特殊工况下双向流道轴流泵装置运转特性研究

摘要

在水文地形复杂的地区，泵站常需要承担排涝与引水灌溉的双重功能。双向流道轴流泵装置由于其结构紧凑简单，便于安装维修，耗资少等优点，被广泛运用于各地的泵站工程中。而由于双向流道轴流泵站工作环境的特殊性，泵装置常在非正常水泵工况下运转。此时，为了确保泵装置依然能够安全稳定地运转，对这些特殊工况下的泵装置内部流动机理进行研究是十分必要的。 本文的主要研究内容和创新点有： 1. 首次对双向流道轴流泵装置在负扬程工况、正转飞逸工况及反转飞逸工况三个特殊工况下的运转特性进行三维湍流数值模拟，选用SST k??湍流模型，模拟计算了三个特殊工况下的泵装置内外特性。同时在闭式四象限试验台上，对泵装置的三种特殊工况进行了模型试验，将试验数据与模拟计算所得数据相对比分析，发现三种工况下，两者数据相近，趋势相同，从而验证了数值模拟方法在计算非正常水泵工况时的可靠性。 2. 为了研究特殊工况下双向流道轴流泵装置叶轮内部的流场情况，本文首次对比分析了三种特殊工况下叶轮内部的压力、流速及涡量分布等情况，结果发现，反转飞逸工况下叶轮内部流场相对较稳定，负扬程及正转飞逸工况下，叶片吸力面压力分布均较为不规律，说明此时叶片吸力面附近流场较为紊乱。同时在负扬程及正转飞逸工况下，水流在叶片头部出现分流现象，而在反向飞逸时，分流现象出现在叶片尾部且面积较小。负扬程工况下叶轮-导叶干涉面涡带分布主要受叶轮影响，而反转飞逸工况下涡带分布则主要受导叶影响。结合外特性数值模拟值与试验值对比分析，可知在反转飞逸工况下，水流冲击叶片工作面，使其动能得到了充分的转换，流场较为稳定，因此数值模拟值与试验值非常接近。而正转工况下，水流冲击的是叶片吸力面，其形状不利于水流动能的转换，这也导致同样扬程下，流量与转速的试验值均略低于模拟值。 3. 立式轴流泵受轴向力影响较大，本文研究了双向流道轴流泵装置大流量、负扬程工况下的叶轮所受轴向力的变化情况，结果发现，随着流量的逐步增加，轴向力持续减小，并在扬程为-3米左右时变为负值。 4. 当泵装置在非正常水泵工况下运转时，首先要关心的是泵装置的运转安全问题。为了研究特殊工况下双向流道轴流泵装置内部流场对其叶轮结构的影响，本文首次对负扬程、正转飞逸及反转飞逸三种工况进行单向流固耦合分析。研究发现：在泵装置刚进入负扬程工况时，叶轮叶片的头部、中部及尾部轮缘处均存在相对较大的变形量。而在扬程更低后，变形区集中在叶片的头、尾部靠近轮缘处，叶片头部靠近轮缘处形变最大。在叶片压力面头部靠近轮缘处存在应力较大区域，而在吸力面，等效应力从叶片头部沿圆周向尾部方向逐渐减小。正转飞逸工况下的变形量分布规律与大流量时的负扬程工况类似，在叶片头部及尾部靠近轮缘处存在较大的变形量，且沿半径及圆周方向逐渐减小，叶片头部靠近轮缘处变形最为严重。总体等效应力大小随着正转飞逸扬程的增大而增大。在反转飞逸工况下，叶轮叶片的变形量最大值出现在叶片尾部靠近轮缘处，在叶片的其他区域，变形量均较小。随着飞逸扬程的增加，最大变形量增加，同时变形区域面积也随之变大，向叶轮中部延伸。此时等效应力主要集中在叶轮叶片的尾部，叶片压力面的等效应力大于叶片吸力面。

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