浅谈水泵水轮机内部流动及水力特性

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　　摘 要：水泵是工业生产中最常用的供排水设备之一，其中，离心式水泵的应用范围尤为广泛，离心式水泵主要由泵壳、泵轴、轴承、叶轮、叶轮口环、轴密封及轴向心力平衡装置组成，离心泵在工作过程中通过叶轮旋转让水产生离心力，从而完成供排水活动。本文对水泵水轮机具体的应用原理进行了介绍，深入分析了水泵水轮机的水力特性与内部流动特性。
　　关键词：水力特性;内部流动;水泵水轮机
　　在生产活动中，应用最为广泛的水泵类型是离心式水泵，并且随着生产规模的进一步扩大，生产活动对水泵的性能和运行状态提出了更高的要求，因此，企业需要重视水泵的运行性能和运行可靠性，同时重视离心泵对整个生产系统的重要作用，确保水泵稳定运行，在对离心泵进行日常检修的过程中，必须重视离心泵在日常运行过程中出现的多种问题，进而采取有效措施排除故障。该技术虽然能够应对水泵水轮机在应用初期阶段的不足，但是在水泵水轮机的生产设计方面尚未达到完全的国有化水平
　　一、水泵水轮机概述
　　水泵水輪机属于动力设备的一种，其作用是抽水蓄能，在具体应用过程中水泵水轮机主要会呈现出两种运行状态，将在发挥泵的功能时轮呈正向旋转，在发挥水轮机功能时转轮呈反向旋转。根据当前水泵水轮机的设计思路可以发现，其内部关键性部件与结构往往具有比较大的相似性，增加水泵水轮机单机容量与提升转速比是未来一段时间内水泵水轮机设备主要的发展方向。根据水流途径对水泵水轮机的类型进行划分，其具体类型主要包含贯流式、斜流式以及混流式。其中设计结构最为简单的水泵水轮机为混流式，能够在与多种水头共同搭配的情况下进行运作，该类型的水泵水轮机的应用范围也最为广泛。斜流式水泵水轮机生产成本偏高、设计相对复杂，但是工作效率比较高，由于机械内部结构比较特殊，其应用场景也比较局限。贯流式水泵水轮机是当前我国最为先进的一种水泵水轮机，其功能强大并且单机容量高，主要应用于潮汐电站的抽水蓄能中。
　　二、水泵水轮机内部设计
　　（一）水泵水轮机水力设计
　　水泵水轮机的导水与引水设计即水力设计，这部分的设计工作直接影响着水泵水轮机的运行性能与内部结构，做好这方面的设计工作也是保证水泵水轮机综合性能的重要前提。设备引水进程主要依赖蜗壳，导水机在蜗壳的作用下能够获取充足且均匀的水流量。为了使蜗壳工作性能得到提升，对于蜗壳的设计逐渐以降低断面为目标，在蜗壳运行过程中能够产生一定的环量使导水机的运行压力得到有效缓解。在对蜗壳进行设计时，轴向速度与圆周速率夹角、截面环量两项是最为重要的参数，在设计过程中，所需要的全部数据得到全面采集后，需要根据现有既定公式进行严格的计算。水流的方向由导叶来负责调整，复杂的导叶结构是推动水泵水轮机内部水流进出的重要结构，因此对于头部导叶结构和尾部导叶结构并未设置明确的界限。依照物理学理论对于速度的解释，在导叶入口有水流通过的情况下，水流的速度方向会发生变化，这种变化一方面体现在径向速度上，另一方面体内在切向速度上。在得到相关参数后，根据现有的公式可以计算出需要纳入设计参考范围的全部数据。借助计算机以及相关软件对各项数据进行三维建模处理，能够将设计过程中所产生的误差控制在最小范围内，使机械性能得到完善。
　　（二）水泵水轮机叶片设计
　　投入水泵水轮机叶片设计的有关参数主要来自于蓄电厂当前的运行状态，设计人员在收集相关数据的过程中需要对水流的流动情况有一个全面的了解。依照当前工况对相关参数进行确定后，还需要对转轮叶片的下环与上冠轮廓线进行模拟，根据模拟结果对流道过流断面面积进行设计，再根据等面积法的相关理论对轴面流线进行计算，在拟定进口流道分布与活动导叶开度后对环量与出口流动角进行计算，再根据转轮叶片模拟结果对水流速度进行设计，在确定结构基本数据之后，依照叶片欧拉能力分布为标准来评判数据的合理性，若与实际相符，则可以对叶片的厚度分布进行确定，若出现与设计要求不符合的情况，需要依照之前的步骤重新进行设计，一定要在与设计要求相符的情况下才可以结束计算。在对叶片厚度进度确定之后，再根据该参数对冀型结构进行设计，冀型设计中叶片骨线角分布与截面子午面投影分布是两个十分重要的参数，这两项参数主要应用于截面冀型物理量分布的计算，在参数与设计要求相符合的情况下，以先前所制定的设计方案为模板，对冀型坐标进行求解。
　　三、水泵水轮机水力特性与内部流动特性
　　水泵水轮机水力特性与内部流动特性涉及到多个结构的计算，其中叶片、导叶以及蜗壳需要在CFD软件的支持下才能够模拟相关数值，并且需要在充分解析网格质量的前提下才能够生成网格。设计人员需要严格对待所选择的收敛模型、网格密度以及网格尖角。在通过离散公式对能量、流量以及过流面积进行计算时，工况三维计算、量纲的模拟以及单位都是十分重要的数据。对过流面积进行计算时，需要事先采集过流断面上的流量积分与面积积分，对能量分布进行计算时需要事先对坐标系进行确定，对各个方向的速度分量进行分步采集，以无量纲化的形式对能量与速度的建模结果进行转化，这样能够使设计结果不受度量单位的影响。
　　四、结束语
　　电路系统是居民生活、工业生产正常运行的基本保证。尤其是在我国城镇化建设不断发展、用电需求不断增加的大背景下，抽水蓄电更加经济也更加环保。因此，电力企业需要对水泵水轮机的运行特点进行深入的研究与分析，对相关技术进行进一步的更新，提高发电效率。
　　参考文献：
　　[1]李威.水泵水轮机“S”区的瞬态特性研究[D].哈尔滨工业大学，2016.
　　[2]刘星星.水泵水轮机过渡过程半实物仿真平台的软件设计与实现[D].华中科技大学，2013.
　　[3]舒崚峰.水泵水轮机驼峰区与“S”区数值模拟研究[D].哈尔滨工业大学， 2013.
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