[01152339]南水北调工程大型高性能水泵内流机理、设计技术及工程应用

本项目属于通用机械（泵）技术领域。 低扬程泵主要包括轴流泵、混流泵、贯流泵等典型泵型,广泛应用于大中型调水工程、核潜艇发射系统、农业排灌、水资源调配、城市防洪等重要领域。南水北调东线工程是世界规模最大的梯级泵站工程,建有51座大型泵站。低扬程泵作为南水北调工程核心动力“心脏”,其性能直接决定调水成本和运行可靠性。然而,我国低扬程泵长期依赖“半理论、半经验”的传统设计方法、内部流动规律和空化形态尚不清楚、高效水力模型一直被国外垄断,严重制约了我国南水北调东线工程、大中型排灌工程的建设。针对上述行业难题,本成果依托流体机械及工程国家重点学科、国家水泵及系统工程技术研究中心,通过持续不断的深入研究,已在轴流泵内流机理、复杂空化流、设计技术与南水北调东线工程应用等方面取得了一系列创新性成果。 （1）构建了低扬程泵内流实验装置和测试方法,揭示了轴流泵叶顶泄漏涡等复杂流态结构,从理论上掌握了高效轴流（混流、贯流）泵的内部流动规律;提出了基于密度修正的SST k-ω湍流模型,解决了常规的两方程不能精确计算叶轮叶顶区非定常空化的难题,首次揭示了低扬程空化形态及其演化规律,探明了低扬程泵复杂空化不稳定性机理,为南水北调工程等大型高性能水泵机组研制提供了理论基础。 （2）提出了符合低扬程泵内三维湍流流动规律的非线性环量分布数学模型,完善了轴流泵水力设计理论和方法,解决了低扬程泵长期效率低、空化性能差的技术难题,提出了生态友好型轴流泵设计准则和方法,成功将鱼类通过泵的死亡率降低到13%。 （3）建立了大型水泵叶片调节角度与操作单元运动轨迹关系的数学模型,发明了环保型组合式叶片调节装置,解决了传统技术可靠性低和密封漏油等难题,并实现了基于机组叶片调节的节能运行。 （4）研制了系列高效轴（混）流泵水力模型,经测试和鉴定,过流能力提高了12.5%,最优效率提高了3个百分点,高效区宽、空化性能优异,综合性能技术指标达到国际同类模型的领先水平。研发了适用于扬程1～4.5m运行的2套高性能灯泡贯流泵装置模型（GL-2008-01、02和GL-2010-03、04）,最优工况点效率分别达到79.4%、81.9%、82.02%和80.22%,空化比转速均在1100以上;竖井贯流泵1套SJGL-2010-02,最优工况点效率达到83.72%,空化比转速1000以上,综合指标达到国际领先水平。 本项目成果完全具有自主知识产权,授权发明专利10件,在本学科国际权威刊物《International Journal of Multiphase Flow》、《ASME Journal of Fluids Engineering》等发表SCI、EI收录论文30余篇,培养博士、硕士研究生10余名。 项目成果已转让荷兰、日本、德国等世界泵业巨头和我国行业骨干企业30余家。系列高效轴流泵水力模型已成功应用于我国南水北调东线工程,占总数的70%以上。在核电领域,应用于中广核阳江核电站、岭奥核电站、海阳核电站循环给水泵系统等。在国家重点国防装备领域,应用于某型号核潜艇鱼雷新型液压发射系统,打破了欧美垄断。 本项目成果在我国南水北调东线工程建设、国家水资源配置、农业持续稳产高产、核潜艇武器装备等领域发挥了重大作用,提升了我国大型轴流泵的技术水平,并确立了我国在该技术领域的国际领先地位。