一種基于泵裝置的軸流泵必需汽蝕余量的預測方法與流程

本發明涉及一種軸流泵站汽蝕性能的預測評價方法，特別是對于多工況運行的軸流泵站，屬于泵站工程技術領域。

背景技術：
軸流泵站廣泛應用于農田灌溉、防洪排澇及跨流域調水等工程領域，軸流泵站的汽蝕性能是影響軸流泵站安全穩定運行的關鍵因素，在軸流泵站選型時往往依據泵站的運行揚程對泵裝置進行汽蝕性能的物理模型試驗以獲取不同揚程時軸流泵的必需汽蝕余量，為軸流泵的汽蝕性能是否滿足工程安全穩定運行需要提供參考。但實際運行過程中，當軸流泵站進口水位降低或處于大流量工況運行時可能會導致軸流泵內部發生汽蝕，從而導致軸流泵裝置效率下降，揚程降低，同時易引發軸流泵振動和噪音，若軸流泵站長時間運行在汽蝕條件下，其過流部件將被嚴重損傷，此時泵裝置的物理模型未進行該工況的汽蝕試驗，無法獲取該工況運行時軸流泵的必需汽蝕余量，無法判斷此時軸流泵裝置能否安全可靠運行。目前，對軸流泵必需汽蝕余量的確定方法主要采用物理模型試驗，但軸流泵裝置物理模型試驗的測試成本較高，耗時較長，重復性低，實際工程中較多的中小型泵站未做泵裝置物理模型的汽蝕試驗，從而對實際軸流泵站運行時的必需汽蝕余量很難準確的給予判斷，對軸流泵站的安全穩定運行存在安全隱患。

技術實現要素：
為解決上述問題，本發明基于軸流泵裝置三維定常數值計算的基礎上，采用數值求解方法對多工況時泵裝置的軸流泵必需汽蝕余量進行預測，該方法簡便，成本低，耗時短，同時可對任意工況運行時軸流泵站的必需汽蝕余量進行預測，彌補物理模型試驗未測或泵站運行時偶遇的工況。本發明的技術方案，一種基于泵裝置的軸流泵必需汽蝕余量的預測方法，其特征是：基于軸流泵裝置的CFD(ComputationalFluidDynamics)數值計算結果，選取軸流泵葉片外緣約10％弦長的最低靜壓值，代入軸流泵裝置必需汽蝕余量計算式求解該工況時軸流泵裝置的必需汽蝕余量。該發明的技術方案包括以下3個步驟：1)對軸流泵裝置構建三維數學模型，根據軸流泵裝置運行的工況條件，采用CFD技術對軸流泵裝置全流道進行三維定常數值計算求解，以各物理量的殘差收斂精度均低于1.0×10-5，并通過設置監測點監測揚程的變化，當揚程的變化趨于定值時，即該計算工況下數值計算滿足收斂要求。2)根據軸流泵裝置的CFD數值計算結果，給出軸流泵葉片3個特征展向位置(展向位置記為Span，三個展向位置依次為0.05，0.50和0.95)的靜壓分布曲線，從中選取葉片外緣約10％弦長處的靜壓分布曲線，以該處范圍內靜壓低于汽化壓力時來預測軸流泵的必需汽蝕余量NPSHre，計算式為：式中：NPSHre為必需汽蝕余量，單位m；Pa為當地的大氣壓力，單位Pa；Pmin為軸流泵葉片吸力面外緣約10％弦長范圍內最小壓力，單位Pa，ρ為水的密度，單位kg/m3；g為重力加速度，單位kg/N。3)對多工況運行的軸流泵裝置必需汽蝕余量的預測，僅需重復步驟1)-2)，最終列表給出多工況運行時泵裝置的軸流泵必需汽蝕余量數值，以供設計、運行管理單位參考。本發明的有益效果：采用該方法可預測軸流泵裝置多工況運行時軸流泵的必需汽蝕余量，避免了物理模型試驗耗時長，軸流泵必需汽蝕余量數值少的缺點。針對工期短，造價低，經費緊的泵站工程水力模型的方案比選提供了一種簡便的預測方法，有利于比較不同水力模型時軸流泵裝置的汽蝕性能，有利于實際泵站的安全穩定運行，避免軸流泵站的汽蝕發生，達到確保軸流泵站安全穩定運行的目的。對市場實施可能性和經濟效益預測分析：軸流泵站是重要的水利基礎設施，在大范圍內的農田和區域抗旱、防洪排澇、城鎮供水，污水排放和跨流域調水等方面均起著關鍵的作用。軸流泵裝置的汽蝕性能受到越來越多的關注，尤其在泵站科研的前期，業主方均要求進行泵裝置的汽蝕性能分析，2015年中央一號文件《關于加大改革創新力度加快農業現代化建設的若干意見》中提到了灌排泵站為農業服務的重要性，水環境的綜合治理以及城市防洪標準體系提高，這些社會大背景都為本發明專利的推廣應用提供了機遇。本發明專利積極響應了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》(2006-2020年)所確定的“節能”優化主題。本發明專利通過基于軸流泵裝置全流道的三維定常數值計算結果對軸流泵的必需汽蝕余量進行預測，為軸流泵站不同水力模型汽蝕性能的比選提供一種簡便方法，采用本發明專利優選的方案將有利于實際軸流泵站的安全穩定運行，節約泵裝置物理模型試驗預測軸流泵必需汽蝕余量的時間，降低成本，達到加快泵站工程進度的目的，由此將帶來巨大的經濟效益和社會影響。附圖說明圖1為基于泵裝置的軸流泵必需汽蝕余量的預測流程圖；圖2-4為實施例中不同展向位置的葉片表面靜壓分布。具體實施方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細闡述，一種軸流泵裝置必需汽蝕余量預測的流程圖如圖1所示。以采用TJ04-ZL-23水力模型的立式軸流泵裝置為例，采用三維建模軟件對立式軸流泵裝置進行三維數學模型的構建，然后采用CFD技術對該立式軸流泵裝置進行了3個流量工況(Q＝18m3/s，30m3/s和39m3/s)的三維定常數值計算，3個流量工況計算均滿足各物理量的殘差收斂精度均低于1.0×10-5的要求，且揚程變化趨于穩定。給出3個流量工況時軸流泵葉片在不同展向位置時葉片壓力沿弦向的靜壓分布曲線，如圖2所示，3個流量工況時葉片壓力面的靜壓分布均輪緣側大，輪轂側小，靠近進口邊的葉片吸力面靜壓分布從輪轂側向輪緣側逐漸減小，基于圖2的3個流量工況時軸流泵葉片3個展向位置的靜壓分布曲線，選取軸流泵葉片外緣約10％處的最小靜壓值代入軸流泵必需汽蝕余量的計算式中進行求解，3個流量工況時軸流泵的必需汽蝕余量計算結果如表1所示，以供設計單位，管理單位參考。基于圖2的CFD數值計算獲取的軸流泵葉片不同展向位置的靜壓分布結果，采用葉片吸力面外側約10％弦長范圍內壓力低于汽化壓力時來預測軸流泵的必需汽蝕余量NPSHre。在流量Q＝18m3/s時在流量Q＝30m3/s時在流量Q＝33m3/s時表13個流量工況時軸流泵的必需汽蝕余量