（水利水电工程专业论文）快速闸门断流立式轴流泵站停机过渡过程数值模拟.pdf

学位论文独创性声明： 本人压呈交的堂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。 论文作者( 签名) ： 晕舒 o 年弓月工l 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( 签名) ：经盈6 1 f 年岁月 河海人学硕l j 学位论文 摘要 泵站是水利工程的重要组成部分，在排涝、灌溉、调水以及城市供水、工 业用水、航运、发电等许多方面发挥了极为重要的作用，有力地提高了各地防 御自然灾害的能力，促进了国民经济的发展，并为圉民经济的可持续发展提供 了强有力的支撑。到月前为止，全国已建各类固定泵站约5 0 万座，其中大型泵 站工程3 0 0 余座。随着国民经济的发展，根据规划还要兴建更多大型泵站工 程，包括举世瞩目的南水北调泵站工程在内。停泵过渡过程的研究是大型立式 轴流( 混流) 泵、泵装置、泵站重要研究内容之一，但其研究成果却很少，不适 应实际工程中要求，因此有必要对停泵过渡过程加以研究。 作为泵站截流闭锁装置，快速闸门已成为大型泵站截流闭锁装置的主要型 式之一。泵站快速闸门的“快速”丰要是停机时要求及时截断水流，可靠地保 护主机泵。因此，快速闸门能否安全、快速地下落，对丁二保护主机泵是至关重 要的，另外，快速闸门检修方便，水力损失小，可节省工程投资，是一种较为 理想的断流闭锁装置“”。 本文根据快速闸门的实际运用情况，同时结合了高精度南水北调工程水泵 模型同台测试试验台上丌展的模型象全特性试验，试验主要包括水泵工况、水 泵制动工况和水轮机工况，以一个转轮为对象，做3 至j 个时片安放角度的全 特性试验。用数值模拟常用的s u7 f e r 曲线表达，建立数据库，利用川性水锤理 论，对事故停泵时泵处的边界条件方程进行改进，并结合泵装置水力特性，得 出大型低扬程泵站停泵过渡过程简易计算方法的数学模型，针对具体数学模型 编制程序，计算快速闸门的闭门总历时。 关键词：泵站、快速闸门、数值模拟、数学模型 a b s t r a c t p u m p i n gs t a t i o ni st h ei m p o r t a n tc o m p o s i t i o np a r to fw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t i th a sp l a y e da ne x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei ns u c hal o to fr e s p e c t sa ss t o r m d r a i n a g e ， i r r i g a t i o n ，w a t e rd i v e r s i o n ，m u n i c i p a l w a t e r s u p p l y , i n d u s t r i a l c o m s u m p t i o n ， n a v i g a t i o n ，e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o n ，e t e i th a si m p r o v e dt h ea b i l i t yt od e f e n d n a t u r a lc a l a m i t ye f f e c t i v e l y , h a sp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y a n do f f e r e dp o w e r f u ls u p p o r tf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y s o f a r , a b o u t5 0 0 ，0 0 0p u m p i n gs t a t i o n sh a v eb e e nb u i l t ，a m o n gw h i c ha r eo v e r3 0 0 l a r g ep u m p i n gs t a t i o n s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h es t a r t o ft h es o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e r r i n gp r o j e c t ，m o r ea n dm o r el a r g ep u m p i n g s t a t i o n sw i l lb eb u i l t s u s p e n d i n gp e r i o di sa ni m p o r t a n tr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c so f l a r g el o w l i f tp u m p i n gs t a t i o n s b u tt h er e s e a r c ha b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c si sv e r y l i t t l e ，a n di tc a nn o tf i tt h ed e m a n d st h a th a v eb e e np r e s e n t e di nt h ea c t u a lp r o j e c t s ，s o i ti sn e c e s s a r yt om a k es t u d i e so nt h et h es u s p e n d i n gp e r i o d r a p i d d r o pi st h ei m p o r t a n tc u t o f fv a l v ei np u m p i n gs t a t i o np r o j e c t t h e ” s t o p ”o fs t o pg a t em a i n l yi sw h e nw a t e rp u m ps h u t sd o w nr e q u e s t st oc u t t i n go f f w a t e rp r o m p t l y , p r o t e c t st h em a i ne n g i n et op u m pr e l i a b l y t h e r e f o r e ，t h es t o pg a t e w h e t h e rs e c u r i t y , f a s tt h ew h e r e a b o u t s ，r e g a r d i n gd op r o t e c tt h em a i ne n g i n et o p u m pa r ev e r yi m p o r t a n t ，m o r e o v e r , s t o pg a t eo v e r h a u lc o n v e n i e n t ，t h eh y d r a u l i c l o s si sl i t t l e ，m a ys a v et h ep r o j e c ti n v e s t m e n t ，i so n ek i n dm o r ei d e a lc u t o f fv a l v e i np u m ps t a t i o n t h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o no fr a p i d d r o pg a t e ，m e a n w h i l e c o m b i n et h ee n t i r ec h a r a c t e r i s t i c st e s to fp u m pm o d e lw h i c hw a sd e v e l o p e do nt h e h i g ha c c u r a c yp u m pm o d e lt e s tp l a t f o r mo ft h es o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e r r i n g p r o j e c tw a t e rt h em o d e l ，m a i n l yi n c l u d e st h ew a t e rp u m po p e r a t i n gm o d e ，t h ew a t e r p u m pa p p l i e st h eb r a k et h eo p e r a t i n gm o d ea n dt h eh y d r a u l i c t u r b i n eo p e r a t i n g m o d e ，t a k ear u n n e ra st h eo h j e c t ，m a k e s3t op l a c et h ea n g l et o5l e a fb l a d e st h e e n t i r ec h a r a c t e r i s t i c st e s tw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m m o n l yu s e ds u t e r c u r v ee x p r e s s i o n ，e s t a b l i s h e st h ed a t a b a s e ，w i t ht h er i g i dw a t e rh u m m e rt h e o r ym a d 2 河海人学颁十学位论文 h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e rh a si m p r o v e dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o ne q u a t i o n a tp u m pd u r i n gt h es u s p e n d i n gp e r i o d ，a n dd r e was i m p l i f i e dm a t h e m a t i c a lm o d e lt o c a l c u l a t et h es h u t i n gt i m eo f r a p i d d r o pg a t e k e yw o r d s ：p u m p i n gs t a t i o n ；t r a n s i e n tp r o c e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； m a t h e m a t i c a lm o d e l * u 海人学顺士学位论义 第一章绪论 1 1 问题的提出和研究意义 泵站是水利工程的重要组成部分，在排涝、灌溉、调水以及城市供水、工 业用水、航运、发电等许多方而发挥了极为重要的作用，有力地提高了各地防 御自然灾害的能力，促进了国民经济的发展，并为国民经济的可持续发展提供 了强有力的支撑。 我国己建及计划待建的大型泵站工程9 0 以上为低扬程泵站。停泵过渡过 程的研究是大型轴流( 混流) 泵、泵装置、泵站重要研究内容之一，但其研究成 果却很少，不适应实际工程中要求，因此有必要对停泵过渡过程加以研究。 水泵站稳定运行时一般都能正常工作，而在起动、停机过程等水力瞬变过 程中常常出现最不利工况，在运行安全可靠性方面出现问题。那么如何避免出 现这些问题? 不论研究起动或事故停电后水泵站与管路中的水力暂态过程，还 是研究消除停泵水锤危害的水锤防护措施，都必须进行相应的泵系统过渡过程 计算，在特别重要的工程中还要进行相应的动态特性试验研究与论证。而泵系 统过渡过程计算，只要尽量使其准确一些，都必须应用叶片泵的全特性( 四象 限特性) 曲线b3 1 。而泵系统过渡过程中最多经历水泵r 况、水泵制动工况与 水轮机工况，因而比抽水蓄能电站水力机械过渡过程计算要求水泵水轮机四象 限特性内容少，冈此，为了满足泵系统过渡过程计算，可以仪仅提供包含泵系 统水力机械过渡过程经历i ：况的特性曲线。 迄今为止，水泵全特性曲线不论在种类上( 按比转数分) 或数量上，都满 足不了科研和生产上的需要，当小能实际测得所研究或使用的某一水泵的全特 性时，常常不得刁i 套用其它已有的、与所研究水泉比转数相近的伞特性曲线。 查崮内外己有资料，主要何以下些水泵全特性曲线资料：l 、西北农学院、陕 西机械学院、沈阳水泵厂等单位提供的k d 2 1 1 0 x2 型离心泵：2 、前苏联莫斯 宁在水锤防护指示书中提供5 2 b 1 1 型离心泵【4 】；3 、美国皮阿巴德提供加 利福尼亚州科罗拉多河抽水站装设的比转数l l o 单级单吸离心泵；4 、f i 本星光 浩在水锤书提供比转数7 7 5 蜗壳式离心泵和比转数1 1 0 “亍f 尺沼”水泵口l ； 5 、美幽泵站水锤专家泊马金存其论文巨型抽水系统中的水锤压力波q 提供 4 河海大学顺十学位论文 比转数1 4 0 1 5 0 离心泵【6 ；6 、美国学者斯捷潘诺夫在离心泵和轴流泵书提 供了比转数1 2 7 离心泵、比转数5 3 0 混流泵和比转数9 5 0 轴流泉【7 】d 高扬程长出水管道离心泵系统水锤问题比较突出，在设计该类泵站时必须 进行水锤计算。而低扬程轴流泵站一般管道较短，水锤压力较小，很难产生水 锤破坏，但对大中型低扬程泵站，出水侧断流措施对泵站的安全刈靠运行影响 较大。如果采用拍门断流，停机过程将直接影响拍门对管道撞击力的大小和水 泵倒转历时和最大倒转转速：如果采用快速闸门断流，那么在事故停机过程中 闸门关闭规律将直接影响水泵倒转历时和最人倒转转速，而且在起动过程中对 闸门开启规律也提出了很高的要求，如果开启不及时，往往会超载造成起动失 败。因此，对低扬程泵站有必要研究其起动、停机过渡过程【8 、9 l 。 南水北调东线一期工程新建2 l 座和改造3 座泵站，这些泵站装设的为立式 轴流泵、贯流泵和立式导叶式混流泵等高比转数水泵，泵站断流措施大多数采 用快速闸门。因此，有必要对这些泵站的开、停机过程进行计算，为工程设计 提供技术依据。 1 2 国内外研究动态 停泵水力过渡过程实质是由稳态到动态，再由动态到稳态的过程，它涉及 到泵机组机械特性、泵装置动力特性、流体动力学特性和水力机械全特性等， 因素多且有理论难度。关于停泵过渡过程基础理论可追溯到上世纪关于波传播 理论探讨，俄围儒柯夫斯基( h e 冰y k o b c k h n ) 第一个较完整的建立了水锤基本方程。然后意大利工程师阿列维( a l l i e v i1 、法 国学者被格龙( b e g r o n ) 等人作了进一步发展，刨新提出阿列维连锁方程及共扼 方程等。再后莫斯特柯夫、施奈德、帕马金等人又将水力过渡理论及图解法应 用于泵站停泵水击计算，也就是停泵过渡计算。帕马令并提出了简易水锤计算 方法( 帕马金停泵水击计算曲线等) 。随着电子计算机技术的发展和广泛应用， 为水力过渡过程数值计算丌辟了途径。在此基础卜，斯特瑞特( s t r e e t e r ) 和怀特 ( w y l i e ) 提出了特征线法，考虑了管路摩阻，其求解精度高【“”】。我幽学者从 5 0 年代初期就开始了泵系统水力过渡过程研究，巾国建筑科学院、河海大学、 陕西机械学院等译位学者相继进行了理论和实验研究，取得了一系列成果。武 汉水利电力学院刘竹溪简化了帕马会计算曲线，提出了新的停泵水锤计算曲线 河海人学硕士学位论文 等。 纵观以上这些关于停泵过渡过程理论、成果，不难看出它们都是建立在有 压管道非恒定流连续性方程、运动方程及波传播理论上，认为管道有弹性、水 体可压缩。虽研究中结合水泵仝特性和机组动力学特性，但其中心仍是水击理 论。它对高扬程离心泵站停泵水击计算分析、研究具有十分重要意义，但立式 轴流泵站有其自身特点，无法直接引用。一般讲，立式轴流泵站管道短，且多 为现浇钢筋混凝土结构，因而相对来浇水体压缩性、波传播及管道弹性己不能 成为过渡过程决定因素。总之，弹性水锤理论1 i 适用于立式轴流泵站。 目前高扬程离心泵站和低比转数混流可逆式机组过渡过程研究相对较多， 立式轴流泵站起动过渡过程理论研究与现场实验办较多，但立式扬程泵站停泵 过渡过程研究国内外均少见。 我国学者曾结合拍门、快速闸门等截流闭锁装置研究对其作了一般性阐述， 提出了从泵系统能量平衡观点出发计算停泵各工况历时近似计算方法，计算中， 流量、转速作线性化处理【3 】。理论研究方面，扬州大学陆伟刚针对目前大泵站 在快速闸门设计和运用卜i 出现的问题，以及闸门本身的运用、操作，结合泵站 停泵动态特性，对停泵后门体的下落运动进行理论上的推导，建立了闸门下落 运动及下落撞击的数学模型，并结合实际工程巾现场实测资料对模型的正确性 给予了验证，为泵站快速闸门的设计和运用提供理论依据1 1 4 、1 6 1 。扬州大学陈 松山、严登丰根据低扬程泵装置管路特性、水泵机组的动力学特性和停泵过渡 过程中泵系统能量守恒原理以及泵相似理论，并结合现场实测停泵过渡过程曲 线的特征点，提出了低扬程泵站停泵泵工况动态特性计算的数学模型盼1 8 19 1 。 工程实测方面，江苏机电排灌工程研究所曾先后实测了南水北调淮阴泵站和湖 北樊口泵站等带虹吸真空破坏阀或拍门特定闭锁装置条什的起动、停泵过渡过 程，积累了宝贵资料2 “9 i ；湖北省水利勘测设计院也曾对樊口泵站停泵反转过 渡过程作过现场实测【2 ；此外，湖南省水利水电勘测设计院和江苏机电排灌工 程研究所结合泵站设计规范试验任务对华容化兰窖等带特定闭锁装置的大型轴 流泵站停泵过渡过程进行过实测 22 “2 ”。 1 3 快速闸门的特点 快速闸门广泛用作水电站市故闸门。作为泵站截流闭锁装置，最甲见汀苏 河海人学硕士学位论文 1 6 m 口径淮安一泵站采用：其后江苏6 m 口径皂河泵站、3 1 m 口径临洪泵站、 2 8 m 口径谏壁泵站以及近年新建太湖治理魏村泵站、望虞河泵站等采用；湖北 有1 6 m 1 径余码头泵站、2 8 m 口径汉川二泵站、4 m 口径樊口泵站及江西八单 湖泵站等采用【3 j 。 快速闸门是立式轴流泵站截流闭锁装置的主要型式之一。它的主要特点是 闸门可以全开，形式简单，阻力损失很小，特别适用于上游水位变幅和淹深较 大的情况。泵站快速闸门的“快速”主要是停机时要求及时截断水流，保护主 机泵。机组起动时，也要求适时较快起升，则可能因地高扬程造成电动机超载； 如果闸门起升过程过慢或因故不能起升，则可能因过高扬程造成电动机超载： 如果开启过早也可能出现水泵排水和闸门泄水在流道内相撞，造成扬程骤然增 高，机组产生震动。快速闸门配用电动卷扬启闭机或油压启闭机。工程上多用 油压启闭机。在机组起动后一段适当的时间内起升闸门，水泵起动不稳定工况 历时很短；停泵后闸门快速下落及时截断水流，能可靠保护主机泵。另外，快 速闸门检修方便，水力损失小，可节省工程投资，是一种较为理想的截流闭锁 装置【1 8 j 。 1 4 主要研究内容 本文根据快速闸门的实际运用情况，同时结合了高精度南水北调工程水泵 模型同台测试试验台上开展的模型泵全特性试验，试验主要包括水泵工况、水 泵制动工况和水轮机工况，以一个转轮为对象，做3 至5 个叶片安放角度的全 特性试验。用数值模拟常用的s u t e r 曲线表达，建立数据库，利用刚性水锤 理论，对事故停泵时泵处的边界条件方程进行改进，并结合泵装置水力特性， 得出立式轴流泵站停泵过渡过程数学模型，针对具体数学模型编制程序，谁算 快速闸门的闭门总历时【2 22 引。 w 海大学顺i + 学位论文 第二章轴流泵全特性模型 试验及试验结果分析 2 1 南水北调工程水泵模型同台测试试验台简介 2 1 1 试验台基本技术参数1 2 4 2 5 南水北调工程水泵模型同台测试试验台为高精度水泵模型通用试验台，采 用立式开闭循环水系统。 试验台出水水箱直径3 6 m ，有效容积7 0 m 3 ，进水水箱直径3 m 有效容积 3 5 m 3 ，循环系统主管直径为由5 0 0 m m ，整个系统总容积为1 2 0 m 3 ，配套蓄水池 容积为5 0 0 m 3 。系统采用大流量双吸泵作为辅助供水泵，试验台在试验过程的 水温升高不超过0 5 。 试验台主要技术参数如下： 最大试验扬程：3 0 m 最大试验流量： 1 0 0 01 s 电机功率：1 6 0 k w ( 直流调速) 试验转速：o 2 0 0 0 f f m i n 辅助泵电机功率：2 8 0 k w ( 变频调速) 出水箱容积：7 0 m 3 进水箱容积：3 5 m 3 循环管路直径： 5 0 0 1 r m l 水力循环系统有效容积： 1 1 0m 3 试验台试验综合误差( 鉴定) o 3 o 河海大学顾十学位论文 图2 - 1 试验台总体布置图 2 1 2 试验台总体布置及测试试验设备 试验台主要循环系统有试验段、进口水箱、进水立管、文丘早流量计、辅 助泵、正反向供水切换管路、k t l d e 型智能电磁流量计、出口水箱等。其立 面布置共分四层，以地面高程o 0 0 m 为基准。如2 1 图所示。 河海大学预l 学位论文 图2 2 试验台系统组成图 2 1 3 试验台系统组成 试验台由水力循环系统、动力及控制系统、数据采集与计算机测量分析系 统以及计算机控制系统组成。 1 、水力循环系统 试验台出水口水箱直径由3 6 m ，高1 0 m ，有效容积7 0 m 3 ；进水口水箱直径 中3 m ，长5 6 m ，有效容积3 5 m 3 ；循环管路直径由5 0 0 m m ，长约3 3 m ，有效容 积71 1 1 3 ：试验台充水后总容积为：1 1 2r l l 3 。 试验台辅助泵电机功率为2 8 0 k w ，设计扬程2 7 m ，设计流量8 0 0l s ，采用 变频调速控制，可在1 0 0 9 7 0 r m i n ( 额定转速) 范围内高精度无级调速，转速控 制精度优于o 1 。试验台辅助泵供水系统，通过采用手动阀门进行管路切换， 可实现对试验系统正、反向供水，以满足低扬程、大流量水泵模型性能试验、 水泵乜逸试验、水泵四象限试验的工作需求。 试验台用由5 0 0 m m 电动蝶阀作为管路调节阀。 试验台采用专用水泵进行充水，充水泵流量4 5m 3 h ，可在2 5 h 内完成全 系统的充水，试验期间更换模型机后的部分充水时间不超过3 0r a i n 。采用d n l 0 0 放水阀和专用系统排水泵排水，全部系统排空时间小丁3 0 m i n 。 海大学硕士学位论文 试验台设置专用渗漏排水泵。 试验台水库容积为5 0 0r r l 3 。 试验台在试验过程中，水温升高不超过0 5 。 2 、动力系统 试验台模型水泵采用1 6 0k w 直流电动机拖动，电机采用西门予全数字直 流传动控制装置，转速在0 2 0 0 0 r m i n 范围内无级可调，通过编码器进行转速 反馈控制，转速控制精度优于o 1 。通过r s 4 8 5 与试验台控制计算机通讯， 实现计算机自动控制。 试验台辅助泵，采用西门子全数字变频调速控制装置，可在1 0 0 9 7 0 r m i n ( 额定转速) 范围内高精度无级调速，转速控制精度优于0 1 。通过r s 4 8 5 与试验台控制计算机通讯，实现计算机自动控制。 进水箱抽真空系统，采用s z 一2 型水环式真空泵，抽气流量3 31 s ，最大 真空度9 6 m 。 试验系统充水泵，及试验系统排水泵，均采用计算机进行开、停控制。 试验台一2 5 0 m 高程的渗漏排水泵，靠设在集水池中的水位计自动控制。 试验台电动蝶阀，采用计算机进行丌、关调节控制，可进行闭环控制。 试验台出水箱顶部排气电磁阀、进水箱顶部排气电磁阀、进水箱顶部抽气 电磁阀，均采用计算机控制系统进行自动控制。 试验台中空室、仪器、仪表室设空调恒温。 3 、数据采集和计算机测量分析系统 试验台稳态( 性能试验) 测量、分析系统以一台工业计算机为中心，以1 6 b i t ， 3 2 c h ，a d ；r s 2 3 2 、4 8 5 、h a r t 、l o n w o r k s 等通讯协议与试验台流量、 扬程、压力、温度、液位、转矩、转速等测试仪器通讯。各试验参数均由计算 机采集并进行数据处理分析，计算机测量系统开发平台为：v b 。 自主研究丌发各类试验、分析计算机程序( 水泵效率试验、水泵汽蚀试验、 水泵飞逸试验、水轮机试验) ，试验曲线采用a k l m a 五点三次样条过试验点进 行拟合，计算机自动查找试验等值点，实现可调叶片式水泵综合特性区线自动 绘制。 试验台动态( 振动、水压脉动、噪声等) 测量，采用d a s p 数据大容量自 i i 海人学碗j j 学位论文 动采集与信号处理系统( d a t ea c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ) ，是 i n v 3 0 6 g m 型智能信号采集处理分析系统的大型软件包，实现了数据采集、记 录、处理、显示、分析、拷贝等动、静态测试过程的一体化处理。能够完成振 动、噪声、应力、应变、温度、压力等各种物理量的测试分析，史现磁带记录、 示波显示、波形和频谱分析、瞬态记录分析、信号处理、模态分析、故障诊断、 噪声分析、数字滤波等多种仪器的测量分析功能，主要用于试验台水压脉动、 振动、噪声测试分析。 4 、试验台计算机控制系统 试验台控制系统以一台工业计算机为中心，以d a ；r s 2 3 2 、4 8 5 、i o d 、 l o n w o r k s 等通讯协议与试验台直流电机调速器、辅助泵变频调速器、真空 泵、系统充水泵、系统排水泵、渗漏排水泵、电动蝶阀、电磁阀等设备通讯。 各试验参数均由计算机设置并进行控制，计算机测量系统开发平台为：m c g s 组态软件。 自主研究开发各类试验( 水泵效率试验、水泵汽蚀试验、水泵飞逸试验、 水轮机试验) 控制程序，实现试验台全部设备虚拟控制，实现试验直流电动 发电机、辅助泵交流变频调速电机、循环管路截止阀等设备计算机闭环控制。 2 2 轴流泵全特性试验 对每个安放角，完成水泵j ：况、水泵制动工况、水轮机工况下的扬程( 水 头) 、流量、轴功率、转速参量的测量记录； ( 1 ) 水泵工况：从大流量向小流量做，以转速7 5 0 f f m i n 运行直至零流量。 水泵正转，水流从卧式圆柱罐( 进水) 向立式圆柱罐( 出水) 流动，出水断面 能量大于进水断面能量，电动机运行： ( 2 ) 水泵制动工况：水泵正转，水流从立式圆柱罐( 出水) 向卧式圆柱罐 ( 进水) 流动，出水断面能量大于进水断面能量，电动机运行； ( 3 ) 水轮机工况：水泵倒转，水流从立式圆柱罐( 出水) 向卧式圆柱罐( 进 水) 流动，出水断面能量大于进水断面能量) ，发电机运行，做到飞逸为止。 试验步骤： 1 、试验前的准备工作 ( 1 ) 测试组成员就位。 河海人学硕l ：学位论文 ( 2 ) 开启试验台动力系统、水力循环系统、计算机测量系统、计算机控制 系统电源；开启仪器仪表室，中控室空调。 ( 3 ) 打丌水力循环系统排气阀，开启系统充水泵，按要求对系统充水。 ( 4 ) 水力循环系统充水完毕后，在静止状态对所有测试仪器调零。 ( 5 ) 启动计算机控制系统、启动计算机测量系统。 2 、系统充水 ( 1 ) 打开进、出口水箱顶部排气阀。 ( 2 ) 关闭系统排水阀、关闭进、出水箱底部排水阀。 ( 3 ) 启动系统充水泵：打开充水泵进、口阀门，开始对系统充水。 ( 4 ) 进水箱液位升至1 9 米高程时关闭进水箱顶部排气阀。 ( 5 ) 出水箱液位升至1 9 米高程时关闭供水泵进、出水阀门，关闭进水箱 顶部排气阀，关闭系统充水泵。 ( 6 ) 系统充水完毕。 3 、系统排水 ( 1 ) 打开进、出口水箱顶部排气阀。 ( 2 ) 打开进水箱底部排水阀，系统排水。排水后可拆卸模型泵， 角度。在此条件下对系统充水时划为3 0 分钟。 ( 3 ) 打开系统排水阀，系统排水。在此条件下对系统充水时间为 ( 4 ) 打丌系统排水泵，将水全部排空，用于对系统检修。 2 2 1 水泵工况及水泵制动工况试验 调节叶片 1 2 0 分钟。 1 、辅助泵正向供水，进行正常水泵工况试验。模型试验转速为7 5 0 r m i n 。 启动辅助泵，转速调至3 0 0 r m i n ，启动模型泵，至试验转速。效率试验：通过 调节辅助泵转速和电动阀门改变试验流量。通过渊节进水箱顶部排气阀和加压 泵保持进水箱压力为4 米水柱，保证在效率试验时模型泵无汽蚀。试验前，模 型泵在额定工况点运转2 0 分钟，其问检查泵的轴承、密封、噪卢和振动状况。 在试验转速下，从大流量到小流量，直到零流量点；测点合理均匀分前j 在整个 性能曲线上；试验l ：况点密度以相邻两个试验效率点按直线连接，在其中问插 值点效率误差小于0 3 为原则。一条试验曲线试验点数不少于1 5 个点，试验 工况稳定后，试验系统在无任何人为干扰条件下连续进行三次测试，每次测试 河海大学硕上学位论义 时间为3 0 秒，三次测试效率最大值与最小值之差小于o 3 ，否则需重新进行 测试。取三次测量的中问值作为最后测试结果，打印、存盘。 2 、辅助泵转速降到零后，通过调节系统切换阀门，辅助泵反向供水，逐渐 加大辅助泵转速流量降至零；进一步加大辅助泉转速，流量变为负值，进入水 泵制动试验工况。 2 2 2 水轮机工况试验 l 、辅助泵反向供水。通过调节辅助泵转速保持试验水头6 米。 2 、效率试验：通过调节模型试验转速改变试验工况( 变单位转速) 。测点 合理均匀分布在整个性能曲线上；试验工况点密度以相邻两个试验效率点按直 线连接，在其中问插值点效率误差小于o 3 为原则。一条试验曲线试验点数不 少于1 5 个点，试验工况稳定后，试验系统在无任何人为干扰条件下连续进行三 次测试，每次测试时间为3 0 秒，三次测试效率最大值与最小值之差小于o 3 ， 否则需重新进行测试。取三次测量的中间值作为最后测试结果，打印、存盘。 2 3 试验数据分析整理 对每一个试验对象，取试验数据中效率最高点的数掘为额定值，包括额定 转速n ，( r m i n ) 、额定扬程h ，( m ) 、额定流量g ( 1 s ) 、额定轴功率n ，( k w ) 。 额定转矩为m ，= 丢 2 i 3 0 n ( k n m ) 。 6 0 以水泵【：况各参量数值为“+ ”，则水泵制动工况下流量数值为“一”，其 它为“+ ”：水轮机工况下流量、转速数值为“一”，其它仍为“+ ”。 对水泵工况、水泵制动工况试验数据处理：根据轴功率、转速计算转矩， 然后计算口2 i n ；2 可m ；v = 詈； 2 可h ；z 2 丌+ “僻川叭 w h ( 。) ：o ；w b ( 。) ：。 对水轮机工况试验数据处理：根据单位转速、单位流量、输入功率可计算 得到流量、扬程、转速，再根据输出功率、转速计算转矩，然后计算髓：旦； 4 ，海人学硕十学位论文 卢= 苦一号一参一r c t g 叫mw h ( 加南： w b ( x ) = 二一。 在许多设计情况下，从制造者那里得不到泵的全特性，因些必须从其它可 以利用的试验数据来完成w h 、w b 的编排。对同样的比转速j 虿h ，曲 线趋于同样的形状。如果这些数据不存在，这时盐线必须用比较另外一些比转 速的数据来引伸。这是一个不完全肯定的步骤，用这样的资料研究瞬变的结果 必须带有一点怀疑眼光来看待。本文结合了高精度南水北调工程水泵模型同台 测试试验台上开展的模型泵全特性试验资料，利用实测数据计算w h 、w b 值。 叶片安放角0 度时数据处理结果如表0 度1 、表0 度一2 、表0 度一3 ； 叶片安放角+ 2 度时数据处理结果如表+ 2 度1 、表+ 2 度一2 、表+ 2 度3 ； 叶片安放角+ 4 度时数据处理结果如表+ 4 度一1 、表+ 4 度2 、表+ 4 度一3 ； 叶片安放角2 度时数据处理结果如表2 度一l 、表一2 度一2 、表2 度一3 ； 叶片安放角4 度时数据处理结果如表4 度一1 、表一4 度一2 、表- 4 度一3 。 河海大学硕上学位论文 表2 - 1 水泵工况、水泵制动工况试验数据 ( 叶片安放角为0 度) 测试点实测量计算量 序号流量( 1 s )扬程( m )轴功率( k w )力矩( k n m ) i 4 1 9 4 9 l5 6 21 4 0 6 6o0 9 2 6 24 0 l6 726 2 1163 5 9o 1 0 7 7 33 9 55 930 6 2l79 3 2 0l l8 1 43 8 40 53 6 6 li8 8 8 30 1 2 4 4 53 7 7 6 240 1 6 1 97 9 9 0 1 3 0 4 63 6 73 646 7 52 10 6 40 1 3 8 7 7 3 5 1 3 9 5 2 8 72 22 1 60 1 4 6 3 83 3 55 8 6 0 1 7 2 34 5 3 0 1 5 4 5 93 1 3 1 267 6 32 52 1 90 1 6 6 l 1 03 0 0 0 07 0 9 52 60 7 1 o 1 7 1 7 1 12 8 28 777 8 62 7 1 9 70 1 7 9 l 1 22 5 8 6 884 9 02 8 7 2 20 1 8 9 2 1 3l7 32 989 9 83 0 4 3 3o2 0 0 4 1 41 5 0 1797 1 63 27 9 702 1 6 0 1 5l l86 8 l l1 8 4 3 72 2 602 4 5 2 1 6 8 02 0 1 3 13 54 34 1 402 8 5 9 l74 56 81 54 3 35 0 6 7 503 3 3 7 l81 25 3 1 86 1 66 0 4 6 903 9 8 2 1 929 12 09 0 46 77 2 70 4 4 6 0 2 0一1 46 52 29 9 87 43 4 60 4 8 9 6 2 i一2 8 l72 5 4 1 28 23 4 805 4 2 3 2 25 25 32 78 2 89 06 8 705 9 7 2 2 3一1 0 73 i 3 l2 1 6 j 0 78 7 3 07 1 0 4 2 4一1 3 42 33 35 6 81 1 84 6 4o7 8 0 2 6 河海人学硕l ：学位论文 2 5一1 6 l2 4 3 6 4 6 4 】3 00 1 0 08 5 6 2 2 618 97 23 96 3 71 4 29 4 7 09 4 1 4 2 7 2 5 2 2 3 4 78 9 81 7 56 8 811 5 7 0 2 83 0 59 15 66 0 32 1 10 7 9 l3 9 0 l 2 93 7 73 6 6 77 5 8 2 5 25 6 7 l6 6 3 3 7 河海大学坝l 学位论文 表2 - 2 水轮机工况试验数据 ( 叶片安放角为0 度) 测试实测量计算量 点序单位单位 输出功率输入 流量水义力矩 转速 号流革转速( k w ) 功率( k w ) r l s )“n ) k n m ( r r a i n ) l9 8 4 6 73 50 7 162 8 81 62 3 22 3 5 1 066 7 30 1 9 3 63 1 0 1 4 21 0 0 75 83 86 7 668 0 41 63 1 42 3 9 1 365 7 601 9 1 13 3 99 7 31 0 3 13 44 21 1 07 4 0 l1 66 5 92 4 45 865 4 801 9 l l3 6 98 6 41 0 5 l7 94 56 6 478 7 01 67 8 22 4 8 4 164 7 90 1 8 8 23 9 9 4 5 51 0 7 19 74 8 8 2 085 3 91 7 4 0 92 5 4 6 765 4 00 1 8 9 84 2 95 7 61 0 8 8 1 45 2 2 7 790 2 81 76 1 22 5 82 265 1 20 1 8 7 64 5 9 4 7 7 1 1 0 39 75 5 5 6 495 3 71 79 8 02 6 25 36 5 2 6 0 18 6 14 8 93 8 8l i l 77 35 88 6 sl o0 1 61 82 9 42 6 6 2 465 3 6o 1 8 4 25 1 93 4 91 1 3 52 0 6 22 4 11 05 2 6186 5 32 7 0 7 565 3 90 l8 2 85 4 98 0 1 01 1 5 04 66 54 7 4l l0 3 71 90 3 32 7 50 l65 5 50 l8 1 85 7 96 8 l l1 1 6 69 4 6 88 6 4 1 15 0 21 92 9 32 7 8 f 8 965 3 80 18 0 26 0 95 6 1 21 1 8 03 97 22 7 0l l9 1 61 94 8 02 8 1 9 465 180 17 8 06 3 93 2 l3l l8 17 77 23 4 ll l8 9 21 94 4 52 8 19 965 0 40 1 7 7 66 3 9 3 3 1 4l 】8 17 67 23 2 01 19 1 6】94 6 22 8 20 765 0 8o l7 8 06 3 93 2 1 51 1 9 58 37 56 6 l1 23 2 81 97 1 52 8 55 365 0 00 17 5 96 6 90 9 1 61 2 1 l2 67 88 9 01 28 4 92 00 9 22 8 98 l65 1 30 1 7 5 56 9 90 8 1 7l2 2 7 4 28 23 3 8】32 6 72 03 0 22 9 33 964 8 50 1 7 3 87 2 89 3 1 81 2 4 1 7 58 57 8 51 36 6 12 04 8 42 9 65 5 64 6 00 1 7 1 97 5 87 7 l91 2 5 6 1 08 9 1 5 51 4 0 4 l2 07 0 82 9 99 264 4 40 1 7 0 l7 8 84 3 2 01 2 7 34 09 25 2 5 1 4 4 7 72 j 0 13 3 0 4 1 4 64 3 20 1 6 8 98 l84 8 2 l1 2 8 62 59 59 0 61 48 2 82 l2 1 03 0 7 1 464 l70 1 6 6 98 4 8 1 9 2 21 3 0 16 99 93 2 2l52 3 32 l4 4 43 】07 363 9 70 l6 5 78 7 8 1 2 2 31 3 178 71 0 28 0 7 156 2 42 16 8 73 1 44 763 7 7o 】6 4 29 0 86 0 8- 叮海人学顺f 学位论文 2 4l3 3 79 11 0 64 9 51 59 2 52 1 8 2 33 l83 263 1 90 1 6 2 19 3 8 4 2 2 51 3 5 09 71 0 96 7 4l62 9 l 2 2 1 5 0 3 2 19 863 2 8 0 1 6 0 7 9 6 8 1 0 2 61 3 6 70 8 1 134 1 0 1 64 8 i2 22 1 43 2 4 - 8 562 7 40 1 5 7 79 9 80 9 2 71 3 7 9 4 91 l69 0 61 66 6 42 23 5 03 2 7 4 76 2 4 90 1 5 4 81 0 2 78 5 2 81 3 9 75 71 2 0 4 1 71 69 4 72 25 7 43 3 l4 362 l80 1 5 3 01 0 5 7 6 5 2 91 4 0 95 l 1 2 38 4 9 1 7 0 6 32 27 5 l3 3 4 1 962 0 20 1 4 9 81 0 8 75 5 3 01 4 2 3 8 21 2 6 6 8 41 7 4 1 02 32 7 23 3 89 962 3 90 1 4 8 8l l l 70 9 3 l1 4 3 5 1 91 2 98 0 21 76 4 l2 36 1 03 4 2 4 362 5 40 1 4 6 91 1 4 7 0 6 3 21 4 5 55 31 3 42 1 9l7 9 6 12 40 1 13 4 76 l62 4 30 1 4 4 51 l8 7 1 8 3 31 4 7 l0 01 3 80 7 3182 6 5 2 46 2 8 3 5 30 462 8 8 0 1 4 2 l 1 2 2 73 l 3 41 5 2 35 21 4 89 7 31 80 7 02 4 4 8 73 6 07 060 6 l0 1 3 2 l1 3 0 63 l 3 5