水泵进口预旋及涡流强度测试新技术.docx
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水泵进口预旋及涡流强度测试新技术
2003年6月
灌溉排水学报
第22卷第3期
文章编号:
1000646X（200303005704
水泵进口预旋及涡流强度测试新技术
Ξ
朱红耕1,2,陆林广1,奚斌1,刘丽君3
（1.扬州大学水利学院,江苏扬州225009;2.江苏大学流体中心,江苏镇江212013;
3.江苏省水利科技咨询中心,江苏南京210000
摘 要:
设计不良的泵站进水建筑物,在不带泵运行的情况下,也会引起水泵进口水流预旋和吸水管内涡流,改变水泵的进水条件,恶化水泵的能量特性和汽蚀特性。
提出了观测泵进口水流预旋和测量泵进口涡流强度的新技术。
通过丝线流场显示技术,观察喇叭口进口水流的预旋;采用旋度计测定水泵吸水管内涡角的大小,可定性和定量地评判水泵进水设计,优化进水设计方案,确保水泵有良好的进水条件,提高水泵装置运行的安全性和可靠性。
关 键 词:
水泵;进水设计;预旋;涡角;旋度计中图分类号:
S277.9 文献标识码:
A
如果水流在进入水泵叶轮之前,。
人们过去总是习惯地认为,水泵进口预旋是水泵叶轮旋转引起的。
进水建筑物,水泵进口也存在着预旋,[1,2],引起水泵运行特性的改变;,造成动力机过载和机组振动。
在,人们偏重于观察前池及进水池内的总体流动情况,仅测量[],,长期以来未引起人们的重视。
因此,,以致于水泵运行过程中存在这样或那样的问题。
采用丝线流场显示技术,观察水泵口水流预旋,用旋度计测量水泵吸水管内的涡流强度,定量地评价进水设计,在国内尚属首次。
1 预旋对水泵性能的影响
在水泵设计中,总是假设叶轮入口水流的轴向速度分布是足够均匀的。
在推导叶片泵的基本方程时,都是假设水流稳定和流态均匀一致为前提条件。
若水泵进口水流无旋,即进口绝对速度C在圆周方向上的分速cu1为零。
此时,叶片泵的欧拉方程表达式为
H理=g=
g
式中:
H理为叶片泵的理论扬程（m;cu1、cu2分别为叶轮进口和出口水流绝对速度在圆周方向的投影（ms;
u1、u2分别为叶轮进口和出口水流的圆周速度（ms;g为重力加速度（ms2
。
当水泵进水管中水流出现预旋时,水泵叶轮进口速度三角形就会发生改变。
图1A表明当水泵进口预旋与水泵叶轮的转向相反时,叶片进口轴面流速cm1增加为c′m1,使得绝对速度C在牵连速度u1方向上的投影c′u1不再为零,而是与牵连速度u1方向相反,为负值（图1A。
运用叶片泵基本方程可知,泵的扬程增大。
同时,根据水泵的流量计算公式Q=2ΠR1b171Γ容cm1可知,随着轴面流速cm1增大为c′m1,泵的流量也随之增加,其中R1,b1,71,Γ容分别为水泵叶轮的进口直径、进口宽度、进口叶片排挤系数和容积效率。
扬程和流量的加大,水泵偏离设计工况运行,泵的能量特性和汽蚀特性变坏,动力机过载,危及机组安全运行。
7
5Ξ
收稿日期:
20030302
基金项目:
国家自然科学基金项目（50279011
作者简介:
朱红耕,男,副教授,硕士,江苏大学在职博士生
.
图1 预旋对水泵进口速度三角形的影响
同理可分析,当泵进口预旋与水泵叶轮转向相同时,cu1变为c″u1,与牵连速度方向u1相同,为正值。
此时轴面流速cm1减少为c″m1（图1B,水泵的流量与扬程均下降,水泵的工作效率降低。
如果泵进口预旋不稳定,时有时无,时强时弱,则动力机负荷不稳定,易诱发或加重水泵机组的振动,轻者影响机组的使用寿命,严重时机组不能正常工作。
2 水泵进口水流预旋流场显示
如果进水池设计不合理,或者水泵机组运行组合的原因,使得水泵进口前的水流不对称,那么在水泵喇叭口处存在环量,引起进入喇叭口的水体预旋。
如果C为一条包围喇叭口的曲线,曲线C上每一点速度矢量为u,那么,封闭曲线C上的速度环量的线积分可表达为#=
∮c
u・ds。
式中ds[5]
。
要精确和定量地测定速度矢量u在吸水管的分布,需要,借助流场显示手段,作者选用了丝线流动显示技术,。
丝线具有很好的气流跟随性,,具有简易、方便、直观等特点[6,7]。
试验中用8。
使用导水锥时,在导水锥的底部也同样固定丝线,借此观2]。
如图2所示,每根丝线指示所在位置的点流向。
如果丝线偏转,表明泵进口存在切向流速,水流有预旋,偏转角度的大小就间接地反映了预旋的强度;如果丝线摆动剧烈,说明泵进口水流不稳定,从而可定性地评价水泵进口的流态和预旋情况。
丝线流动显示的喇叭口进口流场,可通过照相和摄影记录,供试验结束后进一步分析
。
图2 用丝线观测水泵进口的预旋
3 水泵吸水管内涡流强度的测量
吸水管内的流速和压力是否均匀分布,直接影响到水泵的性能,是评价水泵进水设计的标准之一。
对于水泵进水模型试验而言,目的是检验进水设计是否为水泵提供了良好的进口条件,因此,进水设计模型试验不带泵进行。
如果水泵喇叭口进口水流有预旋,水泵吸水管内必存在涡流。
吸水管内流速一般都很高,用丝线流场显示技术,可以定性地评价喇叭口处的流态及预旋情况,但无法定量地确定水流的切向流速或涡流强度的大小,也就很难定量评价进水设计的优劣,或进行不同进水设计方案之间的比较。
用计算方法确定吸水管内涡流强度,需要知道吸水管内流速分布规律,因此要逐点测量过水断面的点流速,测试的工
作量就很大,周期也变长。
吸水管内的水流可分解成轴向和切向2个互相垂直的流速分量,而切向流速的大小反映了涡流强度的高低,因此,可以通过测量水泵吸水管内切向流速的大小,代替检测水流的涡流强度。
3.1 旋度计基本工作原理
旋度计是一种特殊的螺旋桨,其转轴上安装了4片平直叶片,叶片的直径和高度分别为0.75倍和0.6倍的吸水管直径,如图3所示,旋度计安装在距喇叭口约4倍吸水管直径的位置[1]。
旋度计的工作原理是,在8
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没有预旋的情况下,轴向水流平行地通过旋度计,叶片上没有旋转力偶,因而旋度计静止不转;当进口水流有切向流速分量时,水流在叶片上产生力偶,推动旋度计的螺旋桨旋转,其旋转速度与作用在旋度计叶片上的切向速度成正比。
因此,通过光电式转速传感器,把螺旋桨的转速信号变成了电信号,配合二次仪表,就可以对旋度计的转速和转向进行观测和记录。
吸水管内水流的涡流强度用涡角Η的大小来表示。
涡角是指水泵吸水管内轴向水流由于存在预旋而偏图3 旋度计外形及其安装位置 图4 涡角计算简图转的角度,是泵进口水流切向分速Vt与轴向分速Va的反正切（见图4,按下式进行计算:
Η=tan-1（ΠdnVa
式中:
Va为旋度计处水流平均轴向流速（ms;d
为旋度计处的管道内径（m;n为旋度计每秒转数（rps。
3.2 旋度计观测记录要求
由于水流的扰动,泵吸水管涡流的旋转方向和旋转速度很不稳定,时快时慢,时而顺时针,时而逆时针。
因此,在保持流量稳定的前提下,旋度
计的读数应连续读取。
要求每隔10～30s就读取
一次旋度计读数,同时观测并记录每一个时间段内旋度计的转向。
测量与记录时间应至少持续
10m
in。
由流量Q和管道直径d确定水流平均轴向流速Van,计算短时间内测量的最大涡角和长时间测量的平均涡角。
4 水泵进口涡流强度测试实例
5[2],经试验分析,存在如下问题:
①循环冷却水泵和辅
10500m3h和12600m3
h,互为备用,实际运行只有一台机组工作,;②前池断面无渐变收缩,直角转弯,边界突变,在拐角处产生旋涡;③引渠与前池之间有2.25m深的垂直跌坎,前池水流存在立面旋滚;④辅助设备冷却水泵与循环冷却水泵共用一个进水池,
安装在循环冷却水泵轴线正前方,影响循环冷却水泵的正常运行;⑤进水池检修门槽处设置胸墙,胸墙后水流存在立面旋滚及回流区。
图5 某电厂循环冷却水泵进水池初始设计示意图 模型试验根据佛汝德数相似准则进行模拟,模型比尺为1∶8。
除模拟足够的引渠长度外,前池、进水池及泵吸水管全部按比例模拟。
对所有运行组合方案,在1.0和1.5倍佛汝德数流量下,观察进水池中是否存在有害的水面涡和水下涡;在1.0佛汝德数的流量下,观测泵进口预旋和泵吸水管内涡角的大小,典型工况下测量水泵进口的流速分布。
模型试验验收标准中规定,短时间测量计算的最大
涡角和长时间观测计算的平均涡角都不大于5°。
表1给出了进水池中最高和
最低水位典型工况下,循环冷却水泵吸水管内涡角计算结果。
在高水位下,由于进水对称设计,永远不对称运行,胸墙后有回流区,流速分布很不均匀,短时间最大涡角和长时间平均涡角都偏大。
面对进水池方向,右侧进水池中的旋度计大部分时间都逆时针旋转,则左侧进水池水泵吸水管中的旋度计必然顺时针旋转。
由于进
9
5
水条件不同,根据前面的分析可知,2台水泵单独运行时,流量、扬程、功率和效率必然有很大差异,不能满足电厂冷却水泵高可靠性和高安全性的要求。
表1 典型工况下循环冷却水泵吸水管内涡角计算结果
记录时间min进水池
水深
最大流量
（L・s-1
吸水管直
径m
轴向流速
（m・s-1
初始设计模型试验
旋度计转
速（转・s-1
涡角
（°
修正设计模型试验旋度计转
速（转・s-1
涡角（°
0.5最高19.30.0982.5660.67.2811.31.3610最高19.30.0982.5638.54.639.11.090.5最低19.30.0982.5619.62.357.30.8810最低19.30.0982.5614.31.726.10.73
针对初始设计模型试验结果和暴露出来的问题,提出了如下改进设计方案:
①去除胸墙;②泵进口设置导水锥;③加设专门设计的“Ξ”形后壁。
修正设计模型试验结果表明,进水池中流态大为改善,流速分布趋于均匀,泵吸水管内的涡流强度大幅度减弱,在所有的运行组合下,涡角都在模型试验验收规定范围之内,对照其它模型试验标准,模型试验顺利通过验收,进水设计最终方案也随之确定。
5 结 论
在水泵进水模型试验研究中,借助流场显示技术观察进水池中的流态和喇叭口水流预旋情况,用专用仪器—旋度计,测量吸水管内水流涡角的大小和速度分布,可以定性和定量地评判水泵进水设计的优劣,确定哪些设计方案能有效地改善进水流态,为水泵进水优化设计提供指导,。
采用旋度计测量水泵吸水管内涡流强度,,以及在旋度计制作和应用方面,本研究在国内首开先河,
参考文献:
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ANewTechniqueofMeasuringPre-swirlandSwirlFlowIntensity
insidePumpSuctionPipe
ZHUHong2geng1,2,LULin2guang1,XIBin1,LIULi2jun3
（1.YangzhouUniversity,Yangazhou225009,China;2.JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China;3.JiangsuSci&TechConsultationCenterforWaterConservation,Nanjing210000,China
Abstract:
Incorrect2designedintakestructureofapumpingstationmayresultinpre2swirlintheflowenteringthepumpandswirlinsuctionpipeevenundernopumpoperation,whichshallchangeflowcondition,andaffectadverselybothpumpperformanceandcavitationcharacteristics.Anewmethodisputforwardinthispaperforinvestigatingpre2swirlinflowenteringthepumpintakeandformeasuringswirlinthesuctionpipe.Bymeansoftuftflowvisualizationmethodpre2swirlinflowenteringthesuctionbellisobserved,andswirlanglesofflowinthepumpsuctionpipearemeasuredwithaswirlmeter.Evaluationofpumpintakedesigncanbemadequali2tativelyandquantitatively,andschemesofintakedesigncanbeoptimizedaswell.Withthehelpofthenewtechnique,afavorableflowconditioncanbecreatedforapumpandtheoperationsafetyandreliabilitiesofa
pump
ingstationcanbeimprovedobviously.
Keywords:
pump;intakedesign;pre2swirl;swirlangle;swirlmeter06
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