CN106096186B - 一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其包括以下步骤：1)建立水泵的水力模型，对水泵水力模型内的水体域进行三维建模；2)进行三维模型的网格划分；3)依据水泵四象限特性曲线，自坐标原点向外作多条射线将四象限区域等分，在每一射线上选择一个水泵计算工况点，确定水泵的相对转速，并根据水泵相似公式分别计算多个水泵计算工况点和一水泵额定工况点的相对流量以确定边界条件，选择三维模型的计算方法和湍流模型，接着计算水泵额定工况点和每个水泵计算工况点的三维流场，得到各水泵工况点的水泵相对扬程和相对转矩；4)根据泵的相似理论，将各水泵工况点的水泵相对转速、相对流量、相对扬程和相对转矩转换成用于泵站水锤分析的Suter曲线。本发明能够适时、准确地获取水泵Suter曲线。
Description
技术领域
本发明涉及一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，属于水利工程泵站技术领域。
背景技术
输水泵站广泛应用于跨流域调水、农业灌溉、城市供水等领域。如果要保证输水泵站不发生有害水锤，则需要在泵站设计阶段进行较为准确的水锤计算与分析。其中，水泵的Suter曲线对泵站水锤的计算精度起着至关重要的作用。一般来讲，水泵Suter曲线需要通过水泵模型试验得到。对于初设阶段的泵站，或者建站较早而需要改造的泵站，往往无法获得水泵水力模型，也就无法得到用于水锤分析的水泵Suter曲线。现有估算水泵Suter曲线的方法，是根据已有的几个典型比转速的单级单吸泵Suter曲线，通过插值计算近似得到所需水泵Suter曲线。由于这种方法所获得的Suter曲线和实际相差很大，因此常会影响到泵站水锤的计算精度。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，能够实现输水泵站水锤的精确计算与分析，以检测泵站的设计和运行调度是否合理。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其包括以下步骤：1)建立水泵的水力模型，对水泵水力模型内的水体域进行三维建模；2)进行三维模型的网格划分；3)依据水泵四象限特性曲线，自坐标原点向外作多条射线将四象限区域等分，在每一射线上选择一个水泵的计算工况点，并确定水泵的相对转速，接着计算水泵的额定工况点和每一计算工况点的相对流量，并以该相对流量确定边界条件，选择三维模型的计算方法和湍流模型，获取水泵的额定工况点和每一计算工况点的三维流场，记录水泵各工况点的水泵相对扬程和相对转矩；4)根据泵的相似理论，将水泵各工况点的水泵相对转速、相对流量、相对扬程和相对转矩转换成用于泵站水锤分析的Suter曲线。
在所述步骤3)中，计算水泵各工况点的相对流量所依据的水泵相似公式：
其中，α为水泵的相对转速，υ为水泵的相对流量，x为各条射线对应的弧度，其取值范围为0≤x≤2π。
所述步骤4)中，表征Suter曲线中水泵扬程特性的值所依据的计算公式：
其中，Wh(x)为表征水泵扬程特性的值，h为水泵的相对扬程；
表征Suter曲线中水泵转矩特性的值所依据的计算公式：
其中，Wb(x)为表征水泵转矩特性的值，β为水泵的相对转矩。
在所述步骤1)中，水泵水力模型的泵为离心泵、轴流泵或混流泵。
在所述步骤3)中，位于每一象限内的射线个数均为N条，N大于等于6且小于等于11。
在所述步骤3)中，水泵的相对转速等于1或负1。
在所述步骤3)中，获取水泵各工况点的三维流场采用的计算方法为有限体积法。
在所述步骤3)中，获取水泵各工况点的三维流场采用的湍流模型为k-ε湍流模型。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明设置了水泵的水力模型，对水泵水力模型内的水体域进行三维建模，能够在无法或无需进行水泵装置模型试验的情况下，准确地确定水体域。2、本发明依据水泵四象限特性曲线，自坐标原点向外作多条射线将四象限区域等分，在每一射线上选择一个水泵的计算工况点，并确定水泵相对转速等于1或负1，且能够快速地确定水泵额定工况点和每一计算工况点的相对流量。3、本发明根据泵的相似理论，将每一水泵工况点的水泵相对转速、相对流量、相对扬程和相对转矩转换成用于泵站水锤分析的Suter曲线，所获得的Suter曲线准确性高，提高了泵站水锤的计算精度，能够检测输水泵站的运行调度。
附图说明
图1是本发明水泵水力模型吸水室和叶轮的结构示意图
图2是本发明水泵水力模型压水室的结构示意图
图3是本发明两级双吸离心泵的结构示意图
图4是本发明两级双吸离心泵的Suter曲线图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提出的获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其包括以下步骤：
1)建立水泵的水力模型，并对水泵水力模型内的水体域进行三维建模。
如图1、图2所示，选择相近叶轮比转速ns的同类型水泵，基于同类型水泵的几何尺寸建立水泵水力模型，水泵水力模型包括吸水室1、叶轮2和压水室3。
2)进行三维模型的网格划分。
3)依据水泵四象限特性曲线，自坐标原点向外作多条射线将四象限区域等分，在每一射线上选择一个水泵的计算工况点，并确定水泵的相对转速，接着计算水泵的额定工况点和每一计算工况点的相对流量，并以该相对流量确定边界条件，选择三维模型的计算方法和湍流模型，获取水泵额定工况点和每一计算工况点的三维流场，并记录水泵各工况点的水泵相对扬程和相对转矩。
步骤3)中，计算水泵各工况点的相对流量所依据的水泵相似公式：
其中，α为水泵的相对转速，υ为水泵的相对流量，x为各条射线对应的弧度，其取值范围为0≤x≤2π。
4)根据泵的相似理论，将各水泵工况点的水泵相对转速、相对流量、相对扬程和相对转矩转换成用于泵站水锤分析的Suter曲线。
步骤4)中计算表征水泵扬程特性的值所依据的转换公式为：
其中，Wh(x)为表征水泵扬程特性的值，h为水泵的相对扬程；
步骤4)中计算表征水泵扬程特性的值所依据的转换公式为：
其中，Wb(x)为表征水泵转矩特性的值，β为水泵的相对转矩。
上述实施例中，水泵水力模型的泵可以是离心泵、轴流泵或混流泵，吸水室1可以是单吸式或双吸式，叶轮2可以是单级式或多级式。
上述实施例中，位于每一象限内的射线个数均为N条，N大于等于6且小于等于11。
上述实施例中，相对转速等于1或负1。
上述实施例中，三维模型的计算方法为有限体积法。
上述实施例中，湍流模型为k-ε湍流模型。
实施例：
如图3所示，本发明的两级双吸离心泵，它包括一级吸水室4、一级叶轮5、一级压水室6、连接部分7、二级吸水室8、二级叶轮9和二级压水室10。其中，两级双吸离心泵的额定流量为0.22立方米/秒，额定扬程为56米，额定转速为1490转/分钟。
1)对两级双吸离心泵水力模型中一级吸水室4、一级叶轮5、一级压水室6、连接部分7、二级吸水室8、二级叶轮9和二级压水室10内的水体进行三维建模，从而获得两级双吸离心泵的计算域。
2)对三维模型划分网格。
3)依据水泵四象限特性曲线，自坐标原点作24条射线将四象限区域等分，并确定水泵相对转速等于1或负1，根据水泵相似公式，确定24个水泵计算工况点和1个额定水泵工况点的速度进口边界(如表1所示)，出口边界均采用自由出流；
表1各工况点的速度进口边界数据表
其中，V为水泵进口速度，其值为正代表进口为吸水室，出口为压水室，其值为负代表进口为压水室，出口为吸水室。
4)选取RNGk-ε湍流模型和有限体积法作为三维模型的计算方法，获取水泵额定工况点和每个计算工况点的三维流场，得到水泵各工况点的水泵的相对扬程和相对转矩(如表2所示)。
表2各工况点的水泵相对参数计算结果
4)根据各水泵工况点的水泵相对转速、相对流量、相对扬程和相对转矩分别计算出表征各水泵工况点的水泵扬程特性的值和水泵转矩特性的值(如表3所示)，并绘制用于泵站水锤分析的Suter曲线(如图4所示)。
表3 Suter曲线相关计算值
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (8)
1.一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其包括以下步骤：
1)建立水泵的水力模型，对水泵水力模型内的水体域进行三维建模；
2)进行三维模型的网格划分；
3)依据水泵四象限特性曲线，自坐标原点向外作多条射线将四象限区域等分，在每一射线上选择一个水泵的计算工况点，并确定水泵的相对转速，接着计算水泵的额定工况点和每一计算工况点的相对流量，并以该相对流量确定边界条件，选择三维模型的计算方法和湍流模型，获取水泵的额定工况点和每一计算工况点的三维流场，记录水泵各工况点的水泵相对扬程和相对转矩；
4)根据泵的相似理论，将水泵各工况点的相对转速、相对流量、相对扬程和相对转矩转换成用于泵站水锤分析的Suter曲线。
2.如权利要求1所述的一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其特征在于：在所述步骤3)中，计算水泵各工况点的相对流量所依据的水泵相似公式：
其中，α为水泵的相对转速，υ为水泵的相对流量，x为各条射线对应的弧度，其取值范围为0≤x≤2π。
3.如权利要求2所述的一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其特征在于：所述步骤4)中，表征Suter曲线中水泵扬程特性的值所依据的计算公式：
其中，Wh(x)为表征水泵扬程特性的值，h为水泵的相对扬程；
表征Suter曲线中水泵转矩特性的值所依据的计算公式：
其中，Wb(x)为表征水泵转矩特性的值，β为水泵的相对转矩。
4.如权利要求1所述的一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其特征在于：在所述步骤1)中，水泵水力模型的泵为离心泵、轴流泵或混流泵。
5.如权利要求1所述的一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其特征在于：在所述步骤3)中，位于每一象限内的射线个数均为N条，N大于等于6且小于等于11。
6.如权利要求1所述的一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其特征在于：在所述步骤3)中，水泵的相对转速等于1或负1。
7.如权利要求1所述的一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其特征在于：在所述步骤3)中，获取水泵各工况点的三维流场采用的计算方法为有限体积法。
8.如权利要求1所述的一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其特征在于：在所述步骤3)中，获取水泵各工况点的三维流场采用的湍流模型为k-ε湍流模型。
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