淮安三站灯泡贯流泵装置优化研究

淮安三站建成于1996年,是当时国内最大的灯泡贯流泵。自建成之日起就存在启动困难、超功率、振动大等现象,不仅导致该站不能正常运行,而且影响了贯流泵在南水北调工程的应用。本文在分析淮安三站存在的问题的基础上,从6个方面对淮安三站原有泵装置进行优化。采用CFD数值模拟、模型试验、现场测试的方法研究了优化后泵装置的性能。结果证明,优化后的淮安三站灯泡贯流泵装置性能优良,满足泵站运行要求。     

后置灯泡式贯流泵装置模型的优化与试验研究

结合南水北调东线工程金湖泵站低扬程大流量工况要求，研制了贯流泵装置水力模型。采用标准k-ε RNG湍流模型和SIMPLEC算法，对装置模型进行了全流场数值模拟，并对叶片出口和导叶之间的距离进行了优化。优化结果表明，叶片出口和导叶之间距离为0.11D2时，内部流动稳定，装置效率高，当该距离减小或者增大时，在导叶出口易形成旋涡区。流线运动轨迹表明导叶出口存在一定的剩余环量，呈螺旋流态进入出水流道，但没有出现局部旋涡。优化后的装置模型经过江苏大学试验台初试，河海大学试验台复试，和天津中水北方公司试验台终试，三个不同试验台的试验结果基本相符。终试结果表明，该装置模型流量大，效率高，在-4°叶片角下，最高效率达到79.40%，在2.92m扬程下，流量为329L/s，汽蚀比转速为1267，效率达到79.15%，该模型可供南水北调工程及其他工程选用。     

后置灯泡式贯流泵装置模型的优化与试验研究

结合南水北调东线工程金湖泵站低扬程大流量工况要求,研制了贯流泵装置水力模型。采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对该模型进行了全流场数值模拟,并对叶片出口和导叶之间的距离进行了优化。优化结果表明,当叶片出口和导叶之间距离为0.11倍叶轮外径时,内部流动较稳定,装置效率高;当该距离为0.03和0.33倍叶轮外径时,导叶出口分别形成了脱流区和旋涡区。流线运动轨迹表明导叶出口存在一定的剩余环量,呈螺旋流态进入出水流道,没有出现局部旋涡。优化后的装置模型经过3个不同试验台的试验,结果基本相符。试验结果表明,该模型流量大,效率高,在-4°叶片角下,最高效率达到79.40%;在2.92m扬程下,流量为329L/s,汽蚀比转速为1267,效率达到79.15%,该模型可供南水北调工程及其他工程选用。     

基于CFD方法的竖井贯流泵装置进出水流道优化设计

运用计算流体动力学方法,基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,针对通吕运河水利枢纽工程贯流泵装置特征扬程和设计参数对全流道进行数值模拟,在给定的水位资料和土建控制尺寸范围内,对竖井贯流泵装置进、出水流道进行了CFD分析和水力设计优化。通过对三种不同竖井宽度的进水流道内部流态分析、水力损失计算和泵装置效率预测,优选竖井最大宽度确定为5.4 m,该方案设计工况下进水流道水力损失为0.053 m。通过对三种不同出水流道设计方案内部流态分析、对水泵的效率影响和水力损失计算,上翘角对直管出水流道内部流态、水力损失和泵装置效率产生一定的影响,对比分析采用底部上翘角为3.56°的直管式出水流道具有较优的水力性能,且采用该方案时挡土翼墙高度可减少约1 m。竖井贯流泵装置内流CFD分析与进出水流道优化设计可为同类型泵站的设计提供优化参考。     

CFD在大型潜水贯流泵装置优化设计中的应用

采用计算流体动力学(CFD)方法,借助于Fluent软件,对通榆河北延送水工程灌河北泵站大型贯流潜水泵装置进、出水流道三维湍流流态开展数值模拟,并与模型试验、真机试验结果进行比较分析。结果表明,采用数值模拟得到的贯流泵装置流道的内部流态及其水力损失与流道模型试验得到的结果基本一致;流道的控制尺寸及过流边界的形线对贯流泵装置的水力性能有较为明显的影响。通过采用CFD方法对泵装置内部流场状态进行研究,对减少泵内部涡流、提高泵站效率具有重要的意义,并可为预测水泵性能、优化泵型和改进设计提供理论依据。     

低扬程灯泡贯流泵水力特性及内部流场数值模拟

为了更加深入地研究灯泡贯流泵及其后置导叶的水力性能,采用CFD方法,借助于RNG k-ε湍流模型,应用SIMPLIEC算法,对灯泡贯流泵装置全流道进行了数值模拟,分析了其在4种特殊流量工况点下机组后置导叶的流动特性,研究了灯泡贯流泵的内部流动特征。结果表明:在最优工况点时,泵装置的内部流态较好,水流平直顺畅,导叶的导流作用最好;在小流量工况下,泵叶轮进口处出现了大范围的回流、漩涡区,叶轮出口处出水流的流态紊乱,相邻叶片翼型周围有明显的回流区,后置导叶翼型周围的流态紊乱,存在大范围的不良流态区域;在大流量工况下,叶片周围流态较好,出水流态内的回流区较少,但导叶周围的流态较差。可见,后置导叶对叶轮出口处水流的导流作用明显,偏离最优工况时,导叶区的水力损失较大。     

后置灯泡贯流泵装置“马鞍”区数值模拟

"马鞍"区是指轴流泵装置在扬程-流量曲线上小流量工况时的扬程随着流量的减小而出现先减后增的一段区域,在该区域内,泵装置运行状况极不稳定。以南水北调东线淮安三站的后置灯泡贯流泵装置为研究对象,采用ANSYS-CFX数值模拟与模型试验相结合的研究方法,计算并分析了"马鞍"区的流动特性,并将其与设计工况时流动特性进行了对比。结果表明:泵装置运行在"马鞍"区时,进水流道出水断面轴向速度的分布均匀度与速度加权平均角,前、后导叶体段的水头损失,过流部件内部流速场与压力场的分布等指标,均达不到设计要求;在"马鞍"区工况内,大流量时的水力性能要优于小流量时的水力性能。     

低比转速导叶式混流泵水力性能分析

为了研究低比转速导叶式混流泵的水力性能,本文基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程及SST k-ω 湍流模型对该泵内部三维流动进行定常数值计算.给定不同流量,分别计算分析混流泵的扬程、效率与流量的关系,预测水泵能量特性,并分析该混流泵在五个典型流量工况下各过流部件的水力损失及流场特性.结果表明,小流量工况,导叶区的流动分离...     

竖井贯流泵进水流道的数值模拟研究

基于标准k-ε湍流模型,采用雷诺时均N-S方程和SIMPLE算法,通过针对不同竖井线型参数下竖井贯流泵进水流道进行三维数值模拟,展现了各方案进水流道出口断面的轴向速度分布、水平剖面的流线和压力分布以及流道水力损失的状况.通过比较发现:流道过渡平缓时,流道的水力损失性能较好;各方案出口断面上的速度分布呈现为对称分布;由于3种方案的水力损失性能相差不大,考虑到工程的经济性,选择方案1作为最终方案.     

大型潜水贯流泵装置设计与应用

潜水贯流泵装置具有进出水流道顺直、水力损失小、泵装置效率高、土建结构简单、开挖深度小等突出优点。针对江苏省通榆河北延送水工程灌北、善南泵站特点,采用了单泵设计流量为10m3/s、叶轮直径为2m的卧式潜水贯流泵装置,这是目前我国叶轮直径最大的卧式潜水贯流泵装置。工程实践证明,潜水贯流泵装置应用于低扬程大流量泵站是可行的,在特低扬程下,可获得较高的泵装置效率。     

灯泡贯流泵装置的优化水力设计

采用CFD理论应用Fluent软件对某低扬程泵站灯泡贯流泵装置进行了三维湍流数值模拟及其优化水力设计,并采用透明流道模型试验验证了该优化设计.研究结果表明:灯泡贯流泵进、出水流道的控制尺寸及过流边界的形线对贯流泵装置的水力性能具有较为明显的影响;借助于三维湍流数值模拟方法可逐步优化其水力性能,且在设计流量下工作时的流道水力损失可控制在较小的范围内.前置灯泡贯流泵装置具有更好的水流条件,其水力 性能优于后置灯泡贯流泵装置.采用数值模拟得到的贯流泵装置流道的内部流态及其水力损失与流道模型试验得到的结果基本一致,表明采用数值模拟方法得到的灯泡贯流泵装置优化水力设计的结果是可信的.     

贯流泵导叶应力应变及振动特性数值模拟

为了获取贯流泵固定导叶的应力应变和振动特性,基于单向流固耦合法,开展多流量工况下后置灯泡贯流泵固定导叶应力应变和湿模态分析。结果表明：随着流量的增加,导叶片表面最大等效应力和应变量整体趋于减小;小流量和设计流量工况下,导叶片表面的等效应力和应变分布相似;大流量工况下,等效应力沿水泵导叶根部分布,占整个吸力面达90%,较大的应变则出现在导叶片外缘的中上部,变形区域约占整个导叶的60%;导叶固有频率与流量工况关联性不大,其值随着模态振型的阶数增加而增加,共振风险分析中可以忽略流量因素的影响。研究成果对贯流泵固定导叶优化及运行稳定性的提高有一定借鉴意义。     

灌北、善南泵站潜水贯流泵装置的水力特性研究

通榆河北延送水工程灌北泵站和善南泵站扬程低且年运行时间较长,为得到较高的泵装置效率,采用了单泵设计流量为10m3/s、叶轮直径为2m的卧式潜水贯流泵装置。采用三维湍流流动数值计算和模型试验的方法,分别对这种型式泵装置的内外水力特性进行了研究,表明卧式潜水贯流泵装置具有水流平顺、均匀和流道水力损失小的优点,水力性能十分优异。     

基于熵产理论的竖井贯流泵流动损失特性

为了研究竖井贯流泵流动损失特性,基于URANS方法,采用FBM-CC湍流模型对竖井贯流泵内部流场进行了非定常计算,并利用熵产理论对不同流量工况下竖井贯流泵各部件的流动损失特性进行了定量分析。结果表明:FBM-CC湍流模型能够有效预测竖井贯流泵水力性能,与试验结果较为吻合;竖井贯流泵流动损失从大到小依次为叶轮段、出水流道、导叶体、进水流道;叶轮段能量损失的主要来源是湍流耗散,其熵产比率最高可达92%;涡流和流动分离导致出现局部高熵产区域;临界失速工况叶轮轮毂处存在大量涡流,轮缘处流动相对较稳定;深度失速工况受叶顶间隙泄漏流影响,叶轮进口轮缘处出现流动分离,随着流量进一步减小进水流道流态受到影响,叶片前缘出现分离涡。     

后置灯泡贯流泵压力脉动特性数值模拟

为研究不同工况下某南水北调泵站后置灯泡贯流泵叶轮导叶压力脉动规律,通过计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD)对偏流量、偏水位工况叶轮导叶区压力脉动进行计算与分析,结果表明：叶轮导叶区压力脉动时域图周期性明显,叶轮叶片个数对压力脉动主次频有一定影响,叶轮导叶区主次频均为整倍数叶频,叶轮导叶区压力脉动幅值整体从轮缘到轮毂呈减小趋势,叶轮区的压力脉动幅值明显大于导叶区。非设计水位工况下叶轮导叶区压力脉动幅值略大于设计工况,主次频未发生明显变化;非设计流量工况中小流量工况与大流量工况压力脉动幅值均大于设计工况,各个监测点的小流量工况压力脉动幅值为设计工况的2~3倍,且在此工况下低频脉动明显。可见非设计工况运行对机组压力脉动幅值的影响较大,长期在非设计工况下运行严重影响机组运行效率,泵站运行应尽量避免非设计工况运行的情况。研究结论可为泵站日常运维和研究异常水力振动提参考。     

前置竖井式贯流泵装置进出水流道水力设计标准化

借鉴水轮机尾水管水力设计标准化的成功经验, 为使优秀的前置竖井式贯流泵装置在我国低扬程及特低扬程 泵站得到更多更好地应用, 对前置竖井式贯流泵装置流道水力设计标准化进行了较为深入地研究。按满足工程应 用实际需要和分档方案不过于繁多的原则, 在常用值取值范围内对进、出水流道水力设计系列方案进行合理分档; 以竖井宽度和水泵名义平均流速为关键参数, 将进水流道划分为 24 种水力设计标准化方案; 以出水流道出口断面宽度和水泵名义平均流速为关键参数, 将出水流道划分为 17 种水力设计标准化方案; 经优化水力设计计算, 所述进水流道 24 种方案和出水流道 17 种方案的水力性能优异。前置竖井式贯流泵装置流道水力设计标准化研究工作在国内外尚属首次, 对提高低扬程泵站的设计水平具有重要意义。