水泵進水口預旋及渦流強度研究.

1、水泵進水口預旋及渦流強度的研究鄭亞軍，雷興春，周密河海大學水利水電工程學院，南京（210098E-mail:zhe ngyaj un 123si 摘要:本文以試驗為基礎討論設計不良的泵站進水建筑物，在不帶泵運行的情況 下，容易引起水泵進口水流預旋和吸水管內(nèi)渦流，導致水泵進水條件的改變，惡化水泵 的能量特性和汽蝕特性。因此我們有必要對水泵喇叭口水流預旋和泵進口渦流強度 進行研究。通過絲線流場顯示技術，觀察喇叭口進口水流的預旋；采用旋度計測定水 泵吸水管內(nèi)渦角的大小，可定性和定量地評判水泵進水設計，優(yōu)化進水設計方案，確保 水泵有良好的進水條件，提高水泵裝置運行的安全性和可靠性。關鍵詞:水泵;進水口

2、 ;預旋;渦流強度;渦角中圖分類號：TV71.預旋的產(chǎn)生及其原因如果水流在進入水泵葉輪之前，除了具有軸向分速之外，還有切向分速，水流就存 在預旋。人們過去總是習慣地認為，水泵進口預旋是水泵葉輪旋轉(zhuǎn)引起的。試驗表 明，即使在不帶泵的情況下，進水設計不良的水泵進水建筑物，水泵進口也存在著預旋 吸水管內(nèi)同樣有渦流。渦流改變了葉片上的進口速度向量，引起水泵運行特性的改變;不均勻的軸向流速分布導致葉輪和軸承的荷載不均衡，造成動力機過載和機組振動。在傳統(tǒng)的水泵裝置模型試驗和泵站整體模型試驗中，人們偏重于觀察前池及進水池內(nèi)的總體流動情況，僅測量少數(shù)斷面的流速分布，而對水泵進口水流預旋的觀察 與吸水管內(nèi)渦流強

3、度的測量，長期以來未引起人們的重視2,3。因此，進水設計和模 型試驗無法確保為水泵提供了良好的進水條件，以致于水泵運行過程中存在這樣或 那樣的問題。Fa采用絲線流場顯示技術，觀察水泵口水流預旋，用旋度計測量水泵吸水 管內(nèi)的渦流強度，定量地評價進水口的設計，在國內(nèi)尚不多見。以下情況均可能導致水泵進口的預旋或有害旋渦：(1 引渠偏短，形成側(cè)向進水；(2由于場地限制或其他原因，前池長度偏短，形態(tài)欠佳；(3 進水池(進水通道設計不合理；(4 進水池水位偏低；(5 水泵機組的不對稱運行；(6 從有較大橫向流速的水流中取水。2.水泵進口水流預旋流場顯示本人在試驗過程中選用 8 根等間距布置的紅色紗線固定在

4、水泵喇叭管進口1,形成一個圓環(huán)，紅色紗線便于觀察和錄象，紗線的長度為喇叭管懸空高的 1/2 倍，通過 對紗線流向的觀察，可定性地評價喇叭管進口處的預旋。每根紅色沙線顯示了所在 位置點的流向。如果紅色紗線偏轉(zhuǎn)，表明泵進口存在切向流速，水流有預旋，偏轉(zhuǎn)角度 的大小就間接地反映了預旋的強度；如果紅色紗線擺動劇烈，說明泵進水口水流不穩(wěn) 定，從而可定性地評價水泵進口的流態(tài)和預選情況。紅色紗線流動顯示的喇叭口進 口流場，可通過照相和攝影記錄，以供試驗結(jié)束后進一步分析。下圖為試驗示意圖以 及試驗安裝圖：此為紅色紗線在水泵喇叭管處的 8 個位置紅色紗線長度為喇叭管懸空高度的0.5 倍水泵剖面圖水泵俯視圖圖 1

5、:水泵試驗中紅色紗線位置示意圖圖 2:用紅線觀測水泵進水口處預旋3.水泵葉輪室進口的渦流水泵吸水管中壓力和流速是否均勻分布直接影響到水泵的性能，是評價水泵進 水設計的標準之一。對于水泵進水模擬試驗而言，目的是檢驗進水設計是否為水泵 提供了良好的進口條件，因此，進水設計模型試驗不帶泵進行。如果水泵喇叭口進口 水流有預旋，水泵吸水管內(nèi)必存在渦流。吸水管內(nèi)流速一般都很高，用絲線流場顯示技術，可以定性地評價喇叭口處的流態(tài)及預旋情況，但無法定量地確定水流的切向流 速或渦流強度的大小，因此用絲線觀測水泵進口的預旋就很難定量評價進水設計的 優(yōu)劣5,或進行不同進水設計方案之間的比較。用計算方法確定吸水管內(nèi)渦流

6、強度 需要知道吸水管內(nèi)流速分布規(guī)律，因此要逐點測量過水斷面的點流速，測試的工作量 就很大，周期也變長。吸水管內(nèi)的水流可分解成軸向和切向個互相垂直的流速分量，而切向流速的大 小反映了渦流強度的高低，因此，可以通過測量水泵吸水管內(nèi)切向流速的大小，代替檢 測水流的渦流強度。渦流用旋度計測量，典型的旋度計安裝情況如圖 3 所示4。旋度計裝有 4 片平 直葉片，葉片直徑為管道直徑的 75%,在流動方向上的長度為管道直徑的 60%。渦角B的意義示于圖 3,其計算公式為：tan t uv v9-試中：u v 水泵進水管的軸向平均流速，計算式為:214u Qt v 根據(jù)旋度計螺旋槳的轉(zhuǎn)速算得的切向流速，計算式

7、為:圖 3:旋度計安裝示意圖以上兩式中：Q流道內(nèi)的流量;t d 安裝旋度計處管道的直徑；n旋度計葉片的轉(zhuǎn)速。9U圖 4:渦角計算簡圖旋度計葉片每旋轉(zhuǎn) 1 圈便可通過光纜輸出 10 個脈沖，計數(shù)器可根據(jù)輸出的脈沖 數(shù)計算I出葉片的轉(zhuǎn)速。在通常情況下，渦流的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度是不穩(wěn)定的，因此，旋 度計的讀數(shù)將連續(xù)讀取，每隔 10-30S 讀取一次旋度計讀數(shù),至少持續(xù) 10min。標準要求，短時間（10-30S 渦角或長時間（10min 平均渦角均應小于 5圖 5:水泵試驗中旋度計安裝圖4.結(jié)論及建議通過本文的研究我們可以就水泵進水口處預旋及渦流得到以下結(jié)論：(1 在水泵進水模型試驗研究中，借助絲線

8、流場顯示技術觀察進水池中的流態(tài)和 喇叭口水流預旋情況，用專用儀器一旋度計，測量吸水管內(nèi)水流渦角的大小和速度分 布，可以定性和定量地評判水泵進水設計的優(yōu)劣，確定哪些設計方案能有效地改善進 水流態(tài)，為水泵進水優(yōu)化設計提供指導，確保為水泵提供良好的進水條件。(2為了確保水泵能量特性和氣蝕特性的正常發(fā)揮，應嚴格限制渦角的大小和流 動破動值。(3 采用旋度計測量水泵吸水管內(nèi)渦流強度，把渦角作為水泵進水設計模型試驗 驗收標準之一，以及在旋度計制作和應用方面，相關研究在國內(nèi)尚不多見，有待進一步 深入和詳細的研究。(4 水泵的進水條件是評價水泵進水池設計優(yōu)劣的重要標準，水泵吸水管內(nèi)水流的渦角是驗證數(shù)值計算有效

9、性的重要依據(jù)。參考文獻1 America n Hydraulic In stitute.America n Nati onal Stan dard for Pump In takeDesig n (ANSI/HI9.8-19982 劉超主篇，水泵及水泵站。北京：科學技術文獻出版社3 劉麗君，劉軍。水泵進水設計模型試驗研究方法，2003,江蘇水利 P5-74 朱紅耕，袁壽其。水泵進水設計模型試驗驗收標準的研究,2005.1 水泵技術P35-37朱紅耕,陸廣林，水泵進口預旋及渦流強度測試新技術，2003.6 22(3 灌溉排水學報 P57-60Study on Measuri ng Pre Swi

10、rl and Swirl Flow In te nsityin side Pump Suctio n PipeZhe ng Yajun, Lei Xin gchu n, Zhou MiHohai University, Nanjing (210098AbstractThe article talk about in correc desig ned in take structure of a pump ing stati onwhich may result in pre swirl in the flow entering the pump and swirl in suction pip

11、e eve nun der no pump operati on base ing on experime nt ,which shall cha nge flow con diti on,andaffect adversely both pump performa nee and cavitati on characteristics.So we have to putforward in this paper for investigating pre-swirl in flow entering the pump in take and formeasuri ng swirl in th

12、e suct ion pipe.By means of tuft flow visualization method pre swirlin flow entering the suction bell is observed,and swirl an gles of flow in the pump sucti onpipe are measured with a swirl meter.Evaluatio n of pump in take desig n can bemadequalitatively and qua ntitatively,a nd schemes of in take design can be optimized aswell With the help of the new technique,a favorable flow co