无负压供水设备低扬程泵装置优化水力设计的关键
2017-11-22 16:28:39

流道效率与无负压供水设备水泵效率对于泵装置效率具有同等重要性。对泵装置水力性能的研究,需要从水泵效率和流道效率两个方面展开。

1、关于无负压供水设备水泵效率

轴流泵装置具有扬程低、流量大的特点,在低扬程泵站中应用广泛。水泵厂对轴流泵己经进行了大量的研究,并取得了较多研究成果,获得了一系列不同比转速的效率高、高效区范围广和抗空化性能好的水力模型。

1981年国内对水泵模型进行了一次同台对比试验,将全国优秀的水泵水力模型集中在北京农机院进行同台测试,包括比转速为700、1000、1250、1400和1600等共13种轴流泵模型,水泵模型同台试验结果表明:这些轴流泵水力模型的最高效率在80%〜84%之间,效率平均水平为82%左右,ZBM791-100水力模型的效率最高,最高效率达84.5%。

随着南水北调工程的幵工建设,为保证该工程泵站的设计质量,水利部调水局组织开展了水泵模型的同台测试工作(以下简称“同台测试”)。该项任务由中水北方勘测设计研究有限责任公司承担,2004年共完成了27个管道泵模型的同台测试工作。在这27个水泵水力模型中,水泵效率的平均水平为84%左右,水泵效率最高达86%。

从两次水泵模型同台测试的结果看,经过20多年的努力水泵模型效率的平均水平以及最高效率水平均提高了2%左右,说明将轴流泵水力模型的效率提高1%-2%是需付出长时间的很大的努力。从发展趋势看,水泵模型的能量性能今后仍应有一定的逐步的提升潜力,但可提升的空间不太大了。


2、泵装置中的“泵段”

水泵效率是泵装置效率的决定因素之一,故必须先弄清楚水泵包括哪些部分。大型特低扬程泵站的泵装置由进水流道、叶轮及导叶体和出水流道等4个部分组成。水泵厂给出了水平后轴伸泵装置和前置贯流泵装置的示意图,其中,叶轮与导叶体的组合体是任何一种型式特低扬程泵装置的基本组成部分,故可将这样的组合体称之为“泵段”。可以看到,在各种型式的特低扬程泵装置中均具有完整的“泵段”。根据大型特低扬程泵装置的组成看,泵装置效率应为“泵段”效率和流道效率的乘积。


图1:水平后轴伸泵装置示意图


3、“泵段”效率的修正

测压断面水泵模型试验可选在距其进、出口法兰2倍管径处,不对测量断面和水泵模型进出口法兰之间水力损失进行修正,在南水北调工程水泵模型同台测试中,扬程测量的测压断面的布1按上述规定执行,即:扬程的进口测压断面和出口测压断面分别设于进水直管的进口断面和出水直管的出口断面。可见,同台测试测得的水泵模型综合特性曲线是包括进水直管段、进水收缩段、出水弯管段和出水直管段在内的水泵模型测试段的水力性能。

在大型特低扬程泵装置中,水泵模型水力性能测试段中的进水直管段和进水收缩段由进水流道取代,出水弯管段与出水直管段由出水流道取代,仅“泵段”部分相似。故在对泵装置效率进行预测时采用的“泵段”效率须在水泵模型测试段的基础上进行修正。

根据水力学基本公式计算进水直管段、进水收缩段、出水弯管段和出水直管段的水力损失,对导叶体出口断面和叶轮室进口断面之间的“泵段”扬程进行修正,进而计算“泵段”效率。现以部分南水北调东线同台测试的水泵水力模型为例,将与“泵段”效率修正的有关参数及修正的结果列于表1。

表1:部分同台测试水泵模型高效区效率修正的相关数据及结果


我国无负压供水设备水泵模型修正后的“泵段”效率己达到87%左右,与国际先进水平已经很接近;不同水泵模型修正后的“泵段”效率相差很小。

①泵装置中的进水流态

大型泵站进水流道的作用是使水流由前池进入水泵叶轮室的过程为水泵提供良好的进水条件。在泵装置中,只要进水流道的设计符合要求,就可保证水泵叶轮正常工作。长期以来对泵装置进水流道优化水力设计的研究比较重视。从水泵厂已有研究结果来看,泵装置的进水流态问题已经基本解决。经过优化的特低扬程泵装置进水流道出口断面的流速分布均匀进水流态已满足水泵正常运行所要求。


在泵装置扬程一定的条件下,流道效率完全决定于进、出水流道的水力损失。流道效率与流道水力损失及泵装置扬程的关系,可以看到:当泵装置扬程一定时,流道水力损失越大,流道效率越低;泵装置扬程愈低,流道水力损失对流道效率的影响愈显著。水泵效率为87%时泵装置效率与流道水力损失及泵装置扬程的关系,可以看到:流道水力损失对泵装置效率的影响非常显著,泵装置扬程愈低,影响愈大。在泵装置扬程较低的情况下,进出水流道水力损失的相对值较大,导致流道效率较低,增加了提高泵装置效率的困难。


在泵站扬程较高的情况下,流道水力损失对流道效率影响并不大,但在扬程很低的情况下,流道水力损失就成为影响流道效率的显著因素,需要给予充分重视。在己经釆用了最优秀的水泵水力模型后,进一步提高泵装置效率的关键就在于设法减少流道水力损失。


如:某无负压供水设备泵站的设计扬程为3.0m,选择了泵段效率为87%的水泵模型,若设计流量时流道的水力损失是0.5m,则该站泵装置的流道效率只有85.7%,泵装置效率只能达到74.6%;如果通过充分优化水力设计将设计流量时流道的水力损失减少至0.4m,则流道效率和泵装置效率分别可以提高至88.2%和76.8%。特低扬程泵装置的流道效率变化范围很大,与泵装置扬程及流道水力损失有关。在扬程很低和流道水力设计较差的情况下,流道效率可能低于80%;反之,流道效率可以超过95%。所以,对于特低扬程泵装置效率而言,流道效率的变化范围较大,可挖掘的潜力也较大。特低扬程泵装置优化水力设计研究的关键是尽可能减少流道的水力损失。

 


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