水泵进水口预旋及涡流强度研究.

1、水泵进水口预旋及涡流强度的研究郑亚军,雷兴春 ,周密河海大学水利水电工程学院 ,南京 (210098E-mail:zhengyajun123摘要 :本文以试验为基础讨论设计不良的泵站进水建筑物 ,在不带泵运行的情况 下 ,容易引起水泵进口水流预旋和吸水管内涡流 ,导致水泵进水条件的改变 ,恶化水泵 的能量特性和汽蚀特性。因此我们有必要对水泵喇叭口水流预旋和泵进口涡流强度 进行研究。通过丝线流场显示技术 ,观察喇叭口进口水流的预旋 ;采用旋度计测定水 泵吸水管内涡角的大小 ,可定性和定量地评判水泵进水设计 ,优化进水设计方案 ,确保 水泵有良好的进水条件 ,提高水泵装置运行的安全性和可靠性。关键

2、词:水泵;进水口;预旋;涡流强度 ;涡角中图分类号 :TV71. 预旋的产生及其原因如果水流在进入水泵叶轮之前 ,除了具有轴向分速之外 ,还有切向分速 ,水流就存 在预旋。人们过去总是习惯地认为 ,水泵进口预旋是水泵叶轮旋转引起的。试验表 明 ,即使在不带泵的情况下 ,进水设计不良的水泵进水建筑物 ,水泵进口也存在着预旋 吸水管内同样有涡流。涡流改变了叶片上的进口速度向量,引起水泵运行特性的改变 ;不均匀的轴向流速分布导致叶轮和轴承的荷载不均衡 ,造成动力机过载和机组振 动。在传统的水泵装置模型试验和泵站整体模型试验中 ,人们偏重于观察前池及进 水池内的总体流动情况 ,仅测量少数断面的流速分布

3、 ,而对水泵进口水流预旋的观察 与吸水管内涡流强度的测量 ,长期以来未引起人们的重视 2,3。因此 ,进水设计和模 型试验无法确保为水泵提供了良好的进水条件 ,以致于水泵运行过程中存在这样或 那样的问题。采用丝线流场显示技术 ,观察水泵口水流预旋 ,用旋度计测量水泵吸水 管内的涡流强度 ,定量地评价进水口的设计 ,在国内尚不多见。以下情况均可能导致水泵进口的预旋或有害旋涡 :(1引渠偏短 ,形成侧向进水 ;(2由于场地限制或其他原因 ,前池长度偏短 ,形态欠佳 ;(3进水池 (进水通道设计不合理 ;(4 进水池水位偏低 ;(5 水泵机组的不对称运行 ;(6 从有较大横向流速的水流中取水。2.

4、水泵进口水流预旋流场显示本人在试验过程中选用 8 根等间距布置的红色纱线固定在水泵喇叭管进口 1, 形成一个圆环 ,红色纱线便于观察和录象 ,纱线的长度为喇叭管悬空高的 1/2 倍,通过 对纱线流向的观察 ,可定性地评价喇叭管进口处的预旋。每根红色沙线显示了所在 位置点的流向。如果红色纱线偏转 ,表明泵进口存在切向流速 ,水流有预旋 ,偏转角度 的大小就间接地反映了预旋的强度 ;如果红色纱线摆动剧烈 ,说明泵进水口水流不稳 定,从而可定性地评价水泵进口的流态和预选情况。红色纱线流动显示的喇叭口进 口流场 ,可通过照相和摄影记录 ,以供试验结束后进一步分析。下图为试验示意图以 及试验安装图 :此

5、为红色纱线在水泵喇叭管处的 8 个位置红色纱线长度为喇叭管悬空高度的 0.5 倍水泵剖面图水泵俯视图图 1: 水泵试验中红色纱线位置示意图图 2: 用红线观测水泵进水口处预旋3. 水泵叶轮室进口的涡流水泵吸水管中压力和流速是否均匀分布直接影响到水泵的性能,是评价水泵进水设计的标准之一。对于水泵进水模拟试验而言 ,目的是检验进水设计是否为水泵 提供了良好的进口条件 ,因此 ,进水设计模型试验不带泵进行。如果水泵喇叭口进口 水流有预旋 ,水泵吸水管内必存在涡流。吸水管内流速一般都很高 , 用丝线流场显示 技术 ,可以定性地评价喇叭口处的流态及预旋情况 ,但无法定量地确定水流的切向流 速或涡流强度的

6、大小 ,因此用丝线观测水泵进口的预旋就很难定量评价进水设计的 优劣5,或进行不同进水设计方案之间的比较。用计算方法确定吸水管内涡流强度 需要知道吸水管内流速分布规律 ,因此要逐点测量过水断面的点流速 ,测试的工作量 就很大 ,周期也变长。吸水管内的水流可分解成轴向和切向个互相垂直的流速分量 ,而切向流速的大 小反映了涡流强度的高低 ,因此 ,可以通过测量水泵吸水管内切向流速的大小 ,代替检 测水流的涡流强度。涡流用旋度计测量 ,典型的旋度计安装情况如图 3 所示4 。旋度计装有 4片平直叶片 ,叶片直径为管道直径的 75%,在流动方向上的长度为管道直径的 60% 。涡角的意义示于图 3, 其计

7、算公式为 :tan t uv v -试= 中: u v 水泵进水管的轴向平均流速 ,计算式为 :214u Qv d =t v 根据旋度计螺旋桨的转速算得的切向流速 ,计算式为:图 3: 旋度计安装示意图以上两式中 :Q流道内的流量 ;t d 安装旋度计处管道的直径 ;n旋度计叶片的转速。 图 4: 涡角计算简图旋度计叶片每旋转 1 圈便可通过光缆输出 10个脉冲 ,计数器可根据输出的脉冲 数计算出叶片的转速。在通常情况下 ,涡流的旋转方向和旋转速度是不稳定的 ,因此 ,旋 度计的读数将连续读取 ,每隔 10-30s读取一次旋度计读数 , 至少持续 10min。标准要求 ,短时间 (10-30s

8、涡角或长时间 (10min 平均涡角均应小于 5图 5: 水泵试验中旋度计安装图4. 结论及建议通过本文的研究我们可以就水泵进水口处预旋及涡流得到以下结论 :(1 在水泵进水模型试验研究中 ,借助丝线流场显示技术观察进水池中的流态和 喇叭口水流预旋情况 ,用专用仪器一旋度计 ,测量吸水管内水流涡角的大小和速度分 布 ,可以定性和定量地评判水泵进水设计的优劣 ,确定哪些设计方案能有效地改善进 水流态 ,为水泵进水优化设计提供指导 ,确保为水泵提供良好的进水条件。(2 为了确保水泵能量特性和气蚀特性的正常发挥 ,应严格限制涡角的大小和流 动破动值。(3 采用旋度计测量水泵吸水管内涡流强度 ,把涡角

9、作为水泵进水设计模型试验 验收标准之一 ,以及在旋度计制作和应用方面 ,相关研究在国内尚不多见 ,有待进一步 深入和详细的研究。(4 水泵的进水条件是评价水泵进水池设计优劣的重要标准 ,水泵吸水管内水流 的涡角是验证数值计算有效性的重要依据。参考文献1 American Hydraulic Institute.American National Standard for Pump IntakeDesign (ANSI/HI9.8-19982 刘超主篇 ,水泵及水泵站。北京 :科学技术文献出版社3 刘丽君 ,刘军。水泵进水设计模型试验研究方法 ,2003,江苏水利 P5-74 朱红耕 ,袁寿其。

10、水泵进水设计模型试验验收标准的研究 ,2005.1 水泵技术 P35-375 朱红耕,陆广林,水泵进口预旋及涡流强度测试新技术 ,2003.6 22(3灌溉排水学 报 P57-60Study on Measuring PreSwirl and Swirl Flow Intensityinside Pump Suction PipeZheng Yajun, Lei Xingchun,Zhou MiHohai University, Nanjing (210098AbstractThe article talk about incorrectdesigned intake structure of

11、 a pumping station which may result in pre swirl in the flow entering the pump and swirl in suction pipe even under no pump operation baseing on experiment ,which shall change flow condition,and affect adversely both pump performance and cavitation characteristics.So we have to put forward in this p

12、aper for investigating pre swirl in flow entering the pump intake and for measuring swirl in the suction pipe.By means of tuft flow visualization method pre swirl in flow entering the suction bell is observed,and swirl angles of flowin the pump suction pipe are measured with a swirl meter.Evaluation of pump intake design can be madequalitatively and quantitatively,and schemes of intake design can be optimized as well With the help of the new technique,a favora