太浦河泵站进出水流道及安装高程数模计算分析

                       图1       泵站流道布置图

1.2 泵站基本参数

进水池：     设计水位1.90m         最低运行水位1.70m   

出水池：     最高运行水位3.34m     设计水位3.29m    最低运行水位2.66m

扬程：      最高净扬程1.64m       设计净扬程1.39m    最低净扬程0.76m

2 进出水流道及水泵安装高程数模计算

2.1 数模计算目的和要求

太浦河泵站具有水泵扬程特低，单泵流量大，叶轮直径大，及水泵转速低的特点。泵站的运行条件与太湖水位有密切关系，而太湖水位牵涉到各省市的利益，使水泵的安装高程、流道进水口淹没水深等条件受到一定限制。为使水泵在整个泵站扬程范围内安全稳定运行，在未确定水泵制造厂之前，委托清华大学、武汉水利电力大学、上海大学三个单位进行不带转轮的三种方案的流道数模计算和安装高程的分析。以下仅对其中的推荐方案进行详细的分析。

2.2 数模计算内容

进出水流道及水泵安装高程数模计算应给出下列内容：

（1）   按泵站设计规程规范中流道进水口的流速要求，确定进水口断面面积。

（2）   计算进出水流道的流速场和压力场，对流道内的水流流态进行计算和分析。

（3）   根据水泵进口的流速场和压力场，最优工况点气蚀比转速为1000的转轮，考虑叶片最高点的初始汽蚀和临界汽蚀，确定汽蚀控制要求。

（4）   提出进出水流道的优化建议。

3 进出水流道及水泵安装高程数模计算结果和分析

3.1数模计算理论

三个计算单位对进出水流道及水泵安装高程的数模计算均采用三维流动计算程序。清华大学采用美国的flowtax软件，武汉水利电力大学采用英国CHAM公司的PHOENICS软件，上海大学采用star–CD软件。在三维不可压缩场的雷诺平均N – S方程和标准k – ε紊流模型方程组的基础上根据各学校的经验和特点，对所用的方程进行求解和研究，并对标准的k – ε模型进行修正。

3.2 进出水流道水力计算和流态分析

三个单位对进出水流道均进行了流速场和压力场的三维粘性流计算，根据计算结果得出进出水流道的水力损失。水力损失详见表3 – 1。

表3–1  三个单位的进出水流道水力损失

从表3– 1可见进出水流道水力损失的特点是流道水力损失的绝对值不大。由于斜15⁰轴伸泵的出水流道比较弯曲，在叶轮出口水流经导叶后不能平稳地变为轴向出流，使出水弯管处水流更紊乱，实际的出水流道的水力损失将大于不带转轮的理论计算值。

在流道进口淹没水深满足要求的前提下，虽然进水流道有弯曲，流速分布有变化，使流道上部流速大于下部流速，在进口顶板处出现进口断面的最大流速，但压力变化差别不大，未有进口漩涡和串通挟气发生。整个进水流道比较平顺，加速均匀，阻力损失较小。三个单位均认为进水流道的流态较好，但提出应注意进水流道中墩尾部的型线，防止脱流发生。有一单位指出因水泵进水口前流道有弯曲，直管段较短，水泵进口处有很轻微的三维涡强度和螺旋度密度，但总体上进水流道出口断面三维流速较为均匀，没有较大的三维旋涡存在。

主要计算分析结果如下：

（1）出水流道的弯管部分流动比较复杂，既有弯曲又有扩散，影响水流流态，出水流道弯度越大水流流态越差。

（2）弯管部分的流速不均匀，其出口处有漩涡区。弯管中间部分流速高，周围流速低，说明出水流速未充分扩散，导致流道出口流速分布不均匀。

（3）由于叶轮后的出口流道弯曲，加上流道是扩张的，在那里造成了较大的逆压梯度，因而出现了一定的流动分离。此外由于水体重力影响，流道内的水压力沿水深方向变化明显。

（4）因为进出水流道是个整体，进水流道的水力不均匀及叶轮出口的漩涡，加大出水流道弯管处的水流会紊乱。

（5）流道出口为淹没出流，计算表明靠近出水流道的出水池表面均有较大的漩涡区。

3.3 水泵装置安装高程

水泵装置的安装高程根据水泵不发生汽蚀和振动的原则确定。低扬程轴流式水泵的空蚀有叶片正面汽蚀及背面汽蚀，叶片与轮壳室的间隙汽蚀三种。水泵的汽蚀不仅对转轮造成损坏，效率下降，而且汽蚀将引起水泵的振动和噪音，危及水泵的安全运行产生影响。

3.3.1 汽蚀余量

3.3.1.1.水泵必须汽蚀余量

在太浦河泵站未能选定水泵前，设计工况点的必须汽蚀余量依据水泵汽蚀比转速和其它统计公式来考虑，非设计工况的水泵必须汽蚀余量参考日本《泵站工程技术设计手册》图1.96提供的方法。设计工况点为4.67m，非设计工况为7.2 m。

3.3.1.2 水泵装置汽蚀余量

水泵装置汽蚀余量计算：h_a =  – + h_淹min – h_f – 0.5  （m）

表3.-1   水泵装置汽蚀余量

三个单位的进水流道的水力损失计算值差距较大，考虑到进水门槽的水力损失，综合三个单位的计算值后暂取进水流道的水力损失为0.2m。水泵装置汽蚀余量必须大于水泵的许用汽蚀余量。经计算太浦河泵站的水泵装置汽蚀余量满足此器。

3.3.2 水泵装置汽蚀分析

3.3.2.1水泵装置临界汽蚀和初生汽蚀

根据水泵的汽蚀理论，汽蚀可分为临界汽蚀和初生汽蚀。国内的水泵模型试验和原型测试，均按水泵效率下降1%或扬程已有明显变化考虑，此时已有大量的汽泡产生。根据有关资料，临界汽蚀和初生汽蚀之比在2以上。国内对水泵的必须汽蚀余量是以临界汽蚀来计算的。许用汽蚀余量通常按必须汽蚀余量的1.5倍考虑，但对大型尤其是特大型水泵按此要求是不够的。

3.3.2.2 水泵汽蚀的模型和原型换算

一般水泵的汽蚀试验均在立式水泵的试验台上进行，叶片处于同一水平面上。但对卧式水泵，由于叶轮上下叶片的高度相差大，重力的影响也大。所以在确定卧式或小倾角斜轴伸式水泵的安装高程时，应考虑到现有的水泵汽蚀参数基本是按立式水泵模型试验得到的因素。

3.3.2.3水泵装置汽蚀分析

水泵汽蚀部位主要有正面、背面和间隙汽蚀三种。叶片正面汽蚀发生在低于设计扬程的大流量区，叶片背面汽蚀发生在高于设计扬程的小流量区。而间隙汽蚀一般是在各种扬程下都有，扬程低时强度弱，扬程高时强度增大。

间隙汽蚀是轴流式水泵的一个特点，间隙汽蚀区随着叶片以等于叶轮圆周速度的速度沿着水泵室表面移动。在间隙区内及出口之后形成很多汽泡，引起噪音和振动。

前苏联对额尔齐斯—卡拉干运河泵站的Oп11 – 185型轴流泵（H=1.2~20.5m，Q=14.5~22m³/s，n=333r/min）进行过间隙空蚀及压力脉动的测试。测试结果有以下几个特点：

（1）从轮壳室测点的压力传感器上测出的压力波波形可明确的看出，压力波呈周期性的变化。在叶轮旋转中，叶片远离测点时，该处的压力大；叶片与该处测点靠近时，该处压力小，为水平线下的朝下凸台。该处的绝对压力，其值等于当时温度下的饱和汽化压力，表示有汽蚀区的存在。

（2）试验比较叶片正面和背面上的压力峰值差，可达31m几乎比泵的静扬程大一倍多，将造成很高的汽蚀侵蚀强度。

（3）由于每个叶片通过轮壳室壁时，压力由最大（比泵扬程还大）到最小（存在汽蚀区时等于饱和汽化压力），按频率f =nZ/60（Hz）的速度变化，对轮壳室表面产生很大的周期性的脉动负荷。

（4）测试表明，轮壳室靠叶片进口处压力变化达到1.3 ~ 1.5H_r；在叶轮水平轴线高度上，轮壳室压力变化范围为1.2 ~ 1.3 H_r；在叶片出口边高度上，轮壳室沿整个周长的压力均为正值，同时压力变化很小，数值上等于1.1 ~ 1.2 H_r。

（5）水泵实际破坏情况与轮壳室的压差测试结果相同。汽蚀最先破坏出现在轮壳室的叶轮水平轴线的下部，然后上部也出现汽蚀。

对水泵的汽蚀，前苏联对比转数n_s =840（D=0.4m，H=3.20m，n=980r/min）的轴流泵做过各种汽蚀的模型试验。试验结果详见图2。图中的△h_ut是初生间隙汽蚀，△h_np是初生翼型汽蚀，△h_2%是模型效率下降2%时的汽蚀余量。从图中可明显地看出除了大流量区域的极小部分，间隙汽蚀的汽蚀余量远大于水泵翼型汽蚀的汽蚀余量，更远大于模型效率下降点的汽蚀余量。这些曲线的相互位置很明显地表明，早在汽蚀对水泵的能量特性曲线显示出损害以前，在叶轮里已存在各种形状的空蚀。

图2   比转速ns = 840轴流泵模型的各种汽蚀

综合三个单位的和分析，结合其它有关的资料，对太浦河泵站水泵的汽蚀归纳如下：

（1）由于现阶段无法结合具体的转轮进行数模计算，所以无法提出间隙汽蚀的数值，但依据类似的水力机械情况，间隙汽蚀值可能大于水泵的翼型汽蚀及模型的临界汽蚀，在考虑水泵汽蚀时须注意到这一点。

（2）太浦河水泵为小倾角的斜轴伸式水泵，基本接近于卧式水泵。该水泵的叶轮直径在4.1m左右，上下高差很大。叶轮上缘是水泵的最低压力点，叶片转动到该处时，最易发生汽蚀，比同类型的立式水泵更易受到汽蚀损坏。

（3）太浦河水泵的扬程低，转速也低，按水泵的临界汽蚀要求容易得到满足，但考虑到上述几个因素后，根据国内水泵的实际运行情况。水泵的安装高程不能过高，在叶片上缘必须要有一定的淹没水深。

3.3.2.4 水泵装置的淹没水深与汽蚀和振动

汽蚀和振动有相应的关系，增加淹没水深对减轻（叶片）正面汽蚀有较好效果，对减少背面汽蚀和间隙汽蚀也有好处，相应地也可减小水泵装置的振动。

  前苏联对Oп11 – 185型水泵的淹没水深与间隙汽蚀做过试验。试验表明淹没水深对间隙汽蚀的发展有影响。在泵的所有研究工况下，随着淹没水深的增加，叶片两面的压差减小，从而限制了间隙汽蚀的发展。淹没水深与间隙汽蚀发展的关系详见图3 – 3。图中纵坐标υ为用中心角的度数衡量的汽蚀区长度。

                      图3  不同淹没水深Hs对汽蚀发展的影响 

       1—Φ= 0⁰ H=22.75m    2—Φ= 0⁰ H=21.25m      3—Φ= 0⁰ H=22.45m

图4   不同淹没水深Hs的叶轮外壳最大振动值

前苏联对Oп11 –185型水泵的淹没水深与水泵振动做过试验。试验表明随着淹没水深的增加，水泵振幅显著减少。从图4中可见该水泵淹没水深减少1m，将导致水泵振动增加1.5~2.0倍。

3.3.3 国内水泵实际运行情况

国内的轴流式水泵在进水流道的阻力损失不大的情况下，从理论计算来看，叶轮安装在水面以上均无问题，但实际情况往往要求立式水泵的叶轮中心必须淹没在最低水位以下。例如2.8 m口径的大型立式轴流泵，制造厂要求的最小淹没水深为2.0m。在实际安装运行中，南套沟泵站为0.6m，北泾咀泵站0.8m，沉湖泵站为1.0m，汉川、排湖等十余座泵站均为2.0m。实践证明，在设计扬程以下运行，淹没水深在1.5 ~ 2.0m时，水泵机组运行基本平稳；淹没水深在1.0m时，振动噪音随之增大；淹没水深在0.8m 时，水泵已无法运行。另外，内蒙的红圪卜泵站和广东顺德市的桂畔海泵站采用的是口径为2.5m的斜45^o轴流泵，叶轮上缘的最小淹没水深为1.08m，实际运行平稳。广东斗门的西安泵站的3.0m口径卧式猫背后轴伸式轴流泵，叶轮上缘高于进水池的水面2.5~3.0m，实际运行中水泵泵组震动现象严重，现正准备进行技术改造。国内已建的斜轴伸式水泵安装情况详见表3 – 3。

表3 – 3      国内已建的斜轴伸式水泵安装情况

泵站名称	水泵型式	叶轮直径	叶轮上缘最小淹没水深	进水流道上缘最小淹没水深	水泵制造厂
红圪卜泵站	斜450轴伸泵	2.5m	1.08m		上海水泵厂
盐官泵站	斜150轴伸泵	3.8m	1.57m	*1.90m	无锡水泵厂
黄盖湖泵站	斜150轴伸泵	3.0m	2.85m		富春江水工机械厂
新夏港泵站	斜300轴伸泵	2.05m	1.62m		无锡水泵厂
张家塘泵站	斜300轴伸泵	2.5m	3.03m	1.15m	无锡水泵厂
浦东机场泵站	斜300轴伸泵	1.6m	3.01m	0.5m	上海水泵厂
福州排水泵站	斜150轴伸泵	3.3m	3.98m		长沙水泵厂
淮安三级泵站	贯流泵	3.1m	~2.95m	*~2.0m	天津发电设备厂
新川河口泵站	贯流泵	4.2m	1.7m	*1.6m	日本荏原公司

注: 1. 红圪卜泵站的进水流道为大喇叭口型式。   2. * 均为进水流道顶板的淹没水深.

4.1 水泵安装高程的确定

综合上述计算和分析，太浦河泵站的水泵各种汽蚀余量详见表4 – 1。

表4 – 1             太浦河泵站的水泵各种汽蚀余量

水泵必须汽蚀余量（m）		水泵许用汽蚀余量（m）		水泵装置 汽蚀余量（m）
设计工况	非设计工况	设计工况	非设计工况
4.67	7.20	7.00 （9.34）	10.80 (14.40）	10.8

注：.许用汽蚀余量中不加括号为必须汽蚀余量1.5倍，加括号为考虑初生汽蚀为必须汽蚀余量2倍。

从表中可见，取许用汽蚀余量是必须汽蚀余量的1.5倍时，能满足水泵汽蚀要求。按初生汽蚀的要求考虑，在设计工况满足水泵汽蚀要求，在非设计工况不满足水泵汽蚀要求。综合上述的计算和分析。考虑太浦河泵站这种特大型斜轴伸式水泵，水泵导轴承的不利运行条件的特点，对水泵叶片的淹没水深，不仅要考虑满足水泵的汽蚀要求，更重要的是使水泵运行平稳、安全可靠，选取时应有一定的设计余量，取叶片上缘淹没水深为1.5m，水泵安装高程不高于–1.8m。