大型灌排泵站改造應用研究

李端明，張 印，肖若富，溫鴻浦，李彥迪

(1.中國灌溉排水發展中心，北京 100054；2. 寧夏回族自治區固海揚水管理處，寧夏 中寧 755100；3.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083；4.寧夏回族自治區水利廳灌排中心，銀川 751000)

0 引 言

泵站工程是利用水泵機組及其配套建筑物將電能轉化為水能進行灌排或者供水的綜合性提水工程[1]。灌溉泵站是提水對農田進行灌溉的泵站，是農業生產、農民增收和區域環境改善的重要基礎設施。新中國成立60多年來，我國機電灌排事業獲得了迅猛發展，泵站比較集中的省份及地區，已初步形成了以大型泵站為骨干的抗旱灌溉、抗洪除澇及跨流域調水工程體系，及以中小型泵站為主導地位的地區性灌溉和除澇工程網絡。目前全國機電灌溉排水面積約4 267 萬hm2，有力地提高了各地抗御自然災害的能力，對保證農業穩產高產，保障國家糧食安全等起到了關鍵性的作用[2]。

雙吸離心泵流量大、揚程高，廣泛應用于大型調水工程、農田灌溉和城鎮供水等重要領域。如南水北調中線工程惠南莊泵站安裝了8臺國內單機功率最大的雙吸離心泵，單機設計流量10 m3/s、設計揚程58.2 m、功率7500 kW，泵站總裝機功率達到6 萬kW，由于泵站流量變幅10～60 m3/s、揚程范圍0～58.2 m，且年運行時間長，運行工況復雜，對機組運行穩定性的要求非常高[3]。在大型灌溉排泵站方面，據水利部統計，我國共有大型灌溉排水泵站450處，裝機功率563.57 萬kW，設計流量35 885 m3/s，共安裝水泵機組24 540 臺套，在大型灌溉泵站中，75%以上的泵型為雙吸離心泵[4]。在這些大型泵站中，大型雙吸離心泵為農業灌溉和飲水工程發揮了關鍵作用。

隨著我國經濟的快速發展，對大型雙吸離心泵的需求將會越來越大[5,6]。隨著在建和新建大型泵站中水泵單機功率的不斷提升，雙吸離心泵應用面臨的能耗過高和運行穩定性問題將更加突出。針對這一問題，本文結合寧夏白府都泵站更新改造工程，研究葉片載荷分布對雙吸離心泵水力性能的影響，通過控制葉片載荷來提高雙吸離心泵的效率和穩定運行性，具有重要的經濟和社會效益。

1 研究對象及存在的問題分析

1.1 單級雙吸離心泵基本參數

白府都泵站屬于寧夏固海揚水工程的梯級提水泵站的其中一級，始建于1984年，控灌面積3 734 hm2，泵站總揚程48.8 m，設計流量10.04 m3/s，采用3工1備的運行方式，為更好地提高該泵站雙吸離心泵的運行穩定性，并降低其能耗。本文以白府都泵站所使用的HS600-500-650A型單級雙吸離心泵為研究對象進行改進，該泵的主要參數如表1所示。

表1 HS600-500-650A型單級雙吸離心泵設計參數

1.2 數值計算模型及方法

根據HS600-500-650A單級雙吸離心泵的水力圖尺寸，建立三維模型，如圖1所示。

圖1 流體域三維圖

在該模型中，利用ICEM CFD軟件對于進水流道(包含延伸段)、葉輪、出水流道(包含延伸段)進行網格劃分，其均采用非結構化網格。全流道的網格節點總數為1 096 833，總單元數為5 725 942。各個流體域的網格、節點數如表2所示。網格如圖2所示。

表2 各個流體域參數

圖2 流道網格

采用ANSYS CFX軟件對HS600-500-650A單級雙吸離心泵進行數值模擬，選用SST湍流模型，在參數設置中流動介質為水，溫度22 ℃，參考壓力為1 atm，轉速為990 r/min，計算步數為1 000步，收斂標準為1×10-5。

對于邊界條件的設定：①進口邊界條件：將吸水延伸段進口設置為進口邊界，給定各工況的質量流量；②出口邊界條件：將蝸殼出口延伸段出口設置為出口邊界，給定出口靜壓為0；③其他邊界條件：其余所有壁面都采用無滑移邊界條件。對于交界面的設置，將進水流道出口和葉輪進口、葉輪出口和出水流道進口設置為固定-旋轉交界面，將進水流道進口和進口延伸段出口處、出水流道出口和出口延伸段進口處設置為固定交界面。

1.3 外特性分析

對表3中的情況下進行模擬計算，分別計算出各工況下的揚程、效率并做出相應的水力特性曲線，如圖3。揚程曲線在設計工況和小流量工況下誤差較小，其中，設計工況下，泵揚程的計算值為47.97 m，略高于試驗值，模擬結果較為準確。比較效率對比圖，可以看到效率曲線在實驗結果和模擬結果整體上趨勢一致。其中，在設計工況下，模擬結果與效率實驗值誤差為0.73%，模擬結果較為準確。因此，從總體上來說，該泵的CFD計算結果與試驗結果吻合良好，其計算結果可以作為我們優化設計的評判方法。

表3 模擬計算時的工況

圖3 HS600-500-650A水力特性曲線

1.4 內部流動分析

葉輪流場分布結果如圖4所示，在這里取了0.2Q，0.4Q，0.6Q，0.8Q，1.0Q，1.2Q，1.4Q工況進行分析。可以明顯看出，小流量工況下，葉輪出口處的流動及其不均勻，輪轂隔板兩側的水流在這里易發生相互碰撞。

圖4 葉輪流場分布

2 改進設計及結果分析

2.1 改進方案

針對上述問題，本文采用葉片交替加載技術設計理論對HS600-500-650A型號的雙吸離心泵葉輪進行優化設計。該技術采用前后蓋板交替加載的載荷分布方式，結合雙側葉片出口邊傾斜呈“V”字型，并均勻交錯雙側葉輪的方法對葉輪進行優化設計。其中優化后的葉輪在原始葉輪的基礎上運用葉片交替加載技術進行再設計，在后蓋板位置增加8 mm厚度的隔板，再均勻交錯布置兩側葉輪。優化前后葉輪對比如圖5所示。

圖5 優化前后葉輪的結構三維圖

2.2 改進效果分析

通過CFD模擬計算分別計算出各工況下的揚程、效率并做出相應的外特性曲線，如圖6所示。

圖6 重新設計葉輪后的外特性曲線與原始葉輪比較

通過對比發現，新的模型流量-揚程曲線與原始模型基本吻合，而新模型的流量-效率曲線得到明顯改善，在小流量工況和大流量工況，其效率值均有明顯提升，在設計流量下，效率值提高2.1%，高效區大約拓寬20%左右。該水泵模型通過運用交替加載設計方法重新設計葉輪，水泵外特性得到明顯優化。

采用交替加載技術后，在原始葉輪模型的出口處產生隔板，消除了水流在匯集到出口時的產生的撞擊，從而流態的得到改善，以小流量工況下最為顯著。

圖7為HS600-500-650A的設計工況下葉輪改進前后出口處的流速分布云圖，葉輪旋轉方向如箭頭所示。可以看出，兩側葉輪經過交錯布置后出口的流態均勻性得到明顯提高，在原始方案中，呈現出明顯的“射流-尾跡”區域，射流的高速區位于葉片的工作面，尾跡靠近相鄰葉片的背面，高速區過于集中，速度梯度大。改進后的葉輪出口流速分布均勻，流速在18.4 m/s以上的區域占出口面積的大部分，速度梯度小。由此可以證明，前蓋板前加載，后蓋板后加載的混合加載方式能夠改善葉輪出口的“射流-尾跡”現象。

對于HS600-500-650A的葉片壓力分布，可以看到，原始的葉片雖然沒有形成比較明顯的進口低壓區，但是壓力梯度變化不均勻，從進口到出口的等壓線均呈現出不同程度的彎曲，而改進后的葉片壓力梯度變化均勻。總結發現，改進后的葉片壓力分布較為均勻，這種葉片的混合加載形式能夠有效避免因葉片前部過載或者后部過載造成的前后做功不均的弊端，從而改善了雙吸離心泵的效率和壓力脈動的水平。

圖7 HS600-500-650A葉輪出口流速分布

圖8 HS600-500-650A葉片工作面壓力分布圖

圖9為原始方案和改進后方案的葉片前后蓋板工作面和背面的壓力分布圖，原始方案的后蓋板工作面受力處處都高于前蓋板的工作面受力，改進后方案的前后蓋板壓力曲線吻合度較高。說明改進后的葉片不僅消除了原始葉片中沿流線方向上的載荷不均，也同時消除了原始葉片中前后蓋板的受力不均。

圖9 HS600-500-650A的葉片壓力分布

2.3 優化前后壓力脈動對比分析

為進一步研究優化前后的內部流態，對模型進行壓力脈動監測。壓力脈動測點設置在進水流道、葉輪和出水流到上。如圖10所示，進水流道的進水口處上下各設置一個測點SUC4、SUC5，進水流道最高點設置測點SUC1，進水流道出口設置兩個測點SUC2、SUC3；葉輪葉片流道進口，葉片流道中間和葉片流道出口各設置一個測點，為IPM1、IPM2、IPM3；出水流道的隔舌處，設置一個測點VOL1，沿出水流道外壁，隔90°設置一個測點，為VOL2、VOL3、VOL4、VOL5，出水流道出口處上下各設置一個測點，VOL6、VOL7。

圖10 測點位置

針對設計流量Q進行非定常壓力脈動計算的對比分析。非定常壓力脈動計算中以定常計算結果為初始條件，計算10個轉輪周期，每個周期計算180個時間步長，同時監測壓力隨時間的變化。

將數值模擬計算得到的各個監測點壓力值進行無量綱化處理，無量綱壓力系數Cp的定義如下：

(1)

式中：P為各個監測點壓力值；Pref為參考位置壓力值，采用進水流道進水口的壓力值；ρ為水的密度；vref為參考位置速度，即進水流道進水口的速度值。

如圖11至圖14所示，為該型號雙吸離心泵改進前后各監測點的時域圖和頻譜圖。通過HS600-500-650A雙吸離心泵的主要參數得知，該雙吸離心泵的轉速為990 r/min，轉頻為16.5 Hz，葉頻為99 Hz。

圖11 流量為1.0 Q時，測點SUC1的時域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

圖12 流量為1.0 Q時，測點SUC4的時域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

圖14 流量為1.0 Q時，測點VOL3的時域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

從表4可以看出，吸水室最高點壓力脈動幅值由原泵的1.452 m下降了0.707 m，降低幅度為48.6%，吸水室進口處的壓力脈動幅值由原泵的1.447 m下降了0.940 m，降低幅度為65.0%左右，蝸殼隔舌處的壓力脈動幅值由原泵的2.451 m下降了1.509 m，降低幅度為61.6%，蝸殼最高點的壓力脈動幅值由原泵的1.606 m下降了1.090 m，降低幅度為67.8%。同時從頻譜圖中可以看出，原始方案葉輪的條件下，各個測點的壓力脈動其主頻均為99 Hz，即葉片通過頻率；改進后，葉輪的通過頻率(99 Hz)幅值大幅下降，蝸殼內的主頻由原來的99 Hz改變為2倍葉頻(198 Hz)，其幅值也遠低于原葉輪主頻的幅值。

表4 改進前后各測點壓力脈動峰峰值對比

3 結 論

本文以寧夏回族自治區固海揚水工程白府都泵站更新改造工程的HS600-500-650A雙吸離心泵為研究對象，研究葉片載荷分布對雙吸離心泵水力性能的影響，通過控制葉片載荷來提高雙吸離心泵的效率和穩定運行性。結果表明相對于傳統的雙吸式離心泵，采用交替加載與V形交錯技術設計得到的雙吸離心泵最明顯的優勢是其具有高效區寬，壓力脈動低的優點。由于灌溉泵站的雙吸泵普遍偏離設計點運行，因此具有高效區寬和低壓力脈動特性的雙吸離心泵可以明顯地提高灌溉泵站的裝置效率和機組運行的穩定性。本文豐富了單機雙吸離心泵的改造設計方法，對未來泵站雙吸離心泵改造具有一定的借鑒意義。

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