离心泵装置启动过程瞬态特性研究

发布时间：2020-10-26 16:35

　　 离心泵装置启动过程涉及泵和控制阀的协联动作,对系统运行的稳定性及安全性具有重要影响。本文以大型泵站中常用的双吸离心泵、蝶阀和自适应水力控制阀为研究对象,对离心泵装置启动过程涉及的瞬态流动问题,特别是水泵径向力变化、控制阀转动力矩变化及自适应水力控制阀流场演变规律进行了研究。针对双吸离心泵启动过程,建立了双吸离心泵变速滑移网格瞬态旋转计算模型,分析了双吸离心泵启动过程中径向力演变过程,建立了径向力变化与叶道内轴向漩涡发展的关系,给出了径向力瞬态演变计算公式。研究发现,双吸离心泵径向力的增长滞后于叶轮转速的变化,径向力方向总体上处于从隔舌起沿着叶轮旋转方向后推25度的径向线附近。叶道内呈现的轴向漩涡形态与径向力有密切关系。在轴向漩涡伸长、形态发生改变并最终发展为螺旋式漩涡的过程中,叶轮出口压力迅速增长至趋于稳定,但其分布的非轴对称性逐渐显著,径向力增长并最终趋于稳定,但径向力的脉动不断增大。结合大型泵站调速运行的需求,明确了不同稳定转速运行时启动过程中径向力的演变规律。结合实际工程,量化了叶轮交错型式、蜗壳型式对双吸离心泵径向力演变的影响。该成果为离心泵启动控制提供了科学依据。针对离心泵站输水系统中蝶阀开启过程,建立了基于伯努利方程、上下游水位、水泵流量扬程曲线及动网格技术的蝶阀开启过程三维计算模型。该模型引入了一维与三维耦合分析思想及动边界条件,考虑了输水系统中蝶阀两侧压力及流速随开度变化的情况。利用此模型分析了中线阀板、偏心阀板和带筋阀板等三种典型阀板结构的蝶阀在开启过程中的瞬态水力特性,得到了阀板正背面压力、阀腔分离涡及阀板水力转矩演化规律。在阀板水力转矩方面,中线蝶阀呈先快增、后慢减的变化趋势,在阀板转角20°时出现最大值;偏心蝶阀和带筋蝶阀呈“U”型变化特征,前期波动较大,后期较平缓。在压力脉动方面,带筋蝶阀具有较低的压力脉动。该成果为蝶阀启闭瞬态分析及蝶阀设计提供了技术支撑。针对装有大口径自适应水力控制阀的离心泵站输水系统启动运行过程,提出了自适应水力控制阀动力平衡关系及瞬态力的计算模型,通过流场计算与刚体运动计算的耦合迭代求解,借助动网格技术实现阀板位置的更新,建立了具有初始条件确定、阀板运动隐式求解、边界条件动态更新特点的自适应水力控制阀开启过程计算方法。分析了膜片室内径及微型阀组流阻系数对阀板运动的影响。研究了不同水位下启动的自适应控制阀匹配特性。建立了启动扬程改变与控制阀临界开启时间、开启历时的关系。为进一步改进自适应水力控制阀及加强其水锤防护效果奠定了基础。本文研究成果对大型泵站启动控制,特别是启动过程中泵和控制阀的协联动作及系统安全运行,具有重要理论意义和工程指导作用。
【学位单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV675
【部分图文】：

随着工程规模和系统复杂程度不断提高，离心泵装置在启动过程中的瞬态特性受到关??注關。??离心泵装置由离心泵、控制阀及输水管道等构成。离心泵站输水系统示意图如图１－１所示。??控制阀安装在离心泵后，其核心作用是在启停机过程中与水泵协联动作，以保证系统不产生有害??水锤，实现平稳的水力瞬变。对大型泵站而言，为保证效率，正常运行时控制阀需保持全开。大??型泵站采用的控制阀主要包括蝶阀和自适应水力控制阀［１Ｑ］两大类。蝶阀由外部油压系统或电力??系统驱动阀板转动，可人为控制阀板位置、预设阀板运动规律；自适应水力控制阀由前后压差控??制启闭［１１］，无需外部能源，其阀板位置由流场演变决定，阀板运动规律不如蝶阀明确。??／／］出水池??管道??￣＾?［泵?控制阀??—＠３＞ｋｉ????进水池?＇?ｌ＼＼ＡＪ??图１－１离心泵站输水系统示意图??离心栗装置启动过程是输水系统正常运行的必经阶段，它主要是指系统的流量从零逐渐增加??至额定流量的过程。该过程通常包括离心泵关阀启动及控制阀开启两个阶段。离心栗在额定转速??下，零流量时水泵具有最大扬程和最小轴功率。随着流量的增大，泵的轴功率逐渐增加。若水泵??出口设置的是蝶阀，则在水泵转速由零加速至额定转速之前，蝶阀一般是关闭的，这一过程也常??称为关阀造压过程［１２］。在水泵达到额定转速后

随着工程规模和系统复杂程度不断提高，离心泵装置在启动过程中的瞬态特性受到关??注關。??离心泵装置由离心泵、控制阀及输水管道等构成。离心泵站输水系统示意图如图１－１所示。??控制阀安装在离心泵后，其核心作用是在启停机过程中与水泵协联动作，以保证系统不产生有害??水锤，实现平稳的水力瞬变。对大型泵站而言，为保证效率，正常运行时控制阀需保持全开。大??型泵站采用的控制阀主要包括蝶阀和自适应水力控制阀［１Ｑ］两大类。蝶阀由外部油压系统或电力??系统驱动阀板转动，可人为控制阀板位置、预设阀板运动规律；自适应水力控制阀由前后压差控??制启闭［１１］，无需外部能源，其阀板位置由流场演变决定，阀板运动规律不如蝶阀明确。??／／］出水池??管道??￣＾?［泵?控制阀??—＠３＞ｋｉ????进水池?＇?ｌ＼＼ＡＪ??图１－１离心泵站输水系统示意图??离心栗装置启动过程是输水系统正常运行的必经阶段，它主要是指系统的流量从零逐渐增加??至额定流量的过程。该过程通常包括离心泵关阀启动及控制阀开启两个阶段。离心栗在额定转速??下，零流量时水泵具有最大扬程和最小轴功率。随着流量的增大，泵的轴功率逐渐增加。若水泵??出口设置的是蝶阀，则在水泵转速由零加速至额定转速之前，蝶阀一般是关闭的，这一过程也常??称为关阀造压过程［１２］。在水泵达到额定转速后

２、阀板水力转矩特性的研究进展??对于蝶阀而言，衡量其外特性的参数主要有流量系数、损失系数和转矩系数等。大型离心泵??站系统的水泵出口蝶阀常选用重锤式自动保压液控蝶阀Ｗ，该形式蝶阀的结构如图１－３所示，具??有一套造价昂贵的外执行机构来操控阀板的运动，以保障栗站系统在启停等过渡过程中的安全。??水力转矩作为蝶阀操作力矩的主要组成部分，是蝶阀设计的一个重要参数，也是选择外部执行机??构的依据而转矩系数则是对水力转矩进行的一种无量纲转换，它主要取决于阀板结构形状和??所处的角度。通过与上下游静压差的乘积，可近似获得该工况下的水力转矩。??＇ｆ：、??图１－３液控蝶阀??在理论分析方面，Ｏｇａｗａ等基于自由流线理论，对中线蝶阀的二维模型建立了预测阀板水??力转矩的公式，与试验吻合良好。其转矩系数与阀板转角位置的关系为：阀板转角从０？９０°变化??过程中，转矩系数缓慢增大，约在７０？８０°位置出现峰值，之后快速降低，至９０°时约为零??管壁受阀板攻角改变及来流速度的影响
【参考文献】

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本文编号：2857235