輸水系統(tǒng)中泵組瞬變工況及其影響閻慶紱，馬素霞，李欣（太原理工大學(xué)，太原流量和調(diào)節(jié)幅度有關(guān)。泵組瞬變工況對(duì)全系統(tǒng)流動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生影響。系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)壓塔可以調(diào)蓄瞬變流量和阻尼瞬變壓力水頭。此成果可為類似的設(shè)計(jì)研究和計(jì)算提供一個(gè)范例。

　　1：A輸水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，正常的工況調(diào)節(jié)和非正常的工況突變都是存在的，試驗(yàn)測(cè)試和分析計(jì)算都已表明，這兩種因素都會(huì)使泵組在瞬變工況下運(yùn)行，也都會(huì)引發(fā)全系統(tǒng)的瞬變流動(dòng)，使輸水系統(tǒng)工況全面波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)脫離正常運(yùn)行而出現(xiàn)事故，當(dāng)泵組出現(xiàn)瞬變工況時(shí)，其轉(zhuǎn)速、流量和能頭都發(fā)生瞬時(shí)變化，包括葉輪的反轉(zhuǎn)和過泵液流的反向流動(dòng)，從而進(jìn)入泵的全特性運(yùn)行。并且這種變化會(huì)波及到輸水管道系統(tǒng)中的其他設(shè)施，造成系統(tǒng)中出現(xiàn)截留氣體和液柱分離，使全系統(tǒng)都處于振蕩流動(dòng)。

　　本文以引黃入晉工程部分管段的水工模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過數(shù)值計(jì)算，論述泵組正常工況調(diào)節(jié)時(shí)的瞬變特性，分析產(chǎn)生原因及其對(duì)系統(tǒng)特性的影響，為類似的水利工程設(shè)計(jì)，運(yùn)行和研究計(jì)算提供一個(gè)范例。

　　1泵組的瞬變特性1.1瞬變工況的兩個(gè)階段輸水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，往往需要從一種穩(wěn)定工況調(diào)節(jié)到另一種穩(wěn)定工況，達(dá)到變化輸水量的目的流量隨時(shí)間的這種連續(xù)變化，實(shí)質(zhì)是非定常流動(dòng)，稱之為瞬變流動(dòng)，所以調(diào)節(jié)的全過程都屬于瞬變流動(dòng)。如果從調(diào)節(jié)開始至結(jié)束，流量始終小于某一臨界流量QCr，并在瞬變過程中只有流量和能頭大小的變化，而不出現(xiàn)液流的反向，把這種只有單向變化的瞬變稱為瞬變的階段但是，有時(shí)流量需要作大幅度調(diào)節(jié)而超過，結(jié)果系統(tǒng)中不但流量和能頭大小發(fā)生變化，液流還會(huì)有反向流動(dòng)，稱之為瞬變的第二階段一般因事故造成的瞬變流動(dòng)只有第二階段，所以非調(diào)節(jié)因素產(chǎn)生的瞬變流動(dòng)是因正常調(diào)節(jié)產(chǎn)生的瞬變流動(dòng)的特例因非調(diào)節(jié)因素產(chǎn)生的瞬變流動(dòng)已有較多研究，本文只論述調(diào)節(jié)因素引發(fā)的瞬變工況特性。

　　1.2泵組系統(tǒng)的瞬變工況它的瞬變工況和其前后的管路系統(tǒng)特性有關(guān)根據(jù)能頭平衡原理，當(dāng)泵組系統(tǒng)正向流過某一臨界流量QCr時(shí)，如果能頭達(dá)到平衡，顯然下式應(yīng)該成立Hs+TDH-AH=Hp（1）供的總能頭；AH-一泵組后出口閥的能頭損失；Hp一一出口閥后系統(tǒng)的能頭由于調(diào)壓塔的調(diào)蓄作用，泵組上游邊界能頭基本保持不變，而連接管內(nèi)流動(dòng)阻力的存在，Hs值將隨流量增加而下降但為使泵不發(fā)生汽蝕，設(shè)計(jì)的調(diào)壓塔出口壓力水頭應(yīng)能保證在任何工況下Hs都能略大于泵的允許汽蝕全量受泵的性能曲線的限定，TDH是隨流量增加而下降的。AH和Hp都是隨流量的平方而變化，如果流量增加，它們也隨之增大結(jié)果氣閥2.2方程組輸水系統(tǒng)的瞬變工況為非定常流動(dòng)，在給定的初始和邊界條件之后，可采用有限差分的特征線法求解，由此得到差分方程組為力水頭和流量；Ha，Qa一一t=J-1時(shí)刻系統(tǒng)中I-1斷面處的壓力水頭和流量；Hb，Qb一一t=J-1時(shí)刻系統(tǒng)中1+ 1斷面處的壓力水頭和流量；x一一距離步長(zhǎng)；A一一管道截面積；a一一波速；g一一重力加速度；A?一沿程阻力系數(shù)。

　　2.3泵組系統(tǒng)瞬變計(jì)算的邊界條件泵組系統(tǒng)核心是泵，其前后都與管路連接，泵后還要安裝控制閥，因此其邊界條件應(yīng)包括泵組，單管和閥的邊界條偉23.1泵組邊界條件特性有關(guān)的數(shù)值下標(biāo)：R-一額定值；5?一泵入口側(cè)；u-一泵出口側(cè)；0t=0的值2.3.2出口閥邊界條件本文計(jì)算瞬變特性時(shí)，設(shè)定泵出口閥全開，其水力特性可用式（5）描述，在出口閥全開f=1，Q0=Qr時(shí)的水頭損失為AH0，則不同流量下的水頭損失按式（6）計(jì)算2.3.3泵組前后管路邊界條件j時(shí)間代號(hào)。

　　3泵組瞬變工況特性及分析3.1初始條件本文研究因正常工況調(diào)節(jié)產(chǎn)生的瞬變流動(dòng)，考慮泵組調(diào)節(jié)范圍和瞬變特性影響，在下面三種初始工況下，按流量逐漸增加的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行計(jì)算其瞬變過程的變量主要為能頭H，流量Q和轉(zhuǎn)速n，根據(jù)能頭平衡和泵的特性，可構(gòu)造出包括無(wú)量綱流量V和無(wú)量綱轉(zhuǎn)速AL的方程組3.2上游泵組瞬變特性及分析輸水系統(tǒng)為增加流量而進(jìn)行工況調(diào)節(jié)時(shí)，上游泵組便進(jìn)入了瞬變工況，并且由圖可見，此時(shí)的瞬變工況存在著特性不同的兩個(gè)階段由可見，在瞬變的階段，流量逐漸增加，當(dāng)流量超過Qr時(shí)，將符合式（2）的條件而發(fā)生第二階段瞬變，泵出口流量突然下降，并出現(xiàn)倒流，這符合動(dòng)力失靈的變化規(guī)律。而出口流量變化幅度隨初始流量增加而減小。

　　o-一轉(zhuǎn)矩；2）泵組入口壓力水頭三種初始工況下泵入口壓力水頭的瞬變特性見由圖可見，其變化基本與流量變化同步，在進(jìn)：第二階段時(shí)，出現(xiàn)突然升高的峰值，這是過泵閻慶紱等：輸水系統(tǒng)中泵組瞬變工況及其影響液流倒流和葉輪反轉(zhuǎn)造成的。由于上游調(diào)壓塔的作用，壓力水頭又迅速回落，并大致保持在略高于階段的水平上。此外，初始流量小時(shí)，其峰值較高而回落后又較低。這與流量變化幅度是相對(duì)應(yīng)的。

　　由可見，葉輪出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，并且初始流量越小，其反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速越高，因?yàn)榱髁啃�時(shí)泵出口壓力水頭較高此點(diǎn)在進(jìn)行調(diào)節(jié)和瞬變控制設(shè)計(jì)時(shí)需要引起重視，并應(yīng)將其控制在允許的飛逸轉(zhuǎn)速14范圍之內(nèi)。

　　3.3下游泵組的瞬變工況上、下游泵組是串聯(lián)在系統(tǒng)中的，當(dāng)上游泵組發(fā)生瞬變工況時(shí)，下游泵組也隨之進(jìn)入瞬變工況，見圖和泵轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

　　由圖可見，泵組工況也出現(xiàn)了倒流和葉輪反轉(zhuǎn)，即在上游泵組瞬工況的影響下，下游泵組也同時(shí)產(chǎn)生了兩個(gè)階段的瞬變工況這種情況類似于實(shí)際工程中，由于運(yùn)行調(diào)節(jié)造成的泵站間的相互干擾由此說明，上游泵站因調(diào)節(jié)造成的瞬變工況，會(huì)影響到下游泵站也發(fā)生瞬變工況，而不管下游泵站是否進(jìn)行調(diào)節(jié)下游泵入口壓力水頭應(yīng)當(dāng)指出的是，下游泵組的瞬變工況特性，與兩泵組間的距離，泵組自身特性，系統(tǒng)中的其他設(shè)施等有密切關(guān)系，因此實(shí)際情況可能會(huì)比圖中所示的情況更為復(fù)雜，在類似研究計(jì)算時(shí)，應(yīng)視具體情況而定。

　　4上游調(diào)壓塔的運(yùn)行工況上游泵組的瞬變工況不但對(duì)下游產(chǎn)生影響，還會(huì)影響到上游調(diào)壓塔內(nèi)的水位和流量4.1調(diào)壓塔的邊界條件忽略慣性，并且因塔內(nèi)速度水頭較小，所以有妨和，圖）中給出了Vu1=Aic時(shí)，泵入口壓力n水頭blishHplT塔底壓力水頭；分+ NQ1塔前后管內(nèi)農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)流量；Q流入調(diào)壓塔的流量再考慮上、下游管路的邊界條件，于是可得調(diào)壓必11水位；Aj??塔的截面積4.2調(diào)壓塔內(nèi)水位泵組的瞬變工況很快就在上游調(diào)壓塔內(nèi)反映出來，雖然系統(tǒng)內(nèi)液流的倒流會(huì)使流入塔內(nèi)的流量有所增加，但因塔的截面積較大，所以塔內(nèi)水位略有上升后又很快回落。由于慣性回落值略低于起始值，但卻始終保持在高于上游泵組入口壓力水頭的水平上。

　　顯示的調(diào)壓塔的水位變化，說明如果系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)像上游泵組那樣的瞬變工況，可用調(diào)壓塔來調(diào)蓄流量和阻尼瞬變壓力水頭，使系統(tǒng)很快消除由于瞬變工況帶來的振蕩流動(dòng)5結(jié)論1）輸水系統(tǒng)中泵組會(huì)因正常調(diào)節(jié)而出現(xiàn)瞬變工況，其兩個(gè)階段的特點(diǎn)是不同的，尤其是瞬變第二階段，因過泵液流的倒流和葉輪的反轉(zhuǎn)，會(huì)破壞正常輸水乃至發(fā)生事故2）泵組瞬變工況對(duì)其上、下游系統(tǒng)中的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生影響，如果這種情況出現(xiàn)在輸水系統(tǒng)的兩泵站間，無(wú)論是上游還是下游泵站的泵組出現(xiàn)瞬變工況，都會(huì)波及到另一泵站內(nèi)的泵組也發(fā)生瞬變工況，在輸水系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)過程中，必須加以控制3）系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)壓塔和溢流裝置，可調(diào)蓄瞬變流量和阻尼瞬變壓力水頭。引黃入晉工程各級(jí)泵站的上、下游設(shè)置的調(diào)壓塔和溢流井，充分考慮了這種工況，以保證輸水系統(tǒng)全線的安全正常運(yùn)行。