CN106383970B - 一种基于泵装置的轴流泵必需汽蚀余量的预测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于泵装置的轴流泵必需汽蚀余量的预测方法，属于泵站工程技术领域。本发明基于轴流泵装置三维定常数值计算的基础上，采用数值求解方法对多工况时泵装置的轴流泵必需汽蚀余量进行预测，该方法简便，成本低，耗时短，同时可对任意工况运行时轴流泵站的必需汽蚀余量进行预测，弥补物理模型试验未测或泵站运行时偶遇的工况。有利于比较不同水力模型时轴流泵装置的汽蚀性能，有利于实际泵站的安全稳定运行，避免轴流泵站的汽蚀发生，达到确保轴流泵站安全稳定运行的目的。

Description

一种基于泵装置的轴流泵必需汽蚀余量的预测方法
技术领域
本发明涉及一种轴流泵站汽蚀性能的预测评价方法，特别是对于多工况运行的轴流泵站，属于泵站工程技术领域。
背景技术
轴流泵站广泛应用于农田灌溉、防洪排涝及跨流域调水等工程领域，轴流泵站的汽蚀性能是影响轴流泵站安全稳定运行的关键因素，在轴流泵站选型时往往依据泵站的运行扬程对泵装置进行汽蚀性能的物理模型试验以获取不同扬程时轴流泵的必需汽蚀余量，为轴流泵的汽蚀性能是否满足工程安全稳定运行需要提供参考。但实际运行过程中，当轴流泵站进口水位降低或处于大流量工况运行时可能会导致轴流泵内部发生汽蚀，从而导致轴流泵装置效率下降，扬程降低，同时易引发轴流泵振动和噪音，若轴流泵站长时间运行在汽蚀条件下，其过流部件将被严重损伤，此时泵装置的物理模型未进行该工况的汽蚀试验，无法获取该工况运行时轴流泵的必需汽蚀余量，无法判断此时轴流泵装置能否安全可靠运行。
目前，对轴流泵必需汽蚀余量的确定方法主要采用物理模型试验，但轴流泵装置物理模型试验的测试成本较高，耗时较长，重复性低，实际工程中较多的中小型泵站未做泵装置物理模型的汽蚀试验，从而对实际轴流泵站运行时的必需汽蚀余量很难准确的给予判断，对轴流泵站的安全稳定运行存在安全隐患。
发明内容
为解决上述问题，本发明基于轴流泵装置三维定常数值计算的基础上，采用数值求解方法对多工况时泵装置的轴流泵必需汽蚀余量进行预测，该方法简便，成本低，耗时短，同时可对任意工况运行时轴流泵站的必需汽蚀余量进行预测，弥补物理模型试验未测或泵站运行时偶遇的工况。
本发明的技术方案，一种基于泵装置的轴流泵必需汽蚀余量的预测方法，其特征是：基于轴流泵装置的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值计算结果，选取轴流泵叶片外缘约10％弦长的最低静压值，代入轴流泵装置必需汽蚀余量计算式求解该工况时轴流泵装置的必需汽蚀余量。
该发明的技术方案包括以下3个步骤：
1)对轴流泵装置构建三维数学模型，根据轴流泵装置运行的工况条件，采用CFD技术对轴流泵装置全流道进行三维定常数值计算求解，以各物理量的残差收敛精度均低于1.0×10-5，并通过设置监测点监测扬程的变化，当扬程的变化趋于定值时，即该计算工况下数值计算满足收敛要求。
2)根据轴流泵装置的CFD数值计算结果，给出轴流泵叶片3个特征展向位置(展向位置记为Span，三个展向位置依次为0.05，0.50和0.95)的静压分布曲线，从中选取叶片外缘约10％弦长处的静压分布曲线，以该处范围内静压低于汽化压力时来预测轴流泵的必需汽蚀余量NPSHre，计算式为：
式中：NPSHre为必需汽蚀余量，单位m；Pa为当地的大气压力，单位Pa；Pmin为轴流泵叶片吸力面外缘约10％弦长范围内最小压力，单位Pa，ρ为水的密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位kg/N。
3)对多工况运行的轴流泵装置必需汽蚀余量的预测，仅需重复步骤1)-2)，最终列表给出多工况运行时泵装置的轴流泵必需汽蚀余量数值，以供设计、运行管理单位参考。
本发明的有益效果：
采用该方法可预测轴流泵装置多工况运行时轴流泵的必需汽蚀余量，避免了物理模型试验耗时长，轴流泵必需汽蚀余量数值少的缺点。针对工期短，造价低，经费紧的泵站工程水力模型的方案比选提供了一种简便的预测方法，有利于比较不同水力模型时轴流泵装置的汽蚀性能，有利于实际泵站的安全稳定运行，避免轴流泵站的汽蚀发生，达到确保轴流泵站安全稳定运行的目的。
对市场实施可能性和经济效益预测分析：
轴流泵站是重要的水利基础设施，在大范围内的农田和区域抗旱、防洪排涝、城镇供水，污水排放和跨流域调水等方面均起着关键的作用。轴流泵装置的汽蚀性能受到越来越多的关注，尤其在泵站科研的前期，业主方均要求进行泵装置的汽蚀性能分析，2015年中央一号文件《关于加大改革创新力度加快农业现代化建设的若干意见》中提到了灌排泵站为农业服务的重要性，水环境的综合治理以及城市防洪标准体系提高，这些社会大背景都为本发明专利的推广应用提供了机遇。本发明专利积极响应了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020年)所确定的“节能”优化主题。本发明专利通过基于轴流泵装置全流道的三维定常数值计算结果对轴流泵的必需汽蚀余量进行预测，为轴流泵站不同水力模型汽蚀性能的比选提供一种简便方法，采用本发明专利优选的方案将有利于实际轴流泵站的安全稳定运行，节约泵装置物理模型试验预测轴流泵必需汽蚀余量的时间，降低成本，达到加快泵站工程进度的目的，由此将带来巨大的经济效益和社会影响。
附图说明
图1为基于泵装置的轴流泵必需汽蚀余量的预测流程图；
图2-4为实施例中不同展向位置的叶片表面静压分布。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细阐述，一种轴流泵装置必需汽蚀余量预测的流程图如图1所示。
以采用TJ04-ZL-23水力模型的立式轴流泵装置为例，采用三维建模软件对立式轴流泵装置进行三维数学模型的构建，然后采用CFD技术对该立式轴流泵装置进行了3个流量工况(Q＝18m3/s，30m3/s和39m3/s)的三维定常数值计算，3个流量工况计算均满足各物理量的残差收敛精度均低于1.0×10-5的要求，且扬程变化趋于稳定。给出3个流量工况时轴流泵叶片在不同展向位置时叶片压力沿弦向的静压分布曲线，如图2所示，3个流量工况时叶片压力面的静压分布均轮缘侧大，轮毂侧小，靠近进口边的叶片吸力面静压分布从轮毂侧向轮缘侧逐渐减小，基于图2的3个流量工况时轴流泵叶片3个展向位置的静压分布曲线，选取轴流泵叶片外缘约10％处的最小静压值代入轴流泵必需汽蚀余量的计算式中进行求解，3个流量工况时轴流泵的必需汽蚀余量计算结果如表1所示，以供设计单位，管理单位参考。
基于图2的CFD数值计算获取的轴流泵叶片不同展向位置的静压分布结果，采用叶片吸力面外侧约10％弦长范围内压力低于汽化压力时来预测轴流泵的必需汽蚀余量NPSHre。
在流量Q＝18m3/s时
在流量Q＝30m3/s时
在流量Q＝33m3/s时
表1 3个流量工况时轴流泵的必需汽蚀余量

Claims (2)

1.一种基于泵装置的轴流泵必需汽蚀余量的预测方法，其特征是，包括以下步骤：
1)对轴流泵装置构建三维数学模型，根据轴流泵装置运行的工况条件，采用CFD技术对轴流泵装置全流道进行三维定常数值计算求解，以各物理量的残差收敛精度均低于1.0×10-5，并通过设置监测点监测扬程的变化，当扬程的变化趋于定值时，即该运行的工况下数值计算满足收敛要求；
2)根据轴流泵装置的CFD数值计算结果，给出轴流泵叶片3个特征展向位置的静压分布曲线，从中选取叶片外缘10％弦长处的静压分布曲线，以该处范围内静压低于汽化压力时来预测轴流泵的必需汽蚀余量NPSHre，计算式为：
<mrow> <msub> <mi>NPSH</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>min</mi> </msub> <mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>0.24</mn> </mrow>
式中：NPSHre为必需汽蚀余量，单位m；Pa为当地的大气压力，单位Pa；Pmin为轴流泵叶片吸力面外缘10％弦长范围内最小压力，单位Pa，ρ为水的密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位kg/N；
3)对多工况运行的轴流泵装置必需汽蚀余量的预测，仅需重复步骤1)～2)，最终列表给出多工况运行时泵装置的轴流泵必需汽蚀余量数值，以供设计、运行管理单位参考。
2.根据权利要求1所述的一种基于泵装置的轴流泵必需汽蚀余量的预测方法，其特征是，步骤2)中，展向位置记为Span，三个展向位置依次为0.05、0.50和0.95。
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轴流泵运行特性的研究;王艳丽;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士）工程科技II辑》;20050915;全文 *

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