轴流泵叶轮及泵站进水设计对叶轮室进口流态的影响

论文摘要

大型低扬程泵站具有运行扬程低、单机流量大、年运行时数多等特点,因而提高泵装置的可靠性及运行效率就显得十分重要。水泵叶轮室进口水流的流态对水泵的安全、稳定和高效运行具有很大影响。影响轴流泵叶轮室进口流态的因素较为复杂,国内外对叶轮室进口水流的预旋问题还存在众多不同的认识。本文从轴流泵叶轮和泵站进水设计两个方面,以更宽的视角分别对叶轮室进口水流的流态进行了较为深入的研究工作。本文研究的意义在于：澄清过去关于轴流泵叶轮室进口水流预旋的一些模糊认识,指出泵站进水设计及水泵机组运行工况对叶轮室进口流态的重要性,为泵站进水设计设计理论及方法提供依据。本文的具体内容包括以下几个方面：(1)采用三维湍流流动数值模拟方法及模型试验方法研究轴流泵泵段装置中叶轮室进口水流的预旋问题；(2)采用三维湍流流动数值模拟方法及模型试验方法研究立式轴流泵装置中叶轮室进口的预旋问题；(3)分析泵站进水设计水泵机组运行工况对轴流泵叶轮室进口流态的影响；(4)从泵站进水流态对水泵叶轮室进口流态影响的角度分析美国国家标准《水泵进水设计》的特点,介绍了参照该标准对某泵闸枢纽进行的模型试验研究。本文通过对轴流泵叶轮室进口水流的预旋问题的研究,得到了以下主要结论：(一)轴流泵叶轮对叶轮室进口流态的影响1、当轴流泵在正常运行范围内运行时,叶轮室进口水流基本上为轴向入流,未发生“预旋”。2、当轴流泵在小流量工况运行时,叶轮室进口的外圈水流发生与叶轮转动方向相同的旋转流动,内圈水流仍向叶轮室方向流动,内外圈之间的水流则在前述两种流动状态之间摆动。初步分析在小流量工况下,轴流泵泵内发生“二次回流”,导致叶轮室进口前的局部区域出现回流现象。从水泵外特性看,小流量工况位于水泵性能曲线的“马鞍形区”。3、在轴流泵启动的过程中,叶轮室进口之前的水流处于短暂的类似于小流量工况的流动状态。(二)泵站进水设计对水泵进口流态的影响1、叶轮室进口是否存在预旋主要受进水流态的影响,泵站进水设计及机组运行工况对水泵叶轮室进口的流态有显著的影响,今后应更注重从系统的角度更全面地考虑水泵叶轮室进口流态的问题。2、从泵站进水流态对水泵叶轮室进口流态影响的角度,归纳出美国国家标准《水泵进水设计》的如下特点：(1)引入可定量表示水泵进口水流预旋的概念——涡角；(2)引入用于测量水泵进口水流涡角的装置——旋度计;(3)以涡角为检验泵站进水设计的主要指标；(4)在检验泵站进水设计情况的泵站整体水工模型试验中,用供水泵供水,进行流量模拟,同时用旋度计取代模型泵。3、对某泵闸枢纽提出了改进方案,改进方案较原方案的进水流态进一步改善,可建议工程设计单位采用；4、目前我国尚未颁布针对泵站进水设计的模型试验规程,建议加强对美国国家标准《水泵进水设计》的研究,并准备在适当时候制订我国的相应试验规程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 大型低扬程泵站的特点
• 1.1.2 影响泵装置性能的因素
• 1.1.3 影响叶轮室进口水流流态的因素
• 1.2 关于叶轮室进口水流预旋的研究现状
• 1.2.1 关于轴流泵叶轮对叶轮室进口水流预旋的影响
• 1.2.2 关于泵站进水设计对叶轮室进口流态的影响
• 1.2.3 关于泵站进水设计流态模型试验的研究
• 1.3 本文研究的主要内容及意义
• 2 数值模拟研究方法
• 2.1 数值模拟研究方法的简介
• 2.2 数值模拟研究方法的应用
• 2.3 三维湍流流动数值模拟的数学模型
• 2.3.1 控制方程
• 2.3.2 边界条件
• 2.4 控制方程的离散方法
• 2.5 区域离散
• 2.5.1 网格类型
• 2.5.2 网格单元的分类
• 2.6 计算后处理
• 3 泵段装置中轴流泵叶轮对叶轮室进口流态的影响
• 3.1 泵段三维湍流流动数值模拟
• 3.1.1 计算区域及边界条件
• 3.1.2 网格划分
• 3.1.3 泵段进口流态数值计算结果
• 3.2 泵段叶轮室进口流态模型试验
• 3.2.1 试验目的
• 3.2.2 泵段模型试验装置
• 3.2.3 测试设备及试验方法
• 3.2.4 试验结果
• 3.3 数值计算结果与模型试验结果比较
• 3.4 本章小结
• 4 立式轴流泵装置中叶轮对叶轮室进口流态的影响
• 4.1 立式轴流泵装置三维湍流流动数值模拟
• 4.1.1 计算区域及边界条件
• 4.1.2 网格划分
• 4.1.3 立式轴流泵装置数值计算结果
• 4.2 立式轴流泵装置叶轮室进口流态模型试验
• 4.2.1 试验目的
• 4.2.2 立式轴流泵装置模型试验装置
• 4.2.3 测试设备及试验方法
• 4.2.4 试验结果
• 4.3 本章小结
• 5 泵站进水设计对叶轮室进口流态的影响
• 5.1 泵站进水流态对叶轮室进口流态的影响
• 5.2 美国国家标准《水泵进水设计》的特点
• 5.3 美国国家标准《水泵进水设计》应用实例
• 5.3.1 模型试验标准
• 5.3.2 模型试验系统设计
• 5.3.3 测量仪器与测试方法
• 5.3.4 试验结果
• 5.4 关于泵站整体水工模型试验标准的建议
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文