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1、灌溉排水学报2003年6月 第22卷第3期 JournalofIrrigationandDrainage文章编号:1000646X(2003)03005704X水泵进口预旋及涡流强度测试新技术1,2113朱红耕,陆林广,奚斌,刘丽君(1.扬州大学水利学院,江苏扬州225009;2.江苏大学流体中心,江苏镇江212013;3.江苏省水利科技咨询中心,江苏南京210000)摘 要:设计不良的泵站进水建筑物,在不带泵运行的情况下,也会引起水泵进口水流预旋和吸水管内涡流,改变水泵的进水条件,恶化水泵的能量特性和汽蚀特性。提出了观测泵进口水流预旋和测量泵进口涡流强
2、度的新技术。通过丝线流场显示技术,观察喇叭口进口水流的预旋;采用旋度计测定水泵吸水管内涡角的大小,可定性和定量地评判水泵进水设计,优化进水设计方案,确保水泵有良好的进水条件,提高水泵装置运行的安全性和可靠性。关 键 词:水泵;进水设计;预旋;涡角;旋度计中图分类号:S277.9 文献标识码:A 如果水流在进入水泵叶轮之前,除了具有轴向分速之外,还有切向分速,水流就存在预旋。人们过去总是习惯地认为,水泵进口预旋是水泵叶轮旋转引起的。试验表明,即使在不带泵的情况下,进水设计不良的水泵[1,2]进水建筑物,水泵进口也存在着预旋,吸水管内同样有涡流。涡流改变
3、了叶片上的进口速度向量,引起水泵运行特性的改变;不均匀的轴向流速分布导致叶轮和轴承的荷载不均衡,造成动力机过载和机组振动。在传统的水泵装置模型试验和泵站整体模型试验中,人们偏重于观察前池及进水池内的总体流动情况,仅测量[3,4]少数断面的流速分布,而对水泵进口水流预旋的观察与吸水管内涡流强度的测量,长期以来未引起人们的重视。因此,进水设计和模型试验无法确保为水泵提供了良好的进水条件,以致于水泵运行过程中存在这样或那样的问题。采用丝线流场显示技术,观察水泵口水流预旋,用旋度计测量水泵吸水管内的涡流强度,定量地评价进水设计,在国内尚属首次。1 预旋对水泵性能
4、的影响在水泵设计中,总是假设叶轮入口水流的轴向速度分布是足够均匀的。在推导叶片泵的基本方程时,都是假设水流稳定和流态均匀一致为前提条件。若水泵进口水流无旋,即进口绝对速度C在圆周方向上的分速cu1为零。此时,叶片泵的欧拉方程表达式为u2cu2-u1cu1u2cu2H理==gg式中:H理为叶片泵的理论扬程(m);cu1、cu2分别为叶轮进口和出口水流绝对速度在圆周方向的投影(mös);2u1、u2分别为叶轮进口和出口水流的圆周速度(mös);g为重力加速度(mös)。当水泵进水管中水流出现预旋时,水泵叶轮进口速度三角形就会发生改变。图1A表明当水泵进口预旋
5、与水泵叶轮的转向相反时,叶片进口轴面流速cm1增加为c′m1,使得绝对速度C在牵连速度u1方向上的投影c′u1不再为零,而是与牵连速度u1方向相反,为负值(图1A)。运用叶片泵基本方程可知,泵的扬程增大。同时,根据水泵的流量计算公式Q=2PR1b171G容cm1可知,随着轴面流速cm1增大为c′m1,泵的流量也随之增加,其中R1,b1,71,G容分别为水泵叶轮的进口直径、进口宽度、进口叶片排挤系数和容积效率。扬程和流量的加大,水泵偏离设计工况运行,泵的能量特性和汽蚀特性变坏,动力机过载,危及机组安全运行。X收稿日期:20030302基金项目:国家自然科学
6、基金项目(50279011)作者简介:朱红耕,男,副教授,硕士,江苏大学在职博士生.57图1 预旋对水泵进口速度三角形的影响 同理可分析,当泵进口预旋与水泵叶轮转向相同时,cu1变为c″u1,与牵连速度方向u1相同,为正值。此时轴面流速cm1减少为c″m1(图1B),水泵的流量与扬程均下降,水泵的工作效率降低。如果泵进口预旋不稳定,时有时无,时强时弱,则动力机负荷不稳定,易诱发或加重水泵机组的振动,轻者影响机组的使用寿命,严重时机组不能正常工作。2 水泵进口水流预旋流场显示如果进水池设计不合理,或者水泵机组运行组合的原因,使得水泵进口前的水流不对称,那
7、么在水泵喇叭口处存在环量,引起进入喇叭口的水体预旋。如果C为一条包围喇叭口的曲线,曲线C上每一点速度矢量[5]为u,那么,封闭曲线C上的速度环量的线积分可表达为#=∮u·ds。式中ds为封闭曲线的弧元素矢量。c要精确和定量地测定速度矢量u在吸水管的分布,需要很复杂的精密测量仪器。因此,在实际工作中常根据需要,借助流场显示手段,对喇叭口进口水流的预旋情况进行定性的观察。作者选用了丝线流动显示技术,对进水池和水泵喇叭口的流态进行观测。丝线具有很好的气流跟随性,[6,7]可以显示和测量空间集中涡的特性,如涡轨迹、旋转方向、相对强度等,具有简易、方便、直观等特点
8、。试验中用8根丝线等间距圆环形布置在进水喇叭口上。使用导水锥时,在导水锥的底部也
