張志濤

摘 要：水泵是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的供排水設(shè)備之一，其中，離心式水泵的應(yīng)用范圍尤為廣泛，離心式水泵主要由泵殼、泵軸、軸承、葉輪、葉輪口環(huán)、軸密封及軸向心力平衡裝置組成，離心泵在工作過程中通過葉輪旋轉(zhuǎn)讓水產(chǎn)生離心力，從而完成供排水活動。本文對水泵水輪機具體的應(yīng)用原理進行了介紹，深入分析了水泵水輪機的水力特性與內(nèi)部流動特性。

關(guān)鍵詞：水力特性;內(nèi)部流動;水泵水輪機

在生產(chǎn)活動中，應(yīng)用最為廣泛的水泵類型是離心式水泵，并且隨著生產(chǎn)規(guī)模的進一步擴大，生產(chǎn)活動對水泵的性能和運行狀態(tài)提出了更高的要求，因此，企業(yè)需要重視水泵的運行性能和運行可靠性，同時重視離心泵對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的重要作用，確保水泵穩(wěn)定運行，在對離心泵進行日常檢修的過程中，必須重視離心泵在日常運行過程中出現(xiàn)的多種問題，進而采取有效措施排除故障。該技術(shù)雖然能夠應(yīng)對水泵水輪機在應(yīng)用初期階段的不足，但是在水泵水輪機的生產(chǎn)設(shè)計方面尚未達到完全的國有化水平

一、水泵水輪機概述

水泵水輪機屬于動力設(shè)備的一種，其作用是抽水蓄能，在具體應(yīng)用過程中水泵水輪機主要會呈現(xiàn)出兩種運行狀態(tài)，將在發(fā)揮泵的功能時輪呈正向旋轉(zhuǎn)，在發(fā)揮水輪機功能時轉(zhuǎn)輪呈反向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)當(dāng)前水泵水輪機的設(shè)計思路可以發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部關(guān)鍵性部件與結(jié)構(gòu)往往具有比較大的相似性，增加水泵水輪機單機容量與提升轉(zhuǎn)速比是未來一段時間內(nèi)水泵水輪機設(shè)備主要的發(fā)展方向。根據(jù)水流途徑對水泵水輪機的類型進行劃分，其具體類型主要包含貫流式、斜流式以及混流式。其中設(shè)計結(jié)構(gòu)最為簡單的水泵水輪機為混流式，能夠在與多種水頭共同搭配的情況下進行運作，該類型的水泵水輪機的應(yīng)用范圍也最為廣泛。斜流式水泵水輪機生產(chǎn)成本偏高、設(shè)計相對復(fù)雜，但是工作效率比較高，由于機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較特殊，其應(yīng)用場景也比較局限。貫流式水泵水輪機是當(dāng)前我國最為先進的一種水泵水輪機，其功能強大并且單機容量高，主要應(yīng)用于潮汐電站的抽水蓄能中。

二、水泵水輪機內(nèi)部設(shè)計

（一）水泵水輪機水力設(shè)計

水泵水輪機的導(dǎo)水與引水設(shè)計即水力設(shè)計，這部分的設(shè)計工作直接影響著水泵水輪機的運行性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，做好這方面的設(shè)計工作也是保證水泵水輪機綜合性能的重要前提。設(shè)備引水進程主要依賴蝸殼，導(dǎo)水機在蝸殼的作用下能夠獲取充足且均勻的水流量。為了使蝸殼工作性能得到提升，對于蝸殼的設(shè)計逐漸以降低斷面為目標(biāo)，在蝸殼運行過程中能夠產(chǎn)生一定的環(huán)量使導(dǎo)水機的運行壓力得到有效緩解。在對蝸殼進行設(shè)計時，軸向速度與圓周速率夾角、截面環(huán)量兩項是最為重要的參數(shù)，在設(shè)計過程中，所需要的全部數(shù)據(jù)得到全面采集后，需要根據(jù)現(xiàn)有既定公式進行嚴格的計算。水流的方向由導(dǎo)葉來負責(zé)調(diào)整，復(fù)雜的導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)是推動水泵水輪機內(nèi)部水流進出的重要結(jié)構(gòu)，因此對于頭部導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)和尾部導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)并未設(shè)置明確的界限。依照物理學(xué)理論對于速度的解釋，在導(dǎo)葉入口有水流通過的情況下，水流的速度方向會發(fā)生變化，這種變化一方面體現(xiàn)在徑向速度上，另一方面體內(nèi)在切向速度上。在得到相關(guān)參數(shù)后，根據(jù)現(xiàn)有的公式可以計算出需要納入設(shè)計參考范圍的全部數(shù)據(jù)。借助計算機以及相關(guān)軟件對各項數(shù)據(jù)進行三維建模處理，能夠?qū)⒃O(shè)計過程中所產(chǎn)生的誤差控制在最小范圍內(nèi)，使機械性能得到完善。

（二）水泵水輪機葉片設(shè)計

投入水泵水輪機葉片設(shè)計的有關(guān)參數(shù)主要來自于蓄電廠當(dāng)前的運行狀態(tài)，設(shè)計人員在收集相關(guān)數(shù)據(jù)的過程中需要對水流的流動情況有一個全面的了解。依照當(dāng)前工況對相關(guān)參數(shù)進行確定后，還需要對轉(zhuǎn)輪葉片的下環(huán)與上冠輪廓線進行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對流道過流斷面面積進行設(shè)計，再根據(jù)等面積法的相關(guān)理論對軸面流線進行計算，在擬定進口流道分布與活動導(dǎo)葉開度后對環(huán)量與出口流動角進行計算，再根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片模擬結(jié)果對水流速度進行設(shè)計，在確定結(jié)構(gòu)基本數(shù)據(jù)之后，依照葉片歐拉能力分布為標(biāo)準(zhǔn)來評判數(shù)據(jù)的合理性，若與實際相符，則可以對葉片的厚度分布進行確定，若出現(xiàn)與設(shè)計要求不符合的情況，需要依照之前的步驟重新進行設(shè)計，一定要在與設(shè)計要求相符的情況下才可以結(jié)束計算。在對葉片厚度進度確定之后，再根據(jù)該參數(shù)對冀型結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，冀型設(shè)計中葉片骨線角分布與截面子午面投影分布是兩個十分重要的參數(shù)，這兩項參數(shù)主要應(yīng)用于截面冀型物理量分布的計算，在參數(shù)與設(shè)計要求相符合的情況下，以先前所制定的設(shè)計方案為模板，對冀型坐標(biāo)進行求解。

三、水泵水輪機水力特性與內(nèi)部流動特性

水泵水輪機水力特性與內(nèi)部流動特性涉及到多個結(jié)構(gòu)的計算，其中葉片、導(dǎo)葉以及蝸殼需要在CFD軟件的支持下才能夠模擬相關(guān)數(shù)值，并且需要在充分解析網(wǎng)格質(zhì)量的前提下才能夠生成網(wǎng)格。設(shè)計人員需要嚴格對待所選擇的收斂模型、網(wǎng)格密度以及網(wǎng)格尖角。在通過離散公式對能量、流量以及過流面積進行計算時，工況三維計算、量綱的模擬以及單位都是十分重要的數(shù)據(jù)。對過流面積進行計算時，需要事先采集過流斷面上的流量積分與面積積分，對能量分布進行計算時需要事先對坐標(biāo)系進行確定，對各個方向的速度分量進行分步采集，以無量綱化的形式對能量與速度的建模結(jié)果進行轉(zhuǎn)化，這樣能夠使設(shè)計結(jié)果不受度量單位的影響。

四、結(jié)束語

電路系統(tǒng)是居民生活、工業(yè)生產(chǎn)正常運行的基本保證。尤其是在我國城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷發(fā)展、用電需求不斷增加的大背景下，抽水蓄電更加經(jīng)濟也更加環(huán)保。因此，電力企業(yè)需要對水泵水輪機的運行特點進行深入的研究與分析，對相關(guān)技術(shù)進行進一步的更新，提高發(fā)電效率。

參考文獻：

[1]李威.水泵水輪機“S”區(qū)的瞬態(tài)特性研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]劉星星.水泵水輪機過渡過程半實物仿真平臺的軟件設(shè)計與實現(xiàn)[D].華中科技大學(xué)，2013.

[3]舒崚峰.水泵水輪機駝峰區(qū)與“S”區(qū)數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2013.