一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法及其应用，属于水利工程泵站技术领域。该方法的特征是：为确保导叶式混流泵装置在较低扬程的设计扬程工况具有良好的抗空化性能，在水泵选型时，尽可能采用较低的nD值；在泵装置的最高扬程工况，采用变频电源适当提高水泵转速，以使泵装置的工况点进入水泵的稳定工作区；以泵装置抗空化安全系数、水泵轴功率和叶轮直径三个主要因素的综合得分最高为依据，优选最适用于所述泵站的导叶式混流泵装置方案。本发明专利技术主要用于设计扬程较低、最高扬程较高，两者相差较大的大流量泵站。本发明专利技术的方法对保证设计扬程与最高扬程相差较大的大流量排涝泵站的安全、稳定运行具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水利工程泵站
，具体涉及一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法及其应用，主要用于设计扬程较低、最高扬程较高，两者相差较大的大流量泵站。
技术介绍
我国东部沿江地区一些大流量排涝泵站的设计扬程较低、最高扬程较高，两者相差较大。这种类型的泵站，若选用轴流泵装置，则在其设计扬程工况时可以得到很好的水力性能，但其在最高扬程工况时将进入水泵的不稳定工作区；若选用导叶式混流泵装置，则可保证水泵在最高扬程工况时稳定工作，但在其设计扬程工况时则可能因水泵空化性能较差而产生强烈振动。现有的方法是选用导叶式混流泵装置，采用这种方法的泵站虽可保证其在最高扬程工况运行时的稳定性，但不能保证其在设计工况运行时得到良好的水力性能，甚至有些泵站在较低扬程工况运行时会发生明显的汽蚀振动，严重影响到水泵机组的稳定运行。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对上述方法的缺陷，提供一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法及其应用，本专利技术以泵装置抗空化安全系数、水泵轴功率和叶轮直径等三个主要因素的综合得分最高为依据，通过计算优选最适合于所述泵站的导叶式混流泵及叶片安放角、叶轮直径和转速，以确保泵装置既能在扬程较高的最高扬程工况稳定工作，又能在扬程较低的设计扬程工况具有优良的水力性能。本专利技术的特征是：对于设计扬程较低、最高扬程较高的泵站，为确保导叶式混流泵装置在设计扬程工况具有良好的抗空化性能，在进行水泵选型时，尽可能采用较低的nD值；在最高扬程工况，通过采用变频电源提高水泵转速，使泵装置的最高扬程工况点进入水泵的稳定工作区；计算泵装置最高扬程工况点的流量、效率、水泵轴功率、临界空化余量和泵装置抗空化安全系数；在目前经过严格测试的、水力性能良好的导叶式混流泵模型系列中，选列出可能适用于所述泵站的导叶式混流泵模型，逐个导叶式混流泵模型地进行计算和排查，以泵装置抗空化安全系数、水泵轴功率和叶轮直径等三个主要因素的综合得分最高为判别依据，优选最适用于所述泵站的导叶式混流泵装置方案。本专利技术提供的方法对保证设计扬程与最高扬程相差较大的沿江地区大流量排涝泵站的安全、稳定运行具有十分重要意义。为实现本专利技术的目的，采用如下技术方案：(1)针对拟应用本专利技术的大流量泵站泵装置的单泵设计流量、设计扬程和最高扬程，在目前国内经过严格测试的、水力性能良好的导叶式混流泵模型系列中，选列出可能适用于所述泵站的N个导叶式混流泵模型，并将它们顺次编号为i＝1,2,3,......,N；(2)根据所述N个导叶式混流泵模型换算至叶轮直径D0＝0.3m、转速n0＝1450r/min的综合性能曲线，将各个导叶式混流泵模型正常运行范围内的叶片安放角由大到小依次编号为j＝1,2,3,......,M，并列出各导叶式混流泵模型的各个叶片安放角的最高稳定工作扬程(Hmax)i,j；(3)根据统计分析研究结果，导叶式混流泵模型各叶片安放角在其运行范围内的水泵扬程H与流量Q、水泵效率η水泵与流量Q、水泵临界空化余量NPSHc与流量Q可分别用以下关系式表达：①水泵扬程H与流量Q之间二次三项式的关系H＝A+BQ+CQ2 (1)式中，H为水泵扬程，m；Q为流量，m3/s；A、B和C分别为(1)式中零次项、一次项和二次项的系数；可运用关系式(1)根据导叶式混流泵某一运行工况点的扬程H计算该工况点的流量Q；②水泵效率η水泵与流量Q之间三次多项式的关系η水泵＝EQ+FQ2+GQ3 (2)式中，η水泵为水泵效率，％；E、F和G分别为(2)式中一次项、二次项和三次项的系数；可运用关系式(2)根据导叶式混流泵模型某一运行工况点的流量Q计算该工况点的水泵效率η水泵；③水泵临界空化余量NPSHc与流量Q之间三次多项式的关系NPSHc＝R+SQ+TQ2+UQ3 (3)式中，NPSHc为水泵临界空化余量，m；R、S、T和U分别为(3)式中零次项、一次项、二次项和三次项的系数；可运用关系式(3)根据导叶式混流泵模型某一运行工况点的流量Q计算该工况点的水泵临界空化余量NPSHc；(4)根据所述N个导叶式混流泵模型的综合性能曲线，在水泵正常运行范围内，逐个导叶式混流泵模型、逐个叶片安放角地完成以下各步的工作：①针对第i个导叶式混流泵模型的第j个叶片安放角，根据所述泵站泵装置的设计扬程和单泵设计流量，以尽可能降低nD值为原则，选择合适的水泵叶轮直径Di,j(单位为m)和水泵转速ni,j(单位为r/min)，使所述泵装置设计扬程H泵装置设计扬程工况点位于或尽可能接近于第i个导叶式混流泵模型、第j个叶片安放角能量性能的最高效率区，同时使该工况点的临界空化余量随之明显减小；②在第①步工作的基础上，保持所选择的水泵叶轮直径Di,j不变，通过提高水泵转速提高第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时最高稳定工作扬程(Hmax)i,j，从而使所述泵装置最高扬程H泵装置最高扬程工况点可以进入水泵稳定工作区；根据水泵比例律，按下式计算所需的水泵转速：式中，kH为安全系数，为确保最高扬程工况点位于稳定工作区，取安全系数kH＝0.95；(n最高扬程工况点)i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的水泵转速，r/min；根据大功率变频电源高效工作对调频范围的要求，按(4)式算得的水泵转速需满足(n最高扬程工况点)i,j≤1.35ni,j的条件，若满足此条件则进行第③步工作，否则返回第①步进行下一个叶片安放角的计算；③在第②步工作的基础上，根据导叶式混流泵相似律，将所述叶轮直径为D0、转速为n0的导叶式混流泵模型综合性能曲线换算为叶轮直径为Di,j、转速为(n最高扬程工况点)i,j的导叶式混流泵原型综合性能曲线；根据所述导叶式混流泵原型综合性能曲线，在水泵转速为(n最高扬程工况点)i,j的条件下，计算第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q水泵)最高扬程工况点)i,j、水泵效率((η水泵)最高扬程工况点)i,j和水泵临界空化余量((NPSHc)最高扬程工况点)i,j；④根据对泵装置的水力性能与泵装置中水泵的水力性能之间关系的大量研究结果，可按下式对所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q水泵)最高扬程工况点)i,j进行修正，得到所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量：((Q泵装置)最高扬程工况点)i,j＝kQ((Q水泵)最高扬程工况点)i,j (5)式中，kQ为流量修正系数，kQ＝0.89；((Q泵装置)最高扬程工况点)i,j为第i个导叶式混流泵原型在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量，m3/s；⑤在第④步工作的基础上，应用CFD方法分别计算所述泵装置最高扬程工况点的进水流道水头损失((Δh进水流道)最高扬程工况点)i,j和出水流道水头损失((Δh出水流道)最高扬程工况点)i,j；根据泵装置流道效率的定义，计算所述泵装置最高扬程工况时的流道效率((η流道)最高扬程工况点)i,j；⑥根据泵装置中泵装置效率η泵装置与水泵效率η水泵、流道效率η流道之间的能量关系，计算所述泵装置最高扬程工况点的泵装置效率((η泵装置)最高扬程工况点)i,j；⑦根据泵装置效率η泵装置的定义，计算所述泵装置最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法，其特征是，包括以下步骤：(1)针对拟应用本专利技术的大流量泵站泵装置的单泵设计流量、设计扬程和最高扬程，在目前国内经过严格测试的、水力性能良好的导叶式混流泵模型系列中，选列出可能适用于所述泵站的N个导叶式混流泵模型，并将它们顺次编号为i＝1,2,3,......,N；(2)根据所述N个导叶式混流泵模型换算至叶轮直径D0＝0.3m、转速n0＝1450r/min的综合性能曲线，将各个导叶式混流泵模型正常运行范围内的叶片安放角由大到小依次编号为j＝1,2,3,......,M，并列出各导叶式混流泵模型的各个叶片安放角的最高稳定工作扬程(Hmax)i,j；(3)根据统计分析研究结果，导叶式混流泵模型各叶片安放角在其运行范围内的水泵扬程H与流量Q、水泵效率η水泵与流量Q、水泵临界空化余量NPSHc与流量Q分别用关系式(1)、(2)、(3)表达：①水泵扬程H与流量Q之间二次三项式的关系H＝A+BQ+CQ2     (1)式中，H为水泵扬程，m；Q为流量，m3/s；A、B和C分别为(1)式中零次项、一次项和二次项的系数；运用关系式(1)根据导叶式混流泵某一运行工况点的扬程H计算该工况点的流量Q；②水泵效率η水泵与流量Q之间三次多项式的关系η水泵＝EQ+FQ2+GQ3      (2)式中，η水泵为水泵效率，％；E、F和G分别为(2)式中一次项、二次项和三次项的系数；运用关系式(2)根据导叶式混流泵模型某一运行工况点的流量Q计算该工况点的水泵效率η水泵；③水泵临界空化余量NPSHc与流量Q之间三次多项式的关系NPSHc＝R+SQ+TQ2+UQ3     (3)式中，NPSHc为水泵临界空化余量，m；R、S、T和U分别为(3)式中零次项、一次项、二次项和三次项的系数；运用关系式(3)根据导叶式混流泵模型某一运行工况点的流量Q计算该工况点的水泵临界空化余量NPSHc；(4)根据所述N个导叶式混流泵模型的综合性能曲线，在水泵正常运行范围内，逐个导叶式混流泵模型、逐个叶片安放角地完成以下各步的工作：①针对第i个导叶式混流泵模型的第j个叶片安放角，根据所述泵站泵装置的设计扬程和单泵设计流量，以尽可能降低nD值为原则，选择合适的水泵叶轮直径Di,j(单位为m)和水泵转速ni,j(单位为r/min)，使所述泵装置设计扬程H泵装置设计扬程工况点位于或尽可能接近于第i个导叶式混流泵模型、第j个叶片安放角能量性能的最高效率区，同时使该工况点的临界空化余量随之明显减小；②在第①步工作的基础上，保持所选择的水泵叶轮直径Di,j不变，通过提高水泵转速提高第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时最高稳定工作扬程(Hmax)i,j，从而使所述泵装置最高扬程H泵装置最高扬程工况点进入水泵稳定工作区；根据水泵比例律，按式(4)计算所需的水泵转速：式中，kH为安全系数，为确保最高扬程工况点位于稳定工作区，取安全系数kH＝0.95；(n最高扬程工况点)i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的水泵转速，r/min；根据大功率变频电源高效工作对调频范围的要求，按(4)式算得的水泵转速需满足(n最高扬程工况点)i,j≤1.35ni,j的条件，若满足此条件则进行第③步工作，否则返回第①步进行下一个叶片安放角的计算；③在第②步工作的基础上，根据导叶式混流泵相似律，将所述叶轮直径为D0、转速为n0的导叶式混流泵模型综合性能曲线换算为叶轮直径为Di,j、转速为(n最高扬程工况点)i,j的导叶式混流泵原型综合性能曲线；根据所述导叶式混流泵原型综合性能曲线，在水泵转速为(n最高扬程工况点)i,j的条件下，计算第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q水泵)最高扬程工况点)i,j、水泵效率((η水泵)最高扬程工况点)i,j和水泵临界空化余量((NPSHc)最高扬程工况点)i,j；④根据对泵装置的水力性能与泵装置中水泵的水力性能之间关系的大量研究结果，按式(5)对所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q水泵)最高扬程工况点)i,j进行修正，得到所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量：((Q泵装置)最高扬程工况点)i,j＝kQ((Q水泵)最高扬程工况点)i,j    (5)式中，kQ为流量修正系数，kQ＝0.89；((Q泵装置)最高扬程工况点)i,j为第i个导叶式混流泵原型在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量，m3/s；⑤在第④步工作的基础上，应用CFD方法分别计算所述泵装置最高扬程工况点的进水流道水头损失((Δh进水流道)最高扬程工况点)i,j和出水流道水头损失((Δh出水流道)最高扬程工况点)i,j；根据泵装置流道效率的定义，计算所述泵装置最高扬程工况时的流道效率(...

【技术特征摘要】
1.一种避免大流量导叶式混流泵装置在低扬程工况下产生振动的方法，其特征是，包括以下步骤：(1)针对拟应用本发明的大流量泵站泵装置的单泵设计流量、设计扬程和最高扬程，在目前国内经过严格测试的、水力性能良好的导叶式混流泵模型系列中，选列出可能适用于所述泵站的N个导叶式混流泵模型，并将它们顺次编号为i＝1,2,3,......,N；(2)根据所述N个导叶式混流泵模型换算至叶轮直径D0＝0.3m、转速n0＝1450r/min的综合性能曲线，将各个导叶式混流泵模型正常运行范围内的叶片安放角由大到小依次编号为j＝1,2,3,......,M，并列出各导叶式混流泵模型的各个叶片安放角的最高稳定工作扬程(Hmax)i,j；(3)根据统计分析研究结果，导叶式混流泵模型各叶片安放角在其运行范围内的水泵扬程H与流量Q、水泵效率η水泵与流量Q、水泵临界空化余量NPSHc与流量Q分别用关系式(1)、(2)、(3)表达：①水泵扬程H与流量Q之间二次三项式的关系H＝A+BQ+CQ2 (1)式中，H为水泵扬程，m；Q为流量，m3/s；A、B和C分别为(1)式中零次项、一次项和二次项的系数；运用关系式(1)根据导叶式混流泵某一运行工况点的扬程H计算该工况点的流量Q；②水泵效率η水泵与流量Q之间三次多项式的关系η水泵＝EQ+FQ2+GQ3 (2)式中，η水泵为水泵效率，％；E、F和G分别为(2)式中一次项、二次项和三次项的系数；运用关系式(2)根据导叶式混流泵模型某一运行工况点的流量Q计算该工况点的水泵效率η水泵；③水泵临界空化余量NPSHc与流量Q之间三次多项式的关系NPSHc＝R+SQ+TQ2+UQ3 (3)式中，NPSHc为水泵临界空化余量，m；R、S、T和U分别为(3)式中零次项、一次项、二次项和三次项的系数；运用关系式(3)根据导叶式混流泵模型某一运行工况点的流量Q计算该工况点的水泵临界空化余量NPSHc；(4)根据所述N个导叶式混流泵模型的综合性能曲线，在水泵正常运行范围内，逐个导叶式混流泵模型、逐个叶片安放角地完成以下各步的工作：①针对第i个导叶式混流泵模型的第j个叶片安放角，根据所述泵站泵装置的设计扬程和单泵设计流量，以尽可能降低nD值为原则，选择合适的水泵叶轮直径Di,j(单位为m)和水泵转速ni,j(单位为r/min)，使所述泵装置设计扬程H泵装置设计扬程工况点位于或尽可能接近于第i个导叶式混流泵模型、第j个叶片安放角能量性能的最高效率区，同时使该工况点的临界空化余量随之明显减小；②在第①步工作的基础上，保持所选择的水泵叶轮直径Di,j不变，通过提高水泵转速提高第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时最高稳定工作扬程(Hmax)i,j，从而使所述泵装置最高扬程H泵装置最高扬程工况点进入水泵稳定工作区；根据水泵比例律，按式(4)计算所需的水泵转速：式中，kH为安全系数，为确保最高扬程工况点位于稳定工作区，取安全系数kH＝0.95；(n最高扬程工况点)i,j为第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时泵装置最高扬程工况点的水泵转速，r/min；根据大功率变频电源高效工作对调频范围的要求，按(4)式算得的水泵转速需满足(n最高扬程工况点)i,j≤1.35ni,j的条件，若满足此条件则进行第③步工作，否则返回第①步进行下一个叶片安放角的计算；③在第②步工作的基础上，根据导叶式混流泵相似律，将所述叶轮直径为D0、转速为n0的导叶式混流泵模型综合性能曲线换算为叶轮直径为Di,j、转速为(n最高扬程工况点)i,j的导叶式混流泵原型综合性能曲线；根据所述导叶式混流泵原型综合性能曲线，在水泵转速为(n最高扬程工况点)i,j的条件下，计算第i个导叶式混流泵在第j个叶片安放角时所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q水泵)最高扬程工况点)i,j、水泵效率((η水泵)最高扬程工况点)i,j和水泵临界空化余量((NPSHc)最高扬程工况点)i,j；④根据对泵装置的水力性能与泵装置中水泵的水力性能之间关系的大量研究结果，按式(5)对所述泵装置最高扬程工况点的水泵流量((Q水泵)最高扬程工况点)i,j进行修正，得到所述泵装置最高扬程工况点的泵装置流量：((Q泵装置)最高扬程工况点)i,j＝kQ((Q水泵)最高扬程工况...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆林广，徐磊，陆伟刚，练远洋，施克鑫，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32