水泵进口预旋及涡流强度测试新技术.docx

1、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 (2003 03005704水泵进口预旋及涡流强度测试新技术朱红耕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

2、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:S 277. 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

3、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c u 1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 ; c u 1、c u 2分别为叶轮进口和出口水流绝对速度在圆周方向的投影(m s ;u 1、u 2分别为叶轮进口和出口水流的圆周速度(m s ; g

4、 为重力加速度(m s 2。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c m 1增加为c m 1, 使得绝对速度C 在牵连速度u 1方向上的投影c u 1不再为零, 而是与牵连速度u 1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 =2R 1b 171容c m 1可知, 随着轴面流速c m 1增大为c m 1, 泵的流量也随之增加, 其中R 1, b 1, 71, 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

5、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。75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, c u 1变为c u 1, 与牵连速度方向u 1相同, 为正值。此时轴面流速c m 1减少为c m 1(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

6、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#=cu d s 。式中d s 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

7、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,

8、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

9、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85 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

10、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V t 与轴向分速V a 的反正切(见图4 , 按下式进行计算:=tan -1(d n V a 式中:V a 为旋度计处水流平均轴向流速(m s ; d为旋度计处的管道内径(m ; n 为旋度计每秒转数(rp s 。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1030s 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10min

11、。由流量Q 和管道直径d 确定水流平均轴向流速V a n , 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52, 经试验分析, 存在如下问题:循环冷却水泵和辅10500m 3 h 和12600m 3h , 互为备用, 实际运行只有一台机组工作, ; 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; 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; 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; 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

12、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18。 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

13、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95 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 m in 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

14、. 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:去除胸墙; 泵进口设置导水锥; 加设专门设计的“”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

15、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:1Am erican N ati onal Standard M , U , 1998. 2228.2L aboratory of Study on the C W Pump sump

16、 and intake hydraulic model test M . Yangzhou U niversity , 2003. 328.3赵毅山, 朱立明, 等. 2号污水泵站引水渠道和前池的试验研究J . 同济大学学报, 2001, (11 :13521356.4罗缙, 林颖. 火(核 电站循环水泵房前池水力模型试验研究J . 河海大学学报, 2000, (9 :106110.5吴子牛. 计算流体力学基本原理M . 北京:科学出版社, 2001. 1213.6范洁川, 等. 近代流场显示技术M . 北京:国防工业出版社, 2002. 3742.7罗晟, 祁大同, 等. 离心风机叶轮进口预

17、旋的测量和分析J . 流体机械, 2002, (8 :67, 34.A New Techn i que of M ea sur i n g Pre -sw i rl and Sw i rl Flow I n ten sityi n si de Pu m p Sucti on P i peZHU Hong 2geng 1, 2, LU L in 2guang 1, X IB in 1, L I U L i 2jun 3(1. Yangzhou U n iversity , Yangazhou 225009, Ch ina ; 2. J iangsu U n iversity , Zhen jia

18、ng 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 no pu

19、mp 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

20、i pe . By m ean s of tuft fl ow visualizati on m ethod p re 2s w irl in fl ow en tering the sucti on bell is observed , and s w irl angles of fl ow in the pump sucti on p i pe are m easured w ith a s w irlm eter . Evaluati on of pump in take design can be m ade quali 2 tatively and quan titatively ,

21、 and sche m es of in take design can be op ti m ized as w ell . W ith the hel p of the ne w techn ique , a favo rable fl ow conditi on can be created fo r a pump and the operati on safety and reliabilities of apump ing stati on can be i m p roved obvi ously .Key words :pump ; in take design ; p re 2s w irl ; s w irl angle ; s w irl m eter 06