轴流泵导叶体设计参数对斜式泵装置出水流道偏流影响的研究

作     者：张虎城 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐磊;黄从兵

授予年度：2023年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：斜式泵装置 出水流道 偏流 导叶体 数值模拟 

摘      要：斜式泵装置为大型低扬程泵站的泵装置型式之一,其具有土建工程量较省、流道水力性能好、散热条件好和水泵检修方便等优点,已在不少低扬程泵站建设中都得到了应用。近些年低扬程泵站斜式泵装置的应用和研究中发现设有常规长度中隔墩的出水流道左右两孔的水流流量不相等,存在着严重的偏流问题,影响斜式泵装置的稳定高效运行。为研究斜式泵装置出水流道偏流问题,改善出水流道水流流态,提高泵装置水力性能,本文以某泵轴倾角为20°的斜式泵装置为研究对象,通过改变导叶体设计参数(导叶体叶片数S、叶片长度L和叶片出口角度β),运用经过泵装置模型试验检验的三维湍流流动数值模拟方法研究导叶体参数变化对斜式泵装置出水流道偏流和水力性能的影响,得到以下研究成果:(1)受导叶体出口水流剩余环量和斜式出水流道“S形弯曲段的共同作用,采用常规长度中隔墩斜式出水流道内的主流偏流左孔,偏流情况严重;基于斜式出水流道内偏流产生原因提出了减小斜式出水流道偏流情况的新思路:改变导叶体设计参数减小导叶体出口水流剩余环量,进而改善出水流道流态,减小左右两孔偏流系数。(2)保持导叶体叶片出口角度β=90.0°和叶片长度为L=0.42D(D为叶轮直径3.65m)不变,对5、6、7、8和9片5种导叶片数的导叶体方案分别就进行了斜式泵装置三维流动数值模拟,结果表明:随着导叶体叶片数S增加,导叶体水头损失逐渐增大,出水流道偏流系数λ从1.725降低到1.510,出水流道内偏流程度减小,出水流道水头损失从0.422m减少到0.320m;泵装置效率ηzz随着导叶片数的增加先增加后略有减小,在S=7时泵装置效率最高为77.77%。(3)在保持导叶体叶片数S=7和出口角度β=90.0°不变的条件下,在导叶体外壳长度范围内设计了导叶片长度L从0.42D逐渐增加到0.54D的5个导叶体方案并进行了数值计算,计算结果表明:增加斜式泵装置导叶体叶片长度L,导叶体水头损失逐渐增加但幅度较小,出水流道偏流系数λ从1.606降低到1.172,大大改善了出水流道内偏流的程度,出水流道水头损失从0.330m减小到0.293m,泵装置效率ηzz从77.77%提高到 78.65%。(4)在保持导叶体叶片数S=7和导叶片长度L=0.42D不变的条件下,设计了导叶片出口角度β从85°逐渐增加到105°的9个导叶体方案并进行了数值计算,结果表明:随着导叶体叶片出口角度增加,斜式泵装置出水流道偏流系数λ逐渐减小,当β=97.5°时,偏流系数接近于1.0,β97.5°时出水流道内水流右偏;随着导叶片出口角度增大,导叶体水头损失逐渐增大,出水流道水头损失呈先减小再增大的变化趋势,泵装置效率呈现先增大再减小的趋势;当β=97.5°时,出水流道偏流系数接近于1,出水流道内的流态好,出水流道水头损失最小值为0.230m,泵装置效率最高ηzz=80.05%。(5)对3个导叶体叶片设计参数影响斜式泵装置出水流道偏流和水力性能的情况进行了综合分析,并优选出了相对较优的导叶体优化方案:叶片数S=7,叶片长度L=0.42D,叶片出口角度β=97.5°;不同流量工况时的泵装置原方案于优化方案的计算结果表明:小流量工况原方案泵装置性能优于优化方案,大流量工况优化方案泵装置性能优于原方案,优化方案的最优点泵装置效率较原方案增加了 1.08%。本文通过改变导叶体设计参数的方法有效解决了斜式泵装置出水流道中的偏流问题,出水流道流态得到改善,泵装置效率提高。研究成果可为斜式泵装置的设计与优化提供新的思路,并可为解决低扬程泵站斜式泵装置出水流道的偏流问题提供技术支撑,具有一定的理论意义和重要的工程应用价值。