輸水系統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)，太原流量和調節幅度有關(guān)。泵組瞬變工況對全系統流動(dòng)都會(huì )產(chǎn)生影響。系統中設置調壓塔可以調蓄瞬變流量和阻尼瞬變壓力水頭。此成果可為類(lèi)似的設計研究和計算提供一個(gè)范例。

　　1：A輸水系統運行過(guò)程中，正常的工況調節和非正常的工況突變都是存在的，試驗測試和分析計算都已表明，這兩種因素都會(huì )使泵組在瞬變工況下運行，也都會(huì )引發(fā)全系統的瞬變流動(dòng)，使輸水系統工況全面波動(dòng)，嚴重時(shí)會(huì )脫離正常運行而出現事故，當泵組出現瞬變工況時(shí)，其轉速、流量和能頭都發(fā)生瞬時(shí)變化，包括葉輪的反轉和過(guò)泵液流的反向流動(dòng)，從而進(jìn)入泵的全特性運行。并且這種變化會(huì )波及到輸水管道系統中的其他設施，造成系統中出現截留氣體和液柱分離，使全系統都處于振蕩流動(dòng)。

　　本文以引黃入晉工程部分管段的水工模型試驗為基礎，通過(guò)數值計算，論述泵組正常工況調節時(shí)的瞬變特性，分析產(chǎn)生原因及其對系統特性的影響，為類(lèi)似的水利工程設計，運行和研究計算提供一個(gè)范例。

　　1泵組的瞬變特性1.1瞬變工況的兩個(gè)階段輸水系統運行時(shí)，往往需要從一種穩定工況調節到另一種穩定工況，達到變化輸水量的目的流量隨時(shí)間的這種連續變化，實(shí)質(zhì)是非定常流動(dòng)，稱(chēng)之為瞬變流動(dòng)，所以調節的全過(guò)程都屬于瞬變流動(dòng)。如果從調節開(kāi)始至結束，流量始終小于某一臨界流量QCr，并在瞬變過(guò)程中只有流量和能頭大小的變化，而不出現液流的反向，把這種只有單向變化的瞬變稱(chēng)為瞬變的階段但是，有時(shí)流量需要作大幅度調節而超過(guò)，結果系統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(chēng)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，所以非調節因素產(chǎn)生的瞬變流動(dòng)是因正常調節產(chǎn)生的瞬變流動(dòng)的特例因非調節因素產(chǎn)生的瞬變流動(dòng)已有較多研究，本文只論述調節因素引發(fā)的瞬變工況特性。

　　1.2泵組系統的瞬變工況它的瞬變工況和其前后的管路系統特性有關(guān)根據能頭平衡原理，當泵組系統正向流過(guò)某一臨界流量QCr時(shí)，如果能頭達到平衡，顯然下式應該成立Hs+TDH-AH=Hp（1）供的總能頭；AH-一泵組后出口閥的能頭損失；Hp一一出口閥后系統的能頭由于調壓塔的調蓄作用，泵組上游邊界能頭基本保持不變，而連接管內流動(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，設計的調壓塔出口壓力水頭應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(xiàn)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，它們也隨之增大結果氣閥2.2方程組輸水系統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(xiàn)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)刻系統中1+ 1斷面處的壓力水頭和流量；x一一距離步長(cháng)；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。

　　2.3泵組系統瞬變計算的邊界條件泵組系統核心是泵，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)的數值下標：R-一額定值；5?一泵入口側；u-一泵出口側；0t=0的值2.3.2出口閥邊界條件本文計算瞬變特性時(shí)，設定泵出口閥全開(kāi)，其水力特性可用式（5）描述，在出口閥全開(kāi)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）計算2.3.3泵組前后管路邊界條件j時(shí)間代號。

　　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節產(chǎn)生的瞬變流動(dòng)，考慮泵組調節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節方式進(jìn)行計算其瞬變過(guò)程的變量主要為能頭H，流量Q和轉速n，根據能頭平衡和泵的特性，可構造出包括無(wú)量綱流量V和無(wú)量綱轉速AL的方程組3.2上游泵組瞬變特性及分析輸水系統為增加流量而進(jìn)行工況調節時(shí)，上游泵組便進(jìn)入了瞬變工況，并且由圖可見(jiàn)，此時(shí)的瞬變工況存在著(zhù)特性不同的兩個(gè)階段由可見(jiàn)，在瞬變的階段，流量逐漸增加，當流量超過(guò)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，并出現倒流，這符合動(dòng)力失靈的變化規律。而出口流量變化幅度隨初始流量增加而減小。

　　o-一轉矩；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(jiàn)由圖可見(jiàn)，其變化基本與流量變化同步，在進(jìn)：第二階段時(shí)，出現突然升高的峰值，這是過(guò)泵閻慶紱等：輸水系統中泵組瞬變工況及其影響液流倒流和葉輪反轉造成的。由于上游調壓塔的作用，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應的。

　　由可見(jiàn)，葉輪出現反轉，并且初始流量越小，其反轉轉速越高，因為流量小時(shí)泵出口壓力水頭較高此點(diǎn)在進(jìn)行調節和瞬變控制設計時(shí)需要引起重視，并應將其控制在允許的飛逸轉速14范圍之內。

　　3.3下游泵組的瞬變工況上、下游泵組是串聯(lián)在系統中的，當上游泵組發(fā)生瞬變工況時(shí)，下游泵組也隨之進(jìn)入瞬變工況，見(jiàn)圖和泵轉速的變化規律。

　　由圖可見(jiàn)，泵組工況也出現了倒流和葉輪反轉，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(lèi)似于實(shí)際工程中，由于運行調節造成的泵站間的相互干擾由此說(shuō)明，上游泵站因調節造成的瞬變工況，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)行調節下游泵入口壓力水頭應當指出的是，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，系統中的其他設施等有密切關(guān)系，因此實(shí)際情況可能會(huì )比圖中所示的情況更為復雜，在類(lèi)似研究計算時(shí)，應視具體情況而定。

　　4上游調壓塔的運行工況上游泵組的瞬變工況不但對下游產(chǎn)生影響，還會(huì )影響到上游調壓塔內的水位和流量4.1調壓塔的邊界條件忽略慣性，并且因塔內速度水頭較小，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塔前后管內農業(yè)工程學(xué)報流量；Q流入調壓塔的流量再考慮上、下游管路的邊界條件，于是可得調壓必11水位；Aj??塔的截面積4.2調壓塔內水位泵組的瞬變工況很快就在上游調壓塔內反映出來(lái)，雖然系統內液流的倒流會(huì )使流入塔內的流量有所增加，但因塔的截面積較大，所以塔內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。

　　顯示的調壓塔的水位變化，說(shuō)明如果系統內出現像上游泵組那樣的瞬變工況，可用調壓塔來(lái)調蓄流量和阻尼瞬變壓力水頭，使系統很快消除由于瞬變工況帶來(lái)的振蕩流動(dòng)5結論1）輸水系統中泵組會(huì )因正常調節而出現瞬變工況，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(guò)泵液流的倒流和葉輪的反轉，會(huì )破壞正常輸水乃至發(fā)生事故2）泵組瞬變工況對其上、下游系統中的流動(dòng)會(huì )產(chǎn)生影響，如果這種情況出現在輸水系統的兩泵站間，無(wú)論是上游還是下游泵站的泵組出現瞬變工況，都會(huì )波及到另一泵站內的泵組也發(fā)生瞬變工況，在輸水系統運行調節過(guò)程中，必須加以控制3）系統中設置調壓塔和溢流裝置，可調蓄瞬變流量和阻尼瞬變壓力水頭。引黃入晉工程各級泵站的上、下游設置的調壓塔和溢流井，充分考慮了這種工況，以保證輸水系統全線(xiàn)的安全正常運行。