肘型进水、屈膝式出水流道在轴流泵站的应用研究_李帅.pdf
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1、2023 年第 2 期肘型进水、屈膝式出水流道在轴流泵站的应用研究李帅董美玉(上海凯泉泵业(集团)有限公司,上海202211)摘要:对国内 2.3 m 口径某大型轴流机组泵站装置进行了设计优化及应用研究。泵站装置由进水池、进水流道、轴流泵、出水流道、出水池组成,同时对肘型进水流道、屈膝式出水流道进行了着重研究。运用 CFD 数值模拟分析技术进行设计优化,确定了最优的设计方案,保证装置高效率及可靠、稳定运行。关键词:轴流泵装置肘型进水屈膝式出水CFD 数值模拟中图分类号:TH312文献标识码:A国内大型立式轴流泵机组,根据实际应用工况,通常会配有不同形式的进出水流道,进水流道通常分为肘型进水流道
2、、簸箕型进水流道、开敞式进水流道、钟型进水流道;出水流道通常分为开敞式出水流道、虹吸式出水流道、平直出水流道、屈膝式出水流道。轴流泵站工程主要关注两点,一是整个泵站机组(从进水前池到出水池)的装置效率;二是整个装置的流态,尤其是进水流道、出水流道的流态。由肘型进水流道、水泵、屈膝式出水流道组成的装置,流态好、水力损失小、水流通过能力强,不会出现脱流现象。屈膝式出水流道在停机断流状态下可靠性更好,整个泵站装置效率比其他结构形式的水泵机组装置效率更高。以笔者公司中标的 2.3 m 口径大型立式轴流泵站项目为依托,着重选取了肘型进水流道、屈膝式出水流道进行研究,通过数值模拟分析,对泵站装置进行了优化
3、。1主要技术参数泵站工程建设的目标是:外河按 20 年一遇标准防御洪水,城区按 20 年一遇最大 6 小时暴雨、6小时内排至不淹重要建筑物高程(最高蓄涝水位)的标准治涝,通过新建防洪堤以及新建泵站,改扩建排水渠,解决洪水侵袭和片区内涝问题,保证人民及财产安全,为城区提供安全的生产、生活环境,促进区域经济发展。泵站设计流量为 60 m3/s,采用 3 台 2300ZLQ型全调节立式轴流泵,水泵单泵设计流量为20 m3/s,设计净扬程为 4.04 m,大泵叶轮直径为 2300 mm,设计转速为 166.7 r/min,配套同步电动机功率为1600 kW。泵站规划设计参数表如表 1 所示。泵站纵剖面
4、如图 1 所示。表 1泵站规划设计参数表项目参数设计排涝流量/(m3/s)60内水位最高水位/m35.00(黄海高程,下同)最高运行水位/m32.00设计运行水位/m31.50最低运行水位/m30.70外水位防洪水位/m37.13最高运行水位/m36.71设计运行水位/m35.54最低运行水位/m30.90最大净扬程/m6.01设计净扬程/m4.04最小净扬程/m0012023 年第 2 期图 1泵站纵剖面图2方案说明根据泵站设计技术参数,水力模型初步选用南水北调模型库备选 TJ04 ZL 02 号模型,模型叶轮直径为 300 mm,叶片数为 4 片,导叶数为 7 片。为了优化泵站进水流道、出
5、水流道,保证泵站安全可靠运行的同时提高泵站装置效率,研究设计了三种方案的肘型进水流道和三种屈膝式出水流道,并进行了 CFD 数值模拟分析。3进水流道 CFD 数模优化研究3.1肘型进水流道水力优化设计方案因肘型进水流道相对比较成熟,在参考国内外最新文献资料、国内已建大型泵站成功案例及笔者公司开展系列化泵站研究成果的基础上进行肘型进水流道设计,方案如图 2 所示1。3.2进水流道三维造型及计算区域说明利用三维软件绘制进水流道(包含进水池、去除导水帽)的三维造型(见图3)。采用 ICEM 软件进行网格划分,采用非结构化四面体网格进行网格划分和网格无关性检查,最终确定总网格数约为220 万,网格质量
6、优良,满足 CFD 分析要求,可以进行下一步数值模拟。3.3进水流道数值计算结果与分析3.3.1进水流道的水力损失特性进水流道计算了 5 个流量,分别是 0.8Q、0.9Q、1.0Q、1.1Q、1.2Q。采用面积加权平均法计算肘型进水流道的进口、出口断面,得到进水流道水力损失 h,如表 2 所示。从表中可以看出,每个方案的水力损失都很小,随着过流流量的增大,水力损失增大,经对比可以看出,同流量下方案一的水力损失更小,最小值为 4.47 cm,最大值为 9.92 cm,设计流量时,水力损失为 6.93 cm。3.3.2进水流道评判函数值2 进水流道作为引流的作用,流道好坏的评判依据为:水泵进口的
7、流速分布均匀性;水泵进口速度矢量与水泵进口断面的垂直性。为了量化上述两个评判标准,通常采用流速分布均匀度 Vu和流速加权平均角度 来判定,Vu和 的具体定义为:Vu=max1 1?ua(uai?ua)2m100%(1)=maxuai 90 arctan(uti/uai)uai(2)式中,m 为进口断面的单元总数;uai为进口断面第 i 个单元的轴向流速;uti为进口断面上第 i 个单元的切向流速;?ua为进口断面的平均轴向流速。112023 年第 2 期图 2肘型进水流道方案图 3进水流道三维造型图表 2进水流道水力损失特性数据表方案一方案二方案三流量/(m3/s)水力损失/cm水力损失/cm
8、水力损失/cm16.004.474.604.6718.005.645.805.8820.006.937.137.2422.008.368.608.7324.009.9210.2110.36当 Vu=100%(截面流速完全一致)、=90时(垂直进入水泵),流道最优。提取结果文件水泵进口断面三个方向的速度数据,根据上述公式计算得到水泵进口断面的流速分布均匀度 Vu和流速加权平均角 数据,如表 3 所示。从表中可以看出,流速均匀度和平均入流角随着流量的增大而增大,方案一的流速均匀度和平均入流角最大,最大值为 97.76%,入流角为 87.73,三个方案的 Vu和 相差很小,均能满足水泵吸水要求。3.
9、3.3进水流道内部流动特性沿进水流道中线截取纵剖面,绘制速度云图、速度等值线图及进水流道流线图,如图4 图6 所示。综合水力损失、流速均匀度、平均入流角、纵剖面速度云图、泵入口处速度云图、三维流线图等因素,采用进水流道方案一作为最终方案。表 3水泵进口断面的流速分布均匀度 Vu和流速加权平均角 数据表方案一方案二方案三流量/(m3/s)Vu/%/()Vu/%/()Vu/%/()16.0097.7187.7297.6187.6897.6087.6718.0097.7287.7297.6387.6897.6287.6720.0097.7487.7297.6487.6997.6387.6722.00
10、97.7587.7397.6687.6997.6487.6724.0097.7687.7397.6787.6997.6587.68212023 年第 2 期图 4流道纵剖面速度云图图 5泵入口处断面速度等值线图图 6进水流道流线图4出水流道 CFD 数模优化研究4.1出水流道水力优化设计方案依托笔者公司已有的屈膝式出水流道设计经验,结合国内最新出水流道研究成果,针对屈膝式出水流道共设计了三种方案,如图 7 所示3。4.2出水流道三维造型利用三维软件绘制出水流道(包含进水延长段、出水池、闸门槽、去掉导水帽、转轴)的三维造型(见图8)。采用 ICEM 软件进行网格划分,采用非结构化四面体网格进行网
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