雙向立式潛水軸流泵裝置特性研究

錢(qián) 鈞，周慶連，劉 超，楊 華，湯方平，楊 帆

(1. 江蘇省秦淮新河水利工程管理處，南京 210000；2. 連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 連云港 222000；3. 揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引 言

雙向流道是我國(guó)已建成灌排雙向泵站運(yùn)用的主要流道形式之一[1-4]，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單實(shí)用。武定門(mén)站為灌排兩用泵站，配“X”形雙向進(jìn)出水流道，建于20世紀(jì)60年代，是我國(guó)第一座采用雙向進(jìn)出水流道對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)雙向抽水的泵站。經(jīng)40多年的運(yùn)行，再加上秦淮河污水的嚴(yán)重侵蝕，致使水下部分混凝土表面侵蝕、碳化嚴(yán)重，金屬結(jié)構(gòu)銹蝕、剝落，主要電氣設(shè)備嚴(yán)重老化，裝置效率下降，水泵汽蝕嚴(yán)重，機(jī)組振動(dòng)加劇；維修困難等，存在嚴(yán)重安全隱患，難以保證安全運(yùn)行。同時(shí)還存在泵站機(jī)組單機(jī)流量小、臺(tái)數(shù)多、流道空間狹小，運(yùn)行管理、設(shè)備檢查維修難度大等問(wèn)題。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高裝置性能和運(yùn)行可靠性，經(jīng)方案初選確定采用潛水泵更新改造。潛水泵裝置的水泵模型采用比轉(zhuǎn)速ns=1 000的ZM4.2軸流泵水力模型。該泵站設(shè)計(jì)流量為46 m3/s，原型泵葉輪直徑1 154 mm，單機(jī)流量4.6 m3/s，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.8 m，最高揚(yáng)程4.07 m，最低揚(yáng)程2.5 m。

潛水泵裝置機(jī)泵同軸，具有結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，簡(jiǎn)化廠房，可以整體吊裝，安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。為切實(shí)掌握立式潛水軸流泵對(duì)進(jìn)出水結(jié)構(gòu)的影響和更新改造后的性能，采用CFX軟件對(duì)泵裝置內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)整個(gè)裝置的流動(dòng)特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，制作雙向流道潛水軸流泵裝置并進(jìn)行模型試驗(yàn)，獲取了泵裝置的能量和汽蝕性能，同時(shí)對(duì)進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，研究消渦措施，通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果和改造方案的可行性，以保證泵站更新改造取得成功。

1 泵裝置結(jié)構(gòu)形式

該泵站雙向進(jìn)出水流道軸流泵裝置如圖1所示。由于當(dāng)初并無(wú)經(jīng)驗(yàn)借鑒，原設(shè)計(jì)中存在一些問(wèn)題，如進(jìn)水結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致水泵進(jìn)口下方的附底渦帶產(chǎn)生，機(jī)組振動(dòng)嚴(yán)重；出水結(jié)構(gòu)不合理使得水流紊亂阻力損失大，加之水泵水力模型性能欠佳，裝置效率低于60%。針對(duì)泵裝置存在的問(wèn)題，更新改造設(shè)計(jì)方案為：① 采用新的水泵模型，提高水泵性能；② 采用體積較小的潛水泵裝置，增加空間和便于維修；③改進(jìn)出水室的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，減小水力損失；④改善進(jìn)水結(jié)構(gòu)，消除漩渦和振動(dòng)。

圖1 雙向流道潛水軸流泵裝置模型結(jié)構(gòu)尺寸(單位:cm)

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算參數(shù)

采用ZM4.2-300模型軸流泵，模型泵葉輪直徑D=300 mm、葉片數(shù)為4、轉(zhuǎn)速1 399 r/min，對(duì)流量Q分別為220、260、290、340 L/s等4種工況分別進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了泵裝置內(nèi)部的流場(chǎng)，并預(yù)測(cè)了泵裝置的性能。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

計(jì)算區(qū)域(如圖2)包括進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道4個(gè)部分。

計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)點(diǎn)總數(shù)1 101 732，網(wǎng)格總數(shù)1 013 303，進(jìn)出水流道網(wǎng)格由ICEM-CFD軟件劃分，葉輪、導(dǎo)葉的網(wǎng)格由TurboGrid生成。進(jìn)口邊界條件為質(zhì)量進(jìn)口，出口邊界為靜壓出口，在葉片表面及轉(zhuǎn)輪內(nèi)部，采用無(wú)滑移固壁邊界條件。

圖2 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格

2.3 泵裝置內(nèi)流動(dòng)特性計(jì)算結(jié)果

數(shù)值模擬的紊流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，采用SIMPLEC算法進(jìn)行計(jì)算。圖3～圖5為流線圖、流速矢量及壓力、速度云圖，X軸為與進(jìn)出水主流方向垂直(中間為零)，Y軸為順?biāo)鞣较颍琙軸為鉛直方向(底面為零)。

圖3 進(jìn)、出水流道斷面流線、流速矢量和靜壓云圖

圖4 水泵進(jìn)口斷面靜壓和速度云圖

圖5 不同流量工況下的泵進(jìn)口流速均勻度

由圖3(a)、 (b)可見(jiàn)，泵裝置內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)與單向進(jìn)出水流道內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)相近。進(jìn)水流道內(nèi)部的水流在前部流線平順，從平面看水流的分布在中心線兩側(cè)基本是對(duì)稱(chēng)的；而與肘形彎管進(jìn)水流態(tài)不同的是該流道的葉輪下方有不穩(wěn)定的漩渦存在，這會(huì)導(dǎo)致壓力的脈動(dòng)，而這在定常數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果中得不到反映。在立面上水流呈與肘形進(jìn)水流道相似的流動(dòng)形態(tài)，這是因?yàn)槔瓤谙碌膬艨崭叨容^大。與單向進(jìn)水流道相比，后側(cè)有較大的空間，實(shí)際上就相當(dāng)于后壁距有很大的盲端。流線顯示在流道后側(cè)存在有回流區(qū)。回流范圍比較大，但是回流的速度很小，流動(dòng)緩慢，其對(duì)泵裝置內(nèi)部的主流和機(jī)組運(yùn)行性能影響很小。

出水流道的流動(dòng)形態(tài)比較復(fù)雜，從流線看有較大的擺動(dòng)。這是由于葉輪出口水流的環(huán)量比較大，再疊加水流方向改變90°引起的二次回流所導(dǎo)致的，且流道中間小隔墩較短，水流未能得到進(jìn)一步充分地調(diào)整。和進(jìn)水流道一樣，出水流道后部也有盲端，并存在回流區(qū)且流速較大，產(chǎn)生相應(yīng)的水力損失，使得管路效率降低。

從圖3(b)的平面進(jìn)水流態(tài)圖可知，在葉輪的下方水流與彎管進(jìn)水不同，有不穩(wěn)定漩渦存在，這是因?yàn)樵搮^(qū)域水流有不連續(xù)的奇點(diǎn)，這部分水流的旋轉(zhuǎn)能量不斷積累，一旦達(dá)到臨界數(shù)值就會(huì)產(chǎn)生渦帶，渦帶是中心區(qū)域?yàn)闅怏w的漩渦，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較大，漩渦進(jìn)入水泵葉輪后引起水泵機(jī)組的劇烈振動(dòng)，對(duì)泵站運(yùn)行有很大的危害。

圖3 (c)的平面出水流態(tài)顯示的特征與立面圖相似，后導(dǎo)葉出口水流的環(huán)量使得出水流道內(nèi)的水流流線向側(cè)壁偏移，盡管出水流道內(nèi)設(shè)置了中隔墩，因其長(zhǎng)度較短，消減環(huán)量調(diào)整水流的效果并不明顯。出水流態(tài)會(huì)導(dǎo)致出水流道損失增大，降低泵裝置的管路效率。

圖4為水泵葉輪進(jìn)口斷面靜壓和速度云圖。圖4(a)表明水泵葉輪進(jìn)口斷面的壓力分布較為均勻。圖中顯示在進(jìn)水來(lái)流方向的轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)有一個(gè)低壓區(qū)，低壓區(qū)的范圍較小。圖4(b)為泵葉輪進(jìn)口的流速分布圖，在水流轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的流速較高，說(shuō)明這個(gè)流動(dòng)形態(tài)符合肘形彎管流動(dòng)的特征。

為進(jìn)一步了解葉輪進(jìn)口水流分布情況，計(jì)算了該斷面的軸向流速分布的均勻度：

(1)

上式反映考慮各計(jì)算單元流速偏離斷面平均流速平均差值的相對(duì)流速分布情況。圖5是不同流量工況時(shí)的進(jìn)口流速均勻度數(shù)據(jù)列和相應(yīng)的曲線。

從計(jì)算所得的泵進(jìn)口斷面流速均勻度的數(shù)值可知，該泵裝置的進(jìn)水流道為水泵提供的進(jìn)水條件較好，基本能夠滿足水泵運(yùn)行的需要。通常設(shè)計(jì)優(yōu)良的臥式泵和肘形進(jìn)水流道裝置其泵進(jìn)口的水流流速均勻度可以達(dá)到90%甚至更高；而立式雙向泵裝置進(jìn)水流道的出口流速均勻度則要低一些。盡管該泵站為20世紀(jì)70年代建設(shè)，尺寸尚有一定優(yōu)化改進(jìn)的空間，考慮到土建結(jié)構(gòu)以基本滿足運(yùn)行要求為原則，不宜大動(dòng)，水泵進(jìn)口流速均勻度為84%左右仍然可以保證水泵的正常運(yùn)行，故對(duì)進(jìn)水流道出口尺寸僅為適應(yīng)改造后水泵安裝的需要做局部修改，不作大的改動(dòng)。

圖6(a)是泵出口斷面的壓力和流速云圖，水泵出口斷面選取在導(dǎo)葉體出口附近。從整個(gè)斷面來(lái)看壓力分布較為均衡，僅在外周邊有局部低壓區(qū)，這一點(diǎn)正好在圖6(b)中得到印證。圖6(b)是泵出口斷面的速度云圖，可以看出導(dǎo)葉片尾流對(duì)該斷面流速分布影響較大。很顯然，斷面四周外緣附近的流速較高，主要是切向流速較高。這也表明水流經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉體后在該斷面的速度環(huán)量仍然較大，這又是引起泵裝置出水流道內(nèi)水流的擺動(dòng)和旋流式流線的原因，見(jiàn)圖3(a)和(c)。

圖6 水泵出口斷面靜壓和速度云圖

2.4 泵裝置外特性預(yù)測(cè)

在泵裝置內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)泵裝置的外特性即揚(yáng)程、功率和效率隨流量的變化關(guān)系進(jìn)行了預(yù)測(cè)，泵裝置的計(jì)算斷面選取為進(jìn)水流道的進(jìn)口和出水流道的出口，預(yù)測(cè)的計(jì)算結(jié)果如圖7所示，計(jì)算的葉片角度為0°。最高效率點(diǎn)的流量為313 L/s，揚(yáng)程為3.97 m，功率為18.5 kW，效率為65.7%。性能預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果及其與之后的模型試驗(yàn)結(jié)果比較見(jiàn)圖7。

圖7 泵裝置性能預(yù)測(cè)結(jié)果 (0°)

泵裝置性能計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，在泵裝置的高效區(qū)及大流量區(qū)一致性較好，但在小流量區(qū)相差較大，這與小流量工況下泵內(nèi)的回流及漩渦較強(qiáng)導(dǎo)致計(jì)算誤差增大有關(guān)。

3 模型試驗(yàn)

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果、確定改造方案的可行性，制作了模型泵裝置并在江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模型試驗(yàn)。原型水泵葉輪直徑1 154 mm，轉(zhuǎn)速364 r/min，采用ZM4.2水力模型進(jìn)行試驗(yàn)，水力模型葉片數(shù)為4, 模型泵葉輪直徑300 mm，原模型比λ=3.847。采用變頻器調(diào)節(jié)模型泵轉(zhuǎn)速，根據(jù)水泵相似律等揚(yáng)程準(zhǔn)則換算(即nMDM=nPDP)，模型泵試驗(yàn)額定轉(zhuǎn)速為1 399 r/min。

3.1 測(cè)試方法

泵裝置揚(yáng)程測(cè)量試驗(yàn)方法按照GB3215-89和SL 140-2006執(zhí)行。進(jìn)口測(cè)壓斷面設(shè)置在進(jìn)水箱1-1位置，出口測(cè)壓斷面設(shè)在壓力水箱2-2位置(如圖8所示)，裝置揚(yáng)程H等于1-1和2-2兩斷面的總能頭差(即相應(yīng)于原型泵站的上下游水位差)。流量、軸功率、轉(zhuǎn)速、汽蝕余量測(cè)量均按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行。

圖8 測(cè)壓斷面布置示意圖

3.2 模型試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1模型泵裝置綜合特性曲線

模型試驗(yàn)對(duì)5個(gè)葉片角度進(jìn)行了測(cè)試，圖9為模型泵裝置在葉片角為-4°至4°時(shí)的綜合特性曲線。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在葉片角度0°,設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.579 m時(shí)，流量為314.21 L/s，裝置效率達(dá)66.11%;在葉片角度-4°設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.332 m時(shí)，流量為280.26 L/s，裝置效率達(dá)67.18%;在葉片角度-2°設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.607 m時(shí)，流量為287.58 L/s，裝置效率達(dá)67.34%;在葉片角度+2°設(shè)計(jì)揚(yáng)程為4.007 m時(shí)，流量為325.02 L/s，裝置效率達(dá)64.85%；在葉片角度+4°設(shè)計(jì)揚(yáng)程為4.007 m時(shí)，流量為344.92 L/s，裝置效率達(dá)64.03%；裝置效率達(dá)59.17%。

圖9 模型泵裝置綜合特性曲線(ZM4.2)

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果按照等揚(yáng)程、等效率(偏安全)換算到原型泵裝置，在葉片角度0°，揚(yáng)程為3.07 m時(shí)，流量為4.89 m3/s，泵裝置效率為63.4%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在泵裝置實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程(2.5～4.07)m范圍內(nèi)，泵裝置能量性能均能達(dá)到較高的效率，滿足泵站運(yùn)行的流量要求且能保證在最大揚(yáng)程下穩(wěn)定安全運(yùn)行。與改造前相比，泵裝置效率提高3%～5%。這表明泵裝置改造方案可行。

3.2.2模型泵裝置汽蝕性能

模型試驗(yàn)測(cè)試了泵裝置3個(gè)葉片角度的汽蝕性能，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算了泵裝置的必需汽蝕余量，汽蝕性能曲線見(jiàn)圖10。在整個(gè)測(cè)試的流量范圍內(nèi)，泵裝置必需汽蝕余量NPSHr為(4.9～9.7)m，相應(yīng)的汽蝕比轉(zhuǎn)速C為(800～1 300)，在泵站運(yùn)行揚(yáng)程范圍內(nèi)，泵裝置必需汽蝕余量NPSHr為(4.9～8.8)m，相應(yīng)的汽蝕比轉(zhuǎn)速C為(890～1 300)，說(shuō)明汽蝕性能良好，能滿足水泵實(shí)際運(yùn)行對(duì)汽蝕性能要求。

圖10 模型泵裝置汽蝕性能曲線

3.2.3壓力脈動(dòng)測(cè)量

模型試驗(yàn)顯示進(jìn)水流道在流量大于300 L/s有附底渦帶出現(xiàn)，引發(fā)泵機(jī)組振動(dòng)。為深入了解水力振動(dòng)情況，在進(jìn)水流道底部和出水流道側(cè)壁處分別安裝2只動(dòng)態(tài)壓力傳感器，測(cè)量流道壁面的壓力脈動(dòng)。傳感器的型號(hào)為HM90，其安裝位置如圖11所示。每隔2秒進(jìn)行一次壓力信號(hào)采集，每個(gè)工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間約為2 min。

圖11 壓力傳感器安裝位置

圖12為葉片角度為-2°時(shí)，各流量工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰值，由圖12看見(jiàn)，在小流量工況和設(shè)計(jì)流量工況時(shí)，壓力脈動(dòng)峰值相對(duì)較小，流量大于310 L/s時(shí)，壓力脈動(dòng)峰值開(kāi)始增加，壓力脈動(dòng)最大值和最小值幅值之差越來(lái)越大。此時(shí)從模型裝置設(shè)置的進(jìn)口觀測(cè)窗看到進(jìn)水流道內(nèi)有附底渦帶出現(xiàn)，渦帶引發(fā)泵機(jī)組振動(dòng)，這恰好印證了壓力脈動(dòng)峰值增大的緣由。

圖12 壓力脈動(dòng)峰值隨流量的變化(葉片角)

3.2.4進(jìn)水漩渦和消渦防渦措施

在模型試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在流量大于300 L/s工況有附底渦帶出現(xiàn)，且流量愈大渦帶出現(xiàn)的頻率愈高，持續(xù)時(shí)間愈長(zhǎng)，漩渦的強(qiáng)度愈大，在渦帶出現(xiàn)的時(shí)候機(jī)組產(chǎn)生較明顯的振動(dòng)。渦帶的頻率如果與機(jī)組的自振頻率接近就可能引起泵裝置劇烈振動(dòng)，對(duì)泵機(jī)組的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。因此，防止和消除附底渦帶對(duì)于雙向進(jìn)水流道泵機(jī)組運(yùn)行的安全性尤為重要。為了消除進(jìn)水流道內(nèi)的渦帶，在進(jìn)水流道的底部設(shè)置了項(xiàng)目組研發(fā)的消渦錐，其形狀尺寸如圖13所示。消渦錐固定在水泵喇叭口的正下方，順?biāo)鞣较蛴幸欢谈舭澹钄嗔怂鞯沫h(huán)向旋轉(zhuǎn)，消除了流動(dòng)非連續(xù)區(qū)。流道中加裝消渦錐后，有效消除了進(jìn)水流道內(nèi)的渦帶，在各種工況下未觀測(cè)到可見(jiàn)附底漩渦，可以確保水泵機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。圖14為有無(wú)消渦錐時(shí)泵裝置的能量性能曲線。由圖可見(jiàn)，消渦錐對(duì)水泵能量性能影響很小，有無(wú)消渦錐時(shí)泵裝置的能量性能的差別在泵裝置測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性誤差范圍之內(nèi)，可以忽略。然而消除漩渦可以增強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而確保泵機(jī)組的運(yùn)行安全。

圖13 進(jìn)水流道底部的消渦錐(單位：mm)

圖14 有無(wú)消渦錐泵裝置能量性能對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)模型試驗(yàn)的結(jié)果表明更新改造的雙向泵裝置的性能較好， 模型泵裝置在葉片全角度下效率達(dá)(60～67)%的范圍較寬，效率較高，比改造前平均提高3%～5%，模型裝置能量性能達(dá)到了泵站改造設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求。

(2)模型泵裝置必需汽蝕余量NPSHr為(4.9～9.7)m，相應(yīng)的汽蝕比轉(zhuǎn)速C為(800～1 300)，汽蝕性能良好，能滿足水泵實(shí)際運(yùn)行對(duì)防止產(chǎn)生汽蝕的需要。

(3)模型試驗(yàn)顯示進(jìn)水流道在流量大于300 L/s時(shí)有附底渦帶出現(xiàn)，渦帶出現(xiàn)頻率較高，引發(fā)泵機(jī)組振動(dòng)。采用項(xiàng)目組研發(fā)的消渦錐有效地消除了進(jìn)水流道內(nèi)存在的底部有害漩渦，實(shí)現(xiàn)水泵進(jìn)口無(wú)渦運(yùn)行，提高泵機(jī)組運(yùn)行可靠性。

(4)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果獲得雙向泵裝置內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)，在進(jìn)水流道后端存在有較大的回流區(qū)，但是回流速度很小，對(duì)主流和泵裝置運(yùn)行影響不大，其余與單向進(jìn)水流道內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)相近，進(jìn)水流道出口的流速分布均勻度為84%左右；雙向出水流道內(nèi)受出流環(huán)量影響水流流線擺動(dòng)較大，出水流道前端水流紊亂，這是雙向流道泵裝置效率低于單向裝置的主要原因。

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