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太浦河泵站斜15度轴伸泵水力动态力分析(1)

2017-08-17 01:28 摘要：太浦河泵站选用斜15°轴伸式轴流泵（以下简称斜15°轴伸泵），为特低扬程、大流量的水泵。它具有叶轮直径大、水泵装置流态复杂、水泵轴承受力大等特点。本文针对太浦河泵站斜15°轴伸泵，进行了水泵装置从吸入口至出口包括叶片、导叶、弯管段等在内的整体三维粘性流动分析，得到了流道内部不同工况下的流动特性如压力、速度分布规律及泵特性曲线，以及流道内部的旋涡分布和水力损失情况。同时进行了导叶和叶轮流动动静干涉引起的三维不稳定流动分析，得到了叶轮在不同工况下受到的轴向水推力及径向水推力在旋转过程中的变化规律，从而为轴承设计提供了比较准确的受力条件。该项研究对其它斜式泵的内部流态及受力分析也是一个很好的借鉴。
关键词：斜式轴流泵 三维不稳定流场 水力动态力 abstract: six 15°slantways axial-flow pumps are in use at the taipuhe pump station, which provid with specially low head and larger discharge, resulting in the large impeller diameter, the complicated flow field and the more great unsteady hydraulic force on the bearing. this paper analyzes the whole three-dimensional viscous flow from the inlet to the outlet including the impeller, stay vane and the syphon, acquires the flowing properties such as pressure and velocity distribution and the property-curve of the pump, and the vortex distribution and hydraulic loss. in addition, the three-dimensional unsteady flow indeced by the rotor-stator interaction is analyzed. the values of axial thrust and radial thrust against the impeller at different operation conditions provides the bearing design a more exact force boundary condition. more, this study was useful for the inner flow field and force analysis of other slantwise pumps. key words: slandwise axial-flow pump; three-dimensional unsteady flow field; unsteady hydraulic force1前言太浦河泵站位于江苏省吴江市的东太湖边，是太湖流域治理中的一项重点工程。泵站由进水渠、进水池、泵房、出水池、出水渠等部分组成。水泵装置从进水池的流道进口至出水池处的流道出口，见图一。泵站基本参数见表一。图一 太浦河泵站水泵装置图表一 泵站基本参数设计（m）最高（m）最低（m）设计流量（m3/s）传动运行水位进水池1.90/1.706×501600kw电动机平行的两级传动减速齿轮箱出水池3.293.342.66扬程静扬程1.391.640.76考虑损失1.691.941.162 斜轴伸泵的受力特点和水力动态力计算的必要性由于斜轴伸泵呈斜式布置，受力状态较卧式和立式水泵要复杂，水泵轴承同时受水平分力和垂直分力。在静水工况须承受水泵转动部分的重量和浮力，在运行工况还须承受水力不平衡力、泵叶轮的静不平衡力和泵轴挠度引起的离心力等。泵叶轮的静不平衡和泵轴挠度引起的离心力由制造厂根据机械加工的技术要求考虑，而因水流引起的不平衡力以及压力脉动则比较复杂，以往因缺乏有力的计算工具，通常按经验进行估算，误差不易分析，也难以分析不平衡力的产生原因。太浦河泵站斜15°轴伸泵叶轮直径为4.1m，远大于常规水泵的叶轮尺寸，根据国内现有的斜轴伸式水泵的运行经验，对水泵泵轴和轴承的各种受力须予以重视，充分考虑水泵受到的周期性水推力和径向力，以保证水泵安全运行。为此清华大学流体机械及工程研究所、上海院及其它单位一起对水泵装置进行比较全面的数模计算和水力动态力分析，第一，检验水泵装置的设计合理性，并对水泵叶片、导叶型线等过流部件的设计提出修改意见；第二，获得水泵装置完整的水力特性，为轴承、泵轴等受力部件设计提供参考。3 太浦河泵站泵内部流道的数模计算3.1 计算内容本次计算和分析是对整个水泵装置的数模计算。进行了从进水池进口至出水池（包括叶轮和导叶）7个运行工况的三维稳定粘性流动分析，以及导叶、叶轮流动相互干涉引起的3个运行工况的内部三维不稳定粘性流动的计算机仿真试验。从而计算出流道内部的各运行工况下的流动特性及叶轮受到的水推力和经向力随时间的变化规律及其频谱特性，并提出了保证机组安全高效运行的建议。由于数模计算能显示整个水泵流道装置任意断面任意点的压力场和流速场，所以计算中也可表示水泵转动部分的汽蚀和水流流态等情况。3.2 三维粘性流动分析模型本研究采取simplec方法，并用有限体法离散求解稳定流场内部流动基本方程（即n-s方程）。湍流模型采用了现实（