大型特低揚程泵裝置水力性能優(yōu)化與綜合比較研究.pdf

1、大型特低揚程泵站在水資源調(diào)配、水環(huán)境改善、城市防洪和農(nóng)業(yè)灌排等工程中應(yīng)用廣泛。特低揚程泵站具有揚程低、流量大的特點，用于調(diào)水和水環(huán)境改善的泵站還具有年運行時間長的特點。這些泵站對泵裝置效率要求很高，并要求泵裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、電機通風(fēng)散熱條件好、安裝檢修方便、運行維護(hù)方便和投資少等優(yōu)點。適用于特低揚程泵站的特低揚程泵裝置具有流道水力損失小、泵裝置效率高的優(yōu)點，其包括水平軸伸泵裝置、燈泡貫流泵裝置、豎井貫流泵裝置和潛水貫流泵裝置等4種類型。

2、每種類型的泵裝置具有各自的特點，不同型式泵裝置的水力性能有何差距、選擇何種型式的泵裝置應(yīng)用于特低揚程泵站是需要研究的問題。
　　 本文以我國大型特低揚程泵站的建設(shè)為背景，對不同型式的特低揚程泵裝置分別進(jìn)行較為深入細(xì)致的優(yōu)化水力設(shè)計研究，最大限度地提高其水力性能;在優(yōu)化水力設(shè)計研究的基礎(chǔ)上對其水力性能進(jìn)行比較，并對不同型式特低揚程泵裝置的機組結(jié)構(gòu)、安裝檢修、運行管理及投資等綜合指標(biāo)進(jìn)行比較研究;力爭找出水力性能優(yōu)異且具有結(jié)構(gòu)簡單、

3、安裝檢修方便、運行管理方便和投資少等優(yōu)點的特低揚程泵裝置。主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　 (1)根據(jù)特低揚程泵裝置進(jìn)、出水流道的作用和水力設(shè)計的要求，提出了泵裝置及進(jìn)、出水流道優(yōu)化水力設(shè)計的目標(biāo)，并建立了進(jìn)、出水流道優(yōu)化水力設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)?；诒醚b置效率與水泵效率及流道效率的關(guān)系，指出流道效率與水泵效率同等重要，分析了水泵效率的水平和發(fā)展趨勢，研究了水泵水力模型測試段與低揚程泵裝置中泵段的差別，修正了水泵水力模型測試段效率;研究

4、了流道效率與泵裝置揚程和流道水力損失之間的關(guān)系，提出了減少流道水力損失是特低揚程泵裝置優(yōu)化水力設(shè)計的關(guān)鍵問題，并從降低流速和改善流態(tài)的角度提出了減少流道水力損失的具體途徑。對特低揚程泵裝置優(yōu)化水力設(shè)計的方法進(jìn)行了研究，分析了泵裝置模型試驗和泵裝置數(shù)值模擬研究方法的優(yōu)缺點，提出了流道模型試驗和流道數(shù)值模擬的研究方法，研究了幾種研究方法相互之間的關(guān)系，提出了低揚程泵裝置優(yōu)化水力設(shè)計采用“以流道分析研究方法為主、以泵裝置整體研究方法為輔，以數(shù)

5、值模擬研究方法為主、以模型試驗研究方法為輔”的研究方法思路。
　　 (2)采用流道數(shù)值模擬方法對水平前軸伸泵裝置進(jìn)、出水流道分別進(jìn)行了三維流動數(shù)值模擬和優(yōu)化水力設(shè)計研究，提高了流道的水力性能，并揭示了流道內(nèi)的水流運動和湍動能分布規(guī)律;采用泵裝置數(shù)值模擬方法對水平前軸伸泵裝置優(yōu)化方案進(jìn)行三維流動數(shù)值模擬，分析了其內(nèi)部水流運動狀態(tài)，并驗證了流道數(shù)值模擬的結(jié)果;采用流道模型試驗方法對水平前軸伸泵裝置進(jìn)、出水流道優(yōu)化方案分別進(jìn)行模型試驗

6、，觀察了流道內(nèi)的流態(tài)、測試了流道的水力損失，并檢驗和確認(rèn)了流道數(shù)值模擬的結(jié)果。采用流道數(shù)值模擬方法對水平后軸伸泵裝置進(jìn)、出水流道分別進(jìn)行三維流動數(shù)值模擬和優(yōu)化水力設(shè)計研究，提高了流道的水力性能，并揭示了流道內(nèi)的水流運動和湍動能分布規(guī)律;采用泵裝置數(shù)值模擬方法對水平后軸伸泵裝置優(yōu)化方案進(jìn)行三維流動數(shù)值模擬，分析了其內(nèi)部水流運動狀態(tài),并驗證了流道數(shù)值模擬的結(jié)果。在對水平前軸伸和水平后軸伸泵裝置分別進(jìn)行優(yōu)化水力設(shè)計的基礎(chǔ)上比較了其水力性能，水

7、平前軸伸泵裝置的水力損失小于水平后軸伸泵裝置。
　　 (3)采用流道數(shù)值模擬方法對前置燈泡貫流泵裝置進(jìn)、出水流道分別進(jìn)行了三維流動數(shù)值模擬和優(yōu)化水力設(shè)計研究，提高了流道的水力性能，并揭示了流道內(nèi)的水流運動和湍動能分布規(guī)律;采用泵裝置數(shù)值模擬方法對前置燈泡貫流泵裝置優(yōu)化方案進(jìn)行三維流動數(shù)值模擬，分析了其內(nèi)部水流運動狀態(tài)，并驗證了流道數(shù)值模擬的結(jié)果;采用流道模型試驗方法對前置燈泡貫流泵裝置進(jìn)、出水流道優(yōu)化方案分別進(jìn)行模型試驗，觀察了

8、流道內(nèi)的流態(tài)、測試了流道的水力損失，并檢驗和確認(rèn)了流道數(shù)值模擬的結(jié)果。采用流道數(shù)值模擬方法對后置燈泡貫流泵裝置進(jìn)、出水流道分別進(jìn)行三維流動數(shù)值模擬和優(yōu)化水力設(shè)計研究，提高了流道的水力性能，并揭示了流道內(nèi)的水流運動和湍動能分布規(guī)律;采用泵裝置數(shù)值模擬方法對后置燈泡貫流泵裝置優(yōu)化方案進(jìn)行三維流動數(shù)值模擬，分析了其內(nèi)部水流運動狀態(tài)，并驗證了流道數(shù)值模擬的結(jié)果;采用流道模型試驗方法對后置燈泡貫流泵裝置進(jìn)、出水流道優(yōu)化方案分別進(jìn)行模型試驗，觀察了

9、流道內(nèi)的流態(tài)、測試了流道的水力損失，并檢驗和確認(rèn)了流道數(shù)值模擬的結(jié)果。在對前置燈泡和后置燈泡貫流泵裝置分別進(jìn)行優(yōu)化水力設(shè)計的基礎(chǔ)上比較了其水力性能，前置燈泡貫流泵裝置的水力損失小于后置燈泡貫流泵裝置。
　　 (4)分析了前置豎井貫流泵裝置進(jìn)、出水流道的特征，分別建立了進(jìn)、出水流道的幾何數(shù)學(xué)模型，以實現(xiàn)流道的參數(shù)化設(shè)計;采用流道數(shù)值模擬方法對前置豎井貫流泵裝置進(jìn)、出水流道分別進(jìn)行了三維流動數(shù)值模擬和優(yōu)化水力設(shè)計研究，提高了流道的水

10、力性能，并揭示了流道內(nèi)的水流運動和湍動能分布規(guī)律;研究了流道長度、寬度和高度等3個控制尺寸對前置豎井貫流泵裝置進(jìn)、出水流道水力性能的影響，得到流道水力性能與各控制尺寸變化的關(guān)系曲線;采用泵裝置數(shù)值模擬方法對前置豎井貫流泵裝置優(yōu)化方案進(jìn)行三維流動數(shù)值模擬，分析了其內(nèi)部水流運動狀態(tài)，并驗證了流道數(shù)值模擬的結(jié)果;采用流道模型試驗方法對前置豎井貫流泵裝置進(jìn)、出水流道優(yōu)化方案分別進(jìn)行模型試驗，觀察了流道內(nèi)的流態(tài)、測試了流道的水力損失，并檢驗和確認(rèn)

11、了流道數(shù)值模擬的結(jié)果。采用流道數(shù)值模擬方法對后置豎井貫流泵裝置進(jìn)、出水流道分別進(jìn)行三維流動數(shù)值模擬和優(yōu)化水力設(shè)計研究，提高了流道的水力性能，并揭示了流道內(nèi)的水流運動和湍動能分布規(guī)律;采用泵裝置數(shù)值模擬方法對后置豎井貫流泵裝置優(yōu)化方案進(jìn)行三維流動數(shù)值模擬，分析了其內(nèi)部水流運動狀態(tài)，并驗證了流道數(shù)值模擬的結(jié)果;采用流道模型試驗方法對后置豎井貫流泵裝置進(jìn)、出水流道優(yōu)化方案分別進(jìn)行模型試驗，觀察了流道內(nèi)的流態(tài)、測試了流道的水力損失，并檢驗和確認(rèn)

12、了流道數(shù)值模擬的結(jié)果。在對前置豎井和后置豎井貫流泵裝置分別進(jìn)行優(yōu)化水力設(shè)計的基礎(chǔ)上比較了其水力性能，前置豎井貫流泵裝置的水力損失小于后置豎井貫流泵裝置。對前置豎井貫流泵裝置進(jìn)、出水流道的流場進(jìn)行了多角度的詳細(xì)剖析，研究表明其具有優(yōu)異水力性能的原因是因其具有優(yōu)異的內(nèi)特性。采用泵裝置模型試驗方法對前置豎井貫流泵裝置的水力性能進(jìn)行了測試，前置豎井貫流泵裝置在設(shè)計揚程工況(設(shè)計揚程3.1m、設(shè)計流量33.4m3/s)和平均揚程工況(平均揚程2.

13、7m、設(shè)計流量33.4m3/s)時的泵裝置效率分別達(dá)83.11％和83.02％，臨界空化余量分別為4.63m和4.28m，泵裝置水力性能十分優(yōu)異。
　　 (5)在對不同型式特低揚程泵裝置分別進(jìn)行優(yōu)化水力設(shè)計研究的基礎(chǔ)上，對其水力性能進(jìn)行了定量比較，按流道水力損失從小到大排依次為前置燈泡貫流泵裝置、前置豎井貫流泵裝置、后置燈泡貫流泵裝置、水平前軸伸泵裝置、水平后軸伸泵裝置和后置豎井貫流泵裝置。對水平前軸伸泵裝置、后置燈泡貫流泵裝置