[发明专利]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

摘要

本发明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。

主权项

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，计算所述泵装置最高扬程工况点的水泵轴功率((P泵轴)最高扬程工况点)i,j；⑧根据泵装置有效空化余量常规计算公式，计算最高扬程工况点的泵装置有效空化余量((NPSHa)最高扬程工况点)i,j；根据泵装置抗空化安全系数的定义，计算最高扬程工况点的所述泵装置抗空化安全系数(k抗空化)i,j：⑨将第j个叶片安放角的有关计算数据列入所属第i个导叶式混流泵原型的主要计算结果表；⑩若j＜M，则令j＝j+1并返回第(4)步骤的第①步，再次进行第①～第⑨步的计算工作；若j＝M，则进入第(5)步骤；(5)若i＜N，则令i＝i+1并返回第(4)步骤的第①步，再次进行第①～第⑩步的计算工作；若i＝N，则进入第(6)步骤；(6)将N个导叶式混流泵原型的计算结果汇总列表，形成供所述泵装置选用的导叶式混流泵装置方案表；该表列出的主要项目包括：导叶式混流泵模型型号、叶片安放角、水泵叶轮直径、设计扬程工况点的水泵转速、最高扬程工况点的水泵转速、泵装置流量、水泵轴功率和泵装置抗空化安全系数；(7)泵装置抗空化安全系数k抗空化关系到泵装置的稳定运行，水泵轴功率P泵轴决定了电机配套功率，叶轮直径D决定了水泵尺寸；k抗空化、P泵轴和D为影响泵装置方案优选的三大主要因素，根据它们对泵装置影响的重要性，分别给予0.55、0.25和0.20的权重；为便于对所述导叶式混流泵装置方案进行综合定量比较，分别以参与比选的所有泵装置方案的泵装置抗空化安全系数k抗空化的最大值、水泵轴功率P泵轴的最小值和水泵叶轮直径D的最小值为基准，计算各个因素的单项得分，并对各单项得分与各自权重的乘积求和，以计算泵装置方案的综合得分；(8)按计算所得的综合得分的高低对所有参与比选的泵装置方案进行排名，选出综合得分最高的导叶式混流泵装置方案供所述泵站采用。