水利工程論文-太浦河泵站斜15度軸伸泵水力動態(tài)力分析.doc

水利工程論文-太浦河泵站斜15度軸伸泵水力動態(tài)力分析摘要：太浦河泵站選用斜15軸伸式軸流泵（以下簡稱斜15軸伸泵），為特低揚程、大流量的水泵。它具有葉輪直徑大、水泵裝置流態(tài)復(fù)雜、水泵軸承受力大等特點。本文針對太浦河泵站斜15軸伸泵，進(jìn)行了水泵裝置從吸入口至出口包括葉片、導(dǎo)葉、彎管段等在內(nèi)的整體三維粘性流動分析，得到了流道內(nèi)部不同工況下的流動特性如壓力、速度分布規(guī)律及泵特性曲線，以及流道內(nèi)部的旋渦分布和水力損失情況。同時進(jìn)行了導(dǎo)葉和葉輪流動動靜干涉引起的三維不穩(wěn)定流動分析，得到了葉輪在不同工況下受到的軸向水推力及徑向水推力在旋轉(zhuǎn)過程中的變化規(guī)律，從而為軸承設(shè)計提供了比較準(zhǔn)確的受力條件。該項研究對其它斜式泵的內(nèi)部流態(tài)及受力分析也是一個很好的借鑒。關(guān)鍵詞：斜式軸流泵三維不穩(wěn)定流場水力動態(tài)力Abstract:Six15slantwaysaxial-flowpumpsareinuseattheTaipuhePumpStation,whichprovidwithspeciallylowheadandlargerdischarge,resultinginthelargeimpellerdiameter,thecomplicatedflowfieldandthemoregreatunsteadyhydraulicforceonthebearing.Thispaperanalyzesthewholethree-dimensionalviscousflowfromtheinlettotheoutletincludingtheimpeller,stayvaneandthesyphon,acquirestheflowingpropertiessuchaspressureandvelocitydistributionandtheproperty-curveofthepump,andthevortexdistributionandhydraulicloss.Inaddition,thethree-dimensionalunsteadyflowindecedbytherotor-statorinteractionisanalyzed.Thevaluesofaxialthrustandradialthrustagainsttheimpelleratdifferentoperationconditionsprovidesthebearingdesignamoreexactforceboundarycondition.More,thisstudywasusefulfortheinnerflowfieldandforceanalysisofotherslantwisepumps.Keywords:slandwiseaxial-flowpump；three-dimensionalunsteadyflowfield；unsteadyhydraulicforce1前言太浦河泵站位于江蘇省吳江市的東太湖邊，是太湖流域治理中的一項重點工程。泵站由進(jìn)水渠、進(jìn)水池、泵房、出水池、出水渠等部分組成。水泵裝置從進(jìn)水池的流道進(jìn)口至出水池處的流道出口，見圖一。泵站基本參數(shù)見表一。圖一太浦河泵站水泵裝置圖表一泵站基本參數(shù)設(shè)計（m）最高（m）最低（m）設(shè)計流量（m3/s）傳動運行水位進(jìn)水池1.90/1.706501600KW電動機(jī)平行的兩級傳動減速齒輪箱出水池3.293.342.66揚程靜揚程1.391.640.76考慮損失1.691.941.162斜軸伸泵的受力特點和水力動態(tài)力計算的必要性由于斜軸伸泵呈斜式布置，受力狀態(tài)較臥式和立式水泵要復(fù)雜，水泵軸承同時受水平分力和垂直分力。在靜水工況須承受水泵轉(zhuǎn)動部分的重量和浮力，在運行工況還須承受水力不平衡力、泵葉輪的靜不平衡力和泵軸撓度引起的離心力等。泵葉輪的靜不平衡和泵軸撓度引起的離心力由制造廠根據(jù)機(jī)械加工的技術(shù)要求考慮，而因水流引起的不平衡力以及壓力脈動則比較復(fù)雜，以往因缺乏有力的計算工具，通常按經(jīng)驗進(jìn)行估算，誤差不易分析，也難以分析不平衡力的產(chǎn)生原因。太浦河泵站斜15軸伸泵葉輪直徑為4.1m，遠(yuǎn)大于常規(guī)水泵的葉輪尺寸，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的斜軸伸式水泵的運行經(jīng)驗，對水泵泵軸和軸承的各種受力須予以重視，充分考慮水泵受到的周期性水推力和徑向力，以保證水泵安全運行。為此清華大學(xué)流體機(jī)械及工程研究所、上海院及其它單位一起對水泵裝置進(jìn)行比較全面的數(shù)模計算和水力動態(tài)力分析，第一，檢驗水泵裝置的設(shè)計合理性，并對水泵葉片、導(dǎo)葉型線等過流部件的設(shè)計提出修改意見；第二，獲得水泵裝置完整的水力特性，為軸承、泵軸等受力部件設(shè)計提供參考。3太浦河泵站泵內(nèi)部流道的數(shù)模計算3.1計算內(nèi)容本次計算和分析是對整個水泵裝置的數(shù)模計算。進(jìn)行了從進(jìn)水池進(jìn)口至出水池（包括葉輪和導(dǎo)葉）7個運行工況的三維穩(wěn)定粘性流動分析，以及導(dǎo)葉、葉輪流動相互干涉引起的3個運行工況的內(nèi)部三維不穩(wěn)定粘性流動的計算機(jī)仿真試驗。從而計算出流道內(nèi)部的各運行工況下的流動特性及葉輪受到的水推力和經(jīng)向力隨時間的變化規(guī)律及其頻譜特性，并提出了保證機(jī)組安全高效運行的建議。由于數(shù)模計算能顯示整個水泵流道裝置任意斷面任意點的壓力場和流速場，所以計算中也可表示水泵轉(zhuǎn)動部分的汽蝕和水流流態(tài)等情況。3.2三維粘性流動分析模型本研究采取SIMPLEC方法，并用有限體法離散求解穩(wěn)定流場內(nèi)部流動基本方程（即N-S方程）。湍流模型采用了現(xiàn)實（）的模型。在各種計算中發(fā)現(xiàn)模型在最優(yōu)工況附近和在偏離最優(yōu)工況，都表現(xiàn)出穩(wěn)定的收斂性和較高的計算精度。本次研究專門建立了太浦河泵站水泵裝置從進(jìn)水池的進(jìn)水口至出水池出水口（包括進(jìn)出水支墩、葉輪、導(dǎo)葉體、出水支墩等，但不包括進(jìn)出水流道的三道閘門門槽）整體流道的流動仿真試驗臺，如圖二。圖二整體流道流動仿真試驗臺通過給定進(jìn)口邊速度條件及出水管出口靜壓條件，就可以進(jìn)行多種工況組合（不同揚程和流量）的流動特性試驗。在實際分析中，整體流道的流動分析顯然可以獲得許多完善的流動現(xiàn)象及高精度的計算結(jié)果。4太浦河泵站泵的內(nèi)部流動仿真計算結(jié)果4.1太浦河泵站泵內(nèi)部流道流動特性整體流道的流動特性，如圖三。水流從進(jìn)水池進(jìn)水口流到葉輪進(jìn)口處，流道收縮，靜壓力降低，在水流進(jìn)入葉輪后在葉片背面進(jìn)口靠輪緣處及葉輪和葉輪室間隙處壓力達(dá)到最低，該局部區(qū)域也是汽蝕的最易發(fā)生處。通過葉輪作功后，壓力上升，水流有一定的沖角進(jìn)入導(dǎo)葉，流道擴(kuò)散，在導(dǎo)葉背面產(chǎn)生回流。水流繼續(xù)轉(zhuǎn)彎，流道繼續(xù)擴(kuò)散，水流減速，靜壓力提高，內(nèi)部水流產(chǎn)生回流，流到出水池。在設(shè)計流量50m3/s下，水流從葉輪出口流至出水池的過程中，經(jīng)碰撞、擴(kuò)散、回流、轉(zhuǎn)彎、摩擦等損失較大。而從進(jìn)水池流入葉輪進(jìn)口區(qū)域水力損失很小。4.2太浦河泵站泵內(nèi)部流道流動仿真結(jié)果在葉片的安放角為00時，不考慮三個閘門門槽的水力損失，泵站7個運行工況的三維穩(wěn)定粘性流動分析結(jié)果如圖表一。圖表一泵站7個運行工況點的三維穩(wěn)定粘性流動分析結(jié)果揚程流量汽蝕否軸向力縱向徑向力橫向徑向力徑向力合力mm3/sPv=0.323NNNN3.06420是411063-4804.35892.477602.792.60830是354851-4308.71808.604672.872.40640是323765-6659.0-1056.76742.351.93449.64臨界280045-10346.-1035314636.41.59655否247292-14828.-10967.18443.