不同粗糙度對軸流泵水力性能的影響研究

顧梅芳，楊曉紅，孫鋒明，陳新華

(1.江陰市重點水利工程建設管理處，江蘇 無錫 214431；2.江陰市水利工程公司，江蘇 無錫 214431;3.江陰市璜土水利農機管理服務站，江蘇 無錫 214431；4.江陰市南閘水利農機管理服務站，江蘇 無錫 214431)

在大型泵站設計中，按照第二相似律選擇合適的水泵，水泵在設計工況下的效率、流量均在模型試驗中得到保證。在泵站建成之初，流道表面用模板保證尺寸結構滿足設計要求，同時也能保證壁面光滑，葉輪和導葉往往由車床加工，通過噴漆處理，防止葉片及導葉表面銹蝕。而在使用過程中，由于輸運介質中雜質對壁面的磨損，噴漆脫落引起表面銹蝕，或者直接是雜質對壁面的撞擊、沉淀在壁面上，或者氣蝕作用對葉片的磨損，都會引起壁面粗糙度的變化，從而引起泵站水力性能的惡化，大幅削弱泵站在使用中應有的功能[1- 3]。為了探討粗糙度對水力性能的影響，朱紅耕[4]、李龍[5]等人研究了軸流泵的水力性能隨著粗糙度的變化關系，高軍甲[6]認為對輸油離心泵葉輪進行電解拋光后，大幅降低粗糙度，效率提高了5%，馮建軍[7]、王川[8]等也進行過類似的研究得到相應的結論。M.W.Jessica[9]討論了壁面粗糙度對軸功率的影響。BAI Tao等人[10]研究了表面粗糙度對渦輪機葉片空氣動力學性能的影響。付飛[11]系統總結了近年來關于旋轉機械在表面粗糙度取得的研究進展。

采用數值模擬和試驗測試的方法，相關學者基于粗糙度對旋轉機械性能的研究取得了一些成果[12- 20]，而軸流泵站特別是低揚程泵站中，進出水管道及導葉對水力性能有著較大的影響，目前各分塊部件的粗糙度對軸流泵站水力性能的影響作用尚不明顯。本文通過對軸流泵的不同部件設置不同的粗糙度，借助大型商業軟件探討粗糙度對軸流泵水力性能的影響規律，對低揚程的軸流泵站檢修維護及日常管理具有實際指導意義。

1 計算模型及網格剖分

1.1 幾何模型與網格

泵段的幾何模型如圖1所示，包括了進口延長段，葉輪室，導葉室，60度彎管，出口延長段。其中葉輪直徑為300mm，葉片數為4，輪轂比為0.4，導葉葉片數為5。整個模型采用結構化網格，如圖2所示。葉輪和導葉均在TUBGRID中利用塊結構自動生成，其余在ICEM中生成。進口段網格總數為25萬，葉輪室網格總數為39萬，導葉室網格為40萬，60度彎頭及出口延長段網格總數為42萬，總共網格為146萬，滿足網格無關性要求。

圖1 計算域模型

圖2 計算域網格

1.2 邊界條件設置

本文采用有限體積的方法，基于標準k-ε紊流模型，雷諾時均N-S方程模擬內部流場。流量進口設置為350L/s，出口設置為一個標準大氣壓，葉輪轉速為1450rpm，采用凍結轉子的方法處理旋轉葉輪與進水管道與導葉之間的交界面，收斂殘差值設置為105，最大迭代步長為1000步。各壁面的粗糙度設置成變量，利用中心組合方法探討不同粗糙度對軸流泵的水力性能影響。

2 DOE實驗設計

考慮不同部件不同粗糙度對軸流泵水力性能的影響，將軸流泵的粗糙度按部件分為4部分，分別為進口段、葉輪室段、導葉段和出水彎管段。在ANSYS平臺進行中心組合實驗設計，其中中心組合示意圖如圖3所示。

圖3 中心組合實驗設計示意圖

本文為4因子5水平，試驗表格見表1。其中fblade為葉輪室的粗糙度，fdy為導葉的粗糙度，fin為進口直管段的粗糙度，fout為出口彎頭及延長段的粗糙度，單位為mm。

3 計算結果分析

3.1 計算結果

不同方案模擬結果見表2。

根據計算結果，依次考慮各部件粗糙度對軸流泵的揚程、效率及軸功率影響大小整理成如圖4所示的主效應圖。

從圖4可知，葉片表面的粗糙度對軸流泵水力性能的影響最為顯著。其中對揚程和效率均為降低作用，而對軸功率卻是增加效應。葉片對軸流泵的性能起到了決定性的作用，雖然其表面面積在整個計算域中比重不大，但是其為軸流泵中最核心的部件，主要的能量轉化在這里完成。從主效應圖中也可以看到其在軸流泵的核心地位。

表1 各過流部件粗糙度的中心組合設計 單位：mm

表2 各方案下模擬計算結果

圖4 各部件對軸流泵水力性能的影響主效應圖

導葉壁面粗糙度除了對軸功率基本無影響之外，其余均和葉輪的趨勢相同，但是影響效果遠小于葉輪室。考慮導葉室過流面積的因素，對軸流泵的影響仍要大于出水流道。模擬中對揚程的影響：葉輪室壁面粗糙度計算結果為-0.265，導葉壁面粗糙度為-0.065，進口直管段壁面粗糙度為-0.037，出口直管段壁面粗糙度為-0.057。對效率的影響：葉輪室壁面粗糙度計算結果為-0.283，導葉壁面粗糙度為-0.045，進口直管段壁面粗糙度為-0.041，出口直管段壁面粗糙度為-0.051，葉輪室壁面粗糙度對軸功率的影響系數為0.099。

3.2 響應曲面

從主效應中可以得出對軸流泵性能影響較大的是葉輪室與導葉室壁面粗糙度，為了更進一步分析其對軸流泵揚程及效率的影響，將葉片及導葉壁面的粗糙度對揚程和效率的相應曲面圖進行整理，如圖5所示。

圖5 葉輪室及導葉室壁面粗糙度對水力性能的響應曲面圖

4 結語

因軸流泵各過流部件表面的粗糙度對水力性能影響不同，必要時可采取不同的加工方法。對于大型重要的泵站，建議葉片表面選擇五軸聯動車床精加工保證較高的水力性能，葉片本身選擇不易生銹的不銹鋼或者耐腐蝕的材料，而進出水流道對水力性能的影響較小，可適當降低加工要求，對水力性能也不會有太大的影響。

本文得到的主要結論為葉輪壁面粗糙對水力性能影響最大，對揚程的影響系數為-0.26，對效率的影響系數為-0.28，對軸功率的影響系數為0.1。