立式軸流泵裝置流道內流分析及性能預測

王 強，林智康，袁 堯，陳玉龍，楊 帆

（1.常州市水利規劃設計院，江蘇 常州 213002；2. 揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；3. 江蘇省水利科學研究院，南京 210000；4. 常州市水利建設投資開發有限公司，江蘇 常州 213000）

立式軸流泵站機組具有揚程低、流量大、運行穩定、可靠性高、投資省和安裝檢修方便等優點，其被廣泛運用于農業灌溉、城市排澇及調水工程中[1]。針對軸流泵站機組水力特性和結構性能的研究，國內外學者已開展了大量的研究工作并取得了不少的研究成果：許哲等[2]研究了泵裝置在正反向飛逸過渡過程的差異性,采用流體體積函數法分析上下游水氣兩相分布,利用力矩平衡方程推導葉輪實時轉速,并結合熵產理論進行分析；Li等[3]采用熵產理論探究了葉根間隙對軸流泵裝置機械耗散的影響；Yang等[4]結合物理模型試驗和數值模擬研究了虹吸出水流道駝峰段流場和壓力波動的變化規律；金海銀等[5]探究了箱涵式雙向立式泵裝置性能與導葉體對泵裝置效率的影響。隨著工程技術人員和科研人員對泵站裝置內部流動認識的加深，泵裝置流道內部流動的分析應考慮泵與流道內流的相互作用，尤其是導葉體出口剩余環量對出水流道內流場的影響[6-8]，學者們對泵裝置流道的研究更多地基于泵裝置全流道而非以往采用獨立的方法開展研究，研究方法主要為模型試驗和數值模擬，如：戴景等[9]采用數值模擬對劉老澗抽水站原型泵裝置水泵工況與水輪機工況進行了全流場數值模擬以研究帶有簸箕型流道的大型具有反向發電功能泵站的水力性能；胡文竹等[10]采用數值模擬方法分析斜式軸流泵裝置流道內部的流動特性；李超[11]對立式軸流泵裝置的內流特性進行分析并對泵裝置結構進行優化；劉超等[12]通過CFD軟件對設導流墩的雙向流道泵裝置內部流動進行數值模擬，獲得泵裝置內部的三維流動速度場，并預測了泵裝置的性能。參考以往學者的研究經驗，文章以魏村水利樞紐擴容改建工程的單向立式軸流泵站為研究對象，采用數值模擬技術對立式軸流泵裝置全流道進行三維數值計算，探究泵裝置進出水流道的內部流動規律并預測泵裝置的能量性能，以期對采用相似結構的泵裝置的穩定運行與結構優化提供一定的參考。

1 工程概況

魏村水利樞紐是國家治太骨干工程湖西引排的主要工程之一，在區域乃至流域防洪、排澇、灌溉、航運及水環境保護等方面發揮了重要作用，工程引水灌溉0.93萬hm2，排澇面積133 km2。該水利樞紐擴容改建工程由船閘、節制閘和泵站組成，泵站和節制閘采用閘站結合布置形式。泵站為大（2）型泵站，設計排水流量為160 m3/s，設計引水流量為60 m3/s，采用5臺套立式軸流泵機組，配2600kW立式同步電機，總裝機容量13000 kW，葉輪直徑為3100 mm，轉速為125 r/min，葉片角度采用液壓全調節方式，采3臺機組為雙向立式軸流泵機組，2臺機組為單向立式軸流泵機組。泵站運行水位，見表1，其中泵裝置揚程已考慮了攔污柵及門槽水力損失0.2m、流道出口水位雍高及過柵水力損失0.1m。魏村水利樞紐擴容改建工程的單向立式軸流泵裝置的泵房剖面示意圖，泵房剖面圖,見圖1。

圖1 泵房剖面圖

表1 泵站運行水位

2 計算模型及邊界條件

2.1 泵裝置模型與網格剖分

立式軸流泵裝置計算域包括箱涵式進水流道、葉輪、導葉體、蝸殼式出水流道、進水流道的延伸段和出水流道的延伸段共6個部分，三維模型，見圖1。葉輪名義直徑為3150 mm，葉片安放角為0°，轉速為125 r/min，葉輪葉片數為3，導葉體的葉片數為6。箱涵式進水流道的導流錐進口面直徑為1.355D（其中，D為葉輪名義直徑），進口面寬度為2.903D、進口面高度為1.387D，流道長度為6.317D；蝸殼式出水流道的導流錐出口面直徑為1.935D、出水喇叭管出口面直徑為2.032D、出口面寬度為2.903D、出口面高度為1.419D，流道長度為8.482D。根據各計算域的結構復雜程度，葉輪、導葉體、箱涵式進水流道和蝸殼式出水流道采用非結構化網格，前池和出水池采用結構化網格剖分，參考文獻[7]的研究方法并經網格數量無關性分析，立式軸流泵裝置的網格數量為297萬。

2.2 控制方程與邊界條件

當流體經過旋轉機械中進行能量轉換時，必須遵循相應的物理規律，這些物理規律包括質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律等。由于文章的研究對象為立式軸流泵裝置，工作介質為水，可以采用不可壓縮假設，認為水為不可壓縮流體。在對立式軸流泵裝置進行數值模擬時，由于忽略流體中的熱交換，故在三維流動數值計算僅考慮質量守恒定律與動量守恒定律。泵裝置內水流流動為三維湍流流動，該流動可用連續性方程和N-S方程對湍流的瞬時運行進行表述，考慮湍流流動的脈動特性，目前在泵裝置內流計算中廣泛采用了時均法，即把湍流運行當作是時間平均流動和瞬時脈動流動的疊加。為了使方程組封閉，采用標準k-ε湍流模型，該模型計算效率高的同時有良好的精度，在大量的研究和工程實際中廣泛使用[12-13]。立式軸流泵裝置的進口采用速度進口邊界條件，設置于進水流道的延伸段進口面；出口采用自由出流邊界條件，設置于出水流道的延伸段出口面；葉輪、導葉體、箱涵式進水流道、蝸殼式出水流道、進水延伸段和出水延伸段的邊壁均設置為無滑移壁面；進水延伸段及出水延伸段的表面為自由液面，忽略水面的風所引起的切應力及其與大氣層的熱交換，采用對稱平面處理。立式軸流泵裝置的箱涵式進水流道的雷諾數為1.513×107，蝸殼式出水流道的雷諾數為1.373×107，表明該泵裝置的進出水流道內的水流均處于阻力平方區。計算工況：設計揚程4.71m，流量為32m3/s；最高揚程5.25m，流量為29.7 m3/s。

3 結果分析

箱涵式進水流道的流場，見圖2，其中流道橫剖面的位置為0.5倍流道進口高度，豎剖面的位置為流道喇叭管中心。箱涵式進水流道內部水流流動可分為2個階段：①在流道內從四周向喇叭管的匯集流動階段；②水流進入喇叭管后的流場調整階段。在匯集流動階段，一部分水流從喇叭管前直接進入喇叭管，一部分水流繞至兩側進入喇叭管，還有一部分水流繞至蝸殼后部進入喇叭管；箱涵式進水流道后壁空間很大，在后壁處存在大范圍的滯水區；水流從四面匯集進入喇叭管后流場得到進一步調整，在喇叭管出口處水流趨向于均勻分布和垂直于出口斷面。進水流道的流態總體上符合收縮均勻、轉向有序的基本要求。采用流速分布均勻度和速度加權平均角反應水流的均勻程度以及水流方向與出口斷面的垂直程度，其計算式如下：

圖2 箱涵式進水流道的流場圖

軸向流速分布均勻度[11]：

式（1）和式（2）中：Vau為軸向流速分布均勻度；θ為速度加權平均角；uai為斷面各單元的軸向速度；ua為斷面的平均軸向速度；uti為斷面各節點的橫向速度，Ai為流場數值計算時該斷面所劃分的網格單元面積。

在設計揚程工況時，箱涵式進水流道出口面的軸向流速分布均勻度為95.04%，速度加權平均角為87.27°，流道水力損失為0.219m。

為更好地說明蝸殼式出水流道的流場特征，沿流道的橫向和縱向共截取6個不同位置的特征剖面，各特征剖面的位置，蝸牛式出水流道各剖面位置示意圖，見圖3。其中橫剖面（上）、橫剖面（中）、橫剖面（下）為橫斷面，以出水流道底部為基準面，各斷面距基準面的距離分別為：橫剖面（下）為0.182D、橫剖面（中）為0.627D橫剖面（上）為1.077D；斷面4-4、斷面5-5和斷面6-6為縱斷面，以出水流道水平中心線為基準，各斷面距基準面的距離分別為：縱剖面（左）為1.01D、縱剖面（中）為0.0D，縱剖面（右）為-1.01D，各蝸殼式出水流道流場，見圖4。蝸殼式出水流道的內部水流受導葉體出口剩余環量的影響明顯，水流呈螺旋狀進入蝸殼式出水流道，水流在出水喇叭管與出水導水錐構成的通道內邊旋轉邊向四周擴散，流出喇叭管與導水錐構成的通道的水流向四周成輻射狀急劇轉向并擴散，一部分水流向后壁流動，一部分水流向左右兩側壁流動，受后壁和側壁的阻擋影響，水流在立面上形成旋渦，后壁和兩側壁的水流在落到流道下半部以后轉向流道出口流動，還有一部分水流直接向流道出口流動，水流經直線段調整后流向出水池。蝸殼式出水流道的內部流態滿足穩定、高效運行的要求，水力性能較好。在設計揚程工況時，蝸殼式出水流道的水力損失為0.564m。

圖3 蝸殼式出水流道各剖面位置示意圖

在軸流泵裝置全流道數值計算的基礎上，采用文獻[14]中的方法對泵裝置的能量性能進行預測，在設計揚程4.71m時，泵裝置流量為32m3/s，效率為72.5%；在最高揚程5.25m時，泵裝置流量為29.7m3/s，效率為71.3%。

4 結 論

1）箱涵式進水流道的流態總體上符合收縮均勻、轉向有序的基本要求，在設計揚程工況時，箱涵式進水流道出口面的軸向流速分布均勻度為95.04%，速度加權平均角為87.27°，流道水力損失為0.219m。蝸殼式出水流道的內部流態滿足穩定、高效運行的要求，水力性能較好，在設計揚程工況時，蝸殼式出水流道的水力損失為0.564m。

2）基于泵裝置全流道的三維數值計算結果，在設計揚程4.71m時，泵裝置流量為32m3/s，裝置效率為72.5%；在最高揚程5.25m時，泵裝置流量為29.7m3/s，效率為71.3%。