生回流和旋涡，水泵进口阻力系数较大：多边形较符合水流流线形状， 回流区较小，水泵进口阻力系数较矩形小；半圆形进水池边壁形状基本符合水流流 线，无明显回流，阻力系数较小，但当淹没水深较小时易产生柱状旋涡；平面对称 水流条件较好，水泵进口阻力系数较小，且不易产生柱状旋涡。 ( 2 ) 吸管喇叭口的淹没深度及悬空高度：在进水池形状和尺寸不变的情况下，随 着吸管口的淹没深度不断减少，旋涡将从水面涡逐步向同心吸气涡发展。悬空高度 过大会造成单面进水，使管口流速和压力分布不均，增加管路损失和恶化进水条件， 泵效率降低，有时在进水池底部或侧面还会形成向进水口延伸的旋涡；过小进口流 线过于弯曲会增加水力损失。 ( 3 ) 吸管位置：在池中的位置一般应布置在进水池的中心线上，否则易形成回流 和旋涡。另外吸管至进水池后壁的距离的大小对旋涡的产生也有很大影响。 ( 4 ) 进水池长度：越长越有利于池中流速的重新调熬均匀，但会增加投资和工程 量；池长过短，不易调整流速的分布。 2 6 循环水泵 叶片式水泵一般分为离心泵、轴流泵、斜流泵。离心泵是利用叶片转动时的离 心力对流体做功，使动能转变为压能；轴流泵是利用叶片产生的升力对流体做功； 斜流泵是它转动时叶片产生的离心力和升力对流体做功，使流体压能和动能得到提 高，流体从叶片中斜向流出，故又称斜流泵。离心泵适用于小流量、高扬程，轴流 泵、斜流泵适用于大流量、低扬程。离心泵比转速开，一般在2 3 2 8 0 范围内，斜流泵n ， 一般在3 0 0 6 3 0 范围之间，轴流泵玎。一般在6 0 0 以上。 斜流泵为比转速介于离心泵与轴流泵之间的一种叶片式水泵，斜流泵兼有离心 泵和轴流泵的优点： ( 1 ) 功率变化小，亦即功率曲线比较平坦，在流量变化的较大范围内，动力机能处于 满载范围内运行； ( 2 ) 高效率范围较广，运行效率较高； ( 3 ) 工作范围广，能适应水位的变化； f 4 ) 不易产生汽蚀，运行平稳； ( 5 ) 扬程比轴流泵高，能解决轴流泵流量大、扬程低的矛盾； 第2 章进水流道的组成和旋涡分析 ( 6 ) 转速比轴流泵高，同样工作参数下，体积较小、结构简单。 大型火力发电厂循环水泵一般为大流量、低扬程，采用斜流泵较为合适，安装 运行方便，抗汽蚀性能好，效率较高。 2 7 本章小结 火电厂循环水泵站进水流道主要由引渠、前池、进水池、喇叭口、水泵吸管等 构成，由于前池和进水池流态是影响水泵迸水条件好坏最关键的因素，所以本章重 点对前池和进水池进行了介绍，并针对旋涡的主要形式和产生的原因提出了前池和 进水池流态的改善措施。 第3 章相似理论 很多水力学问题单纯依靠理论分析是不能求解的，很多要依靠试验研究来解决。 这就需要知道如何进行试验才能模拟工程实际以及如何把试验结果应用到工程实际 中去。相似原理就是实验的理论依据，同时也是对水流现象进行理论分析的一个重 要手段，它的应用非常广泛，从小到物质分子结构、大到大气环流、海洋流动等， 都可藉助相似原理来探求其运动规律。在水力学的研究中，从某些水流内部机理直 至与水力机械、水工建筑物等方面的设计、施工与运行有关的水流问题，都广泛应 用水工模型试验来进行研究，即在一个和原型水流相似而缩小了几何尺寸的模型中 进行试验，而相似理论就是模型试验的理论基础。 流动相似的涵义：如果两个流动的相应点上所有表征流动状况的相应物理量都 维持各自的固定比例关系，则这两个流动就是相似的。 要达到上述目的，就必须要求原型实际水流与模型中水流达到完全相似，即模 型设计必须正确，各种物理量的转换必须正确。而相似原理正是解决这些问题的理 论基础，也就是说模型设计是建立在相似理论的基础上的。 3 1 相似现象的相似特征 最直观的相似是几何形状的相似，一个几何相似的物体，般是指各相应边的 几何长度之比保持固定比例。单纯的几何长度一般是反映建筑物或水力机械的形体 尺度，或者是边界的几何线性尺度，这种相似是一种静态量的相似。对于运动物质 系统而言，除了静态量以外，还有动态量，如速度、加速度、作用力等j 。因此， 运动系统的相似，必须还包含动态量的相似。本文所研究的模型试验要达到水流运 动的全面相似，除了几何相似外，还要满足运动相似和动力相似。以上三个相似是 反映相似的水流现象在三个方面的相似特征。 3l1 几何相似 几何相似是指模型与原型几何形状和边界条件的相似，几何比尺 ，： 。( 3 1 ) l m 式中下标： 口原型5 m 模型。 进行一般试验时，必须将原体的三个尺度按照同一比例 进行缩制，这种模型叫 做正念模型。有时因受各种条件的限制，如粗糙度或水流流态等与原体不相似时， 就采用竖直和水平方向长度比尺1 i i - j 的模型，即变态模型，河工模型常采用这种娄 就采用竖直和水平方向长度比尺4 ：同的模型，即变态模型，河工模型常采用这种娄 犁。 北京工业大学工学硕上学位论文 3 1 2 运动相似 运动相似是指模型与原型中的各种物理量在对应点，对应时刻保持固定比例： 帆懒： 一 ( 3 2 ) 流速比尺九： 流量比尺： 3 1 3 动力相似 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 动力相似是指模型与原型在对应点和对应时刻，所受到的各种作用力对应( 同 性质的力) 的方向一致，大小保持固定比例： 作用力比尺砧： 乏咄 ( 3 5 ) 水流运动现象服从于最基本的力学规律是牛顿定律，即各种水流运动都应满足： f 肌业r 3 6 、 出 式中f 作用于质量为坍的水流上的力； v 水流流速。 对应原型水流：一m ，象 ( 3 - 7 ) 对应模型水流：l # m m 薏 对原模型水流相似，对应物理量满足相似比尺为常数的关系，则： f p _ x f f m ，m p 九。：m 。，d v pi 九。面。，d lp = 九i m 。 代入( 3 7 ) 式，整理后可得： 去。叫，薏 代入( 3 8 ) 式，可得： 丝：1 ，旯。 将( 3 一1 0 ) 式的各比尺，换算成相应原型与模型量的比值，可得： 丑 墨 砰 九 丸 罩 掣 一碍一l 宣 常 k 一心 璐一巩 固 岭 加 p 盟；监 ( 3 1 1 ) m p v p m y ” 上式说明两相似承流，在对应点和对应时刻上有关物理量所缀成的无量纲数， 兰纛搽持程等，该疆剩数为牛顿准蘧数，戮娥表示： 掰v 由于 以；曼 ，矩p 删置o y 掰潋牛顿凄囊数氇霹袭示蠢：甄一j 导( 3 一1 3 蠡f p 一 上述这三种相似是原型与模型保持完全栩似的重要特征与属性，这三种相似是 互相联系和互为条件的。几何相似是运动相似芹i 】动力相似的前提与依据，而动力相 似是决定二个水流运动相似的主导因素，运动栩似则可认为是几何相似和动力相似 的表象岛结果。三个相似怒个彼此密切相关的整体，缺一不可。 3 。2 璐象褶豫的条襻 两现象相似的首要条件是两现象必须由间一物理方程所描述，这说明两现象具 有同一物理过程。可是满足间一物理方程的现敷很多，例如管流，明渠流，堰流等 能满足熊爨方程，也满足牛顿第二定律。显然，它们不可能互为耀似水流。这犹如 求瓣反软禁物理蓬程兹裙毽秀程，它可潋得窭符合该方程嚣无穷多个瓣。蠡累要礁 定菜一黪定瑷象，帮要求褥络定象 孛下戆特囊瓣或者溪擎蓬解，鄹么就必须形藏肇 德解的条件。形成物理现象单氆解的条件称为擎值条件。要形成两水流相似，就岿 须满足旗值条件相 i ；( 【圈。 对于不可压缩流体运动的单值条件为： ( 1 ) 几何条件相似，要求流动边界上线性长度比尺保持常数，对应的流场边界几 何形状棚似； ( 2 ) 攀篷条终获含嚣承滚黠疫耪溪量之魄绦簿豢鼗，裁是秀痰滚滚场逮赛土对瘦 獍疆爨绦持相经。流秘介联鹣携瑷条转穗经，帮两承瀛的耪理特瞧，鲡密度、精滞 性应保持相似。 ( 3 ) 初始条件相似，要求在初始时刻，两水流流场中运动情况相似。 这三个相似条件就是说单值条件所包含的物理量应满足相似凇则。也就是所含 物理量缌成的相似准数保持相等。这是两相似水流满足同一物理方程所要求的约束 条件。 主述三个鞠经条馋蹙突瑷溪承流耀籁鹣必瑟秘兖努条箨。爻露满足这些条 孚嚣 承流相似才能得以实现。魄就是说，当两水流满足嗣一物理方程，它们的单德所含 的物理缀相似，单值条件物理璧的比尺又满怒桐似准则的要求时，在模型上得到的 水流现黎定唯一相似于原烈水流中相应边界条件下确定的水流现象。或者说，在 一定边界条件下的原型水流，必然可以在实现相似的必要和充分窳件的模型中得到 模拟。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 3 各种作用力下的相缎准剃 要保持两体系相似，必须使两体系满足几个物蠛方程，即满足几个特定的相似 准则数相等( 或相似指标等于1 ) 。确定了相似准则数，各物理量的相似常数之间就 建立了确定的关系，我们在模型试验中选择各物理爨躺圪尺也就有了霹遵循的准剐。 一毅絮谈，在运凌滚薅一蔓黪援骞多耱终霆力，鲷舞，菜瘩漉孛麴嚣蠲力毒：重 力g ，糖滞力f ，紊流阻力，以及弹性力e 等，魏鬃黉求原鏊与模鹜承滚所受到的 力达到全部相似，刚两水流对成点对应时刻应该满鼹： 生。至。生。& 。生，墼，a ，( 3 1 4 ) g 瓦卅巳咖n ) 。 、 显然要弼蛙潢是上述条 粤邋鬻是不可戆豹。毽怒在一糖承滚中，一般是一耪幸筝 震力莛圭警佟瑟，露其它终孺力廷惹凌要俸震。嚣熬霹菜一其薅承流璐象，藏霹瑷 首先使其童释作用力相似，然藤滚顾其次要佟用力蔚相似要求即可。蜜践证明，这 样可以克服些困难和矛盾，又可达到接近实际的邋似相似。不仅满足了实际工程 的要求，i 耐鼠理论上也是允许的。 下面介绍在本试验中将用剿的单项力作用下的相似准则，其它一然相似准则， 如弹性力、惯性力、压力疆拉) 、液嚣张力等相似，濑予本文用不到，故举在姥分绍。 3 ，3 ， 垂秀相似准剿剐 在体系处于重力作用下时： 笠；1 九i l 镬汝德数鬈= 每，我入主焱毒零：五。一l 3 1 鸯 铲 ( 3 一1 5 ) 式说明在重力佟用下两水流的相似，骚求两水流在对应点和对应时刻 的佛汝德数相等，故重力相似准则又称佛汝德数准则。 3 3 2 阻力相似准则i 矧 ( ) 燕浚嚣疆秀握豫准粼； 稷据警镰定律，萃经覆获上鹣糕滞力暑与流绫豹法线方岛摊茨速度襻澄藏正魄： 办 f 。弘忑 式中；粘滞系数； f 粘滞力； 撵滚线豹法线方疯。 裾邻两鼷闽面积蠢上的精潞力； ，。纠；“竺a 第3 章相似理论 则 九f 。k 牟九。九，k 将上式代入( 3 1 3 ) 式，得： a 。a ， 一= _ 九。氆罨九p 九，九l 上式可写成： 丝。丝。， p九 1 。 即： k t 1 式中： ( 3 1 6 ) ”运动粘滞系数； r e 雷诺数，r e ；堕。 u 层流区阻力相似准则又称雷诺准则。对于自由表面的明渠流动，因为它同是受 到重力和粘滞力的作用，从理论上讲要求同时满足佛汝德数准则和雷诺准则，才能 保证原型和模型的流动相似。但从( 3 1 6 ) 式来看，在同种流体情况下( t 一1 ；九= 1 ) ， 要想同时满足阻力相似准则九m 和重力相似准则九- 是不可能的，唯一的 ， 办法就是采用不同流体( t * 1