水力机械和金属结构.doc

1、水力机械和金属结构1 概况连云港市临洪东站位于连云港市北郊9km处310国道北侧。1978年经淮委批准动工兴建，1980年停缓建，1992年经淮委批准续建，2000年通过工程竣工验收交付使用。临洪东站是治淮工程沂沭泗洪水东调南下主体工程之一，承担蔷薇河流域1054km2的内涝强排任务，是确保连云港市区及东陇海铁路防洪安全的关键工程。临洪东站备有110kV、40000kVA的专用变电所，站内装备ZL-30-7型轴流泵配TDL-3000-40/3250同步电动机共12台套，水泵叶轮直径3.1m，电动机功率3000kW，设计抽排能力300m3/s，最大抽排能力360 m3/s，总装机容量36000k

2、W。设计抽排水位3.5m，设计扬程3.8m，排涝标准为五年一遇，是目前我国单站装机容量最大的轴流泵站。由于该泵站12台机均为上世纪70年代末、80年代初产品，老化陈旧，难以适应地方社会经济发展的需要。2008年该站已列入国家拉动内需第一批泵站改造项目。本次改造将12台主水泵、主电机和辅助系统全部更新。2 水利机械2.1.1泵站设计参数 连云港临洪东抽水站为排涝泵站设计总流量300，单向运行。泵站运行水位组合及特征扬程见表1.1,1.2表1-1 泵站特征水位表 单位：m工况排涝工况位置下游上游最高运行水位2.50 6.12设计水位3.00 5.93 最低运行水位2.503.50表1-2 泵站特征

3、扬程表 单位：m运 行 工 况水 位 组 合净扬程(m)下游侧(m)上游侧(m)排涝最高净扬程2.50（注1）6.32（注2）3.82设计净扬程2.80（注3）6.23（注4）3.43最低净扬程/0.00（注5）注1：下游通入黄海，按海平面水位基本不变考虑。注2：100年一遇设计洪水位，为了安全，考虑0.20m壅高。注3：关闸水位（下游控制启用水位）3.00m，为了安全，考虑0.20m落差。注4：10年一遇高水位，为了安全，考虑0.20m壅高。注5：最低净扬程按平水开机组合。2.1.2泵型比选 泵站设计规范规定：机组台数以39台为宜。机组台数少，运行调度不灵活；机组台数过多，泵房尺寸较大，土建

4、工程量大，机电设备造价较高。但是临洪东泵站是改建泵站，原有机组12台套，不在改建计划之内，所以仍取12台套机组设计，单机流量为25。 该泵站原有的泵房不需要改建，保留原有的前后出水池以及进出水流道，型式不变，仍为立式机组，选立式泵机组。根据泵型选择设计原则结合以往类似工程设计运行经验，选用扬州大学泵装置水利模型。2.1.2.1方案一：TJ04-ZL-22 该水泵模型设计流量为375L/s，扬程5.0m。TJ04-ZL-22水力模型曲线根据相似定律进行模型换算：-20+2+4+65.0975.5255.6135.9156.512-20+2+4+636.7838.6642.4844.8346.07

5、-20+2+4+690.9490.6390.3190.1090.042.1.2.2方案二：TJ04-ZL-23该水泵模型设计流量为310L/s，扬程4.4m。TJ04-ZL-23水力模型曲线根据相似定律进行模型换算：-4-20+2+44.9624.9705.1235.1555.246-4-20+2+429.9233.4336.8139.3842.63-4-20+2+492.2892.2092.0891.4590.90考虑到水泵nD值要小于235，所以TJ04-ZB-23转速选用1290r/min,根据模型泵和原型泵nD值相等考虑，原型泵的转速为n=125r/min,直径D=3100mm。3 模

6、型装置实验数据3.1 临洪东站流道模型装置在上海勘测设计研究院提供的临洪东站改造总体方案的基础上确定进、出水流道模型尺寸，模型比采用，进、出水流道模型如图2-1所示。图2-1 模型泵装置示意图3.2水泵模型装置制作与安装采用TJ04-ZL-23水力模型进行泵模型装置模型试验。模型泵叶轮直径300mm，叶片数为3。原型泵叶轮直径3100mm，因此模型比为：叶轮室采用中开结构，以利拆装及叶片角度调节。叶轮室设有机玻璃观察窗，以利观察叶片的汽蚀状态。进水流道、出水流道均采用钢板焊接，并在进水流道设计了2对观察窗，以观察流道内的流态。4 泵装置模型试验4.1 模型试验测试内容根据合同，泵装置模型试验主

7、要有以下内容：1）5个叶片安放角下模型泵装置能量性能试验；2）各叶片角度特征扬程下的模型泵装置汽蚀试验；3）模型泵装置的进口淹没深度试验；4）模型泵装置飞逸特性试验；5）不同开起角度下拍门阻力损失试验。每个叶片安放角的能量性能试验点不少于15点，汽蚀试验点不少于10点。汽蚀试验对各叶片角度在特征扬程为1.5m、2.2m、2.9m 、3.6m和4.4m时进行试验，临界汽蚀余量按效率下降1%确定。4.2 模型试验系统及测试方法4.2.1试验系统模型试验在扬州大学江苏省水利动力工程重点实验室的高精度水力机械试验台上进行。试验台为立式封闭循环系统，如图4-1所示。本试验台水力封闭循环系统的总长度为60

8、.0 m，管道直径为0.5 m，仅在安装电磁流量计的前后10倍直管段为直径0.4 m管道，整个系统水体积为50 m3。1.进水箱 2.受试泵装置及驱动电机 3.压力出水箱 4.分叉水箱 5.称重传感器 6.原位标定装置 7.调节闸阀 8.稳压整流筒 9.电磁流量计 10.控制闸阀 11.辅助泵机组图4-1 高精度水力机械试验台示意图试验台可进行模型泵段（泵装置）性能试验、汽蚀试验、飞逸特性试验；水轮机工况试验；模型泵段（泵装置）过渡特性、内特性试验；可对电磁流量计进行原位校验。本次试验量测系统主要仪器设备见表4-1。表4-1 试验量测系统主要仪器设备测量项目测量仪器设备名称型 号工作范围标定精

9、度标定时间扬 程差压变送器EJA110A0100kPa2009.02.27流 量电磁流量计E-mag型DN400mm2008.11.25转 矩转 速转速转矩传感器ZJ100Nm2009.03.11数字式转矩转速演算显示仪TS-800B汽蚀余量绝对压力变送器EJA3100130kPa2009.02.27试验台于2001年9月通过由江苏省科技厅组织的鉴定，效率测试系统综合误差为0.39%，符合中华人民共和国水利部行业标准SL140-2006水泵模型验收试验规程的精度要求。该试验台2004年通过国家计量论证，2009年9月通过复查评审。4.2.2 测试方法4.2.2.1试验转速采用变频器调节模型泵试

10、验电机转速，根据相似律等扬程换算（即DMnM=DPnP），模型泵试验额定转速为1292 r/min。4.2.2.2扬程测量试验方法按照GB3215-89和SL 140-2006执行。从大流量到小流量依次测试15个以上的不同流量点。进口测压断面设置在进水箱1-1位置，出口测压断面设在压力水箱2-2位置（如图4-2所示），装置扬程H等于1-1和2-2两断面的总能头差（即相应于原型泵站的上下游水位差）。总能头差等于两断面的静压差与动压差的代数和： （4-1）式中，为静压差(即静扬程)，在扬程测量系统的差压变送器上两个测管接头位于同一水平位置时，压差可由此差压变送器测得，单位，再换算成；为动压差，由流

11、量及1-1与2-2两断面过水断面积计算而得，单位。由于1-1和2-2两断面过水断面积足够大而且相近，因此，动压差忽略不计。图4-2 测压断面布置示意图4.2.2.3流量测量 模型泵装置的流量采用DN400电磁流量计测量。4.2.2.4轴功率测量模型泵装置机械损失转矩主要由轴承与轴封摩擦损失等造成，在机组无水运转时测出。每次调整叶片安放角度后先测试空载转矩，再充水进行性能试验。泵轴的转速和输入转矩，由安装于驱动电机和水泵轴之间的ZJ型转速转矩传感器直接测得。本文所指的模型泵装置效率为扣除机械损失转矩后的数值，由下式计算： （4-2）式中，为模型泵装置效率，%；为模型泵装置流量，m3/s； 为模型

12、泵装置扬程，；为模型泵装置输入转矩，Nm；为模型泵装置机械损失转矩，Nm；为模型泵装置试验转速，r/min。当水温变化较大时，应按实测水温修正密度。本试验台回路系统容积较大，一次试验过程中水温变化较小。试验水温以开机后稳定运行二十分钟后的实测水温取值，并认为一次试验过程中系统水温为恒定。4.2.2.5转速测量 通过电磁感应原理测得安装于转速转矩传感器轴上的齿轮在采样周期T（秒）内转过的齿数m，在齿轮的齿数为120齿，则在采用周期时间段内泵轴的转速即为： （4-3）4.2.2.6汽蚀余量测量汽蚀试验保持流量不变，通过封闭循环系统内抽真空，逐步减小系统压力的方法，使泵内发生汽蚀。不同系统压力下的汽

13、蚀余量值由下式计算： （4-4）式中，为汽蚀余量，单位m；Pav为装置进口测压点的绝对压强，由绝对压力变送器测得，单位Pa；Pv为试验水温下水的饱和蒸汽压强，Pa；h为绝对压力变送器高于泵叶片旋转中心线与叶轮外壳交点的高度值，单位m。测试过程中，流量保持常数，效率下降1 %确定为临界汽蚀余量。4.3模型试验结果4.3.1性能试验模型试验测试了+4、+2、0、-2、-4五个叶片安放角度的性能，表4-2表4-6列出了性能试验原始数据。根据试验结果整理得到模型泵装置通用性能曲线见图4-3（转速1292 r/min，叶轮直径300 mm）。表4-2 模型泵装置性能试验采样数据表（叶片角度：+4.0）-

14、序号 流量(l/s) 扬程(m) 轴功率(kW) 效率(%)-(1) 406.45749 0.23870 9.59890 9.89640(2) 393.69330 0.70880 10.58690 25.80420(3) 381.37500 1.15560 11.43330 37.73810(4) 366.68411 1.66900 12.35800 48.48310(5) 359.85681 1.97300 12.91990 53.80130(6) 350.10519 2.35400 13.71440 58.83380(7) 333.72510 2.86230 14.40170 64.934

15、40(8) 327.24619 3.04340 14.94370 65.24740(9) 317.12039 3.36770 15.59740 67.03420(10) 308.85471 3.62340 16.08920 68.09760(11) 297.82529 3.94690 16.68760 68.96190(12) 290.66959 4.09030 17.06810 68.19580(13) 275.49820 4.47240 17.93180 67.27070(14) 263.91910 4.76900 18.57460 66.33950(15) 249.76340 5.068

16、90 19.34100 64.08520(16) 236.07539 5.26570 19.75600 61.60210(17) 206.89110 5.23290 19.38700 54.67220(18) 183.21651 5.30730 17.34890 54.87280(19) 162.83630 5.57640 18.33010 48.49850(20) 154.36400 5.76100 18.94200 45.96330(21) 143.89059 6.09550 19.85990 43.23720-表4-3 模型泵装置性能试验采样数据表（叶片角度：+2.0）-序号 流量(l/

17、s) 扬程(m) 轴功率(kW) 效率(%)-(1) 381.78448 0.26830 8.04720 12.45890(2) 372.16351 0.66070 8.91880 26.98510(3) 358.37509 1.18680 9.99220 41.66460(4) 345.45010 1.64020 10.76990 51.49760(5) 336.94559 1.97830 11.30880 57.69710(6) 324.95529 2.34030 11.82590 62.94770(7) 313.88809 2.76240 12.56540 67.54830(8) 305

18、.08170 3.05320 13.16350 69.26600(9) 292.07639 3.39210 13.80420 70.25600(10) 280.92871 3.70750 14.38810 70.85920(11) 274.46091 3.90450 14.79100 70.92110(12) 266.73981 4.11220 15.22350 70.52940(13) 254.50630 4.43770 15.92410 69.42690(14) 243.52010 4.69400 16.47100 67.93240(15) 229.34190 5.00690 17.100

19、60 65.72990(16) 213.19530 5.20000 17.47690 62.09270(17) 201.16730 5.20450 17.22240 59.50630(18) 176.72710 5.35710 15.03360 61.64410(19) 156.10880 5.47580 15.58360 53.69500(20) 145.78230 5.63620 16.20820 49.62250(21) 134.04761 6.02550 17.19190 45.98900(22) 124.70240 6.39080 18.26640 42.70710-表4-4 模型泵

20、装置性能试验采样数据表（叶片角度：0.0）-序号 流量(l/s) 扬程(m) 轴功率(kW) 效率(%)-(1) 363.51440 0.16950 6.89010 8.75870(2) 349.41470 0.64700 7.86860 28.13100(3) 336.55649 1.12970 8.77160 42.44160(4) 323.56290 1.61510 9.60430 53.27890(5) 315.77170 1.89760 10.03550 58.46450(6) 303.30359 2.32280 10.63530 64.86440(7) 290.96371 2.78

21、130 11.33990 69.87870(8) 283.03540 3.00040 11.67430 71.22890(9) 270.30621 3.35660 12.24830 72.53390(10) 261.17960 3.66280 12.72630 73.60550(11) 253.40581 3.86810 13.05530 73.51770(12) 247.35291 4.03180 13.34860 73.15350(13) 238.23039 4.28740 13.78660 72.54200(14) 231.10561 4.48870 14.14620 71.80450(

22、15) 222.45230 4.68280 14.52870 70.20650(16) 211.70140 4.91710 14.97620 68.06080(17) 192.96660 5.20000 15.48270 63.45960(18) 181.75070 5.15010 15.28810 59.95150(19) 163.31911 5.27710 13.94060 60.53530(20) 148.62970 5.33330 14.14160 54.88640(21) 136.88620 5.50700 14.72680 50.12180(22) 127.03850 5.8312

23、0 15.47780 46.86440(23) 116.75010 6.19890 16.35220 43.33690-表4-5 模型泵装置性能试验采样数据表（叶片角度：-2.0）-序号 流量(l/s) 扬程(m) 轴功率(kW) 效率(%)-(1) 335.39410 0.19950 5.82110 11.25270(2) 322.48181 0.67880 6.68670 32.05060(3) 310.54779 1.13040 7.47730 45.96070(4) 298.44809 1.60540 8.33090 56.30540(5) 289.84360 1.90450 8.67

24、700 62.28440(6) 278.65289 2.32640 9.42310 67.35120(7) 264.14871 2.79790 10.08410 71.75100(8) 258.90881 2.98380 10.31280 73.33720(9) 246.08260 3.35130 10.82570 74.58160(10) 235.79970 3.64370 11.23060 74.89770(11) 229.02000 3.87910 11.60310 74.95910(12) 223.26711 4.01840 11.85010 74.12110(13) 207.3145

25、0 4.45830 12.59110 71.86640(14) 199.28371 4.67380 12.95590 70.38220(15) 183.71980 4.97990 13.49880 66.35440(16) 169.79829 5.10460 13.56370 62.56130(17) 138.44650 5.14900 11.86400 58.82570(18) 125.50650 5.40420 12.60080 52.69700(19) 115.20660 5.77790 13.31660 48.93790(20) 105.23390 6.17530 14.21910 4

26、4.74350-表4-6 模型泵装置性能试验采样数据表（叶片角度：-4.0）-序号 流量(l/s) 扬程(m) 轴功率(kW) 效率(%)-(1) 313.56030 0.15690 4.92090 9.79230(2) 303.85941 0.57710 5.66020 30.33280(3) 290.73590 1.08360 6.50060 47.45250(4) 280.52771 1.47020 7.14020 56.55810(5) 268.91129 1.90350 7.73400 64.80400(6) 257.85031 2.30610 8.35390 69.69680(7)

27、 245.52451 2.73420 8.96940 73.28300(8) 235.73550 3.00640 9.42580 73.62000(9) 224.82320 3.34390 9.87330 74.55530(10) 215.64751 3.61920 10.22070 74.76940(11) 206.69440 3.88670 10.55460 74.52840(12) 201.49899 4.03160 10.76990 73.85540(13) 192.35120 4.28260 11.11790 72.54760(14) 182.08690 4.56710 11.566

28、00 70.40210(15) 170.71359 4.82000 11.92610 67.55530(16) 148.87891 5.02040 12.01680 60.90170(17) 128.02310 5.09090 10.58750 60.27460(18) 112.78640 5.44400 11.38390 52.81210(19) 101.28250 5.87310 12.17320 47.84530(20) 92.96690 6.25110 12.90470 44.09420-4.3.2汽蚀试验模型泵装置的汽蚀试验采用定流量的能量法，取水泵效率较其性能点低1%的汽蚀余量作为

29、临界汽蚀余量（以叶轮中心为基准）。表4-7表4-29为各叶片角度不同流量点的汽蚀试验原始数据。表4-7 汽蚀试验采样数据表（叶片角:0.0,NPSHre=8.2m）- 序号 流量 扬程 轴功率 效率 汽蚀余量(l/s) (m) (KW) (%) (m)-(1) 232.97807 4.43317 14.21242 71.10679 12.17823(2) 233.17659 4.44746 14.33002 70.81084 11.38353(3) 234.01755 4.45625 14.39491 70.88571 11.00016(4) 233.83731 4.47296 14.4665

30、5 70.74471 10.32626(5) 234.01160 4.49011 14.56118 70.60696 9.74255(6) 234.56961 4.50837 14.68013 70.48732 9.28719(7) 234.49019 4.52102 14.80449 70.06762 8.81333(8) 235.80087 4.53358 14.87073 70.34039 8.50860(9) 236.02034 4.55885 15.08025 69.81459 8.05364(10) 233.17932 4.70158 15.59266 68.79615 7.721

31、28(11) 234.02640 4.77904 15.96739 68.53645 7.26521-表4-8 汽蚀试验采样数据表（叶片角:0.0,NPSHre=7.7m）- 序号 流量 扬程 轴功率 效率 汽蚀余量(l/s) (m) (KW) (%) (m)-(1) 260.75446 3.67980 12.72397 73.78802 12.39431(2) 259.63287 3.67412 12.70581 73.46213 11.74486(3) 260.88739 3.69416 12.77570 73.81372 11.18265(4) 260.25021 3.70512 12.

32、82146 73.58823 10.76047(5) 261.98206 3.68822 12.83768 73.64685 10.25540(6) 262.01031 3.70656 12.88634 73.74149 9.84568(7) 261.65875 3.71797 12.93366 73.59899 9.41816(8) 261.50348 3.71938 12.96610 73.39914 8.85314(9) 262.83063 3.73888 13.12425 73.26481 8.37193(10) 262.64172 3.75620 13.25402 72.83118

33、7.74248(11) 263.73233 3.76855 13.44057 72.35561 7.39022(12) 264.54938 3.80343 13.69605 71.88513 6.82669-表4-9 汽蚀试验采样数据表（叶片角:0.0,NPSHre=6.9m）- 序号 流量 扬程 轴功率 效率 汽蚀余量(l/s) (m) (KW) (%) (m)-(1) 287.56540 2.89254 11.61392 70.14941 11.14055(2) 288.31500 2.89925 11.65441 70.25069 10.43069(3) 288.80072 2.89602 11.61122 70.55206 9.88645(4) 288.37524 2.89831 11.64362 70.30759 9.35489(5) 288.48660 2.90341 11.67736 70.25500 8.81987(6) 288.51437 2.91396 11.70975 70.32194 8.31817(7) 2