水泵進(jìn)水口預(yù)旋及渦流強(qiáng)度研究

1、 水泵進(jìn)水口預(yù)旋及渦流強(qiáng)度的研究鄭亞軍,雷興春,周密河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,南京(210098E-mail:zhengyajun123摘要:本文以試驗(yàn)為基礎(chǔ)討論設(shè)計(jì)不良的泵站進(jìn)水建筑物,在不帶泵運(yùn)行的情況下,容易引起水泵進(jìn)口水流預(yù)旋和吸水管內(nèi)渦流,導(dǎo)致水泵進(jìn)水條件的改變,惡化水泵的能量特性和汽蝕特性。因此我們有必要對(duì)水泵喇叭口水流預(yù)旋和泵進(jìn)口渦流強(qiáng)度進(jìn)行研究。通過(guò)絲線流場(chǎng)顯示技術(shù),觀察喇叭口進(jìn)口水流的預(yù)旋;采用旋度計(jì)測(cè)定水泵吸水管內(nèi)渦角的大小,可定性和定量地評(píng)判水泵進(jìn)水設(shè)計(jì),優(yōu)化進(jìn)水設(shè)計(jì)方案,確保水泵有良好的進(jìn)水條件,提高水泵裝置運(yùn)行的安全性和可靠性。關(guān)鍵詞:水泵;進(jìn)水口;預(yù)旋;渦流強(qiáng)度;渦

2、角中圖分類號(hào):TV71.預(yù)旋的產(chǎn)生及其原因如果水流在進(jìn)入水泵葉輪之前,除了具有軸向分速之外,還有切向分速,水流就存在預(yù)旋。人們過(guò)去總是習(xí)慣地認(rèn)為,水泵進(jìn)口預(yù)旋是水泵葉輪旋轉(zhuǎn)引起的。試驗(yàn)表明,即使在不帶泵的情況下,進(jìn)水設(shè)計(jì)不良的水泵進(jìn)水建筑物,水泵進(jìn)口也存在著預(yù)旋,吸水管內(nèi)同樣有渦流。渦流改變了葉片上的進(jìn)口速度向量,引起水泵運(yùn)行特性的改變;不均勻的軸向流速分布導(dǎo)致葉輪和軸承的荷載不均衡,造成動(dòng)力機(jī)過(guò)載和機(jī)組振動(dòng)。在傳統(tǒng)的水泵裝置模型試驗(yàn)和泵站整體模型試驗(yàn)中,人們偏重于觀察前池及進(jìn)水池內(nèi)的總體流動(dòng)情況,僅測(cè)量少數(shù)斷面的流速分布,而對(duì)水泵進(jìn)口水流預(yù)旋的觀察與吸水管內(nèi)渦流強(qiáng)度的測(cè)量,長(zhǎng)期以來(lái)未引起人們

3、的重視2,3。因此,進(jìn)水設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)無(wú)法確保為水泵提供了良好的進(jìn)水條件,以致于水泵運(yùn)行過(guò)程中存在這樣或那樣的問(wèn)題。采用絲線流場(chǎng)顯示技術(shù),觀察水泵口水流預(yù)旋,用旋度計(jì)測(cè)量水泵吸水管內(nèi)的渦流強(qiáng)度,定量地評(píng)價(jià)進(jìn)水口的設(shè)計(jì),在國(guó)內(nèi)尚不多見(jiàn)。以下情況均可能導(dǎo)致水泵進(jìn)口的預(yù)旋或有害旋渦:(1引渠偏短,形成側(cè)向進(jìn)水;(2由于場(chǎng)地限制或其他原因,前池長(zhǎng)度偏短,形態(tài)欠佳;(3進(jìn)水池(進(jìn)水通道設(shè)計(jì)不合理;(4進(jìn)水池水位偏低;(5水泵機(jī)組的不對(duì)稱運(yùn)行;(6從有較大橫向流速的水流中取水。2.水泵進(jìn)口水流預(yù)旋流場(chǎng)顯示本人在試驗(yàn)過(guò)程中選用8根等間距布置的紅色紗線固定在水泵喇叭管進(jìn)口1,形成一個(gè)圓環(huán),紅色紗線便于觀察和錄

4、象,紗線的長(zhǎng)度為喇叭管懸空高的1/2倍,通過(guò)對(duì)紗線流向的觀察,可定性地評(píng)價(jià)喇叭管進(jìn)口處的預(yù)旋。每根紅色沙線顯示了所在位置點(diǎn)的流向。如果紅色紗線偏轉(zhuǎn),表明泵進(jìn)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(qiáng)度;如果紅色紗線擺動(dòng)劇烈,說(shuō)明泵進(jìn)水口水流不穩(wěn)定,從而可定性地評(píng)價(jià)水泵進(jìn)口的流態(tài)和預(yù)選情況。紅色紗線流動(dòng)顯示的喇叭口進(jìn)口流場(chǎng),可通過(guò)照相和攝影記錄,以供試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)一步分析。下圖為試驗(yàn)示意圖以及試驗(yàn)安裝圖: 此為紅色紗線在水泵喇叭管處的8個(gè)位置紅色紗線長(zhǎng)度為喇叭管懸空高度的0.5倍水泵剖面圖水泵俯視圖圖1:水泵試驗(yàn)中紅色紗線位置示意圖 圖2:用紅線觀測(cè)水泵進(jìn)水口處預(yù)旋3.水泵葉

5、輪室進(jìn)口的渦流水泵吸水管中壓力和流速是否均勻分布直接影響到水泵的性能,是評(píng)價(jià)水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)之一。對(duì)于水泵進(jìn)水模擬試驗(yàn)而言,目的是檢驗(yàn)進(jìn)水設(shè)計(jì)是否為水泵提供了良好的進(jìn)口條件,因此,進(jìn)水設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)不帶泵進(jìn)行。如果水泵喇叭口進(jìn)口水流有預(yù)旋,水泵吸水管內(nèi)必存在渦流。吸水管內(nèi)流速一般都很高, 用絲線流場(chǎng)顯示技術(shù),可以定性地評(píng)價(jià)喇叭口處的流態(tài)及預(yù)旋情況,但無(wú)法定量地確定水流的切向流速或渦流強(qiáng)度的大小,因此用絲線觀測(cè)水泵進(jìn)口的預(yù)旋就很難定量評(píng)價(jià)進(jìn)水設(shè)計(jì)的優(yōu)劣5,或進(jìn)行不同進(jìn)水設(shè)計(jì)方案之間的比較。用計(jì)算方法確定吸水管內(nèi)渦流強(qiáng)度,需要知道吸水管內(nèi)流速分布規(guī)律,因此要逐點(diǎn)測(cè)量過(guò)水?dāng)嗝娴狞c(diǎn)流速,測(cè)試的工作量就

6、很大,周期也變長(zhǎng)。吸水管內(nèi)的水流可分解成軸向和切向個(gè)互相垂直的流速分量,而切向流速的大小反映了渦流強(qiáng)度的高低,因此,可以通過(guò)測(cè)量水泵吸水管內(nèi)切向流速的大小,代替檢測(cè)水流的渦流強(qiáng)度。渦流用旋度計(jì)測(cè)量,典型的旋度計(jì)安裝情況如圖3所示4。旋度計(jì)裝有4片平直葉片,葉片直徑為管道直徑的75%,在流動(dòng)方向上的長(zhǎng)度為管道直徑的60% 。渦角的意義示于 圖3,其計(jì)算公式為:1tan t uv v = 試中: u v 水泵進(jìn)水管的軸向平均流速,計(jì)算式為:214u Qv d =t v 根據(jù)旋度計(jì)螺旋槳的轉(zhuǎn)速算得的切向流速,計(jì)算式為:t t u d n = 圖3:旋度計(jì)安裝示意圖以上兩式中:Q流道內(nèi)的流量;t d

7、安裝旋度計(jì)處管道的直徑;n旋度計(jì)葉片的轉(zhuǎn)速。 圖4:渦角計(jì)算簡(jiǎn)圖旋度計(jì)葉片每旋轉(zhuǎn)1圈便可通過(guò)光纜輸出10個(gè)脈沖,計(jì)數(shù)器可根據(jù)輸出的脈沖數(shù)計(jì)算 出葉片的轉(zhuǎn)速。在通常情況下,渦流的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度是不穩(wěn)定的,因此,旋度計(jì)的讀數(shù)將連續(xù)讀取,每隔10-30s讀取一次旋度計(jì)讀數(shù),至少持續(xù)10min。標(biāo)準(zhǔn)要求,短時(shí)間(10-30s渦角或長(zhǎng)時(shí)間(10min平均渦角均應(yīng)小于5°。 圖5:水泵試驗(yàn)中旋度計(jì)安裝圖4.結(jié)論及建議通過(guò)本文的研究我們可以就水泵進(jìn)水口處預(yù)旋及渦流得到以下結(jié)論:(1在水泵進(jìn)水模型試驗(yàn)研究中,借助絲線流場(chǎng)顯示技術(shù)觀察進(jìn)水池中的流態(tài)和喇叭口水流預(yù)旋情況,用專用儀器一旋度計(jì),測(cè)量吸水

8、管內(nèi)水流渦角的大小和速度分布,可以定性和定量地評(píng)判水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,確定哪些設(shè)計(jì)方案能有效地改善進(jìn)水流態(tài),為水泵進(jìn)水優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),確保為水泵提供良好的進(jìn)水條件。(2為了確保水泵能量特性和氣蝕特性的正常發(fā)揮,應(yīng)嚴(yán)格限制渦角的大小和流動(dòng)破動(dòng)值。(3采用旋度計(jì)測(cè)量水泵吸水管內(nèi)渦流強(qiáng)度,把渦角作為水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)之一,以及在旋度計(jì)制作和應(yīng)用方面,相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)尚不多見(jiàn),有待進(jìn)一步深入和詳細(xì)的研究。(4水泵的進(jìn)水條件是評(píng)價(jià)水泵進(jìn)水池設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn),水泵吸水管內(nèi)水流的渦角是驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算有效性的重要依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 American Hydraulic Institute.Americ

9、an National Standard for Pump Intake Design (ANSI/HI9.8-19982劉超主篇,水泵及水泵站。北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社3劉麗君,劉軍。水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)研究方法,2003,江蘇水利 P5-74朱紅耕,袁壽其。水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的研究,2005.1 水泵技術(shù) P35-375朱紅耕,陸廣林,水泵進(jìn)口預(yù)旋及渦流強(qiáng)度測(cè)試新技術(shù),2003.6 22(3灌溉排水學(xué)報(bào) P57-60 Study on Measuring PreSwirl and Swirl Flow Intensityinside Pump Suction PipeZheng

10、Yajun, Lei Xingchun,Zhou MiHohai University, Nanjing (210098AbstractThe article talk about incorrectdesigned intake structure of a pumping station which may result in preswirl in the flow entering the pump and swirl in suction pipe even under no pump operation baseing on experiment ,which shall chan

11、ge flow condition,and affect adversely both pump performance and cavitation characteristics.So we have to put forward in this paper for investigating preswirl in flow entering the pump intake and for measuring swirl in the suction pipe.By means of tuft flow visualization method preswirl in flow entering the suction bell is observed,and swirl angles of flowin the pump suction pipe are measured with a swirl meter.Evaluation of pump intake design can be madequalitatively and quantitatively,and schemes of intake design can be optimized as well With the help of the new technique,a favorable flow