高效平面S形軸伸泵裝置優化設計與模型試驗

劉 超 張 松 謝傳流 錢 軍 謝榮盛

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院， 揚州 225100； 2.揚州市勘測設計研究院有限公司， 揚州 225007)

引言

軸流泵裝置可以分為軸伸式和貫流式兩大類。軸伸式泵裝置又分為平面S形(臥式)、立面S形(立式、斜式)和Y形(臥式豎井泵裝置)[1]。近年來燈泡貫流泵裝置、雙向流道泵裝置和雙向泵裝置均有重要的發展[2-8]。低揚程泵站中選用豎井軸伸泵、潛水貫流泵和燈泡貫流泵較多[9-15]，立面S形斜軸伸泵應用也增長較快[16-26]，對平面S形軸伸泵裝置應用和研究相對較少[27-32]。平面S形軸伸泵裝置的結構最為簡單，安裝維護簡便，運行可靠，然而以往的平面S形軸伸泵裝置效率較低，限制了其實際應用和推廣。

傳統的平面S形軸伸泵裝置的彎管為圓形斷面，且面積相等，彎道內二次流導致水力損失較大，管路效率低。本文基于流體動力學的最小阻力原理和下臥式立面S形軸伸泵裝置的優點，結合實際工程的應用需要，提出平面S形軸伸泵裝置設計方案，優化斷面漸擴的彎管，以變曲率橢圓斷面取代圓形斷面，控制二次流，減小出水擴散角及水力損失，提高管路效率。應用CFD三維流動數值模擬技術，計算獲得平面S形軸伸泵裝置的內部流場，并預測泵裝置性能。分析細部結構對水力損失的影響，針對水力特性的不足，對方案作出相應的改進優化，使流道的水力損失最小，最后制作模型裝置在高精度水力機械試驗臺進行模型試驗，測試泵裝置性能。

1 泵裝置數值優化

黃金壩閘站工程為中型規模，主要用于抽引古運河的水源補充城區內的環境生態用水。黃金壩閘站泵房內布置1400ZWB4.5-1型臥式單向軸流泵3臺，單臺電動機功率為115 kW，用于抽引運河水；另外布置1400 ZWS4.5-2型臥式雙向軸流泵1臺，單臺電動機功率為132 kW，主要用于灌溉排水和輔助引水。除了在需要時抽排城區內的澇水，也可用于抽引運河水。黃金壩閘站泵站引水設計流量18 m3/s，排澇設計流量3 m3/s，采用4臺機組，其中3臺單向運行，單機設計流量4.5 m3/s，1臺雙向運行，正向引水設計流量4.5 m3/s，排澇設計流量3 m3/s。黃金壩泵站設計凈揚程0.65～1.05 m，最高凈揚程1.65 m，為特低揚程泵站。經方案比較，選用平面S形軸伸泵裝置。前期研究采用數值模擬方法對泵裝置進行流動特性分析和性能預測，為設計選型提供依據。

1.1 數值模擬基本理論

1.1.1控制方程與紊流模型

泵葉輪內部流動是三維非定常紊流流動，水泵穩定運行時認為葉輪內相對運行是定常流動，采用ANSYS-CFX軟件進行數值模擬。計算中用動靜交界面處理葉輪與進水流道、導葉體之間動靜耦合流動的參數傳遞。控制方程的離散采用基于有限元的有限體積法。擴散項和壓力梯度采用有限元函數表示，對流項采用高分辨率格式。流場的求解使用全隱式多重網格耦合方法，將動量方程和連續性方程耦合求解，同時引入代數多重網格技術，提高求解的穩定性和計算速度。

控制方程為雷諾平均RANS方程，紊流模型采用標準k-ε紊流模型。

1.1.2計算參數與邊界條件

數值模擬計算時將原型的幾何參數轉換為模型幾何參數，以便與模型試驗結果對比。模型泵葉輪直徑DM=300 mm，原型泵葉輪直徑DP=1 350 mm，則幾何比尺λD=1 350/300=4.5；遵循等揚程準則，即nMDM=nPDP，揚程比尺λnD=1，根據原型泵轉速np=227 r/min，計算得到模型轉速nM=1 022 r/min。對應原型設計工況流量4.5 m3/s的模型流量為222 L/s。所有的結構部件經過比例換算后進行幾何建模。泵裝置計算區域包括：進水段、進水流道、葉輪、導葉體、出水流道及出水段。

(1)進口邊界條件。為了更好地模擬泵裝置內部流動，在泵裝置進水流道前加一段進水段(相當于進水前池)，以保證水流進入進水流道是充分發展的紊流，更接近實際的流速分布。進口設置在進水段的進口斷面，采用質量流進口條件。

(2)出口邊界條件。在出水流道后加一段出水延伸段(相當于出水池)，將計算流場的出口設置在出口段的出口斷面，使水流充分發展，出口斷面采用出流邊界條件。

(3)壁面條件。泵裝置的進出水流道、葉輪的輪轂、外殼及導葉體的固體壁面均設置為靜止壁面，應用無滑移條件，近壁區流動采用scalable壁面函數。

(4)自由液面。進水段和出水段的水面為自由液面，按對稱面處理。

(5)旋轉葉輪部件與固定導葉及進水流道之間的靜動交界面采用 stage 模型傳遞數據。對葉輪的扭矩及進出的總壓增量設置監控點，以監控點不隨計算的波動為收斂標準。

1.2 泵裝置模型與網格剖分

采用NX 8.0軟件對進水流道、直管式出水流道、進水段和出水段進行實體建模與網格剖分。采用CFX-TurboGrid軟件對葉輪和導葉體進行實體建模與網格剖分，模型泵建模時考慮了葉頂間隙的影響，葉頂間隙設置為0.2 mm。泵裝置的水力模型采用ZM25A葉輪。

1.2.1泵裝置整體三維幾何模型

在NX 8.0中完成進水流道型線的參數化建模，控制參數主要為收縮斷面圓角與外部型線，通過調整各斷面控制尺寸最終使得各斷面之間過渡平順。泵裝置包括進水流道、泵葉輪、導葉體和出水流道，如圖1所示。

圖1 泵裝置整體幾何模型Fig.1 Pump geometric model as a whole1.進水流道 2.葉輪導葉 3.彎管 4.出水流道

1.2.2導葉和葉輪模型建立與網格剖分

葉輪和導葉的模型分別在Turbgrid中按照葉輪直徑DM=300 mm標準模型建立，如圖2所示。泵葉輪中心為坐標原點，Z軸為旋轉軸，葉頂間隙設置為0.2 mm，葉片曲面以光滑曲面方式建立。

圖2 葉輪和導葉模型與網格圖Fig.2 Impeller and guide blade model and grid

1.2.3進、出水流道模型建立與網格剖分

進水流道為水平直管，斷面從進口的矩形過渡到出口的圓形，面積逐步減小。出水流道由S形彎管和出口直段組成，面積逐步增大，如圖3所示。出水流道模型建立時考慮軸伸段電動機安裝方便，并兼顧水流平順過渡，出水彎管斷面的寬度小于高度。

圖3 進、出水流道網格Fig.3 Inlet/outlet passage grids

1.2.4網格數

泵裝置模型最終生成的網格角度在 24°～155°之間，網格質量均大于0.35。各個計算區域網格結點與網格數如表1所示。通過網格無關性檢驗，計算結果滿足應用要求。

1.3 數值模擬計算結果與分析

1.3.1軸伸泵裝置整體流動形態

根據數值模擬計算的內部流態，選取水泵葉片角-2°的計算結果，繪出泵裝置內部全流道三維流線用于分析。圖4為平面S形軸伸泵裝置全流道流場的三維流線，圖中列出了最高效率工況(流量為Q0)、大流量工況和小流量工況3種流動形態。

表1 網格結點與網格數Tab.1 Numbers of grid nodes and elements

圖4 不同工況下泵裝置全流道三維流線Fig.4 Three-dimensional flow of pump system under different operating conditions

從軸伸泵裝置內部流線圖可以看出不同工況的流動形態特征。在最高效率工況運行時，進出水流道整體流態較好，進水流道的流線順直，沿著進水流道幾何邊界收縮流動，沒有脫流和偏轉，流態非常理想；而在出水流道內，水泵導葉出口的剩余環量致使水流產生螺旋型流動，這種螺旋型流動在流向出口的過程中逐步發展，愈發明顯。在小流量工況下，進水流道的流動順直，保持理想形態；出水流道的流動形態因流量減小，葉輪內的二次回流和導葉內部脫流，軸向流速降低，剩余環量較大，出水流道內部螺旋流動增強。在大流量工況下，進水流道流動依然呈現理想形態；由于軸向流速的增大，螺旋型流線有一定的舒緩。

新峪選煤廠的工業性試驗表明，三產品重介質旋流器的工藝指標，無論是數量效率還是可能偏差均優于主再選兩產品重介質旋流器。該廠一期工程系統的主再選兩產品重介質旋流器采用預先脫泥有壓給料，主選旋流器排矸，懸浮液密度不高，致使矸石帶煤率大，造成了寶貴的煤炭資源損失。三產品重介質旋流器的噸煤電耗為0.72 kW·h，低于主再選兩產品重介質旋流器，符合節能降耗的基本國策。

1.3.2進水流道流速分布

進水流道的出口就是葉輪室的進口，進水流道的設計應為葉輪提供流速分布均勻的進水條件，其軸向速度分布均勻程度反映了進水流道的設計質量,是實現水泵設計性能的重要保證[20-21]。為進一步討論這種流道的水力特性，考察了進水流道在最高效率工況(流量Q0)、大流量(1.2Q0)工況、小流量(0.6Q0)工況3個不同工況下，4個過水斷面(斷面1、2、3、4)的流速矢量圖，如圖5所示。進水水流速度從進口到出口逐漸增加，在距離水泵葉輪進口(斷面0)0.14 m的斷面4，無論是最高效率工況，大流量工況，還是小流量工況，從進口斷面1到出口斷面4，各個斷面水流速度矢量圖顯示，流速大小都非常均勻，流速方向保持順直。

圖5 進水流道流速分布Fig.5 Flow velocity distributions of suction passage

根據數值模擬的結果，采用計算單元面積加權的方法，計算得到了進水流道出口斷面4紊流區的流速均勻度Vzu，其數值越大，表明進水流道的出口水流的軸向流速分布越均勻，計算公式為[22]

式中Vzu——流道出口斷面軸向流速分布均勻度，%

vai——流道出口斷面各計算單元的軸向速度，m/s

ΔAi、A——i單元的面積、斷面面積

在各個不同的流量工況下，斷面軸向流速分布均勻度都達到了99.2%以上，如圖6所示。因此進水流態已經接近理論設定狀態，可以充分保證水泵對葉輪進口的水力條件要求，使水泵最大程度地實現其設計性能[23-24]。這主要是因為進水流道為斷面漸縮的直管，水流均勻收縮和加速且沒有彎道，進水條件優異正是平面S形(后置)軸伸泵裝置的一個突出的優點。

圖6 進水流道出口流速均勻度Fig.6 Velocity uniformity of suction passage outlet

1.3.3出水流道水流流動特性

出水流道由S形彎管和直管2部分構成。如前所述，受水泵葉輪旋轉的影響，水流流出后導葉時盡管已通過導葉的調整，仍然帶有較大的環量[25]。出水彎管的一個重要功能是回收水流的剩余動能；另一個重要功能則是調整水流的方向。由于動力機的外置和水流流向的調整，形成了雙彎道的S形彎管，為了在徑向有效抑制彎道水流橫向二次流的發生，有利于動能的回收，出水彎管采用橢圓形斷面。為深入分析出水流道內部水流流動結構，分別在出水彎管選取4個橫斷面(斷面5、6、7、8)，在出水直管選取1個橫斷面(斷面9)，考察不同工況下出水流道橫斷面的流動情況，斷面位置和流動形態如圖7所示。

斷面5為彎管的進口，同時也是水泵導葉的出口，水流從葉輪帶來的剩余環量大，在小流量工況下尤為突出。此時進入彎管的水流軸向速度較大，在彎管徑向約束作用下，未能形成橫向二次環流的形態，在彎管中部斷面7處偏向一側出現較小的回旋區，并向直段延續發展，在彎管出口斷面8及其后的直管斷面9形成順時針、全斷面的回旋。隨著流程發展，過流斷面增大，水流流速下降，回旋的速度也在減小。正是這種斷面回旋流動與水流軸向流動疊加，形成了如圖4所示的水流螺旋形流動，這也是軸流泵裝置出水流動形態的共有特征。從不同的流量工況看，隨著流量的減小，在小流量工況(0.6Q0)斷面回旋的形態更為明顯；在大流量工況(1.2Q0)時,彎管中部斷面7的回旋形態并不明顯，但是在彎管出口斷面8、直管斷面斷面9，與較小流量的工況一樣，均為全斷面的回旋流動。這不同于普通彎管內二次流的雙回旋流動，說明S形彎管較好地抑制了水流的橫向二次回旋，有助于減少出水流動的能量消耗和出水流道的水力損失。因而小流量工況的效率有所提升。

圖7 出水流道不同斷面橫向旋轉流動Fig.7 Swirl flow at different cross sections of discharge passage

為了進一步剖析出水流道渦旋流動的情況，提取了3個流量工況下斷面5～9的渦度，即旋渦強度，對應斷面位置的坐標值，分別繪制成曲線，如圖8所示。

圖8 出水流道不同斷面渦度的變化Fig.8 Changes of vorticity at different cross sections of discharge passage

在3個工況下，從導葉出口到出水流道出口斷面旋渦強度均呈下降趨勢，其中小流量工況下從斷面5至斷面7下降梯度最大；最高效率工況和大流量工況下斷面5至斷面7下降梯度較緩，斷面7至斷面8下降梯度較大；3個工況的斷面8至斷面9的渦度變化規律一致。彎管內總的水流渦旋強度從S形彎管進口斷面5的最大值下降至S形彎管出口斷面8的最小值，到斷面9稍有回升。這種情況表明，S形彎管抑制橫向回旋流動，回收旋轉動能的效果很好，尤其對于小流量工況，彎管回收旋轉動能的效果更佳，對提高泵裝置的運行效率極為有利。

1.3.4進、出水流道水力損失

根據數值模擬的流速場和壓力場，計算了在不同流量下進水流道與出水流道的水力損失。圖9為進、出水流道水力損失隨流量的變化曲線。

圖9 進、出水流道水力損失Fig.9 Hydraulic loss of passages

由圖9可知，進水流道的水力損失很小，在泵裝置流量為160～280 L/s時，進水流道損失隨流量的增大而增大，數值為0.005～0.016 m。出水流道損失有所不同，在最高效率點右側，水力損失隨流量增加而增大，數值為0.02～0.096 m；在最高效率點左側，水力損失隨流量增加而減小，數值為0.02～0.08 m；出水流道損失在最高效率工況附近有最小值0.02 m；進、出水流道總損失為0.085 m-0.02 m-0.112 m的拋物線。這正是S形后置軸伸泵裝置的又一特點，有助于提高小流量工況的泵裝置效率[26]。由于進出水流道的水力損失很小，高效平面S形軸伸泵裝置的整體效率得以達到較高的水平。

1.3.5軸伸泵裝置性能預測

對泵裝置的性能進行預測是對設計方案進行評價的重要參考，尤其在前期方案比選過程中，可以節省很多時間。

水泵效率為有效功率與軸功率的百分比，計算公式為

(1)

式中Ne——水泵的有效功率，kW

Q——水泵的流量，L/s

H——水泵的揚程，m

P——水泵的軸功率，kW

ρ——水的密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

泵裝置揚程1.5～1.6 m時，流量為220～236 L/s，最高效率達到77%左右，能夠滿足工程的實際需要。將葉片角-2°的泵裝置性能預測結果列出并與相應葉片角的試驗結果比較，如圖10所示。計算的揚程-流量曲線的斜率偏小，在最高效率點附近計算預測結果與試驗結果接近，在小流量工況計算揚程偏小，流量越小差異越大；而在大流量工況則相反，計算揚程偏大。主要因為非設計工況下的泵裝置內流動存在較大的脫流和旋渦，與設定的流動邊界條件相差較多。泵裝置的性能預測可用于泵裝置最優工況性能的參考，實際性能則必須經過模型試驗或原型試驗來確定。從最高效率點預測性能看，平面S軸伸泵裝置的能效指標較高，能夠滿足實際工程的需要。

圖10 泵裝置性能預測結果與試驗比較Fig.10 Results of pump performance prediction and experiment

2 模型泵裝置試驗

2.1 模型泵試驗裝置

為驗證數值模擬優化方案結果，獲取平面S形軸伸泵裝置的性能，在江蘇省水利動力工程實驗室的高精度水力機械試驗臺進行模型試驗。試驗臺測試系統通過國家計量認證，每2年復檢一次，試驗綜合精度達到0.29%。根據泵站水位及特征揚程，選擇ZM25A模型泵。根據幾何比尺λD=4.5的比尺縮小組成模型泵裝置。葉頂間隙控制在0.15 mm以內。葉輪室開有觀察窗，便于觀測葉片處的水流形態。模型泵裝置如圖11所示。

模型試驗測試了泵裝置能量性能、汽蝕性能和飛逸特性。

圖11 模型泵裝置照片Fig.11 Model pump system photo1.觀察窗 2.進水流道 3.導葉 4.彎管 5.出水流道 6.葉輪 7.電動機

2.2 模型試驗結果

2.2.1性能試驗

圖12 黃金壩軸伸泵裝置性能曲線Fig.12 Gold-Dam shaft-extension pump performance curves

模型試驗測試了5個葉片安放角度(-6°、-4°、-2°、0°、2°)的性能。根據試驗結果整理得到泵裝置通用性能曲線，圖12a為模型泵裝置通用性能曲線，圖12b為原型泵裝置通用性能曲線。各角度最優工況參數如表2所示。試驗結果表明，在葉片角度-4°、-2°、0°和2°，揚程1.74 m時，模型試驗最高泵裝置效率為77.10%～78.35%。最高效率出現在葉片角2°，為78.35%，相應的流量為244.21 L/s，揚程2.003 m，在葉片角0°、-2°、-4°的最高效率均超過了77%。在設計揚程1.05 m，設計流量222 L/s，葉片角-4°時即可以滿足要求，對于此類特低揚程的泵站，其裝置效率已經達到較高水平。經過綜合比較，確定采用葉片安裝角為-2°，揚程1.05 m，流量232 L/s，泵裝置效率為68%，對應原型泵裝置流量為5 m3/s。

表2 模型泵裝置性能試驗最優效率數據Tab.2 The best efficiency data of model pump performance

2.2.2汽蝕特性

模型泵裝置的汽蝕試驗采用定流量的能量法，取水泵效率較其性能點低1%的汽蝕余量作為臨界汽蝕余量(以葉輪中心為基準)。測試了3個葉片角度不同流量點的汽蝕試驗性能，圖13為汽蝕試驗曲線。最高揚程1.65 m以下的各運行工況的泵裝置汽蝕余量均在5.0 m以下，高效點泵裝置汽蝕余量為3.0 m以下，按照不同葉片角度最高效率點汽蝕余量計算，汽蝕比轉數達1 300以上，表明泵裝置汽蝕性能優異。

圖13 黃金壩泵裝置模型汽蝕曲線Fig.13 Cavitation curves of model pump

2.3 工程應用

高效平面S形軸伸泵裝置在揚州市引水工程——黃金壩泵站成功應用。黃金壩泵站安裝4臺平面S形軸伸泵裝置。圖14為黃金壩泵站內部布置。

該工程已于2015年投入運行，經泵站現場試驗表明，原型平面S形軸伸泵裝置的水力性能與模型試驗的結果基本一致，泵站運行平穩，振動噪聲小。

圖14 黃金壩閘站工程泵房內部布置Fig.14 Internal layout of Gold-Dam pump house

3 結論

(1)基于S形下臥式軸伸泵裝置提出了平面S形軸伸泵裝置設計方案。采用CFD軟件對平面S形軸伸泵裝置進行了內流場計算，計算結果顯示不同工況下的泵裝置內部流態較平順，設計工況下流速分布均勻；預測了泵裝置性能，預測性能在設計工況與試驗數據一致。

(2)根據試驗結果，黃金壩泵裝置最高效率點出現在2°，該角度下最高裝置效率為78.35%。在設計運行工況，葉片角-2°的性能即可滿足運行要求，揚程H=1.05 m時，流量為Q=232 L/s，效率為68%；葉片角-2°最高效率點出現在Q=213.79 L/s，揚程H=1.74 m；效率為77.1%。泵裝置最高運行揚程大于3 m，滿足泵站最高揚程1.65 m的運行要求。

(3)泵裝置的汽蝕性能優異，在4個葉片角度下，最高揚程1.65 m以下的各運行工況的泵裝置汽蝕余量均在5.0 m以下，高效率點泵裝置汽蝕余量為3.0 m以下，滿足水泵運行要求。

(4)泵裝置在揚州市引水工程——黃金壩泵站應用，泵站現場測試表明，高效平面S形軸伸泵原型裝置的水力性能與模型裝置試驗性能的結果基本一致，泵站運行平穩，振動噪聲小。

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