（流体机械及工程专业论文）竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究.pdf

刘军：竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究 摘要 在全球能源日趋紧张的今天，提高大型泵站泵装置效率是一项十分重要的工 作。南水北调东线泵站工程具有扬程低、流量大、年运行时间长等特点，对泵装 置效率提出了更高的要求。 低扬程泵装置有多种型式，竖井式贯流泵装置是一种较新的低扬程泵装置型 式。过去对竖井式泵装置的水力性能研究还不够全面、深入，泵装置的水力性能 尚待进一步提高，前置竖井式贯流泵装置和后置竖井式贯流泵装置水力性能的比 较还需进一步明确。 本文采用以数值模拟为主、模型试验为辅的方法分别对前置竖井式贯流泵装 置和后置竖井式贯流泵装置的进、出水流道进行了三维湍流流动数值模拟和优化 水力设计，对提高竖井式贯流泵装置的水力性能进行了较为深入的研究。具体内 容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据进、出水流道优化水力计算的目标，运用f l u e n t 流体流动计算 软件，分别对前置和后置竖井式贯流泵装置的进、出水流道的优化方案进行三维 湍流流动数值模拟，计算了流道内部的流场和流道水力损失，完成了对不同优化 方案的比较。 ( 2 ) 分别对经过优化的前置和后置竖井式贯流泵装置的进、出水流道进行了 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：数值计算的结果与模型试验的结果基本一致，流道水力损失的 计算结果偏小。 ( 3 ) 对前置竖井式贯流泵装置和后置竖井式贯流泵装置进行了初步分析比 较。 ( 4 ) 根据前置竖井式贯流泵装置和后置竖井式贯流泵装置进、出水流道模型 试验的结果对前置和后置竖井式贯流泵装置的装置效率进行了预测。 本文通过对前置和后置竖井式贯流泵装置的研究，得到以下结论： 扬州大学硕士学位论文 ( 1 ) 竖井式贯流泵装置可在较低扬程下得到良好的水力性能，可供低扬程泵 站选择采用； ( 2 ) 与后置竖井式贯流泵装置相比，前置竖井式贯流泵装置的流道总水力损 失较小，泵装置效率较高； ( 3 ) 经过优化的前置竖井式贯流泵装置和后置竖井式贯流泵装置出水流道可 设计为平缓上翘的形状，以抬高流道出口断面的底高程，降低出水池翼墙高度， 节约土建投资。 关键词：低扬程泵装置竖井式贯流泵三维湍流流动数值模拟水力性 能优化设计模型试验 刘军：竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究i a b s t r a c t a c c o m p a n y i n gb yt h eg l o b a le n e r g ys h o r t a g ed a yb yd a y , i ti sv e r yi m p o r t a n tt o i n c r e a s et h ep u m ps y s t e me f f i c i e n c yo fal a r g ep u m p i n gs t a t i o n t h em a i nf e a t u r e so f t 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 el o wh e a d ，l a r g ed i s c h a r g e a n dl o n go p e r a t i o n a lt i m e t h e r e f o r e ，t h eh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rp u m ps y s t e m e f f i c i e n c ya r ep u tf o r w a r d l o wh e a dp u m ps y s t e mh a ss e v e r a lt y p e s ，a m o n gw h i c hp i tt u b u l a rp u m ps y s t e m i san e wo n e t h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo ft h ep i tt u b u l a rp u m ps y s t e mh a sn o tb e e n s u f f i c i e n t l ya n di n - d e p t hr e s e a r c h e db e f o r e t h e r e f o r e ，t h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo f t h ep u m ps y s t e mn e e d st ob ei m p r o v e d , t h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eb e t w e e n f r o n t - p o s i t i o n e da n dr e a r - p o s i t i o n e dp i tt u b u l a rp u m ps y s t e mn e e d st ob ef u r t h e r c o m p a r e d b y t h eh e l po fn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nm a i n l yw h i l eb yt h eh e l po fm o d e lt e s t s e c o n d l y , t h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n so f3 dt u r b u l e n tf l o wa n do p t i m u mh y d r a u l i c d e s i g nf o rt h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t so f b o t hf r o n t - p o s i t i o n e da n dr e a r - p o s i t i o n e dp i t t u b u l a rp u m ps y s t e ma r ec o m p l e t e dr e s p e c t i v e l y , i m p r o v e m e n t so ft h eh y d r a u l i c p e r f o r m a n c eo ft h ep i tt u b u l a rp u m ps y s t e ma r es t u d i e dd e e p l yi nt h i sp a p e r t h e i d i o g r a p h i cc o n t e n t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt h eo b j e c t i v eo ft h eo p t i m u mh y d r a u l i cc o m p u t a t i o nf o rt h ei n l e t a n do u t l e tc o n d u i t ，t h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n so f3 dt u r b u l e n tf l o wi nt h ei n l e ta n d o u t l e tc o n d u i t so fb o t hf i o n t - p o s i t i o n e da n dr e a r - p o s i t i o n e dp i tt u b u l a rp u m ps y s t e m s a r ec o m p l e t e db yt h eh e l po ff l u e n t , r e s p e c t i v e l y t h ei n t e r i o rf l o wf i e l d sa n d h y d r a u l i cl o s s e so ft h ec o n d u i t sa r ec o m p u t e d ，a n db a s e do nw h i c hc o m p a r i s o n sa m o n g d i f f e r e n to p t i m u ms c h e m e sa r ea c c o m p l i s h e d i v 扬州大学硕士学位论文 ( 2 ) m o d e lt e s t so ft r a n s p a r e n tc o n d u i ta r ec o n d u c t e df o rt h eo p t i m i z e di n l e ta n d o u t l e tc o n d u i t so ft h ef r o n t - p o s i t i o n e da n dr e a r - p o s i t i o n e dp i tt u b u l a rp u m ps y s t e m s ， r e s p e c t i v e l y t h ef l o wp a t t e r n si nc o n d u i t sa r co b s e r v e da n dt h eh y d r a u l i cl o s s e sa r c m e a s u r e d t h et e s tr e s u l t s 锄ec o n s i s t e n t 、i mt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t s ( 3 ) p r e l i m i n a r yc o m p a r i s o na n da n a l y s i sb e t w e e nt h ef r o n t p o s i t i o n e da n dt h e r e a r - p o s i t i o n e dp i tt u b u l a rp u m ps y s t e mh a v eb e e nb r o u g h tt os u c c e s s ( 4 ) t h ep u m ps y s t e m se f f i c i e n c yo ft h ef r o n t - p o s i t i o n e da n dr e a r - p o s i t i o n e dp i t t u b u l a rp u m ps y s t e m sa r ep r e d i c t e db a s e do nt h et e s tr e s u l t s t h ec o n c l u s i o n so b t a i n e df r o mt h er e s e a r c ho ft h e f r o n t - p o s i t i o n e d a n d r e a r - p o s i t i o n e dp i tt u b u l a rp u m ps y s t e m si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) p i tt u b u l a rp u m ps y s t e mh a se x c e l l e n th y d r a u l i cp e r f o r m a n c ei nt h ec o n d i t i o n o fl o wh e a d ，w h i c hc o u l db ec h o s e nf o ral o wh e a dp u m p i n gs t a t i o n ( 2 ) c o m p a r i n g 讪t l lt h er e a r - p o s i t i o n e dp i tt u b u l a rp u m ps y s t e m ，t h ec o n d u i t h y d r a u l i cl o s s e so ft h ef r o n t - p o s i t i o n e dp i tt u b u l a rp u m ps y s t e mi sl o w e ra n di t s e f f i c i e n c yi sh i g h e r ( 3 ) t h es h a p e so fo p t i m i z e d o u t l e tc o n d u i t so ft h e f r o n t p o s i t i o n e da n d m a r - p o s i t i o n e dp i tt u b u l a rp u m ps y s t e m sc o u l db ed e s i g n e dt ob eg e n t l yu p w a r d ，s oa s t h ec o n d u i tb o t t o me l e v a t i o no ft h ee x i ts e c t i o nc o u l db ei n c r e a s e dw h i l et h eh e i g h to f w i n gw a l lc o u l db ed e c r e a s e d , a n dt h ec i v i le n g i n e e r i n gi n v e s t m e n tc o u l db es a v e d k e y w o r d s ：l o wh e a dp u m ps y s t e m ，p i tt u b u l a rp u m p ，3 dt u r b u l e n tf l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , h y d r a u l i cp e r f o r m a n c e ，o p t i m u md e s i g n ，m o d e lt e s t 刘军：竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究 v 符号说明付丐况明 符号物理含义 p流体密度 材 速度向量 t时间 f单位流体体积力 动力粘性系数 k传热系数 丁温度 k湍动能 占 湍动能耗散 以湍动黏度 g i应力生成项 吼k 方程湍流p r a n d t l 数 吒 g 方程湍流p r a n d t l 数 p压强 v i扬州大学硕士学位论文 符号物理含义 甜口平均轴向速度 各单元轴向速度 各单元横向速度 圪流速分布均匀度 口 速度加权平均角度 q流量 允相似准则 国 旋转角速度 ，半径 1 ，平均流速 j ，水力损失 万误差 曰宽度 e动能 h扬程 矽效率 扬州大学硕士学位论文 7 4 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈芟的学位论文是在导师指导f 独立进行研冗工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者戤：厶忏 签字日期：沙辟6 月1 2 , - 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到 ，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 签字日期： 吖年 ；” ；月汨 导师签名： 签字日期：加咧伊易月f 日 刘军：竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究 1 绪论 在全球能源日趋紧张的今天，我国提出了建设节约型社会和发展循环经济的 重大战略举措。在泵站建设方面，特别是大型泵站的建设，提高泵装置效率对节 约能源具有十分重要的意义。南水北调东线泵站工程具有扬程低、流量大、年运 行时间长等特点，对泵装置效率提出了更高的要求。 目前，一般将水泵装置分为三个组成部分：水泵( 包括转轮和导叶) 、进水流 道和出水流道。显然，提高水泵装置的效率可从两方面入手，一方面是提高水泵 的效率，另一方面是提高流道的效率。在提高水泵效率方面，应选择到合适的水 泵水力模型，使得水泵能在高效区运行，目前国内对水泵水力模型的设计已经达 到较高的水平，能满足大部分泵站对水泵选型的需要和水泵效率的要求，同时也 在努力研究开发出更多更优秀的水力模型以满足水泵选型的需要；在提高流道效 率方面，应在选择到合适的水泵装置型式的基础上对流道进行充分的优化水力设 计，减少流道的水力损失以提高流道的效率，目前国内对这一方面的研究还不够 深入。对于低扬程泵站，在水泵效率达到较高水平的前提下，应更加重视研究进 一步提高不同泵装置型式的流道效率。不同的泵装置型式所采用的流道型式不同， 流道水力性能也有差别。按照泵轴安装角度分类，泵装置型式可以分为立式、卧 式和斜式，按照流道型式的不同又可进一步细分。竖井式贯流泵装置型式作为一 种较新的低扬程泵装置型式，过去对其水力性能的研究还较少，本文以数值模拟 为主模型试验为辅的方法对竖井式贯流泵装置的水力性能进行了研究。 1 1 问题的提出 1 1 1 南水北调东线泵站工程的特点及对泵装置选型的要求 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重大战略举措，从 二十世纪五十年代至今，经过半个多世纪的研究，规划确定分别从长江下、中、 2 扬州大学硕士学位论文 上游向北方调水的南水北调东、中、西三条调水线路，与长江、淮河、黄河和海 河形成相互连通的“四横三纵 总体格局。 南水北调东线工程从江苏扬州附近的长江下游干流取水，基本沿京杭运河向 北送水，给黄淮海平原东部和山东半岛补充水源，需要兴建泵站5 1 座，总调水量 8 0 0 ( m 3 s ) ，过黄河2 0 0 ( m 3 s ) ，送山东半岛9 0 ( m 3 s ) ，分三期实施，计划于2 0 3 0 年 以前完成。第一期工程规划抽江水5 0 0 ( m 3 s ) ，入东平湖1 0 0 ( m 3 s ) ，过黄河5 0 ( m 3 s ) ， 送山东半岛5 0 ( m 3 s ) ；第二期工程扩大抽江规模至6 0 0 ( m 3 s ) ，过黄河1 0 0 ( m 3 s ) ， 到天津5 0 ( m 3 s ) ，送山东半岛5 0 ( m 3 s ) ；第三期工程继续扩大调水规模，抽江规模 扩大至8 0 0 ( m 3 s ) ，过黄河2 0 0 ( m 3 s ) ，到天津1 0 0 ( m 3 s ) ，送山东半岛9 0 ( m 3 s ) n 1 。 第一期工程首先调水到山东半岛和鲁北地区，供水目标是补充沿线城市的生 活、工业和环境用水，并适当兼顾农业和其它用水。输水线路以黄河为脊背，分 别向南、北倾斜，从长江至东平湖输水主干线长约6 1 7 k m 。由于穿黄河处水位高 于长江水位约4 0 m ，为此在东平湖以南的输水线路上共设3 4 座泵站，分1 3 个梯 级抽调江水向北输送入东平湖瞳1 。其中利用江苏省江水北调工程现有6 处1 3 座泵 站，新建2 l 座泵站。泵站工程水泵机组的运行特点如下啪： 1 、低扬程、大流量。根据该工程总体规划，一期工程新建的2 l 座泵站，设 计扬程范围为2 4 - , 9 2 m ，其中l l 座泵站扬程低于5 0 m ；各个泵站的流量大多为 1 5 0m 3 s ，每座泵站的装机数量大多为4 5 台，单台机组流量为3 0 m 3 s 左右。因 此，对水泵装置水力设计的要求较高。 2 、年运行时间长，可靠性要求高。该工程泵站设计年运行时间大多为5 0 0 0 h ， 少数泵站为6 0 0 0 8 0 0 0 h 。因此，对水泵机组的效率、可靠性的要求较高。 1 1 2 大型低扬程水泵装置的型式 大型低扬程水泵装置型式的分类方法有多种，本文按泵轴与水流方向的关系， 将常见的大型低扬程水泵装置型式划分为立式、斜式和卧式三大类h 1 ，各大类中 可根据不同的流道型式分为若干小类，具体分类总结如图1 1 。 刘军：竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究3 大型低扬程 水泵装置型式 r 肘形 立式一 l 钟形 l厂虹吸式 l 直管式 r 斜 r 立面s 形 r 水平轴伸式j l 立面s 后轴伸 l q z 面s4 平面8 前轴伸 卧式 i 贯流式l 。警誊蒙霎鎏) ( ：三= l l 竖井式贯流丁前置竖井式贯流 图1 1 大型低扬程水泵装置型式的分类 立式轴流泵装置作为一种成熟的泵型在许多泵站中得到了广泛的应用。与其 它泵型相比，立式轴流泵装置有运行管理经验丰富，安全性、可靠性高；造价较 为经济；设计、制造技术比较成熟；电机工作环境较好，安装检修方便等优点。 主要缺点是水流须作两次9 0 0 拐弯，同等条件下，流道水力损失较大，但也可在 一定条件下应用于低扬程泵站。 斜式泵装置泵轴与水流方向成一定的角度，其流道弯曲程度较小，一般认为 其流道水力损失较小，其缺点主要是泵轴斜置后，受力条件复杂，对导轴承的要 求较高，且安装不便晦1 。 4 扬州大学硕士学位论文 卧式泵装置泵轴沿水流方向布置，分为水平轴伸式和贯流式泵装置，贯流式 泵装置又可细分为灯泡式贯流泵装置和竖井式贯流泵装置，各型式贯流泵装置按 照电机布置位置有前置和后置之分。轴伸式装置在进水侧和出水侧都有角度不等 的弯曲部件，不同程度地增加了流道的水力损失，影响了装置的水力性能；灯泡 贯流式水流基本上轴向通过流道并轴对称流过水泵的叶片，符合水泵叶轮设计的 基本假设条件，这种结构型式水力性能较佳，装置效率较高；竖井贯流式机组是 介于灯泡贯流式和轴伸贯流式之间的一种结构型式，水流从竖井的两侧引人水泵 ( 前置) 或排向出水侧( 后置) ，总体上水力性能与灯泡式机组接近】。 1 1 3 南水北调东线泵站工程水泵装置的选型情况 大型低扬程泵站建设中，水泵装置型式的选择对泵站工程的投资，泵站建成 后机组运行的可靠性、经济性和日常管理、维护等有比较重大的影响，应对装置 型式的选择予以高度重视。水泵装置型式多种多样，影响水泵装置型式选择的因 素很多，对水泵装置型式的选择，应综合考虑各种泵装置型式的特点和各种因素 的相互影响作出合理的选型。 南水北调一期工程可研报告中拟新建2 l 座泵站，其中1 2 座选用立式轴流泵， 2 座选用立式混流泵，7 座选用灯泡贯流泵。江苏境内需新建的1 4 座泵站中，共 有5 座初选灯泡式贯流泵机组。 刘军等对南水北调东线一期工程的机组选型提出了以下建议口1 ：扬程大于4m 的泵站不选用贯流机组，扬程低于3 m 时优先选用贯流式机组；扬程虽低于3i n 的泵站，但有高水头挡洪要求的，经综合比选，也可以不选用贯流机组；扬程介 于3 , - - 4m 的泵站选用立式还是贯流机组，应作详细的技术和经济比较；继续对 贯流式机组进行深入研究，确保所建泵站的安全、可靠运行，同时为南水北调二 期工程选用贯流式机组积累经验。 谢伟东等针对南水北调东线工程淮安四站、淮阴三站泵型比选，对低扬程泵 站选用立式轴流泵和灯泡贯流泵进行了选型对比研究哺1 。得出以下的结论：灯泡 贯流泵方案能量特性优于立式轴流泵方案，但从工程造价、年运行费用及检修维 刘军：竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究 5 护等方面考虑，淮安四站灯泡贯流泵方案投资高于立式轴流泵方案，淮阴三站灯 泡贯流泵方案投资与立式轴流泵方案相近。综合技术、经济、生产能力及可靠性 等方面比较，随着泵站设计扬程和平均扬程的降低，贯流泵的优势明显。 张仁田认为贯流泵的概念是极其广泛的，贯流泵研究、开发与生产加工的重 点应为结构型式，结构的可靠和安全运行是第一位的。鉴于目前国内的大部分生 产厂家尚缺乏生产制造灯泡贯流泵的经验，对南水北调工程低扬程泵站的泵型选 择有如下建议h 6 1 ：根据不同结构型式的贯流式水泵的水力性能及结构特点，轴伸 贯流式、竖井贯流式和灯泡贯流式都可以应用于特低扬程泵站。从水力性能上灯 泡贯流略占优势，结构上水平轴伸贯流最简单，具体结构型式的选择取决于技术 经济的综合比较。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，因此尤其应重视对水平轴伸贯流式机组的 研究。鉴于目前贯流式机组的成功应用经验不多、研究成果也有限，建议针对南 水北调工程中特低扬程泵站的特点展开不同结构型式的对比研究，尤其需要对竖 井贯流式和轴伸贯流式的水力性能与灯泡贯流式进行对比分析，在结构可靠性和 水力性能之间做出合理的取舍，竖井贯流式是值得重点关注的结构型式。由于贯 流式机组有多种型式，因此在进行方案论证时，需要考虑各种结构型式的机组， 对其技术经济指标进行综合分析，例如日本新川河口泵站瞳1 在选择竖井贯流式结 构型式时将该型式与4 5 。斜轴贯流式、立轴弯管型、立轴开敞型和立轴伞型等多 种结构型式进行综合比较，比较结果认为竖井贯流式具有明显的优势。 由以上研究可以看出，在南水北调东线工程泵装置型式选型研究过程中，充 分肯定了灯泡式贯流泵机组的水力性能优势，同时也建议对不同型式的贯流泵装 置进行进一步研究。 竖井式贯流泵装置作为一种新的泵装置型式，过去对其流道水力性能的研究 还不够深入，还没有在大型低扬程泵站中得到应用。本文将对竖井式贯流泵装置 进行优化水力设计，努力减少其流道的水力损失，提高其泵装置效率，使其装置 水力性能接近或达到灯泡式贯流泵装置的水平，扩大南水北调东线泵站工程的水 泵装置选型思路。 6 扬州大学硕士学位论文 1 2 竖井式贯流泵装置的应用及研究现状 1 2 1 竖井式贯流泵装置的特点 竖井式贯流泵装置是一种新型的低扬程泵站结构形式，它将电机、齿轮箱安 装在钢筋混凝土竖井内，竖井的大小和形状通常是由齿轮箱和电动机的大小、人 行通道、静力和水力的要求及基础的需要决定。具有如下特点n 们： ( 1 ) 水泵进、出水流道顺直，泵站装置效率较高； ( 2 ) 与灯泡式贯流泵装置相比，通风、防潮条件良好，运行和维护方便： ( 3 ) 机组结构相对于灯泡贯流式结构要简单，造价较低，安装检修方便： ( 4 ) 竖井本身尺寸笨重、刚度大，受力及变形分析比较简单，传力路径明确， 不像灯泡贯流式机组那样需要进行结构应力与变形的模拟分析和模型试验。 1 2 2 竖井式贯流泵装置的应用现状 近年来，竖井式贯流泵装置由于其本身的优点，在国内一些低扬程泵站得到 了成功应用。例如：苏, k l 怕裴家圩泵站、无锡的梅梁湖泵站和江尖泵站，广东佛 山的黄麻涌泵站，常州市武澄锡横塘片洼地治理北枢纽泵站工程设计也将采用竖 井式贯流泵装置。这些泵站的参数列于表1 1 。 表1 1 国内竖井式贯流泵站的基本参数 站名竖井形式 叶轮直径( m )单泵流量( m 3 s )设计扬程( m )水泵台数 无锡江尖前置竖井 2 52 01 4 6 3 无锡梅梁湖前置竖井 2 ol o1 1 5 5 0 4 ( 抽引) 苏州裴家圩 双向竖井 1 91 0 4 1 1 8 ( 抽捧) 1 3 ( 灌溉) 佛山黄麻涌 双向竖井 1 252 3 2 1 ( 捧涝) 由表中参数可以看出，竖井式贯流泵装置已得到应用的泵站扬程大多只有l m 刘军：竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究 7 多，单机最大流量2 0 m 3 s ，最大水泵叶轮直径2 5 m ，在叶轮直径3 m 以上的特大 型泵站中还未得到应用。 1 2 3 竖井式贯流泵装置的研究现状 随着竖井式贯流泵装置逐步得到应用，已有一些学者对竖井式贯流泵装置单 流道及全流道进行了相关三维数值模拟计算和模型实验研究工作，为深入了解竖 井式贯流泵装置内部流动特性、提高装置的性能及流道的线形设计提供了确实有 效的物理信息。 谢伟东等结合苏州市西塘河引水工程裴家圩泵站的选型，介绍了常用低扬程 泵站的结构形式与特点，较详细地叙述了竖并式贯流泵装置及其流道与断流方式 的设计n 。认为竖井式贯流泵装置作为一种新的低扬程水泵装置型式，与灯泡贯 流泵相比具有结构简单，工程投资省，便于管理维护等优点。经进一步完善，可 在南水北调工程及大、中、小型低扬程泵站上推广使用。指出竖井式贯流泵装置 的流道设计重点是竖井段的设计，进水侧为收缩水流段，出水侧为扩散水流段。 在长度相同的条件下，竖井布置在出水侧时，其后部水体产生脱流，形成一较大 的回流区，扩散段损失较收缩段大。因此，竖井式贯流泵装置宜采用前置式布置， 即竖井布置在进水侧。竖井段的流道设计应以流道断面变化平顺，水泵进口流速 分布均匀，流向尽可能垂直于进1 3 断面为原则。 颜红勤结合无锡梅梁湖泵站，对比分析了竖井前置和后置两种装置的水力性 能，指出影响两种装置水力性能的因素虽有所不同，但总的水力性能差异不大n 幻。 为便于机组安装，改善通风条件，提出应适当加大竖井尺寸，并对机组采用强迫 进、出通风方式和水冷却方式，以降低机组运行温升。 郑源等结合无锡梅梁湖泵站，对两种不同转轮在相同进、出水流道情况下进 行了能量特性试验研究n 3 1 钔。试验研究表明，竖井贯流式水泵在超低扬程( 1 2 m ) 的调水工程中具有很好的水力性能，其模型泵装置的最高效率达6 9 左右，该 项试验研究为今后竖井贯流泵的进一步开发研究获得了良好的开端。 陈松山等结合江苏省无锡市城市防洪排水工程江尖泵站的设计，采用雷诺平 8 扬州大学硕士学位论文 均纳维一斯托克斯方程( r a n s ) 和标准七一占湍流模型，运用s i m p l e c 算法，对椭 圆形线前置竖井贯流进水流道内的流动进行了三维数值计算，揭示了竖井进水流 道内流场、特征断面的速度分布及水力损失规律n 5 1 司。对椭圆形线竖井进水流道 与出水流道匹配组成的模型泵装置进行动力特性试验，得出了4 种叶片角度下的 泵装置特性曲线。研究结果表明：采用椭圆形线设计的竖井进水流道合理；大型 低扬程泵站采用卧式竖井贯流结构，泵装置效率较高。 施法佳、陈红勋等基于三维雷诺平均n a v i e r - s t o k e s 方程、标准七一占紊流模 型和s i m p l e 算法，首先对一模型泵内部流场进行了数值计算，计算值和试验值 吻合较好，验证了计算方法的可行性。进而模拟了双向竖井贯流式水泵装置内部 的三维粘性流场。分析了不同工况下水泵装置内部速度场和压力场的分布，计算 了水泵装置各段水力损失，预测了在不同叶片安放角时排水工况和引水工况的水 泵装置性能。结果表明：排水工况( 竖井前置) 的装置水力效率普遍高于引水工 况( 竖井后置) 的装置水力效率，竖井所在的流道流态较为复杂，特别在引水工 况( 竖井后置) 时，该段流道内有对称漩涡存在，水力损失较大，建议在叶轮和 竖井之间设置导流装置，竖井的形线也有必要进行优化n 刀。 陈容新、关醒凡等等按照流体力学相似原理建立了黄麻涌双向竖井贯流泵站 流道的装置模型，试验测定了模型泵装置在指定叶片角度下运行的装置综合特性 曲线，将泵装置综合特性曲线换算成原型泵的特性曲线，同时试验测定在不同工 况运行状态下的汽蚀性能，并观察进出水流道的流态，得到了汽蚀性能结果，提 出了建设泵站的注意事项和相应的改进措施n 刖。 综上所述，对竖井式贯流泵装置已有的数值计算和模型实验研究表明：竖井 式贯流泵装置在超低扬程泵站工程中具有较好的水力性能，泵装置效率较高：竖 井的位置( 前置还是后置) 对流道内的流态和装置的水力性能影响较大；应从便 于机组安装、改善通风散热条件和提高装置的水力性能等方面综合考虑对竖井形 线进行优化。已有研究虽然取得了一定的进展，但对竖井式贯流泵装置没有作深 入的研究，对前置竖井式和后置竖井式贯流泵装置对比研究不够详细，对流道和 竖井的形线优化设计还不够成熟、充分。本论文将针对以上问题，对竖井式贯流 刘军：竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究 9 泵装置作一些补充、深入的研究。 1 2 4 竖井式贯流泵装置研究的目的和意义 竖井式贯流泵装置虽然具有结构简单，工程投资省，便于管理维护等优点， 但由于过去对这种形式泵装置的流道优化水力设计的研究还不够充分，其流道水 力性能有待进一步提高。因此，对竖井式贯流泵装置的流道进行优化水力设计， 进一步提高其水力性能，是很有意义的。 本论文对竖井式贯流泵装置进行较为深入的优化水力设计研究，最大限度地 提高其水力性能，力争使其水力性能达到较高的水平，开阔低扬程水泵装置选型 的思路。这样，在确定低扬程泵站水泵装置型式时，可以更为全面地了解和认识 各种型式贯流泵装置的水力性能、更为客观地进行水泵装置型式的方案比较，确 保选出最佳的水泵装置型式。 1 3 水泵装置水力性能研究方法概述 在过去相当长的时期内，研究水泵装置的水力性能基本上都采用装置整体模 型试验的方法。这种方法能获得整个水泵装置的水力性能参数，但由于在水泵装 置中，在泵段进口前和出口后都没有渐变流测压断面，而根据水力学的基本要求， 测压断面必须符合在渐变流条件n 1 ，因此，水泵及进、出水流道的水力性能难以 在装置中分别测试。于是，将进、出水流道从水泵装置中分解出来单独进行研究 的方法被提出。而且，随着计算流体力学( c f d ) 软件和微型计算机硬件的迅速 。发展，随着近年来南水北调东线工程泵站建设高标准高要求的提出，随着人们对 水泵装置内部流动形态认识的不断深化，数值模拟的方法在水泵装置水力性能的 研究正得到越来越多的应用。对水泵装置水力优化设计方法呈现出多样性，改变 了传统研究方法单一的局限性。 1 3 1 模型试验研究方法 i 应用模型试验方法研究水泵装置的水力性能，是一种传统的方法。针对试验 1 0扬州大学硕士学位论文 对象的不同，它可以分为以下两种方法： ( 1 ) 整体模型试验研究方法：整体模型试验研究方法是指将水泵装置作为 一个整体、对整个装置的水力性能进行模型试验的研究方法。通过这种方法，能 获取整个装置的水力性能，但不能获取装置各组成部分的性能。 水泵装置整体模型试验方法的特点主要有： ( a ) 可以进行水泵装置的能量性能、汽蚀性能、飞逸特性、进口临界淹没深 度等试验，获得整个装置的水力性能参数； ( b ) 由于在低扬程水泵装置中，在泵段进口前和泵段出口后都没有渐变流测 压断面，根据水力学的基本要求，测压断面必须符合在渐变流条件，因此，水泵 及进、出水流道的水力性能难以在装置中分别测试； ( c ) 试验周期较长、费用较多。 目前在我国泵站主泵设备招投标工作中，普遍采用水泵装置模型试验的方法 作为检验承包商所提供的水泵装置水力性能并对其进行验收的主要手段。 ( 2 ) 单独模型试验研究方法：单独模型试验研究方法是指将水泵装置的3 个组成部分从装置中分解出来，单独对其水力性能进行模型试验的研究方法。这 种方法可以准确地分别获取水泵装置各组成部分的性能。 单独模型试验方法的特点主要有： c a ) 在测量流道水力损失的模型试验中，流道进、出口测压断面符合水力学 总流方程对渐变流断面的要求，可以准确测量流道水力损失； ( b ) 便于采用透明材料制作流道模型，从而可清晰地观察流道内的流态； ( c ) 试验周期较短、费用较少。 由此可见，上述两种模型试验方法是相辅相成、互为补充的关系。将水泵装 置的各组成部分解开来分别进行优化，使各部分水力性能达到最优，最终得到水 力性能最优的水泵装置，这是一种由整体到局部再到整体的优化过程。将流道从 水泵装置分解开来进行单独研究是一种省时省力的高效研究方法。单独模型试验 能准确了解水泵装置各组成部分的水力性能，可以对优化结果进行验证。但要了 解水泵装置整体的水力性能最终还得进行整体模型试验，两者不可或缺。霞：。 刘军：竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究 1l 1 3 2 数值模拟研究方法 二十世纪八十年代以来，c f d 的理论得到很大发展，商用c f d 软件也逐步 得到认同和应用。我国从二十世纪九十年代初即开始采用c f d 技术进行泵站进、 出水流道的优化水力设计，近年来，又开始应用于水泵装置内部流动的数值模拟 计算。数值模拟研究方法相当于在计算机上进行模型试验。同样，针对模拟对象 的不同，它也可以分为以下两种方法： ( 1 ) 整体数值模拟研究方法：整体数值模拟研究方法是指对整个水泵装置进 行内部流动数值模拟计算的研究方法。与模型试验研究方法不同，这种方法不仅 可以获得整个装置的水力性能，而且可以获得装置各组成部分的性能。 水泵装置整体数值模拟研究方法的特点主要有： ( a ) 可以进行水泵装置的能量性能数值模拟计算，对水泵装置的汽蚀性能的 数值模拟目前尚处于探索阶段： ( b ) 可以根据数值模拟的结果计算泵段进口前和泵段出口后的断面平均总 压，从而得到各组成部分的水力性能； ( c ) 与分解数值模拟研究方法相比，计算量大，对计算机硬件要求较高： ( d ) 与模型试验相比，周期较短、费用较少，计算结果的误差较大； ( 2 ) 单独数值模拟研究方法：单独数值模拟研究方法是分别地对水泵及进、 出水流道进行数值模拟计算的研究方法。与水泵装置整体数值模拟研究方法相比， 分解数值模拟研究方法的特点主要有： ( a ) 单独进行进、出水流道水力性能的数值模拟研究，由于计算中不包含水 泵，对计算过程及结果的影响因素少得多，特别是避免了由水泵内部流动模拟所 产生的误差，计算目标单一，计算效果比较好： ( b ) 计算工作量小，便于对进、出水流道进行多方案的优化比较计算； ( c ) 工作周期最短、计算成本低。 上述4 种研究方法之间应是相辅相成、相互补充的关系。以数值模拟为主， 以模型试验研究为辅的方法是必然的发展趋势；单独研究的方法大大提高了水泵 1 2 扬州大学硕士学位论文 装置优化水力设计的效率，但不可能取代整体研究的方法，而是对后者的重要补 充。在水泵装置优化的过程中可将它们进行有机的结合。首先，将水泵装置分解 开来，以数值模拟为主要手段分别对其组成部分进行优化，以模型试验为辅助手 段对数值模拟结果进行必要验证，从而确保得到较优的水泵装置。在此优化的基 础上，最终还需要对水泵整体装置进行数值模拟和模型试验以了解装置整体的水 力性能。 本论文对竖井式贯流泵装置的研究中，采用了单独数值模拟和模型试验相结 合的方法。首先采用流道单独数值计算的方法对竖井式贯流泵装置的流道进行优 化水力计算，然后采用透明流道单独模型试验的方法对优化水力设计得到的最优 方案的流态和水力损失进行验证。 1 4 计算流体力学( c f d ) 在水利工程中的应用概况 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 是近代流体力学、数值流 体力学和计算机科学结合的产物，是- f 具有强大生命力的边缘科学。它以电子计 算机为工具，应用各种离散化的计算方法，对流体力学的各类问题进行数值试验、 计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。计算流体力学的基本特征是数值模 拟和计算机试验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动 力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。 计算流体力学( c f d ) 数值模拟方法最早起源于航空工程领域对机翼绕流特性 的研究，利用c f d 技术可以高效、准确地计算和描述一些复杂流动的流动细节， 例如围绕飞行的飞机的大气流动。近年来，计算流体力学( c f d ) 得到了迅速的 发展，c f d 技术被广泛应用于飞行器和喷气发动机的设计、大跨桥梁、水利工程、 土木工程等多个领域。 在水利工程领域，c f d 在泵站流道、叶轮研究、水轮机尾水管等方面得到了 广泛的应用。在对水流流动的研究领域中，人们由传统的单纯依靠实验方法转而 采用模型实验和数值模拟并举的方法。 在泵站流道方面，陆林广等采用雷诺应力平均n s 方程和标准七一s 双方程模 刘军：竖井式贯流泵装置水力特性及优化设计研究 1 3 型，贴体坐标和交错网格系统对各种不同装置形式的低扬程泵站进、出水流道及 装置内的流动进行了优化水力计算，并在优化水力计算的基础上，进行了透明流 道模型试验，验证了进、出水流道优化水力计算的结果位卜删。陈松山对大型泵站 常用的几种进、出水流道进行了详细的实验研究，并进行了部分数值模拟，结果 显示数值模拟结果与实验结果较为一致c 盯- a e e 成立，刘超等基于重组化群湍流模 型( i 悄g 七一占模型) 和s i m p l e c 算法，计算了进水池和肘形进水流道内部定常 流动，在数值计算的基础上获得了进水池和肘形进水流道内部流动规律；计算了 采用钟型进水流道和蜗壳出水流道的低扬程立式泵站定常流动，预测了泵站水力 性能，并与模型试验结果进行了比较，研究表明设计工况下数值预测与试验数据值 吻合较好呻伽。朱红耕等对几种型式的进、出水流道和装置全流道内部三维流动 进行了数值模拟，计算了流道的水力损失并分析了流道内部流态，为流道和装置 的水力设计优化提供了依据“3 枷。吕建新、许跃华等对大型灯泡式贯流泵流道水 力损失、压力分布、流速分布进行了流体数值计算，与试验数据较为吻合h 力。 在水泵应用研究方面，c f d 技术可用于研究水泵的能量和汽蚀特性，预测水 泵的工作性能及优化水力设计等。刘文龙、郭加宏、陈红勋等对某双吸式离心泵 内部三维湍流进行了数值模拟，在数值模拟的基础上对水泵进行了优化设计，并 对优化后的泵进行了实验测试，验证了数值模拟的结果1 。施卫东、李启峰、陆 伟刚等以c f d 技术为基础，对一台井用潜水泵内部流场进行数值模拟，得到泵轴 轴端及叶轮表面的压力分布，从而预测出泵的轴向力，并对泵样机进行轴向力试 验，得到其全工况下的轴向力分布，比较泵主要工况下预测值与试验值，结果较 4 为一致，且预测值最大误差小于1 0 m 】。近年来，采用c f d 技术以及与之匹配的 流场可视化技术对泵内流动不稳定性及相应的流动结构和流态进行研究已经成为 c f d 技术在泵上应用研究的一个新热点咖1 。g u l i c h 等对比转速从4 4 到5 8 4 之间 3 0 个不同叶轮的扬程和效率进行了c f d 分析和实验研究，对c f d 技术在泵上应 用的适用性进行了分析，其利