水力机械多功能模型试验台循环管路系统水力设计

图 1 水力机械模型试验台循环管路系统横剖面 1. 测功电机 ;2. 扭矩仪 ;3. 联轴器 ;4. 轴承座 ;
5. 测功电机 (120kW) ;6. 尾水箱 ;7. 电磁流量计 ; 8. 手动阀门 3 ;9. 手动阀门 4
1 机组型式 、主要设备型号及参数
111 模型试验台机组型式 本模型试验台既可做立式机组试验 , 也可做 卧式机组试验 。我国低水头水力资源丰富 。而卧
式灯泡贯流式机组则是开发低水头水力资源的较 好方式 ,与立式轴流式水轮机相比 ,具有过流通道 的水力损失小 、施工方便 、过流能力较高 、比转速 大及效率较高等优点 。因此 , 本模型试验台的模 型机选用卧式灯泡贯流式机组 , 以后根据需要亦 可更换模型机组 , 如换成立式混流机组和立式轴 流机组 。
升高 。由于机械损失所占比重较小 , 故按照全部
分差值来计算发热 。
模型机组输出功率 :
N1 = 9181 QH1η1
(3)
式中 Q ———通过水轮机的流量
H1 ———模型水轮机工作水头
η1 ———模型水轮机效率
供水水泵的的输入功率 :
N2 = 9181 QH2/ η2
(4)
式中 H2 ———供水泵扬程 η2 ———供水泵的效率
包括 :水轮机正向运行工况 、水泵正向运行工况 、 水轮机反向运行工况 、水泵反向运行工况四种 。 下面以 14Sh - 19A 作动力源为例 , 说明各种工况 的工作过程 。
411 水轮机正向运行工况 如图 1 、2 所示 ,试验前 ,首先将手动阀门 1 、2 、 4 关闭 ,其它阀门打开 , 用充水泵将循环管路系统 充满水 ,关闭手动阀门 5 。启动 14SH - 19A 供水 泵 ,水流通过 500 电动阀门 1 依次流向手动阀 门 3 、电磁流量计 ,压力箱 , 模型机 , 由尾水管进入 尾水箱 , 然后经过 500 电动阀门 2 回到水泵进 口。 412 水泵正向运行工况 试验前 , 首先将电动阀门 1 、手动阀门 1 、2 、3 关闭 ,其它阀门打开 。用测功电机驱动模型机 ,水 流方向与水轮机正向运行工况相反 , 机组由尾水 箱吸水 , 然后水流依次流向压力箱 、电磁流量计 、 手动阀门 4 、电动阀门 2 、出口管道 ,循环回到尾水 箱 。在超低扬程时 , 将系统切换进入反向水轮机 工作状态 , 利用供水泵 14SH - 19A 作为辅助泵 , 克服系统阻力 ,满足工程上的试验要求 。 413 水轮机反向运行工况 该工况与水泵正向运行工况水流方向一致 。 试验前 ,首先将手动阀门 2 、3 和电动阀门 2 关闭 , 其它阀门打开 。启动 14SH - 19A 供水泵 , 水流依 次流向电动阀门 1 、手动阀门 1 、尾水箱 、模型机 、 压力箱 、电磁流量计 、手动阀门 4 , 然后回到水泵 进口 。 414 水泵反向运行工况 该工况 与 水 轮 机 正 向 运 行 工 况 水 流 方 向 一 致 。试验前 ,首先将手动阀门 1 、2 、3 和电动阀门 1 关闭 ,其它阀门打开 。用测功电机驱动模型机 ,机 组由压力箱吸水 ,然后水流依次流向尾水箱 、电动 阀门 2 、手动阀门 4 、电磁流量计 、压力箱 , 又回到 水泵进口 。同样 ,水泵作超低扬程试验时 ,将系统 投入正向水轮机工作状态 , 由供水泵克服循环系 统阻力 ,可以满足低扬程的要求 。
正确地计算多功能试验台水力循环系统的温
度变化是保证水泵 、水轮机汽蚀试验取得正确结
果的前提 。计算分为水轮机工况和水泵工况 , 以
水轮机工况为例进行计算 。
做水轮机试验时 , 循环系统的发热量主要是
供水水泵的输入功率与模型机组的输出功率之
差 ,发热量中除了模型机组和供水水泵的部分机
械损失可以由空气散热外 , 其余部分都造成水温
211 压力箱尺寸与容积确定 压力箱的功能是为了消除进入机组的水流扰 动 ,使进入机组前的流速分布比较均匀 。为保证 进入模型机组前的水流达到稳定 , 在压力箱内加 设了稳流栅 ,参见图 3 。压力箱的尺寸 (轴线长 × 宽 ×高) 2000 ×2500 ×4000mm ,容积为 20m3 。
图 3 压力箱布置
浮环的临界转动惯量为 :
Icr = 01062284 ( kg·m2)
则有 : I < Icr
(7)
或据 前 述 理 论 , 由 浮 环 转 动 惯 量 I =
0101347kgm2 ,得动环的临界转速为 :
ωcr = 8541 (1/ s)
而动环的工作转速为 ω= 1256 (1/ s) ,则有 :
选用立 式 机 组 时 , 供 水 泵 型 号 仍 为 24Sh 19A , 此 时 与 供 水 泵 配 套 的 直 流 电 机 功 率 为 250kW ,水泵扬程 H = 19～26m , 测功电机功率 N = 120kW ,转速 n ≤2000r/ min 。
2 压力箱与尾水箱的水力设计
压力箱与尾水箱的水力设计是模型试验台循 环管道系统水力设计的主要内容 。压力箱与尾水 箱是循环管道系统的主要设备 , 其设计好坏直接 影响模型试验台的功能 。
关键词 多功能模型试验台 循环管路系统 水泵 水轮机
河海大学在“211 工程”建设中 , 设计了一座 功能较全的水力机械模型试验台 , 其循环管路系 统横剖面见图 1 。整个循环管路系统是由模型机 组 、供水泵 、压力箱 、尾水箱 、循环管道 、阀门和电 磁流量计等组成 。图 2 给出了泵房平面布置图 。
V ———管道流速 ,取最大值
对于本装置 , 求得水轮机工况整个循环系统
18 流 体 机 械 2001 年第 29 卷第 11 期
的最大水力损失为 615m。
经计算分析 , 本模型实验台所选水泵型号能
够满足要求 。
313 水温变化计算
经结构计算 ,压力箱的壁厚取 20mm。在压力 箱的顶部设有 50 的排气管 , 底部设有 100 排
水孔 。 212 尾水箱尺寸与容积确定 循环管路系统的总容积根据汽蚀试验的要求
确定 。为了在试验过程中保持水流稳定和一定的 空气含量 ,尾水箱设计应保证具有足够的容积 。
根据尾水箱的功能 ,将尾水箱设计成圆筒式 。 在尾水箱的上方布置了调压简 , 起稳流和改善真 空度的作用 。国内外已建模型试验台尾水箱直径 与水轮机转轮的直径比为 5～9 , 其尺寸 ( 直径 × 长度) 2000mm ×4000mm ,容积为 12156m3 。在对尾 水箱进行结构计算时 , 主要保证尾水箱在最大负 压 (真空) 情况下不变形 , 经计算取其壁厚为 20mm 。
图 2 泵房平面布置
112 主要设备型号 、参数 灯泡贯流式模型机型号 : GZ 350 ; 测功 电 机 功 率 N = 50kW; 转 速 n ≤3000r/ min 。 供水泵 :14Sh - 19A , 与供水泵配套的直流电 机功率为 120kW ,水泵扬程 H = 15～20m。 电磁流量计 :SGAIC 500 ,流量测量范围 Q = 011～110m3/ s ; 阀门 :手动蝶阀 :D371 系列 500 、 600 , 电
否则应在循环系统中加装冷却设备 。
经计算 ,本试验台每小时温升为 1 ℃, 满足要
求。
4 模型试验台主要功能
模型试验台除了可做卧式机组试验外 , 还可 作立式机组试验 。考虑到二种机组段的长度不 同 ,故将尾水箱设计成可移动式 ,根据需要可将卧 式机组改换成立式机组 。
不论是立式机组还是卧式机组 , 其运行工况
ΣV = V压力箱 + V尾水箱 + V管路
Q ———通过管道的流量 , Q = 011～110m3/ s
从而确定出最小循环时间 tmin和最大循环时 间 tmax分别为 40s 、386s 。满足汽蚀试验的要求 。
312 循环系统水流阻力计算
循环系统水流阻力计算的目的是校核所选水
泵是否满足要求 , 以保证试验过程中能获取各种
5 结语
(1) 目前国内尚无一种水力机械模型试验台 做到了既可以做立式模型试验又可以做到卧式模 型试验 ,而本模型试验台方案真正达到了“一套模 型试验台多种功能”的目的 。 (下转第 25 页)
Vol. 29 ,No. 11 ,2001 FLUID MACHINERY 25
313 密封系统自激振动稳定性分析
(1) 轴向气锤自激振动
因为气膜轴向阻尼 (所有自激频率下都没有
出现负的轴向阻尼) ,所以系统恒稳定[10] 。
(2) 角向摆动自激振动
工作浮环的转动惯量为 :
I
n
= ∑[ i =1
mi
R2i
+ 4
r2i + ei ]
≈01001347 (kg·m2)
(6)
据前述理论 , 经有限元程序动态分析计算得
根据计算分析可知 ,立式机组 、卧式机组的进 水口高度 、尺寸大小不同 ,同时对于水泵机组在压 力箱开孔的位置 、大小又与水轮机组不同 ,因此需 在压力箱某侧开设若干个进 (出) 水孔 , 其位置和 大小由模型机组的尺寸确定 。若压力箱采用圆筒 式难以布置 ,而将压力箱设计成长方体 ,在满足受 力 、不影响其水力性能的情况下 ,则较易布置 。
试验工况的稳定运行状态 ,提高试验成果可靠性 。
循环系统水流阻力公式 :
hw =
(λ l
d
+Σζ)
v2 2g
(2)
式中来自百度文库 ζ———管道的局部阻力系数 , 从文献 [ 1 ]可
查出弯头 、电磁流量计 、压力箱左右
端 、尾水箱左右端 、阀门的阻力系数
λ———管道的沿程阻力系数
L ———管长 , d ———管径
试验台容器及管道的自然散热能力很低 , 在
计算水的温升时 , 可不考虑自然散热的作用 。所
以在最大功率差值时 , 可由下式求出每小时的水
温升高值 。
Δt
=
ΔN
WCP
(5)
式中 ΔN ———供水泵与模型机功率差值
W ———循环管路系统的容积
CP ———水的比热 每小时温升应该在规定范围内 (1～115 ℃) ,
3 循环管道系统水力计算
循环管道系统水力计算的主要内容包括循环
系统水流循环时间 、循环系统水流阻力计算和水
温变化等计算 。
311 循环系统水流循环时间
循环系统水流循环时间的计算目的是保证循
环系统有足够时间把在低压时从水中析出的空气
重新溶解到水中 。循环系统水流循环时间 :
t =ΣV/ Q
(1)
式中 ΣV ———循环系统总容积 ,
16 流 体 机 械 2001 年第 29 卷第 11 期
水力机械多功能模型试验台循环管路系统 水力设计 Ξ
河海大学 郑 源 李 平 陈新方 安徽机电排灌总站 王 超
摘 要 介绍了河海大学水力机械多功能模型试验台循环管路系统的水力设计 , 着 重介绍了模型试验台的水力计算和试验台的多功能性 。
ω< ωcr
(8)
式 (7) 、(8) 是保证系统稳定工作的条件 。
4 结论
(1) 端面气膜密封静态的轴向正向刚度越高 , 其动态的角向正向气膜刚度也越高 , 致使密封气 膜角向抗干扰能力 , 即防止角向摆动自振失稳能 力越强 。
(2) 不同的端面几何结构的气膜密封 ,所生成 的气体动压效应和气体静压效应的强弱程度不同 (前者引起较高的气膜刚度 、后者只产生较低的气 膜刚度) ;所达到的径向泄漏也不同 。因此 , 选择 合适的端面几何结构是至关重要的 。例如 :螺旋 槽顺流泵型端面结构可产生很高的气膜刚度 , 而 泄漏量略大 ;螺旋槽逆流泵型端面结构只产生较 低的气膜刚度 ,而泄漏量却较小 ;而由顺向和逆向 螺旋槽组合的各种端面几何结构 ,如八字槽等 ,其 性能介于二者之间 。
Ξ 收稿日期 :2001 —04 —10
Vol. 29 ,No. 11 ,2001 FLUID MACHINERY 17
动闸阀 Z941 系列 500 。 管道采用 500mm , 壁厚 δ= 9mm 的管道 , 管
长约为 80m ,管道系统之间采用法兰连接 , 为减少 水力损失 ,在 90°弯头内制作了相应导流栅 。