[發明專利]一種考慮水泵過流部件雷諾數和粗糙度的水泵揚程的換算方法

在審

• 申請號: 202110995829.X
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113688526A
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 徐用良;陳金霞;劉文杰;王建華;李順祥;賀小婷;孫琦鵬;王秀峰;魯佰軍;代開鋒;何志峰;周伯成;黃才生;張廣;李敬濤;陳姍姍;劉金寶;張耀軍;趙冰
• 申請（專利權）人: 哈動國家水力發電設備工程技術研究中心有限公司;重慶市西部水資源開發有限公司;長江勘測規劃設計研究有限責任公司;哈爾濱電機廠有限責任公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06F17/18;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種考慮水泵過流部件雷諾數和粗糙度的水泵揚程的換算方法，其特征包括如下步驟：

步驟一：確定模型水泵的流量揚程曲線H_M～Q_M和流量效率曲線η_hM～Q_M：

在水力機械模型試驗臺進行水泵特性試驗，試驗轉速恒定為n_M，通過閥門依次降低水泵的過流流量，得到一系列工況下水泵性能，需要測量的物理量有：揚程H_M、流量Q_M、轉速n_M、力矩T_M和水溫T_wM，并計算每個工況下模型水泵的效率η_hM和雷洛數Re_M，η_hM和Re_M分別定義為：

其中水密度ρ_M和粘度υ_M通過水溫T_wM計算，g_M通過試驗所在地查取獲得，u_M為轉輪進口旋轉速度，通過以上的試驗數據，得到試驗水泵的H_M～Q_M和η_hM～Q_M關系曲線；

步驟二：測量模型水泵過流部件的粗糙度：模型水泵的特征過流部件有水泵進水管、泵輪、導葉和蝸型擴散管，分別用粗糙度儀對這些表面的平均粗糙度進行測量，測量結果分別表示為Ra_DT，M、Ra_RU，M、Ra_SV，M、和Ra_SP，M；

步驟三：確定模型水泵最優效率和比轉速：模型水泵最優效率定義為在模型試驗轉速n_M時各流量下效率η_hM的最高值η_hMopt，模型水泵最優點的比轉速定義為：

式中，H_M，opt和Q_M，opt分別為最優點所對應的揚程和流量；

步驟四：確定模型試驗各過流部件的速度因子：模型水泵按最優工況進行設計，故過流部件尺寸與水泵最優點比轉速相關，表征過流部件速度的無量綱特征速度因子為κ_u，為過流部件絕對速度v_m與轉輪旋轉速度u_m的比值，根據水泵最優點的比轉速，每個過流部件速度因子κ_u與比轉速的關系如下所示：

進水管：κ_uSP＝0.27；

泵輪：κ_uRU＝-1.30×N_QE+0.79；

導葉：κ_uSV＝-1.40×N_QE+0.53；

蝸殼：κ_uSP＝-0.50×N_QE+0.31；

其中κ_uSP、κ_uRU、κ_uSV、κ_uSP分別表示進水管、轉輪、導葉和蝸型擴散管的無量綱特征速度因子；

步驟五：確定每個過流部件的可換算水力比能損失：水泵每個部件可換算損失指數d_Eref與水泵的給個過流部件的流速和尺寸相關，根據水泵最優點的比轉速，每個過流部件的可換算損失指數d_Eref與比轉速的關系如下所示：

進水管：d_E，SPref＝0.5×N_QE+0.05；

泵輪：d_E，RUref＝3.4×N_QE+1.55；

導葉：d_E，SVref＝-N_QE+0.50；

蝸殼：d_E，SPref＝0.45×N_QE；

其中d_E，SPref、d_E，RUref、d_E，SVref、d_E，SPref分別表示進水管、轉輪、導葉和蝸型擴散管的可換算損失指數；

步驟六：計算模型水泵參考條件下的揚程的比尺效應：模型水泵參考雷洛數Re_ref＝7×10⁶，過流部件參考雷洛數分別為：Ra_DT，Mref＝0.8μm、Ra_RU，Mref＝0.4μm、Ra_SV，Mref＝0.8μm和Ra_SP，Mref＝0.8μm，根據經典流體力學的Nichtawitz損失系數λ公式

其中λ₀為常數0.0085，k_s為砂礫粗糙度，d_h為流道的水力直徑，Re_ref為常數7×10⁶，Re_d為流道的雷諾數，流部件由于雷諾數和粗糙度的差異引起的水泵揚程的比尺效應：

其中Δ_ECO為部件比能的比尺效應，d_E，COref為部件可換算損失指數，κ_uCO為部件無量綱特征速度因子，Ra_CO，M為模型水泵部件粗糙度，Ra_CO，ref為水泵部件參考粗糙度，Re_M為模型水泵雷諾數，D_M為模型水泵直徑；分別將CO等于DT、RU、SV和SP代入上式，分別得到進水管的參考條件下的比尺效應泵輪的導葉的和蝸殼的將以上四項相加，得到模型水泵在參考條件下的比尺效應

為從試驗條件下向參考條件下的換算；

步驟七：模型水泵參考條件到原型水泵運行條件下揚程的比尺效應：涉及原型水泵比尺效應的運行條件包括原型機的雷洛數和原型機過流部件的粗糙度，原型水泵的雷諾數由泵站運行時的水溫、水泵轉速和水泵直徑決定，其計算公式為：

其中D_P為原型泵轉輪直徑，為給定值；n_P為原型泵轉輪直徑，為給定值；u_P為原型泵旋轉速度，由轉速n_P決定；υ_P為泵站水的粘度，由水溫T_wP決定；

原型水泵的過流部件的粗糙度包括進水管、泵輪、導葉和蝸殼，分別表示為Ra_DT，P、Ra_RU，P、Ra_SV，P、和Ra_SP，P，在模型研發階段，原型機粗糙度由制造廠給出，在原型泵加工過程中進行檢查，同理根據以下公式計算由于原型水泵雷洛數和粗糙度的差異引起過流部件壓力損失的比尺效應：

其中Ra_CO，P為原型水泵部件粗糙度，Re_P為原型水泵雷諾數，D_P為原型水泵直徑；CO為別為DT、RU、SV和SP，可以計算原型水泵每個過流部件的比尺效應和將以上四項相加，得到原型水泵的比尺效應

為從參考條件下向原型水泵運行條件下的換算；

步驟八：計算原型水泵揚程：原型機水泵的揚程由水泵運行的相似定律和模型到原型機的比尺效應決定，原型水泵的揚程H_P為：

其中g_M為模型試驗所在地重力加速度，g_P為原型泵站所在地重力加速度，n_P為原型水泵轉速，n_M為模型水泵轉速，D_P為原型水泵直徑，D_M為模型水泵直徑，為試驗條件下向參考條件下的比能換算，為參考條件下向原型水泵運行條件下的比能換算。