双向竖井贯流泵结构工作原理特点、安装流程和安装控制的要点

双向竖井贯流泵是长三角地区常见的水利工程用水泵泵型,在给排水、防洪排涝、城市河道调水和农业灌溉等有着广泛应用。笔者通过中横沥南闸这一典型应用场景对双向竖井贯流泵工作原理和特点阐述,对双向竖井贯流泵的施工流程和施工关键技术要点进行了分析,以期帮助类似水泵安装提高效率和精度,为同类型水泵安装问题提供经验参考。

不同导叶张数对双向竖井贯流泵装置影响的受力分析

【目的】研究竖井贯流泵装置在不同导叶片数影响下的受力情况。【方法】本文采用CFD方法,以某工程双向竖井贯流泵装置为研究对象,利用TurboGrid和Icem进行网格划分,基于RNG k-ε湍流模型,对4、5、6、8片导叶片数的双向泵装置在-2°安装角度下分别取0.85Q、Q、1.15Q的流量工况进行数值计算和试验研究。【结果】正反向运行情况下,导叶片数为4、5、6、8片的情况下泵装置轴向受力平均值接近,当导叶片数与叶片数成倍数关系时,轴向力脉动峰值显著增大,影响装置安全运行;叶轮径向受力均较小,可以忽略对工程的影响。将导叶片数设置为偶数时,可降低导叶受到的径向合力。【结论】在实际设计生产过程中,应当避免使导叶片数与叶片数成倍数关系。

前、后置竖井贯流泵装置基本流态分析

利用数值模拟软件Fluent 6.2对雷诺时均N-S方程进行离散,采用S-A单方程模型和SIMPLEC算法对前置竖井和后置竖井贯流泵装置在50%～120%设计额定流量等共16种工况进行了数值计算,并与换算成原型尺寸后的模型试验结果进行了对比,发现性能变化趋势吻合较好,在相同流量下数值计算值与试验值效率误差均在±5%以内。分别对前、后置竖井贯流泵装置的进水流道、泵室段和出水流道在设计流量工况下的基本流态进行了分析和对比,探讨了水力损失的原因。结果表明,前置竖井贯流泵装置的进、出水流态都比较好,而后置竖井贯流泵装置的进水流态均匀平顺,但出水流道的流态比较混乱,水力损失相对较大,装置效率低于前置竖井贯流泵装置;导叶和竖井是影响出水流道流态和装置效率的关键因素,在导叶环量和竖井的影响下极易产生脱流和漩涡。

导叶位置对双向竖井贯流泵装置水力性能的影响

为了研究导叶位置对双向竖井贯流泵水力性能与流态的影响,利用CFX14.5对6种导叶位置方案的双向竖井贯流泵在正向运转与反向运转时分别进行小流量工况(0.8Qdes)、设计流量工况与大流量工况(1.1Qdes)的定常计算,总计共36个工况。将数值模拟结果与泵装置外特性试验数据进行验证对比,并对计算结果进行水力性能与流态分析。研究结果表明:泵装置数值模拟结果与试验数据吻合度良好,最大相对误差小于5%。泵装置正向运转时,在小流量下,泵装置效率随导叶位置S增加而下降,S=40 mm时的导叶水力损失最大;但是在设计流量与大流量下,泵装置效率随导叶位置S增加而上升,S=100 mm时的导叶水力损失最小。泵装置反向运转时,导叶位置对泵装置水力性能与流态没有显著影响,综合考虑,选择导叶位置S=100 mm作为最终方案。

基于CFD的双向竖井贯流泵装置水力性能数值模拟

以某泵站双向竖井贯流泵装置为例,采用CFD数值模拟方法对模型泵不同的转轮叶片、叶轮位置及导叶位置方案进行了数值模拟,最终确定了改进泵装置模型结构参数,并分析了改进模型的综合特性和流场分布规律。结果表明,反向工况由于出水流道内无导叶进行导流和能量回收,出现了明显的回流、漩涡区,降低了流道效率,其出水流道流态较差,且因前置导叶的存在,恶化了叶轮进口水流条件,同时降低了装置过流能力与叶片做功能力,造成反向工况泵装置效率明显低于正向工况。

竖井贯流泵能量特性试验研究

结合江苏某竖井贯流式泵站,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。试验研究表明,竖井贯流式水泵在超低扬程(1～2m)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69%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。

慎江泵站特低扬程大流量竖井贯流泵装置外特性试验研究

【目的】检验特低扬程大流量泵站中竖井贯流泵装置的水力性能,了解泵站的真实运行情况。【方法】采用模型试验的方法,研究了慎江泵站竖井贯流泵装置的外特性,并分析数据提出了改进方案。【结果】泵装置的最高效率出现在叶片角0°工况,可达77.57%,此时泵装置流量为220.5 L/s,扬程为1.95 m。在试验扬程范围内,慎江泵站的装置汽蚀余量充裕,不会产生汽蚀危害。在叶片角为0°时,最大扬程为2.93 m时,飞逸转速相当于额定转速的1.80倍。原方案设计扬程工况下,泵装置的流量偏小,而且在最大扬程工况下的飞逸转速偏大,对泵站安全运行不利。提出提高泵装置额定转速的优化方案,验证得在新转速下泵装置设计扬程对应的能量特性、汽蚀特性以及飞逸转速特性均满足要求。【结论】竖井贯流泵装置水力性能优异,装置效率高,在特低扬程泵站中前景良好,建议优先采用。

南水北调工程邳州站竖井贯流泵装置进出水流态分析

为揭示竖井贯流泵装置内、外特性之间的联系,完善其优化水力设计理论,该文采用三维流动数值计算的方法,对南水北调东线一期工程邳州站泵装置流道表面的流场和垂直于x、y、z3个方向剖面的流场进行了多视角的详尽剖析,并分别采用透明流道模型试验和透明泵装置模型试验的方法检验了流态数值模拟结果。由数值计算和模型试验结果可得:前置竖井贯流泵装置进水流道内的流态均匀平顺、层次分明;出水流道内的水流在螺旋状运动中平缓扩散,流道内无任何脱流或旋涡等不良流态;其水力性能优异的主要原因在于其具有优异的内特性。邳州站前置竖井贯流泵装置主要工况点的泵装置效率超过83%、临界空化余量小于5m,水力性能优异。该文可为低扬程泵站的水力设计提供有益参考。

前置竖井贯流泵出水流道设计参数对其水力性能的影响

【目的】减小前置竖井式贯流泵装置出水流道水头损失、提高泵装置水力性能。【方法】采用经过模型试验验证的数值模拟方法,基于Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,研究了出水流道设计参数对其水力性能的影响。在分析出水流道组成和水力设计参数的基础上,拟定了3种不同出口宽度的出水流道,采用单因素变化方法对不同平面扩散角、立面扩散角、过渡段长度时的出水流道水头损失及出水流态分别进行了三维湍流流动数值模拟。【结果】随着出水流道平面扩散角的增加,流道水头损失先减小再增大,当平面扩散角为17°左右时,出水流道水头损失最小;当出水立面扩散角小于7°时出水流道水头损失基本不变,但大于7°时出水流道水头损失突然增大;随着出水流道扩散段长度增加,出水流道水头损失先减小再增大,在过渡段相对长度在0.6~0.8时达到最小;在出水流道水力设计参数常用范围内,各方案出水流道均无不良流态。【结论】采用合适的设计参数可使前置竖井贯流泵出水流道水头损失最小,提高泵装置效率。

竖井贯流泵装置进出水流道优化分析

为了解竖井贯流泵装置的适用性,结合南通九圩港提水泵站,采用UG与ANSYS软件对进出水流道、叶轮和导叶体进行了实体建模与网格剖分,对比分析了初设方案与优化方案下竖井段、出水段、泵装置内部等的流场。结果表明,优化汇流段型线能够明显提高泵装置的水力性能,确保竖井空间及流道壁厚,有利于机组安装维护。根据优化结果适当调整传动比,提高水泵转速,可保证泵装置的最大扬程满足实际需求。

通吕运河泵站竖井贯流泵装置综合性能分析

为了验证短宽形竖井配合贯流泵装置在超低扬程泵站中的水力性能,了解泵站的实际运行状况,以通吕运河泵站为例,通过物理模型试验研究其外特性,测试了贯流泵装置的能量、汽蚀和飞逸性能.结果表明,设计扬程工况下,叶片角0°满足设计流量要求且效率最高,推荐作为泵站实际运行角度;在试验扬程范围内,泵站汽蚀余量充裕,实际运行无汽蚀之忧;泵装置的飞逸转速随着叶片角度的增加而减小,在叶片角为-4°,最大扬程为3.70 m时,原型泵装置飞逸转速为额定转速的1.66倍,飞逸特性良好;通吕运河泵站在设计扬程对应的综合性能均满足设计要求,竖井贯流泵装置能够满足超低扬程泵站的运行需求,推荐在超低扬程泵站设计中优先采用.

大型竖井贯流泵压力脉动及轴系模态优化

为研究某大型竖井贯流泵的稳定性,基于ANSYS Workbench软件对南水北调某泵装置进行全流道数值模拟来研究水泵的压力脉动分布规律和轴系模态。计算结果表明:贯流泵转轮进口及出口处监测点的压力脉动时域图呈现出周期性;压力脉动的主频多为转频和转轮倍频,脉动幅值有随着扬程增大而增大;转轮转动是形成轴向水推力的主要因素,轴向力和径向力随着扬程的增大而明显增大;轴系在水体中固有频率下降幅度较小,干湿模态的高阶频率基本一致;对比非定常计算结果和模态分析结果,与转轮的固有频率差距较大,不容易引起共振,满足结构强度要求;模态优化结果显示,随着主轴直径的增大,轴系各阶的固有频率出现逐渐增大的趋势,而增长主轴长度,各阶的固有频率出现逐渐减小的趋势,同时轴承长度的增长会导致各阶的固有频率随之增大,其中增长轴承长度以及增大轴直径的变化对固有频率的影响更为明显,1阶频率分别增大83%和18%。研究结果为贯流泵装置水力设计和稳定性分析提供一定的参考。

梅梁湖泵站竖井贯流泵装置主要参数的确定

结合无锡梅梁湖泵站,阐述了低扬程泵站竖井贯流泵装置水泵nD值、叶轮中心安装高程、流道线型尺寸以及主要配套设备等的确定.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.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.

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。

大型竖井贯流泵多工况水力稳定性及其动应力分析

水泵的水力和结构稳定性直接决定着水泵的运行效率和安全性。为此,建立了南水北调二级坝竖井贯流式泵站的全流道三维模型,利用CFD方法模拟了不同工况下水泵内部流动,研究了水泵内部压力脉动特性,并探究了压力脉动和动应力的内在联系。通过在叶轮进出口过流面设置压力监测点,得到了叶轮进出口的压力脉动时频域特性。结果表明:(1)水泵叶轮进出口的压力脉动呈现周期性波动,其主频分别是叶轮叶片通过频率和后导叶通过频率,且出口压力脉动幅值明显大于进口,说明引起压力脉动的原因是叶轮的转动和后导叶与叶轮叶片之间的动静干涉,且动静干涉的影响较大;将叶片上水压力荷载加载到结构中,获得了叶轮的动应力时频特性。(2)对不同工况下的压力脉动与动应力计算结果进行了分析,结果表明应力最大值点位于叶片根部,与静应力计算结果相同,且应力值始终满足结构强度要求,动应力最大值在时域上呈现出周期性,其幅值在静应力附近波动,飞逸工况下的动应力波动较大;动应力频域分析显示,动应力的主次频分别为叶轮叶片通过频率和导叶通过频率,这表明水泵的水力激振力是导致动应力波动的主要原因。

基于流固耦合的竖井贯流泵强度分析

简要地介绍了流固耦合及其分类,结合不同流固耦合方法的特点,选择了顺序流固耦合对竖井贯流泵强度分析。将流体动力学分析软件CFX与有限元分析软件Static Structural(ANSYS)在Workbench中有效地结合,运用顺序耦合的方法对国内某大型竖井贯流式泵站的叶轮和导叶在最大扬程、设计扬程和最小扬程3种工况下的强度进行了研究分析。

大型卧式双向竖井贯流泵安装浅析

近些年,卧式双向竖井贯流泵在江苏省苏南地区的水利泵站采用较多。该泵型是一种新型低扬程泵,其结构简单,安装维修方便,装置效率高,且可实现双向引排水,适合低洼地区防汛排涝,引水补水的综合运用工况。介绍了通过对其结构特点的把握,严格控制机组安装高程、纵横中心线、水平、同心、间隙等关键要素,并合理优化、简化安装过程中的工序工艺,以达到省工省时、保障安装质量的效果。

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。

基于有限元大型竖井贯流泵轴系强度及稳定性分析

为研究南水北调东线某大型竖井贯流泵装置设计方案轴系结构的稳定性,借助Ansys Workbench多物理场计算平台,基于CFD数值模拟和FEM有限元计算,对泵装置三维内部流场及轴系结构场进行了联合求解,研究了不同工况下贯流泵装置轴系的静力学特性。结果表明,随着扬程的增加,叶片两侧压差、轴系最大等效应力及最大位移增大,轴系最大应力集中位置由轴承与泵轴连接处变化到叶片与轮毂连接处,总变形沿轮毂到轮缘方向逐渐变大,其中叶轮轴系在设计扬程下最大等效应力为66.411 MPa,最大位移1.667 3 mm;对比泵轴直径、长度、支撑位置等变量参数发现,轴的直径是影响贯流泵装置轴系强度稳定性的主要影响指标,随着最大等效应力和最大位移值随泵轴直径增大1.1倍,分别减小了28.42%、34.86%;泵轴最优直径为0.346 5 m,推力轴承与泵轴连接处疲劳安全系数2.214 9为最小值,满足安全稳定的要求,对推力轴承与泵轴连接处和叶片与轮毂连接处进行加厚处理有利于提升机组稳定性。研究结果可为贯流泵装置水力设计和轴系强度分析提供参考。

双向竖井贯流泵进出水流道优化研究

基于RNG k-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用商用CFD软件对双向竖井贯流泵装置进行了三维流动数值仿真计算。对流道内的水力损失分析借鉴了微元法分析原理,通过对比分析分段水力损失可知:竖井作为进水流道时,其尾部汇合处水力损失较大,直管式出水流道在靠近导叶出口端水力损失较大,竖井作为出水流道在分叉处水力损失较大。通过调整竖井及直管式流道型线,有效减小水力损失,泵装置外特性有了较好的提升,最终完成水力性能优化设计。最终优化后的双向竖井贯流泵装置在叶片安放角为0°时数值计算结果正向运行效率最高达72.0%,反向为57.9%;模型试验结果正向运行效率最高达70.4%,反向为56.2%。