西淝河泵站流道优化及泵装置水力特性研究

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西淝河泵站属于安徽省淮河流域西淝河治理工程。泵站排涝、引水两用,设计装机6台套,水泵为2900ZLQ-100(转轮直径2.9m)型立式全调节轴流泵,配套TL2400-44/3250立式同步电动机,单机功率2400kW。泵站排涝净扬程范围0-5.55m,排涝设计流量180m3/s;引水净扬程范围为0-5.0m,引水流量150m3/s。泵站采用X型双向进、出水流道。初选南水北调天津同台测试TJ04-ZL-06水力模型。根据要求,针对西淝河泵站初步选择的水力模型和控制性尺寸,通过CFD数值模拟计算,完成进、出水流道优化设计;通过水泵装置模型试验,验证水泵在泵站运行范围内能否安全、稳定和高效运行。本文采用了三维紊流数值计算方法对西淝河泵站内进、出水流道的流动进行数值模拟,即将连续性方程、紊动能七方程、紊动能耗散ε方程和雷诺应力平均Navier-Stokes方程等方程组成控制方程组对流道内部流动进行模拟。选用块结构化网格控制流道计算区域的离散,选用控制体积法控制方程组的离散,还选用SIMPLEC算法求解离散后的控制方程组,交错网格系统布置变量。以泵站进、出水流道三维正命题求解为基础,对西淝河泵站进水流道和出水流道分别进行优化水力设计,同时也对流场进行了分析。优化后的进水流道能够实现水流转向有序、收缩均匀,出水流道能够实现转向有序、扩散平缓,进、出水流道均满足水力设计要求。针对选定的TJ04-ZL-06水力模型,开展泵装置模型试验。在无汽蚀条件下,在水泵模型上共测试了6个叶片角度:-6°、-4°、-2°、0°、+2°、+4°,得出对应的水泵动力特性,并根据动力特性试验结果绘制出模型和原型泵装置综合特性曲线。对水泵在不同叶片角度运行下的汽蚀余量进行测定,分别得到不同角度运行的汽蚀性能结果和各叶片角度临界汽蚀余量的变化曲线。开启辅助泵,形成泵装置稳定反向水头,水泵倒转,实测不同叶片角度对应水头的飞逸转速,绘出水泵装置的飞逸特性曲线。上述实验结果表明:西淝河泵站泵装置能较好地满足流量要求,装置效率指标能达到较高的水平,在全部运行范围内没有汽蚀危害,飞逸特性满足规范要求。本文开展的进、出水流道优化设计CFD数值计算和泵装置模型试验的研究不仅能为西淝河泵站工程建设提出重要的指导意见。同时,也能够为今后我国大型泵站工程的建设提供良好的参考依据。
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