水泵进水口预旋及涡流强度研究.

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水泵进水口预旋及涡流强度的研究

郑亚军,雷兴春,周密

河海大学水利水电工程学院,南京(210098

E-mail:zhengyajun123@

摘要:本文以试验为基础讨论设计不良的泵站进水建筑物,在不带泵运行的情况下,容易引起水泵进口水流预旋和吸水管内涡流,导致水泵进水条件的改变,恶化水泵的能量特性和汽蚀特性。因此我们有必要对水泵喇叭口水流预旋和泵进口涡流强度进行研究。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;进水口;预旋;涡流强度;涡角

中图分类号:TV7

1.预旋的产生及其原因

如果水流在进入水泵叶轮之前,除了具有轴向分速之外,还有切向分速,水流就存在预旋。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。试验表明,即使在不带泵的情况下,进水设计不良的水泵进水建筑物,水泵进口也存在着预旋,吸水管内同样有涡流。涡流改变了叶片上的进口速度向量,引起水泵运行特性的改变;不均匀的轴向流速分布导致叶轮和轴承的荷载不均衡,造成动力机过载和机组振动。在传统的水泵装置模型试验和泵站整体模型试验中,人们偏重于观察前池及进水池内的总体流动情况,仅测量少数断面的流速分布,而对水泵进口水流预旋的观察与吸水管内涡流强度的测量,长期以来未引起人们的重视[2,3]。因此,进水设计和模型试验无法确保为水泵提供了良好的进水条件,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,定量地评价进水口的设计,在国内尚不多见。

以下情况均可能导致水泵进口的预旋或有害旋涡:

(1引渠偏短,形成侧向进水;

(2由于场地限制或其他原因,前池长度偏短,形态欠佳;

(3进水池(进水通道设计不合理;

(4进水池水位偏低;

(5水泵机组的不对称运行;

(6从有较大横向流速的水流中取水。

2.水泵进口水流预旋流场显示

本人在试验过程中选用8根等间距布置的红色纱线固定在水泵喇叭管进口[1],形成一个圆环,红色纱线便于观察和录象,纱线的长度为喇叭管悬空高的1/2倍,通过对纱线流向的观察,可定性地评价喇叭管进口处的预旋。每根红色沙线显示了所在位置点的流向。如果红色纱线偏转,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;如果红色纱线摆动剧烈,说明泵进水口水流不稳定,从而可定性地评价水泵进口的流态和预选情况。红色纱线流动显示的喇叭口进口流场,可通过照相和摄影记录,以供试验结束后进一步分析。下图为试验示意图以及试验安装图:

此为红色纱线在水泵喇叭管处的8个位置

红色纱线长度为喇叭管悬空高度的0.5倍水泵剖面图水泵俯视图

图1:水泵试验中红色纱线位置示意图

图2:用红线观测水泵进水口处预旋

3.水泵叶轮室进口的涡流

水泵吸水管中压力和流速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。对于水泵进水模拟试验而言,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,因此用丝线观测水泵进口的预旋就很难定量评价进水设计的优劣[5],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。

涡流用旋度计测量,典型的旋度计安装情况如图3所示[4]。旋度计装有4片平直叶片,叶片直径为管道直径的75%,在流动方向上的长度为管道直径的60% 。涡角θ的意义示于

图3,其计算公式为:

1

tan t u

v v θ−= 试中: u v —水泵进水管的轴向平均流速,计算式为:

214u Q

v d π=

t v —根据旋度计螺旋桨的转速算得的切向流速,计算式为:

t t u d n π=

图3:旋度计安装示意图

以上两式中:

Q—流道内的流量;t d —安装旋度计处管道的直径;n—旋度计叶片的转速。θ

υ

υ

图4:涡角计算简图

旋度计叶片每旋转1圈便可通过光缆输出10个脉冲,计数器可根据输出的脉冲数计算

出叶片的转速。在通常情况下,涡流的旋转方向和旋转速度是不稳定的,因此,旋度计的读数将连续读取,每隔10-30s读取一次旋度计读数,至少持续10min。

《标准》要求,短时间(10-30s涡角或长时间(10min平均涡角均应小于5°。

图5:水泵试验中旋度计安装图

4.结论及建议

通过本文的研究我们可以就水泵进水口处预旋及涡流得到以下结论:

(1在水泵进水模型试验研究中,借助丝线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,用专用仪器一旋度计,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,确保为水泵提供良好的进水条件。

(2为了确保水泵能量特性和气蚀特性的正常发挥,应严格限制涡角的大小和流动破动值。

(3采用旋度计测量水泵吸水管内涡流强度,把涡角作为水泵进水设计模型试验验收标准之一,以及在旋度计制作和应用方面,相关研究在国内尚不多见,有待进一步深入和详细的研究。

(4水泵的进水条件是评价水泵进水池设计优劣的重要标准,水泵吸水管内水流的涡角是验证数值计算有效性的重要依据。

参考文献

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