大型立式軸流泵站快速閘門上分流拍門面積的確定

1、大型立式軸流泵站快速閘門上分流拍門面積的確定 Determination of the Area of Flap Valve in Rapid-Drop Gate of Large Vertical Axial Flow Pumping Station YU Yong-hai,WEI Chao-jie (College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China) :Rapid-drop gates are usually used to cut off flow i

2、n large low-lift pumping stations.Because water level in outlet rises up quickly, the pump is easily failed to start.Flap valves being set in rapid-drop gate,the pumps can start smoothly and the rapid-drop gates can be operated to rise after synchronous motors are synchronized.If overflow isn t requ

3、ired to occur on breast wall, there is minimum value of area of flap valve which can be determined by the calculated of starttransient process of pump.The start transient process includes more than two stages (three stages,when overflow on top of breast wall) in which the head balance equation is di

4、fferent from each other.For large vertical axial flow pumping station, the area of flap valve can be 15%20% of area of rapid-drop gate. 、八 0 前言 低揚程水泵 （立式軸流泵、 立軸導葉式混流泵即立軸斜流泵、 貫流泵即臥軸軸流泵或斜流泵 ）在其起動期間 , 由于流道短出水 水位上升速率大、 泵揚程較大 , 從而起動電動機負載力矩大 ,易造 成起動失敗。對于低揚程水泵起動過渡過程特性 , 王煦時等 1 在國內率先進行了試驗研究 ; 其后嚴登豐等 2-5 對該問

5、題展開 了比較深入的數值模擬和現場試驗研究。在數值模擬中 , 水力矩 以水泵穩(wěn)態(tài)特性近似表示 2 。而在過渡過程計算時理論上應以 反映暫態(tài)特性的水泵全特性來表示水力矩。 但目前文獻中可查到 的為比轉速 950 的水泵全特性 6, 以該比轉速水泵全特性代替 不同高比轉速水泵的全特性來進行計算 , 仍是近似的。文獻 7 實測了比轉速 850軸流泵的水泵工況、 制動工況、 水輪機工況特 性 , 并以同一座立軸軸流泵站分別應用比轉速 850 與比轉速 950 全特性對其停機過渡過程進行了數值模擬 , 得出了不同比轉速的 低揚程水泵全特性對過渡過程模擬結果影響較小的結論 , 因此在 低揚程水泵過渡過程計

6、算時可用比轉速 950 全特性來表達水力 矩。作者8-9以SUTER曲線表示的水泵全特性來表示揚程、水 力矩建立了低揚程水泵起動和停機過渡過程計算的數學模型 , 其 中對停機過渡過程以實例進行了模擬。 大型立式軸流泵斷流裝置可采用快速閘門 , 為解決起動期間 出水側水位上升速率較大易導致起動失敗問題 , 可在快速閘門上 設分流拍門。分流拍門面積與水泵特性、 泵站出水流道結構參數、 電動機過載系數等有關 , 可通過起動過渡過程計算分析確定。 1 數學模型的建立 大型軸流泵出水側設一道斷流快速閘門、一道檢修閘門( 也 是備用斷流快速閘門 ), 快速閘門上設分流拍門。 大型軸流泵起動 前,將快速閘門

7、解鎖并關閉 , 開啟檢修閘門 ,此時快速閘門外側的 水位即為出水池水位。泵機組起動后 , 快速閘門內側的流道水位 迅速上升超過外側水位后 ,水流沖開分流拍門開始出流 , 若分流 拍門出流仍不滿足使揚程不致增加過快的要求 , 內側水位將繼續(xù) 上升 ,直到超過胸墻頂部高程后進一步溢流 ,待電動機投勵牽入 同步起動過程結束后再提升快速閘門 , 快速閘門提升到位時分流 拍門關閉 , 整個起動過程結束。整個起動過渡過程可用力矩平衡 方程與水頭平衡方程表達。 1.1 力矩平衡方程 水泵機組起動過程中的力矩平衡方程可用下式表示 : Ma=Md-Mzl=Jcb dt= n J30dndt(1) 式中:Ma水泵

8、機組的加速力矩(Nm);Md 電動機的 電磁力矩 (Nm), 對同步電動機投勵前后的表達式不同 9;Mzl 水泵機組的總阻力矩 (Nm); 包括水泵水力矩、 水泵慣性附加力矩、推力軸承摩擦力矩、電動機風扇阻力矩、電 動機轉子風阻力矩、推力軸承油黏滯阻力矩和徑向軸承摩擦力 矩。其中,水泵水力矩 M=Mrg =Mr( a 2+v2)WB(x), a =nnr、v=QQ、 B =MMr均為無因次量，分別表示無因次流量、轉速和轉矩，有下 標“ r”的為額定值。x=n +arctanv a ,WB(x)x為SUTER無因次 力矩曲線;J 水泵機組的轉動慣量(kgm2);宀一水泵機 組的轉動角速度 (ra

9、d/min);n 水泵機組的轉速 (r/min) 。 1.2 水頭平衡方程 泵起動過程中主要有 3個特征水位，即？ i ?in、丨？out和？ i ?p, 其中？ i ?in為進水池水位(m);? i ?out為快速閘門外側出水池水 位(m);? i ?卩為流道內的水位(m),? i ?p=Hsy+?i ?in,Hsy為流道內 水位與進水池水位差，即水泵裝置揚程(m);? i ?w為胸墻頂部高程 (m)。水頭平衡方程如下。 泵機組起動后 , 較短時間內出水流道中的水流尚未沖開 分流拍門，即當? ?p? ?時 H=Hsy+SQ|Q|+MlgdQdt+SpQ2p Hsy=? ?w+hy? i ?i

10、n hy=Q2y2gm2B21/3 Q=Qy+QP Qp和 3 2g(? i ?in+Hsy ? i ?out”4) 式中:H 泵揚程(m),H=hHr=Hr( a 2+v2)WH(x),h=HHr 為無因 次揚程，有下標“ r ”的為額定值。WH(x)x為SUTER無因次揚程 曲線;S 流道阻力參數(s2/m5);MI= / dly(l),y(l)為垂直于流 道中心線流道各斷面積的流道長度函數 ,l 為沿流道中心線長 度;F 流道水平截面面積(m2);Sp 分流拍門阻力參數 (s2/m5);Qp 分流拍門出流流量(m3/s);卩一分流拍門孔口出流 流量系數，取值為0.650.85; 3 分流

11、拍門面積(m2);Qy 胸墻 頂部溢流流量 (m3/s);m 胸墻頂部溢流流量系數 ,取 0.5;B 胸 墻頂部溢流寬度 (m) 。 1.3 求解 對式(1) 至(4) 進行微小時段內積分、有限差分近似 , 可得到 以a、v、Hsy為自變量的非線性方程組,計算的初始條件為:t=0 時,H=Q=Hsy=n=0用Newton-Raphson迭代法可求解上述方程組。 2 實例計算分析 2.1 基本資料 某立式軸流泵站 , 如圖 1所示。裝機 4 臺, 水泵葉輪直徑 2.90 m,設計揚程4.60 m,設計流量31.0 m3/s,配套同步電動機單機功 率 2 400 kW, 額定電壓 6 000 V,

12、 同步轉速 136.4 r/min 。配置肘 形進水流道、直管出水流道 , 采用快速閘門斷流 , 快速閘門尺寸 5.0 mx 5.0 m,在快速閘門上設置分流拍門，在閘門槽設置溢流胸 墻。 已知泵機組起動過渡過程計算相關參數 : 泵葉片平面包角 6 =1.1 rad,泵葉輪輪轂比a =0.45,葉片根部翼型安放角 B r=38.8 ,外緣B R=16 ,推力軸承推力頭當量摩擦半徑 r=0.4 m;電動機轉差率Sm=0.15,最大壓降Um=0.90 Ur,取常系數 R=0.75,K=6.0, 油黏滯阻力系數 f0=10.0, 電機風扇阻力系數 f1=0.06,電機轉子風阻系數f2=5.0,徑向軸

13、承摩擦力矩MA =1 200.0 Nm, 泵機組轉動慣量 J=16 000.0 kgm2; 流 道阻力系數S=0.000 770 8 s2/m5,流道慣性系數 Ml=1.439 5 m-1, 胸墻溢流堰寬 B=6.0 m, 堰流流量系數 m=0.5, 分流拍門孔口出流 系數卩=0.8;計算中采用比轉速950的軸流泵全特性曲線數據。 計算時設定同步電動機在牽入同步后再開啟快速閘門。 2.2 計算結果及分析 當電動機過載系數 入=1.8、胸墻頂部高程?w =22.5 m、出 水池縱向長度 l=3.5 m 時, 不同分流拍門面積的起動過渡過程計 算結果如表 1 所示。 圖 1 泵房橫剖面 表 1 不

14、同分流拍門面積下起動過渡過程計算結果 (入=1.8,?w =22.5 m,l=3.5 m) 分流拍門面積/m2亞同步轉速歷時/s拍門出流流量 /(m3s-1) 胸墻溢流流量 /(m3s-1) 泵揚程 /m 最大穩(wěn)定 泵流量 /(m3 s-1) 最大穩(wěn)定 3.54.2720.200.917.1547.15432.9621.11 4.04.2722.18 未溢流 6.9726.97232.9622.18 4.54.2723.60 未溢流 6.7516.74832.9623.60 取不同的電動機過載系數、 胸墻頂部高程與出水池縱向長度 進行計算 , 可得到類似表 1 結果。 經大量計算可以看出 ,

15、由于設置了分流拍門 , 經計算在出水 池縱向長度、胸墻頂部高程合理確定條件下 , 僅當電動機過載系 數?。ㄈ缧∮?1.6） 、分流拍門面積小 （如小于 2.0 m2） 時,起動才 會失敗,一般都能順利起動。 不過不同參量情形下 , 胸墻可能會溢 流、起動過程中的最大揚程會比較大。 本文認為略大于滿足起動 成功、胸墻不溢流條件的最小分流拍門面積為合適的面積取值。 對實例中的大型軸流泵站 ,在電動機過載系數 （ 取決于電機 制造成本、工藝 ,如1.8） 、出水池縱向長度 （取決于閘門布置、 檢修維護要求 , 如 3.5 m） 、胸墻頂部高程 （ 取決于出水側最高水 位 , 如 22.5 m） 合理確定下 , 分流拍門面積可取快速閘門面積的 15%20%