泵站快速閘門上小拍門的水力損失特性分析

孫 翀,肖正友,張澤玉,陳松山*

(1.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127;2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心,濟(jì)南 250100)

立式或臥式軸流泵站常采用快速閘門斷流,為防止快速閘門發(fā)生事故無(wú)法起門或開(kāi)啟速度過(guò)慢,引起軸流泵閉閥起動(dòng),造成電機(jī)嚴(yán)重過(guò)載,通常在快速閘門上裝設(shè)小拍門．泵站快速閘門上小拍門的水力損失特性是影響水泵機(jī)組起動(dòng)安全的重要因素．近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法對(duì)拍門水力特性進(jìn)行了大量研究．楊帆等[1]利用數(shù)值模擬研究泵裝置出口拍門的阻力損失,指出阻力損失與流量的平方不呈正比,泵裝置效率下降值與拍門開(kāi)度角亦非正相關(guān);Zhou等[2]通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值模擬,得到在相同流量條件下,當(dāng)上翻拍門開(kāi)啟角大于46°,下翻拍門開(kāi)啟角大于64°時(shí),水力損失小于70 mm并趨于穩(wěn)定;Xi等[3]對(duì)4種常用拍門開(kāi)啟角度不同流速下拍門后水流流態(tài)進(jìn)行三維模擬和物理模型研究,發(fā)現(xiàn)出口涵洞沿線的阻力損失系數(shù)與開(kāi)啟角度呈負(fù)相關(guān),拍門開(kāi)啟角度越大,出口涵洞中水流的水力損失越小,水流流態(tài)也逐漸變好;Wang等[4]研究不同安裝形式、不同閥頁(yè)、不同材料的拍門開(kāi)啟角度和沖擊力,得到翻式拍門沖擊力為單拍門沖擊力的42%,蓋板式雙拍門為單拍門的49%;徐輝等[5]基于鋪層網(wǎng)格及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)帶小拍門的軸伸貫流泵快速閘門三維過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,指出機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中泵段揚(yáng)程先增大后減小至額定揚(yáng)程,2.25 s時(shí)出現(xiàn)最大啟動(dòng)揚(yáng)程6.38 m;Yu等[6]對(duì)拍門關(guān)閉過(guò)程中3個(gè)典型時(shí)刻下的出水池流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,認(rèn)為分流墩可改善流速均勻度．但上述研究多為泵站出口單獨(dú)設(shè)置拍門,針對(duì)快速閘門上小拍門的研究較少,并且未考慮多因素組合對(duì)水力損失特性的影響．本文以浙江省某泵站為研究對(duì)象,擬設(shè)計(jì)不同孔口面積和不同開(kāi)度角的拍門,通過(guò)水泵裝置模型試驗(yàn),研究不同工況、不同開(kāi)度、不同孔口尺寸下拍門的水力損失特性,以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供依據(jù)．

1 模型水泵裝置與試驗(yàn)方案

1.1 模型設(shè)計(jì)

以浙江省某泵站為研究對(duì)象,該泵站單機(jī)設(shè)計(jì)流量20 m3·s-1,揚(yáng)程2.42 m,水泵葉輪直徑2 200 mm,轉(zhuǎn)速187.5 r·min-1．泵站采用肘型進(jìn)水流道和虹吸式出水流道,出水流道出口設(shè)置兩道快速閘門,分別為工作閘門和事故閘門,工作閘門上設(shè)置雙扇對(duì)稱小拍門,具體位置如圖1(a)所示．為研究工作閘門上小拍門的水力損失特性,設(shè)計(jì)制作模型水泵裝置．模型泵葉輪采用TJ04-ZL-06水力模型,葉片數(shù)為3片,導(dǎo)葉數(shù)為6片,葉輪直徑為300 mm,進(jìn)出水流道按葉輪直徑比3∶22縮小,利用鋼板焊接制作,內(nèi)部噴涂聚氨酯漆,滿足糙率相似要求．水泵裝置模型如圖1(b)所示．

圖1 泵站設(shè)計(jì)方案及模型泵裝置Fig.1 Design scheme and Model experimental device

1.2 拍門設(shè)計(jì)

拍門采用鋼板制作,安裝在模型泵裝置出水流道工作閘門上,如圖2所示．根據(jù)原型與模型相似幾何比尺7.333,計(jì)算得出模型工作閘門寬為826.18 mm,高為358.55 mm．設(shè)計(jì)4種對(duì)稱拍門孔口,拍門寬分別為314,279,236,183 mm,拍門高分別為205,182,154,119 mm,拍門孔口面積A與工作閘門面積A0的比值A(chǔ)/A0分別為44%,35%,25%,15%．拍門開(kāi)度角為拍門與垂直面之間的夾角α,如圖3所示．試驗(yàn)中通過(guò)在拍門后設(shè)置兩個(gè)定位支撐桿來(lái)固定拍門開(kāi)度角，設(shè)計(jì)拍門開(kāi)度角分別為20°,35°,50°,65°,80°．

圖2 拍門照片F(xiàn)ig.2 Photo of the real flap door

圖3 拍門開(kāi)度角示意圖Fig.3 Schematic diagram of flap door opening

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

水泵裝置模型試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)高精度泵站試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行．試驗(yàn)臺(tái)為封閉循環(huán)系統(tǒng),由水力循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成,其中水力循環(huán)系統(tǒng)包括進(jìn)水箱、出水箱、儲(chǔ)水箱、輔助泵、管道及控制閥門等．模型泵裝置安裝在進(jìn)水箱和出水箱之間,如圖4所示．

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of test bench

拍門水力損失特性Δh(Q)可表示為工作閘門全開(kāi)時(shí)的水泵裝置流量-揚(yáng)程曲線H1(Q)與工作閘門關(guān)閉小拍門打開(kāi)時(shí)的水泵裝置流量-揚(yáng)程曲線H2(Q)的差值,即Δh(Q)=H1(Q)-H2(Q),因此,模型試驗(yàn)應(yīng)測(cè)流量Q和水泵裝置揚(yáng)程H．其中流量測(cè)量采用精度等級(jí)為0.2級(jí)的OPTIFLUX2300W DN400電磁流量計(jì)(科隆公司,德國(guó)),水泵裝置揚(yáng)程測(cè)量采用精度等級(jí)為0.1級(jí)的EJA壓差傳感器(橫河電機(jī)株式會(huì)社,日本)．

2 結(jié)果與分析

2.1 模型泵水力特性

圖5 工作門全開(kāi)時(shí)的流量-揚(yáng)程曲線Fig.5 Q-H1diagram when flap valve fully opened

根據(jù)歐拉準(zhǔn)則確定水泵轉(zhuǎn)速為1 375 r·min-1,試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速保持不變,測(cè)試工作閘門全開(kāi)時(shí)模型泵裝置的能量特性,結(jié)果如圖5所示．由圖5可知,模型水泵裝置揚(yáng)程隨流量的增大而減小,最大揚(yáng)程為6.96 m,此時(shí)流量為225.82 L·s-1,最小揚(yáng)程為1.09 m,此時(shí)流量為425.30 L·s-1,當(dāng)揚(yáng)程下降5.87 m時(shí),流量增大了199.48 L·s-1．

測(cè)試工作閘門關(guān)閉條件下小拍門打開(kāi)不同孔口面積和不同開(kāi)度角時(shí)模型泵裝置的能量特性,結(jié)果如圖6所示．由圖6可知,拍門孔口面積比相同時(shí),隨拍門開(kāi)度減小,水泵裝置流量-揚(yáng)程曲線整體向左偏移,但并非隨拍門角度變化呈線性偏移,當(dāng)拍門開(kāi)度角為50°～80°時(shí),偏移量小,而拍門角度小于50°時(shí),偏移量明顯增大;水泵裝置流量-揚(yáng)程曲線斜率隨孔口面積比減小而增大,曲線整體向左偏移,拍門開(kāi)度和流量均相同時(shí),孔口面積比越小,水力損失越大．

圖6 不同孔口面積比不同拍門開(kāi)度角下的流量-揚(yáng)程曲線Fig.6 Flow-head curve under different opening areas and opening degrees

根據(jù)拍門水力損失特性Δh(Q)=H1(Q)-H2(Q),將圖5和圖6中能量特性曲線擬合得到的5次多項(xiàng)式相減,得到水力損失的5次多項(xiàng)式系數(shù),以此獲取流量范圍,在此區(qū)間等間距取若干個(gè)點(diǎn),代入水力損失5次多項(xiàng)式函數(shù),得到不同工況下的水力損失特性,結(jié)果如圖7所示．由圖7可知,開(kāi)度角越小,孔口面積越小,水力損失越大,最大水力損失可達(dá)6.12 m,最小水力損失僅為0.34 m,最大值為最小值的18倍．

圖7 不同孔口面積比不同拍門開(kāi)度角下水力損失特性Fig.7 Hydraulic loss diagram of flap door with different opening areas and opening degrees

2.2 拍門水力特性

為了研究不同因素對(duì)局部水力損失系數(shù)的影響,將圖7試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)無(wú)量綱化,得到不同孔口面積比和不同拍門開(kāi)度角下的水力損失特性,如圖8所示．由圖8可知,孔口面積比相同時(shí),拍門開(kāi)度角越小,局部水力損失系數(shù)越大;拍門開(kāi)度角相同時(shí),孔口面積比越小,局部水力損失系數(shù)越大;局部水力損失系數(shù)隨Froude數(shù)變化的變動(dòng)范圍較小,即Froude數(shù)對(duì)局部水力損失系數(shù)的影響較小．

圖8 無(wú)量綱拍門水力損失特性Fig.8 Dimensionless diagram of hydraulic loss

根據(jù)前述分析,局部水力損失系數(shù)函數(shù)可簡(jiǎn)化為ξ=f(A/A0,α)．圖9為局部水力損失系數(shù)與不同拍門開(kāi)度角和不同孔口面積關(guān)系．由圖9(a)可知,局部水力損失系數(shù)隨開(kāi)度角的增大而減小;當(dāng)開(kāi)度角小于35°時(shí),隨開(kāi)度角減小,局部水力損失系數(shù)急劇增大;當(dāng)開(kāi)度角大于50°時(shí),局部水力損失系數(shù)漸趨平緩．由圖9(b)可知,局部水力損失系數(shù)隨拍門孔口面積比的增大而減小;當(dāng)孔口面積比小于25%時(shí),隨孔口面積比減小,局部水力損失系數(shù)急劇增大;當(dāng)孔口面積比大于35%時(shí),局部水力損失系數(shù)變化平緩．綜上分析,在工程實(shí)際中應(yīng)盡量避免拍門開(kāi)度角小于35°、孔口面積比小于25%．

圖9 局部水力損失系數(shù)變化規(guī)律Fig.9 Variation law of local hydraulic loss coefficient

2.3 局部水力損失系數(shù)

借助現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7-10]學(xué)習(xí)方法計(jì)算局部水力損失系數(shù),構(gòu)建具有1個(gè)隱含層的反向傳播(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),模型設(shè)定輸入層2個(gè)神經(jīng)元,隱含層6個(gè)神經(jīng)元,輸出層1個(gè)神經(jīng)元．

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入列向量X=(α,A/A0)T,隱含層神經(jīng)元輸入Z1=W1X+b1,其中W1和b1分別為從輸入層到隱含層的權(quán)重系數(shù)矩陣和閾值．隱含層采用雙曲正切S型轉(zhuǎn)移函數(shù),即tansig函數(shù)f1(x)=(1-e-2x)/(1+e-2x)．輸出層神經(jīng)元輸入Z2=W2f1(Z1)+b2,其中W2和b2分別為從隱含層到輸出層的權(quán)重系數(shù)矩陣和閾值．輸出層采用purelin線性傳遞函數(shù),得到局部阻力系數(shù)預(yù)測(cè)值ξ′,輸出誤差函數(shù)E(W,b)=(ξ-ξ′)2/2．按照W-H學(xué)習(xí)規(guī)則,基于誤差函數(shù)的最小均方差,修正權(quán)重系數(shù)矩陣和閾值．

3 結(jié)論

1) 拍門水力損失系數(shù)與孔口面積和拍門開(kāi)度的曲線呈非線性單調(diào)變化,變化曲率隨孔口面積和拍門開(kāi)度減小而增大,流道出口Froude數(shù)對(duì)拍門水力損失系數(shù)的影響較?。?/p>

2) 拍門水力損失系數(shù)在拍門開(kāi)度角小于35°,孔口面積小于25%處的曲率明顯增大,工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)此類工況．

3) 通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,得到小拍門局部阻力系數(shù)的權(quán)重系數(shù)矩陣和閾值,可預(yù)測(cè)任意開(kāi)度角和孔口面積比下的拍門局部水力損失系數(shù)．