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太浦河泵站进出水流道及安装高程数模计算分析(2)

2014-03-17 01:15

3.3.2.2 水泵汽蚀的模型和原型换算

一般水泵的汽蚀试验均在立式水泵的试验台上进行，叶片处于同一水平面上。但对卧式水泵，由于叶轮上下叶片的高度相差大，重力的影响也大。所以在确定卧式或小倾角斜轴伸式水泵的安装高程时，应考虑到现有的水泵汽蚀参数基本是按立式水泵模型试验得到的因素。

3.3.2.3水泵装置汽蚀分析

水泵汽蚀部位主要有正面、背面和间隙汽蚀三种。叶片正面汽蚀发生在低于设计扬程的大流量区，叶片背面汽蚀发生在高于设计扬程的小流量区。而间隙汽蚀一般是在各种扬程下都有，扬程低时强度弱，扬程高时强度增大。

间隙汽蚀是轴流式水泵的一个特点，间隙汽蚀区随着叶片以等于叶轮圆周速度的速度沿着水泵室表面移动。在间隙区内及出口之后形成很多汽泡，引起噪音和振动。

前苏联对额尔齐斯—卡拉干运河泵站的oп11 – 185型轴流泵（h=1.2~20.5m，q=14.5~22m³/s，n=333r/min）进行过间隙空蚀及压力脉动的测试。测试结果有以下几个特点：

（1）从轮壳室测点的压力传感器上测出的压力波波形可明确的看出，压力波呈周期性的变化。在叶轮旋转中，叶片远离测点时，该处的压力大；叶片与该处测点靠近时，该处压力小，为水平线下的朝下凸台。该处的绝对压力，其值等于当时温度下的饱和汽化压力，表示有汽蚀区的存在。

（2）试验比较叶片正面和背面上的压力峰值差，可达31m几乎比泵的静扬程大一倍多，将造成很高的汽蚀侵蚀强度。

（3）由于每个叶片通过轮壳室壁时，压力由最大（比泵扬程还大）到最小（存在汽蚀区时等于饱和汽化压力），按频率f =nz/60（hz）的速度变化，对轮壳室表面产生很大的周期性的脉动负荷。

（4）测试表明，轮壳室靠叶片进口处压力变化达到1.3 ~ 1.5h_r；在叶轮水平轴线高度上，轮壳室压力变化范围为1.2 ~ 1.3 h_r；在叶片出口边高度上，轮壳室沿整个周长的压力均为正值，同时压力变化很小，数值上等于1.1 ~ 1.2 h_r。

（5）水泵实际破坏情况与轮壳室的压差测试结果相同。汽蚀最先破坏出现在轮壳室的叶轮水平轴线的下部，然后上部也出现汽蚀。

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对水泵的汽蚀，前苏联对比转数n_s =840（d=0.4m，h=3.20m，n=980r/min）的轴流泵做过各种汽蚀的模型试验。试验结果详见图2。图中的△h_ut是初生间隙汽蚀，△h_np是初生翼型汽蚀，△h_2%是模型效率下降2%时的汽蚀余量。从图中可明显地看出除了大流量区域的极小部分，间隙汽蚀的汽蚀余量远大于水泵翼型汽蚀的汽蚀余量，更远大于模型效率下降点的汽蚀余量。这些曲线的相互位置很明显地表明，早在汽蚀对水泵的能量特性曲线显示出损害以前，在叶轮里已存在各种形状的空蚀。

图2   比转速ns = 840轴流泵模型的各种汽蚀发展

综合三个单位的计算和分析，结合其它有关的资料，对太浦河泵站水泵的汽蚀归纳如下：

（1）由于现阶段无法结合具体的转轮进行数模计算，所以无法提出间隙汽蚀的数值，但依据类似的水力机械情况，间隙汽蚀值可能大于水泵的翼型汽蚀及模型的临界汽蚀，在考虑水泵汽蚀时须注意到这一点。

（2）太浦河水泵为小倾角的斜轴伸式水泵，基本接近于卧式水泵。该水泵的叶轮直径在4.1m左右，上下高差很大。叶轮上缘是水泵的最低压力点，叶片转动到该处时，最易发生汽蚀，比同类型的立式水泵更易受到汽蚀损坏。

（3）太浦河水泵的扬程低，转速也低，按水泵的临界汽蚀要求容易得到满足，但考虑到上述几个因素后，根据国内水泵的实际运行情况。水泵的安装高程不能过高，在叶片上缘必须要有一定的淹没水深。

3.3.2.4 水泵装置的淹没水深与汽蚀和振动

汽蚀和振动有相应的关系，增加淹没水深对减轻（叶片）正面汽蚀有较好效果，对减少背面汽蚀和间隙汽蚀也有好处，相应地也可减小水泵装置的振动。

  前苏联对oп11 – 185型水泵的淹没水深与间隙汽蚀做过试验。试验表明淹没水深对间隙汽蚀的发展有影响。在泵的所有研究工况下，随着淹没水深的增加，叶片两面的压差减小，从而限制了间隙汽蚀的发展。淹没水深与间隙汽蚀发展的关系详见图3 – 3。图中纵坐标υ为用中心角的度数衡量的汽蚀区长度。

                      图3  不同淹没水深hs对汽蚀发展的影响 

       1—φ= 0⁰ h=22.75m    2—φ= 0⁰ h=21.25m      3—φ= 0⁰ h=22.45m

图4   不同淹没水深hs的叶轮外壳最大振动值

前苏联对oп11 –185型水泵的淹没水深与水泵振动做过试验。试验表明随着淹没水深的增加，水泵振幅显著减少。从图4中可见该水泵淹没水深减少1m，将导致水泵振动增加1.5~2.0倍。

3.3.3 国内水泵实际运行情况

国内的轴流式水泵在进水流道的阻力损失不大的情况下，从理论计算来看，叶轮安装在水面以上均无问题，但实际情况往往要求立式水泵的叶轮中心必须淹没在最低水位以下。例如2.8 m口径的大型立式轴流泵，制造厂要求的最小淹没水深为2.0m。在实际安装运行中，南套沟泵站为0.6m，北泾咀泵站0.8m，沉湖泵站为1.0m，汉川、排湖等十余座泵站均为2.0m。实践证明，在设计扬程以下运行，淹没水深在1.5 ~ 2.0m时，水泵机组运行基本平稳；淹没水深在1.0m时，振动噪音随之增大；淹没水深在0.8m 时，水泵已无法运行。另外，内蒙的红圪卜泵站和广东顺德市的桂畔海泵站采用的是口径为2.5m的斜45^o轴流泵，叶轮上缘的最小淹没水深为1.08m，实际运行平稳。广东斗门的西安泵站的3.0m口径卧式猫背后轴伸式轴流泵，叶轮上缘高于进水池的水面2.5~3.0m，实际运行中水泵泵组震动现象严重，现正准备进行技术改造。国内已建的斜轴伸式水泵安装情况详见表3 – 3。

表3 – 3      国内已建的斜轴伸式水泵安装情况

注: 1. 红圪卜泵站的进水流道为大喇叭口型式。   2. * 均为进水流道顶板的淹没水深.

4.1 水泵安装高程的确定

综合上述计算和分析，太浦河泵站的水泵各种汽蚀余量详见表4 – 1。

表4 – 1             太浦河泵站的水泵各种汽蚀余量

注：.许用汽蚀余量中不加括号为必须汽蚀余量1.5倍，加括号为考虑初生汽蚀为必须汽蚀余量2倍。

从表中可见，取许用汽蚀余量是必须汽蚀余量的1.5倍时，能满足水泵汽蚀要求。按初生汽蚀的要求考虑，在设计工况满足水泵汽蚀要求，在非设计工况不满足水泵汽蚀要求。综合上述的计算和分析。考虑太浦河泵站这种特大型斜轴伸式水泵，水泵导轴承的不利运行条件的特点，对水泵叶片的淹没水深，不仅要考虑满足水泵的汽蚀要求，更重要的是使水泵运行平稳、安全可靠，选取时应有一定的设计余量，取叶片上缘淹没水深为1.5m，水泵安装高程不高于–1.8m。

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