錫澄運(yùn)河整治工程雙向豎井貫流泵站流道優(yōu)化及分析

袁 堯，胡文竹，鄧彬彬，楊 帆，湯方平

(1. 江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210000；2. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；3. 張家港市長江防洪工程管理處，江蘇 蘇州 515624)

0 引 言

豎井貫流泵裝置是常用的貫流泵裝置機(jī)組結(jié)構(gòu)型式之一，具有揚(yáng)程低、流量大的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對貫流泵裝置開展了大量研究[1-6]。隨著平原地區(qū)低揚(yáng)程排灌、防洪工程的發(fā)展，豎井貫流泵裝置得到了越來越廣泛得應(yīng)用。豎井貫流泵裝置結(jié)構(gòu)簡單，工程投資省，便于安裝和檢修，傳力路徑明確，豎井是開敞的，解決了通風(fēng)采光及防潮問題[7,8]。

國內(nèi)學(xué)者已對豎井貫流泵裝置開展了研究分析。孟凡等[9]研究了導(dǎo)葉體位置對雙向豎井貫流泵裝置正向及反向運(yùn)行時水力性能與流態(tài)的影響。陳加琦等[10]選擇了二十余座典型的大型豎井貫流泵裝置作為統(tǒng)計分析對象，通過分析得出了豎井進(jìn)水流道和出水流道主要控制尺寸合理取值范圍。楊帆等[11]采用數(shù)值模擬方法研究了系列豎井型線的演變規(guī)律及其對貫流泵裝置內(nèi)流機(jī)理及運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。Kan等[12]對軸伸貫流泵裝置的葉輪進(jìn)行了雙向流固耦合分析，并提出貫流泵應(yīng)力預(yù)測方法，提高泵輪可靠性。蔣小欣等[13]結(jié)合蘇州市西塘河引水工程裴家圩泵站的選型，介紹了常用低揚(yáng)程泵站的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)，較詳細(xì)地敘述了豎井式貫流泵裝置及其流道與斷流方式的設(shè)計。

開展錫澄運(yùn)河整治工程雙向豎井貫流泵站的流道優(yōu)化工作，有益于減少流道水力損失，提高雙向豎井貫流泵裝置整體運(yùn)行效率。

1 計算模型及邊界條件

1.1 裝置模型與網(wǎng)格劃分

計算所采用的泵裝置模型為雙向豎井貫流泵裝置，計算區(qū)域包括進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體和出水流道，整體三維透視圖如圖1所示。葉輪葉片數(shù)為4，葉輪直徑為D=3 000 mm，輪轂比為0.4，額定轉(zhuǎn)速n=144 r/min，導(dǎo)葉體的葉片數(shù)為5。

以泵站反向運(yùn)行作為優(yōu)化目標(biāo)，對豎井流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將豎井流道分為豎井段和直線段兩個部分。原方案(方案1)以控制尺寸為基礎(chǔ)，以方案1為基準(zhǔn)優(yōu)化了5個方案，各優(yōu)化方案的具體模型如圖2所示，并將各方案的說明整理成表1所示。每種優(yōu)化方案選取5個計算工況點(diǎn)，正向運(yùn)行工況點(diǎn)的流量分別為0.8Q、0.9Q、1.0Q、1.1Q、1.22Q，反向運(yùn)行工況點(diǎn)的流量分別為0.87Q、0.93Q、Q、1.05Q、1.1Q，其中Q為設(shè)計流量。

表1 優(yōu)化方案說明Tab.1 Description of optimization scheme

以引水工況為優(yōu)化基礎(chǔ)，為確保數(shù)值計算結(jié)果的可靠性，將錐管和導(dǎo)水錐分別放入進(jìn)、出水流道中，在ICEM軟件中進(jìn)行建模并剖分網(wǎng)格。葉輪和導(dǎo)葉體在Turbo-Grid中進(jìn)行建模和剖分網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪單通道網(wǎng)格數(shù)約16萬個，導(dǎo)葉體單通道網(wǎng)格數(shù)約14萬個。豎井流道在UG中進(jìn)行三維參數(shù)化建模，然后導(dǎo)入ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對邊界層進(jìn)行網(wǎng)格加密。平直管流道的網(wǎng)格數(shù)量約114萬個，豎井流道的網(wǎng)格數(shù)量約90萬個，對最優(yōu)工況時雙向豎井貫流泵裝置的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行無關(guān)性分析，以效率為判斷參數(shù)，經(jīng)網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性分析，可知豎井貫流泵裝置的總網(wǎng)格數(shù)量約338萬個時泵裝置的效率變化很小，則原方案及5個優(yōu)化方案的過流結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量均在340萬個左右。原方案豎井流道網(wǎng)格如圖3所示。

1.2 控制方程與邊界條件

泵裝置內(nèi)部流動介質(zhì)為水，可簡化為不可壓縮的牛頓液體，采用雷諾平均N-S控制方程，RNGk-ε紊流模型，該模型修正湍流黏度考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動情況，能更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度大的流，且被文獻(xiàn)[2，11]應(yīng)用于泵裝置內(nèi)流場的數(shù)值計算分析。

進(jìn)口邊界條件：將進(jìn)水流道的進(jìn)口作為整個泵裝置的進(jìn)口，采用總壓進(jìn)口條件，總壓設(shè)置為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。出口邊界條件：將出水流道的出口作為整個泵裝置計算流場的出口，采用質(zhì)量流量出口。壁面條件：進(jìn)水流道、出水流道、葉輪的外殼及導(dǎo)葉體均設(shè)置為靜止壁面，采用無滑移條件。交界面設(shè)置：葉輪和進(jìn)水流道、導(dǎo)葉體和葉輪之間的交界面，采用速度平均的Stage動靜交界面模型，其余過流結(jié)構(gòu)的交界面均使用None模型。各物理量的殘差收斂精度均低于10-4。

2 出水流道數(shù)值優(yōu)化計算

2.1 水力性能計算依據(jù)

2.1.1 水力損失計算依據(jù)

根據(jù)伯努利能量方程引入水力損失Δh概念，采用CFD數(shù)值計算得到的流速場和壓力場預(yù)測過流部件的水力損失，計算式為：

(1)

其中：

式中：E1為流道進(jìn)口處的總能量；E2為流道出口處總能量。

2.1.2 泵裝置性能預(yù)測計算依據(jù)

根據(jù)伯努利能量方程計算泵裝置揚(yáng)程，由計算得到的速度場和壓力場以及葉輪上作用的扭矩預(yù)測泵裝置的水力性能。

泵裝置進(jìn)水流道與出水流道出口的總能量差定義為裝置揚(yáng)程，用下式表示：

(2)

式中：等式右邊第一項為出水流道出口斷面總壓，第二項為進(jìn)水流道進(jìn)口斷面總壓；Q為流量，L/s；H1、H2為泵裝置進(jìn)、出水?dāng)嗝娓叱蹋琺；s1、s2為泵裝置進(jìn)、出水?dāng)嗝婷娣e，m2；u1、u2為泵裝置進(jìn)、出水流道斷面各點(diǎn)流速，m/s；ut1、ut2為泵裝置進(jìn)、出水流道斷面各點(diǎn)流速法向分量，m/s；P1、P2為泵裝置進(jìn)、出水?dāng)嗝娓鼽c(diǎn)靜壓，Pa。

泵裝置效率即為：

(3)

式中：Tp為扭矩，N·m；ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

2.2 反向運(yùn)行計算結(jié)果分析

將豎井流道作為出水流道，對于雙向豎井貫流泵站，主要問題為豎井作為出水流道是否能夠滿足設(shè)計要求。因此，應(yīng)以反向運(yùn)行作為優(yōu)化依據(jù)，選出合適的方案，再進(jìn)行正向數(shù)值計算對比。以下反向優(yōu)化方案的流線圖均已設(shè)計流量Q0=30 m3/s為基準(zhǔn)。

由圖4可知，方案3、方案5和方案6在豎井?dāng)U散段的情況相對較好，擴(kuò)散的較為均勻，沒有產(chǎn)生大尺度的偏流；對于低揚(yáng)程泵站的來說，出水流道的水力損失對泵裝置的影響尤為重要，不同設(shè)計方案豎井流道水力損失計算如表2所示。

由表2可知，改變型線能夠改善豎井流道流態(tài)，方案3較方案1流態(tài)改善，水力損失明顯減小；方案5將豎井進(jìn)口的尖角改成圓形，水流從葉輪出口流出后，更加順滑地向兩邊擴(kuò)散；方案6加入2片豎直短平板，雖然整流效果顯著，但是增加了摩擦損失，水力損失較方案2明顯提高。方案3和方案5的水力損失較小，可作為備選方案。分別計算出方案3和方案5在0.87Q、0.93Q、Q、1.05Q、1.1Q流量工況下水力特性，進(jìn)行全性能比較。根據(jù)計算結(jié)果，選取最終設(shè)計優(yōu)化方案。

表2 不同設(shè)計方案豎井流道水力損失Tab.2 Hydraulic loss of shaft flow channel in different design schemes

不同流量工況下的豎井流道流場分布圖和壓力云圖如圖5、圖6所示。

由圖6可知，豎井流道流場紊亂區(qū)域及壓力集中區(qū)處在水流分叉處，優(yōu)化該區(qū)域型線能夠較好地改變流態(tài)，提高效率。方案3和方案5的流線型式和壓力分布有明顯不同：在小于設(shè)計流量時，方案3的流線均勻和壓力分布都比方案5好，但是方案3存在一定程度的偏流。在小流量時，對泵裝置的影響不大，但在大于設(shè)計流量的工況時，方案3表現(xiàn)不如方案5穩(wěn)定。

將方案3和方案5各工況點(diǎn)豎井流道水力損失進(jìn)行比較分析，如表3所示。

表3 各工況點(diǎn)豎井流道水力損失Tab.3 Hydraulic loss of shaft flow channel at various operating conditions

由表3可知，方案3在小流量工況下，水力損失小于方案5，反向運(yùn)行時的優(yōu)化效果明顯。但是在經(jīng)常運(yùn)行的大流量工況下，方案3的表現(xiàn)不如方案5，所以應(yīng)該根據(jù)泵站運(yùn)行的實際情況來選擇方案。

2.3 正向運(yùn)行計算結(jié)果分析

通過對不同方案進(jìn)行CFD計算，得到了正向運(yùn)行時豎井流道內(nèi)流場分布信息，設(shè)計工況點(diǎn)內(nèi)部流場圖如圖7所示。

正向運(yùn)行時，在小流量工況下，方案5在尾部圓弧部位，易產(chǎn)生小尺度的脫流，不如方案3的穩(wěn)定；由于泵站的平均揚(yáng)程較低，為了使定波水利樞紐在特低揚(yáng)程1 m以下能夠順利運(yùn)行，選取方案5作為最終方案。通過CFD數(shù)值計算，得到了方案5各工況點(diǎn)正向運(yùn)行時泵裝置內(nèi)部流場圖，如圖8所示。

正向運(yùn)行時，進(jìn)水流道流態(tài)較好。出水流道在設(shè)計流量工況下的流態(tài)較好；流量大于設(shè)計工況時，流線在出水流道外側(cè)形成旋轉(zhuǎn)，與壁面的摩擦損失較大；流量小于設(shè)計工況時，流道出口易形成回流。

2.4 外特性比較

通過對不同方案各工況點(diǎn)進(jìn)行CFD數(shù)值計算，在后處理器中取出葉片上的扭矩值，進(jìn)出口的壓力增量值，和對應(yīng)的流量，計算揚(yáng)程、效率，繪制成總體性能曲線，得到了雙向豎井貫流泵裝置的外特性結(jié)果。將原方案，方案3和方案5進(jìn)行對比，如圖9、10所示。

正向進(jìn)水時，計算出口應(yīng)在內(nèi)側(cè)閘門處，所以扣除相應(yīng)的損失，得到新的揚(yáng)程效率表，如表4所示。

表4 方案3各工況點(diǎn)性能表Tab.4 Performance of each working point in scheme three

優(yōu)化后，總體性能較原方案得到了較大的上升，優(yōu)化后正向運(yùn)行計算工況點(diǎn)的最高效率為74.53%，反向運(yùn)行計算工況點(diǎn)最高效率為60.91%。正向運(yùn)行時，在最大流量工況1.22Q下方案5效率由方案3的57.44%提升至60.17%；反向運(yùn)行時，在30 m3/s流量工況下效率由59.87%提升至60.91%，方案3性能較好，但是對于平均運(yùn)行揚(yáng)程在1 m左右的泵站，明顯方案5的表現(xiàn)更為優(yōu)異。

表5 方案5各工況點(diǎn)性能表Tab.5 Performance of each working point in scheme four

3 最優(yōu)方案的模型試驗

3.1 試驗儀器與方法

優(yōu)化方案的泵裝置模型試驗在江蘇省水利動力工程重點(diǎn)實驗室的高精度水力機(jī)械試驗臺上進(jìn)行，效率測試系統(tǒng)綜合不確定度為±0.39%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18149-2000》和中華人民共和國水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SL140-2006》精度要求。雙向豎井貫流泵裝置模型比尺為1∶10，葉輪采用SZM35雙向泵水力模型，模型泵名義葉輪直徑D=300 mm。試驗臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，如圖11所示。

采用直流整流器調(diào)節(jié)模型泵裝置試驗電機(jī)轉(zhuǎn)速，泵裝置模型試驗額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，實際試驗轉(zhuǎn)速為1 440 r/min。泵裝置模型的流量采用DN400電磁流量計直接測量，泵裝置揚(yáng)程由EJA110A 型差壓變送器測取，模型泵軸傳遞力矩由ZJ型扭矩儀直接測得。泵裝置模型機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩主要由軸承與軸封摩擦損失等造成，在機(jī)組無水運(yùn)轉(zhuǎn)時測出。每次調(diào)整葉片安放角度后先測試空載轉(zhuǎn)矩，再充水進(jìn)行性能試驗。

3.2 試驗結(jié)果

根據(jù)模型試驗數(shù)據(jù)，按等效率換算，得到雙向豎井貫流泵原型泵裝置正、反綜合特性曲線，如圖12、13所示。葉片安放角為0°時，正向運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)計工況時的流量Q為30 m3/s，揚(yáng)程H為5.04 m，效率η為66%；反向運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)計工況時的流量Q為30 m3/s，揚(yáng)程H為3.14 m，效率η為57.3%。

4 結(jié) 語

(1)針對雙向豎井貫流泵裝置反向運(yùn)行工況，提出五種豎井流道優(yōu)化方案，通過模型試驗，獲得反向運(yùn)行時的豎井流道流線圖、壓力云圖以及正向運(yùn)行時泵裝置整體流線圖。結(jié)果表明方案3和方案5兩組優(yōu)化方案，水力性能相當(dāng)，較初設(shè)方案有了明顯提高。小流量時，方案3的流線均勻和壓力分布都比方案5好；大流量時，偏流影響方案3的運(yùn)行穩(wěn)定性。考慮泵站反向引水經(jīng)常在低揚(yáng)程工況運(yùn)行，選方案5為最終方案。

(2)最優(yōu)雙向豎井貫流泵裝置正向運(yùn)行時，設(shè)計流量工況(H=3.81 m，Q=30 m3/s)下效率為72.40%，當(dāng)H=2.61 m，Q=33 m3/s時，效率達(dá)到最大值74.53%；反向運(yùn)行時，當(dāng)H=3.9 m，Q=30 m3/s時，效率達(dá)到最大值60.91%， 相比原設(shè)計方案提高1.04%。

(3)對優(yōu)化方案的泵裝置進(jìn)行模型試驗，按等效率換算，得到雙向豎井貫流泵原型泵裝置正、反綜合特性曲線。葉片安放角為0°時，正向運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)計工況時的流量Q為30 m3/s，揚(yáng)程H為5.04 m，效率η為66%；反向運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)計工況時雙向豎井貫流泵裝置的流量Q為30 m3/s，揚(yáng)程H為3.14 m，效率η為57.3%。

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