水泵進口預(yù)旋及渦流強度測試新技術(shù)

1、2003年6月灌溉排水學(xué)報第22卷第3期文章編號:1000646X (2003 03005704水泵進口預(yù)旋及渦流強度測試新技術(shù)朱紅耕1, 2, 陸林廣1, 奚斌1, 劉麗君3(1. 揚州大學(xué)水利學(xué)院, 江蘇揚州225009; 2. 江蘇大學(xué)流體中心, 江蘇鎮(zhèn)江212013;3. 江蘇省水利科技咨詢中心, 江蘇南京210000摘要:設(shè)計不良的泵站進水建筑物, 在不帶泵運行的情況下, 也會引起水泵進口水流預(yù)旋和吸水管內(nèi)渦流, 改變水泵的進水條件, 惡化水泵的能量特性和汽蝕特性。提出了觀測泵進口水流預(yù)旋和測量泵進口渦流強度的新技術(shù)。通過絲線流場顯示技術(shù), 觀察喇叭口進口水流的預(yù)旋; 采用旋度計測定

2、水泵吸水管內(nèi)渦角的大小, 可定性和定量地評判水泵進水設(shè)計, 優(yōu)化進水設(shè)計方案, 確保水泵有良好的進水條件, 提高水泵裝置運行的安全性和可靠性。關(guān)鍵詞:水泵; 進水設(shè)計; 預(yù)旋; 渦角; 旋度計中圖分類號:S 277. 9文獻標識碼:A如果水流在進入水泵葉輪之前, 。人們過去總是習(xí)慣地認為, 水泵進口預(yù)旋是水泵葉輪旋轉(zhuǎn)引起的。, 進水建筑物, 水泵進口也存在著預(yù)旋, 1, 2, 引起水泵運行特性的改變; , 造成動力機過載和機組振動。在, 人們偏重于觀察前池及進水池內(nèi)的總體流動情況, 僅測量, , 長期以來未引起人們的重視。因此, , 以致于水泵運行過程中存在這樣或那樣的問題。采用絲線流場顯示技

3、術(shù), 觀察水泵口水流預(yù)旋, 用旋度計測量水泵吸水管內(nèi)的渦流強度, 定量地評價進水設(shè)計, 在國內(nèi)尚屬首次。1預(yù)旋對水泵性能的影響在水泵設(shè)計中, 總是假設(shè)葉輪入口水流的軸向速度分布是足夠均勻的。在推導(dǎo)葉片泵的基本方程時, 都是假設(shè)水流穩(wěn)定和流態(tài)均勻一致為前提條件。若水泵進口水流無旋, 即進口絕對速度C 在圓周方向上的分速c u 1為零。此時, 葉片泵的歐拉方程表達式為H 理=g =g式中:H 理為葉片泵的理論揚程(m ; c u 1、c u 2分別為葉輪進口和出口水流絕對速度在圓周方向的投影(m s ;u 1、u 2分別為葉輪進口和出口水流的圓周速度(m s ; g 為重力加速度(m s 2。當(dāng)水

4、泵進水管中水流出現(xiàn)預(yù)旋時, 水泵葉輪進口速度三角形就會發(fā)生改變。圖1A 表明當(dāng)水泵進口預(yù)旋與水泵葉輪的轉(zhuǎn)向相反時, 葉片進口軸面流速c m 1增加為c m 1, 使得絕對速度C 在牽連速度u 1方向上的投影c u 1不再為零, 而是與牽連速度u 1方向相反, 為負值(圖1A 。運用葉片泵基本方程可知, 泵的揚程增大。同時, 根據(jù)水泵的流量計算公式Q =2R 1b 171容c m 1可知, 隨著軸面流速c m 1增大為c m 1, 泵的流量也隨之增加, 其中R 1, b 1, 71, 容分別為水泵葉輪的進口直徑、進口寬度、進口葉片排擠系數(shù)和容積效率。揚程和流量的加大, 水泵偏離設(shè)計工況運行, 泵

5、的能量特性和汽蝕特性變壞, 動力機過載, 危及機組安全運行。75收稿日期:20030302基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(50279011作者簡介:朱紅耕, 男, 副教授, 碩士, 江蘇大學(xué)在職博士生. 圖1預(yù)旋對水泵進口速度三角形的影響同理可分析, 當(dāng)泵進口預(yù)旋與水泵葉輪轉(zhuǎn)向相同時, c u 1變?yōu)閏 u 1, 與牽連速度方向u 1相同, 為正值。此時軸面流速c m 1減少為c m 1(圖1B , 水泵的流量與揚程均下降, 水泵的工作效率降低。如果泵進口預(yù)旋不穩(wěn)定, 時有時無, 時強時弱, 則動力機負荷不穩(wěn)定, 易誘發(fā)或加重水泵機組的振動, 輕者影響機組的使用壽命, 嚴重時機組不能正常工作。

6、2水泵進口水流預(yù)旋流場顯示如果進水池設(shè)計不合理, 或者水泵機組運行組合的原因, 使得水泵進口前的水流不對稱, 那么在水泵喇叭口處存在環(huán)量, 引起進入喇叭口的水體預(yù)旋。如果C 為一條包圍喇叭口的曲線, 曲線C 上每一點速度矢量為u , 那么, 封閉曲線C 上的速度環(huán)量的線積分可表達為#=cu d s 。式中d s 5。要精確和定量地測定速度矢量u 在吸水管的分布, 需要, 借助流場顯示手段, 作者選用了絲線流動顯示技術(shù), 。絲線具有很好的氣流跟隨性, , 具有簡易、方便、直觀等特點6, 7。試驗中用8。使用導(dǎo)水錐時, 在導(dǎo)水錐的底部也同樣固定絲線, 借此觀2。如圖2所示, 每根絲線指示所在位置的

7、點流向。如果絲線偏轉(zhuǎn), 表明泵進口存在切向流速, 水流有預(yù)旋, 偏轉(zhuǎn)角度的大小就間接地反映了預(yù)旋的強度; 如果絲線擺動劇烈, 說明泵進口水流不穩(wěn)定, 從而可定性地評價水泵進口的流態(tài)和預(yù)旋情況。絲線流動顯示的喇叭口進口流場, 可通過照相和攝影記錄, 供試驗結(jié)束后進一步分析。 圖2用絲線觀測水泵進口的預(yù)旋3水泵吸水管內(nèi)渦流強度的測量吸水管內(nèi)的流速和壓力是否均勻分布, 直接影響到水泵的性能, 是評價水泵進水設(shè)計的標準之一。對于水泵進水模型試驗而言, 目的是檢驗進水設(shè)計是否為水泵提供了良好的進口條件, 因此, 進水設(shè)計模型試驗不帶泵進行。如果水泵喇叭口進口水流有預(yù)旋, 水泵吸水管內(nèi)必存在渦流。吸水管內(nèi)

8、流速一般都很高, 用絲線流場顯示技術(shù), 可以定性地評價喇叭口處的流態(tài)及預(yù)旋情況, 但無法定量地確定水流的切向流速或渦流強度的大小, 也就很難定量評價進水設(shè)計的優(yōu)劣, 或進行不同進水設(shè)計方案之間的比較。用計算方法確定吸水管內(nèi)渦流強度, 需要知道吸水管內(nèi)流速分布規(guī)律, 因此要逐點測量過水?dāng)嗝娴狞c流速, 測試的工作量就很大, 周期也變長。吸水管內(nèi)的水流可分解成軸向和切向2個互相垂直的流速分量, 而切向流速的大小反映了渦流強度的高低, 因此, 可以通過測量水泵吸水管內(nèi)切向流速的大小, 代替檢測水流的渦流強度。3. 1旋度計基本工作原理旋度計是一種特殊的螺旋槳, 其轉(zhuǎn)軸上安裝了4片平直葉片, 葉片的直徑

9、和高度分別為0. 75倍和0. 6倍的吸水管直徑, 如圖3所示, 旋度計安裝在距喇叭口約4倍吸水管直徑的位置1。旋度計的工作原理是, 在85 沒有預(yù)旋的情況下, 軸向水流平行地通過旋度計, 葉片上沒有旋轉(zhuǎn)力偶, 因而旋度計靜止不轉(zhuǎn); 當(dāng)進口水流有切向流速分量時, 水流在葉片上產(chǎn)生力偶, 推動旋度計的螺旋槳旋轉(zhuǎn), 其旋轉(zhuǎn)速度與作用在旋度計葉片上的切向速度成正比。因此, 通過光電式轉(zhuǎn)速傳感器, 把螺旋槳的轉(zhuǎn)速信號變成了電信號, 配合二次儀表, 就可以對旋度計的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進行觀測和記錄。吸水管內(nèi)水流的渦流強度用渦角的大小來表示。渦角是指水泵吸水管內(nèi)軸向水流由于存在預(yù)旋而偏圖3旋度計外形及其安裝位置圖

10、4渦角計算簡圖轉(zhuǎn)的角度, 是泵進口水流切向分速V t 與軸向分速V a 的反正切(見圖4 , 按下式進行計算:=tan -1(d n V a 式中:V a 為旋度計處水流平均軸向流速(m s ; d為旋度計處的管道內(nèi)徑(m ; n 為旋度計每秒轉(zhuǎn)數(shù)(rp s 。3. 2旋度計觀測記錄要求由于水流的擾動, 泵吸水管渦流的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度很不穩(wěn)定, 時快時慢, 時而順時針, 時而逆時針。因此, 在保持流量穩(wěn)定的前提下, 旋度計的讀數(shù)應(yīng)連續(xù)讀取。要求每隔1030s 就讀取一次旋度計讀數(shù), 同時觀測并記錄每一個時間段內(nèi)旋度計的轉(zhuǎn)向。測量與記錄時間應(yīng)至少持續(xù)10min 。由流量Q 和管道直徑d 確定水

11、流平均軸向流速V a n , 計算短時間內(nèi)測量的最大渦角和長時間測量的平均渦角。4水泵進口渦流強度測試實例52, 經(jīng)試驗分析, 存在如下問題:循環(huán)冷卻水泵和輔10500m 3 h 和12600m 3h , 互為備用, 實際運行只有一臺機組工作, ; 前池斷面無漸變收縮, 直角轉(zhuǎn)彎, 邊界突變, 在拐角處產(chǎn)生旋渦; 引渠與前池之間有2. 25m 深的垂直跌坎, 前池水流存在立面旋滾; 輔助設(shè)備冷卻水泵與循環(huán)冷卻水泵共用一個進水池,安裝在循環(huán)冷卻水泵軸線正前方, 影響循環(huán)冷卻水泵的正常運行; 進水池檢修門槽處設(shè)置胸墻, 胸墻后水流存在立面旋滾及回流區(qū)。圖5某電廠循環(huán)冷卻水泵進水池初始設(shè)計示意圖模型

12、試驗根據(jù)佛汝德數(shù)相似準則進行模擬, 模型比尺為18。 除模擬足夠的引渠長度外, 前池、進水池及泵吸水管全部按比例模擬。對所有運行組合方案, 在1. 0和1. 5倍佛汝德數(shù)流量下, 觀察進水池中是否存在有害的水面渦和水下渦; 在1. 0佛汝德數(shù)的流量下, 觀測泵進口預(yù)旋和泵吸水管內(nèi)渦角的大小, 典型工況下測量水泵進口的流速分布。模型試驗驗收標準中規(guī)定, 短時間測量計算的最大渦角和長時間觀測計算的平均渦角都不大于5°。表1給出了進水池中最高和最低水位典型工況下, 循環(huán)冷卻水泵吸水管內(nèi)渦角計算結(jié)果。在高水位下, 由于進水對稱設(shè)計, 永遠不對稱運行, 胸墻后有回流區(qū), 流速分布很不均勻, 短

13、時間最大渦角和長時間平均渦角都偏大。面對進水池方向, 右側(cè)進水池中的旋度計大部分時間都逆時針旋轉(zhuǎn), 則左側(cè)進水池水泵吸水管中的旋度計必然順時針旋轉(zhuǎn)。由于進95 水條件不同, 根據(jù)前面的分析可知, 2臺水泵單獨運行時, 流量、揚程、功率和效率必然有很大差異, 不能滿足電廠冷卻水泵高可靠性和高安全性的要求。表1典型工況下循環(huán)冷卻水泵吸水管內(nèi)渦角計算結(jié)果記錄時間 m in 進水池水深最大流量(L s -1吸水管直徑 m軸向流速(m s -1初始設(shè)計模型試驗旋度計轉(zhuǎn)速 (轉(zhuǎn)s -1渦角(°修正設(shè)計模型試驗旋度計轉(zhuǎn)速 (轉(zhuǎn)s -1渦角 (°0. 5最高19. 30. 0982. 56

14、60. 67. 2811. 31. 36 10最高19. 30. 0982. 5638. 54. 639. 11. 09 0. 5最低19. 30. 0982. 5619. 62. 357. 30. 88 10最低19. 30. 0982. 5614. 31. 726. 10. 73針對初始設(shè)計模型試驗結(jié)果和暴露出來的問題, 提出了如下改進設(shè)計方案:去除胸墻; 泵進口設(shè)置導(dǎo)水錐; 加設(shè)專門設(shè)計的“”形后壁。修正設(shè)計模型試驗結(jié)果表明, 進水池中流態(tài)大為改善, 流速分布趨于均勻, 泵吸水管內(nèi)的渦流強度大幅度減弱, 在所有的運行組合下, 渦角都在模型試驗驗收規(guī)定范圍之內(nèi), 對照其它模型試驗標準, 模

15、型試驗順利通過驗收, 進水設(shè)計最終方案也隨之確定。5結(jié)論在水泵進水模型試驗研究中, 借助流場顯示技術(shù)觀察進水池中的流態(tài)和喇叭口水流預(yù)旋情況, 用專用儀器旋度計, 測量吸水管內(nèi)水流渦角的大小和速度分布, 可以定性和定量地評判水泵進水設(shè)計的優(yōu)劣, 確定哪些設(shè)計方案能有效地改善進水流態(tài), 為水泵進水優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo), 。采用旋度計測量水泵吸水管內(nèi)渦流強度, , 以及在旋度計制作和應(yīng)用方面, 本研究在國內(nèi)首開先河,參考文獻:1Am erican N ati onal Standard M , U , 1998. 2228.2L aboratory of Study on the C W Pump su

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18、iang 212013, Ch ina ; 3. J iangsu Sci &T ech Con sultati on Cen ter fo r W ater Con servati on , N an jing 210000, Ch ina Abstract :Inco rrect 2designed in take structure of a pump ing stati on m ay result in p re 2s w irl in the fl ow en tering the pump and s w irl in sucti on p i pe even under

19、 no pump operati on , w h ich shall change fl ow conditi on , and affect adversely bo th pump perfo r m ance and cavitati on characteristics . A ne w m ethod is put fo r w ard in th is paper fo r investigating p re 2s w irl in fl ow en tering the pump in take and fo r m easuring s w irl in the sucti on p i pe . By