雙向立式潛水軸流泵裝置特性研究

錢 鈞，周慶連，劉 超，楊 華，湯方平，楊 帆

(1. 江蘇省秦淮新河水利工程管理處，南京 210000；2. 連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇 連云港 222000；3. 揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引 言

雙向流道是我國已建成灌排雙向泵站運(yùn)用的主要流道形式之一[1-4]，結(jié)構(gòu)形式簡單實用。武定門站為灌排兩用泵站，配“X”形雙向進(jìn)出水流道，建于20世紀(jì)60年代，是我國第一座采用雙向進(jìn)出水流道對稱結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)雙向抽水的泵站。經(jīng)40多年的運(yùn)行，再加上秦淮河污水的嚴(yán)重侵蝕，致使水下部分混凝土表面侵蝕、碳化嚴(yán)重，金屬結(jié)構(gòu)銹蝕、剝落，主要電氣設(shè)備嚴(yán)重老化，裝置效率下降，水泵汽蝕嚴(yán)重，機(jī)組振動加劇；維修困難等，存在嚴(yán)重安全隱患，難以保證安全運(yùn)行。同時還存在泵站機(jī)組單機(jī)流量小、臺數(shù)多、流道空間狹小，運(yùn)行管理、設(shè)備檢查維修難度大等問題。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高裝置性能和運(yùn)行可靠性，經(jīng)方案初選確定采用潛水泵更新改造。潛水泵裝置的水泵模型采用比轉(zhuǎn)速ns=1 000的ZM4.2軸流泵水力模型。該泵站設(shè)計流量為46 m3/s，原型泵葉輪直徑1 154 mm，單機(jī)流量4.6 m3/s，泵站設(shè)計揚(yáng)程2.8 m，最高揚(yáng)程4.07 m，最低揚(yáng)程2.5 m。

潛水泵裝置機(jī)泵同軸，具有結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，簡化廠房，可以整體吊裝，安裝維護(hù)方便等特點。為切實掌握立式潛水軸流泵對進(jìn)出水結(jié)構(gòu)的影響和更新改造后的性能，采用CFX軟件對泵裝置內(nèi)流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，對整個裝置的流動特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，制作雙向流道潛水軸流泵裝置并進(jìn)行模型試驗，獲取了泵裝置的能量和汽蝕性能，同時對進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)進(jìn)行觀測，研究消渦措施，通過模型試驗來驗證數(shù)值計算結(jié)果和改造方案的可行性，以保證泵站更新改造取得成功。

1 泵裝置結(jié)構(gòu)形式

該泵站雙向進(jìn)出水流道軸流泵裝置如圖1所示。由于當(dāng)初并無經(jīng)驗借鑒，原設(shè)計中存在一些問題，如進(jìn)水結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致水泵進(jìn)口下方的附底渦帶產(chǎn)生，機(jī)組振動嚴(yán)重；出水結(jié)構(gòu)不合理使得水流紊亂阻力損失大，加之水泵水力模型性能欠佳，裝置效率低于60%。針對泵裝置存在的問題，更新改造設(shè)計方案為：① 采用新的水泵模型，提高水泵性能；② 采用體積較小的潛水泵裝置，增加空間和便于維修；③改進(jìn)出水室的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，減小水力損失；④改善進(jìn)水結(jié)構(gòu)，消除漩渦和振動。

圖1 雙向流道潛水軸流泵裝置模型結(jié)構(gòu)尺寸(單位:cm)

2 數(shù)值模擬

2.1 計算參數(shù)

采用ZM4.2-300模型軸流泵，模型泵葉輪直徑D=300 mm、葉片數(shù)為4、轉(zhuǎn)速1 399 r/min，對流量Q分別為220、260、290、340 L/s等4種工況分別進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，獲得了泵裝置內(nèi)部的流場，并預(yù)測了泵裝置的性能。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

計算區(qū)域(如圖2)包括進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道4個部分。

計算區(qū)域網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)點總數(shù)1 101 732，網(wǎng)格總數(shù)1 013 303，進(jìn)出水流道網(wǎng)格由ICEM-CFD軟件劃分，葉輪、導(dǎo)葉的網(wǎng)格由TurboGrid生成。進(jìn)口邊界條件為質(zhì)量進(jìn)口，出口邊界為靜壓出口，在葉片表面及轉(zhuǎn)輪內(nèi)部，采用無滑移固壁邊界條件。

圖2 計算區(qū)域和網(wǎng)格

2.3 泵裝置內(nèi)流動特性計算結(jié)果

數(shù)值模擬的紊流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，采用SIMPLEC算法進(jìn)行計算。圖3～圖5為流線圖、流速矢量及壓力、速度云圖，X軸為與進(jìn)出水主流方向垂直(中間為零)，Y軸為順?biāo)鞣较?，Z軸為鉛直方向(底面為零)。

圖3 進(jìn)、出水流道斷面流線、流速矢量和靜壓云圖

圖4 水泵進(jìn)口斷面靜壓和速度云圖

圖5 不同流量工況下的泵進(jìn)口流速均勻度

由圖3(a)、 (b)可見，泵裝置內(nèi)的流動形態(tài)與單向進(jìn)出水流道內(nèi)的流動形態(tài)相近。進(jìn)水流道內(nèi)部的水流在前部流線平順，從平面看水流的分布在中心線兩側(cè)基本是對稱的；而與肘形彎管進(jìn)水流態(tài)不同的是該流道的葉輪下方有不穩(wěn)定的漩渦存在，這會導(dǎo)致壓力的脈動，而這在定常數(shù)值模擬的計算結(jié)果中得不到反映。在立面上水流呈與肘形進(jìn)水流道相似的流動形態(tài)，這是因為喇叭口下的凈空高度較大。與單向進(jìn)水流道相比，后側(cè)有較大的空間，實際上就相當(dāng)于后壁距有很大的盲端。流線顯示在流道后側(cè)存在有回流區(qū)?；亓鞣秶容^大，但是回流的速度很小，流動緩慢，其對泵裝置內(nèi)部的主流和機(jī)組運(yùn)行性能影響很小。

出水流道的流動形態(tài)比較復(fù)雜，從流線看有較大的擺動。這是由于葉輪出口水流的環(huán)量比較大，再疊加水流方向改變90°引起的二次回流所導(dǎo)致的，且流道中間小隔墩較短，水流未能得到進(jìn)一步充分地調(diào)整。和進(jìn)水流道一樣，出水流道后部也有盲端，并存在回流區(qū)且流速較大，產(chǎn)生相應(yīng)的水力損失，使得管路效率降低。

從圖3(b)的平面進(jìn)水流態(tài)圖可知，在葉輪的下方水流與彎管進(jìn)水不同，有不穩(wěn)定漩渦存在，這是因為該區(qū)域水流有不連續(xù)的奇點，這部分水流的旋轉(zhuǎn)能量不斷積累，一旦達(dá)到臨界數(shù)值就會產(chǎn)生渦帶，渦帶是中心區(qū)域為氣體的漩渦，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較大，漩渦進(jìn)入水泵葉輪后引起水泵機(jī)組的劇烈振動，對泵站運(yùn)行有很大的危害。

圖3 (c)的平面出水流態(tài)顯示的特征與立面圖相似，后導(dǎo)葉出口水流的環(huán)量使得出水流道內(nèi)的水流流線向側(cè)壁偏移，盡管出水流道內(nèi)設(shè)置了中隔墩，因其長度較短，消減環(huán)量調(diào)整水流的效果并不明顯。出水流態(tài)會導(dǎo)致出水流道損失增大，降低泵裝置的管路效率。

圖4為水泵葉輪進(jìn)口斷面靜壓和速度云圖。圖4(a)表明水泵葉輪進(jìn)口斷面的壓力分布較為均勻。圖中顯示在進(jìn)水來流方向的轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)有一個低壓區(qū)，低壓區(qū)的范圍較小。圖4(b)為泵葉輪進(jìn)口的流速分布圖，在水流轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的流速較高，說明這個流動形態(tài)符合肘形彎管流動的特征。

為進(jìn)一步了解葉輪進(jìn)口水流分布情況，計算了該斷面的軸向流速分布的均勻度：

(1)

上式反映考慮各計算單元流速偏離斷面平均流速平均差值的相對流速分布情況。圖5是不同流量工況時的進(jìn)口流速均勻度數(shù)據(jù)列和相應(yīng)的曲線。

從計算所得的泵進(jìn)口斷面流速均勻度的數(shù)值可知，該泵裝置的進(jìn)水流道為水泵提供的進(jìn)水條件較好，基本能夠滿足水泵運(yùn)行的需要。通常設(shè)計優(yōu)良的臥式泵和肘形進(jìn)水流道裝置其泵進(jìn)口的水流流速均勻度可以達(dá)到90%甚至更高；而立式雙向泵裝置進(jìn)水流道的出口流速均勻度則要低一些。盡管該泵站為20世紀(jì)70年代建設(shè)，尺寸尚有一定優(yōu)化改進(jìn)的空間，考慮到土建結(jié)構(gòu)以基本滿足運(yùn)行要求為原則，不宜大動，水泵進(jìn)口流速均勻度為84%左右仍然可以保證水泵的正常運(yùn)行，故對進(jìn)水流道出口尺寸僅為適應(yīng)改造后水泵安裝的需要做局部修改，不作大的改動。

圖6(a)是泵出口斷面的壓力和流速云圖，水泵出口斷面選取在導(dǎo)葉體出口附近。從整個斷面來看壓力分布較為均衡，僅在外周邊有局部低壓區(qū)，這一點正好在圖6(b)中得到印證。圖6(b)是泵出口斷面的速度云圖，可以看出導(dǎo)葉片尾流對該斷面流速分布影響較大。很顯然，斷面四周外緣附近的流速較高，主要是切向流速較高。這也表明水流經(jīng)過導(dǎo)葉體后在該斷面的速度環(huán)量仍然較大，這又是引起泵裝置出水流道內(nèi)水流的擺動和旋流式流線的原因，見圖3(a)和(c)。

圖6 水泵出口斷面靜壓和速度云圖

2.4 泵裝置外特性預(yù)測

在泵裝置內(nèi)流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬計算的基礎(chǔ)上，對泵裝置的外特性即揚(yáng)程、功率和效率隨流量的變化關(guān)系進(jìn)行了預(yù)測，泵裝置的計算斷面選取為進(jìn)水流道的進(jìn)口和出水流道的出口，預(yù)測的計算結(jié)果如圖7所示，計算的葉片角度為0°。最高效率點的流量為313 L/s，揚(yáng)程為3.97 m，功率為18.5 kW，效率為65.7%。性能預(yù)測計算結(jié)果及其與之后的模型試驗結(jié)果比較見圖7。

圖7 泵裝置性能預(yù)測結(jié)果 (0°)

泵裝置性能計算結(jié)果與實驗結(jié)果相比，在泵裝置的高效區(qū)及大流量區(qū)一致性較好，但在小流量區(qū)相差較大，這與小流量工況下泵內(nèi)的回流及漩渦較強(qiáng)導(dǎo)致計算誤差增大有關(guān)。

3 模型試驗

為驗證計算結(jié)果、確定改造方案的可行性，制作了模型泵裝置并在江蘇省水利動力工程重點實驗室的高精度水力機(jī)械試驗臺進(jìn)行模型試驗。原型水泵葉輪直徑1 154 mm，轉(zhuǎn)速364 r/min，采用ZM4.2水力模型進(jìn)行試驗，水力模型葉片數(shù)為4, 模型泵葉輪直徑300 mm，原模型比λ=3.847。采用變頻器調(diào)節(jié)模型泵轉(zhuǎn)速，根據(jù)水泵相似律等揚(yáng)程準(zhǔn)則換算(即nMDM=nPDP)，模型泵試驗額定轉(zhuǎn)速為1 399 r/min。

3.1 測試方法

泵裝置揚(yáng)程測量試驗方法按照GB3215-89和SL 140-2006執(zhí)行。進(jìn)口測壓斷面設(shè)置在進(jìn)水箱1-1位置，出口測壓斷面設(shè)在壓力水箱2-2位置(如圖8所示)，裝置揚(yáng)程H等于1-1和2-2兩斷面的總能頭差(即相應(yīng)于原型泵站的上下游水位差)。流量、軸功率、轉(zhuǎn)速、汽蝕余量測量均按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行。

圖8 測壓斷面布置示意圖

3.2 模型試驗結(jié)果

3.2.1模型泵裝置綜合特性曲線

模型試驗對5個葉片角度進(jìn)行了測試，圖9為模型泵裝置在葉片角為-4°至4°時的綜合特性曲線。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，在葉片角度0°,設(shè)計揚(yáng)程為3.579 m時，流量為314.21 L/s，裝置效率達(dá)66.11%;在葉片角度-4°設(shè)計揚(yáng)程為3.332 m時，流量為280.26 L/s，裝置效率達(dá)67.18%;在葉片角度-2°設(shè)計揚(yáng)程為3.607 m時，流量為287.58 L/s，裝置效率達(dá)67.34%;在葉片角度+2°設(shè)計揚(yáng)程為4.007 m時，流量為325.02 L/s，裝置效率達(dá)64.85%；在葉片角度+4°設(shè)計揚(yáng)程為4.007 m時，流量為344.92 L/s，裝置效率達(dá)64.03%；裝置效率達(dá)59.17%。

圖9 模型泵裝置綜合特性曲線(ZM4.2)

根據(jù)模型試驗結(jié)果按照等揚(yáng)程、等效率(偏安全)換算到原型泵裝置，在葉片角度0°，揚(yáng)程為3.07 m時，流量為4.89 m3/s，泵裝置效率為63.4%，達(dá)到設(shè)計要求。在泵裝置實際運(yùn)行揚(yáng)程(2.5～4.07)m范圍內(nèi)，泵裝置能量性能均能達(dá)到較高的效率，滿足泵站運(yùn)行的流量要求且能保證在最大揚(yáng)程下穩(wěn)定安全運(yùn)行。與改造前相比，泵裝置效率提高3%～5%。這表明泵裝置改造方案可行。

3.2.2模型泵裝置汽蝕性能

模型試驗測試了泵裝置3個葉片角度的汽蝕性能，根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算了泵裝置的必需汽蝕余量，汽蝕性能曲線見圖10。在整個測試的流量范圍內(nèi)，泵裝置必需汽蝕余量NPSHr為(4.9～9.7)m，相應(yīng)的汽蝕比轉(zhuǎn)速C為(800～1 300)，在泵站運(yùn)行揚(yáng)程范圍內(nèi)，泵裝置必需汽蝕余量NPSHr為(4.9～8.8)m，相應(yīng)的汽蝕比轉(zhuǎn)速C為(890～1 300)，說明汽蝕性能良好，能滿足水泵實際運(yùn)行對汽蝕性能要求。

圖10 模型泵裝置汽蝕性能曲線

3.2.3壓力脈動測量

模型試驗顯示進(jìn)水流道在流量大于300 L/s有附底渦帶出現(xiàn)，引發(fā)泵機(jī)組振動。為深入了解水力振動情況，在進(jìn)水流道底部和出水流道側(cè)壁處分別安裝2只動態(tài)壓力傳感器，測量流道壁面的壓力脈動。傳感器的型號為HM90，其安裝位置如圖11所示。每隔2秒進(jìn)行一次壓力信號采集，每個工況點的數(shù)據(jù)采集時間約為2 min。

圖11 壓力傳感器安裝位置

圖12為葉片角度為-2°時，各流量工況點壓力脈動峰值，由圖12看見，在小流量工況和設(shè)計流量工況時，壓力脈動峰值相對較小，流量大于310 L/s時，壓力脈動峰值開始增加，壓力脈動最大值和最小值幅值之差越來越大。此時從模型裝置設(shè)置的進(jìn)口觀測窗看到進(jìn)水流道內(nèi)有附底渦帶出現(xiàn)，渦帶引發(fā)泵機(jī)組振動，這恰好印證了壓力脈動峰值增大的緣由。

圖12 壓力脈動峰值隨流量的變化(葉片角)

3.2.4進(jìn)水漩渦和消渦防渦措施

在模型試驗過程中發(fā)現(xiàn)在流量大于300 L/s工況有附底渦帶出現(xiàn)，且流量愈大渦帶出現(xiàn)的頻率愈高，持續(xù)時間愈長，漩渦的強(qiáng)度愈大，在渦帶出現(xiàn)的時候機(jī)組產(chǎn)生較明顯的振動。渦帶的頻率如果與機(jī)組的自振頻率接近就可能引起泵裝置劇烈振動，對泵機(jī)組的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。因此，防止和消除附底渦帶對于雙向進(jìn)水流道泵機(jī)組運(yùn)行的安全性尤為重要。為了消除進(jìn)水流道內(nèi)的渦帶，在進(jìn)水流道的底部設(shè)置了項目組研發(fā)的消渦錐，其形狀尺寸如圖13所示。消渦錐固定在水泵喇叭口的正下方，順?biāo)鞣较蛴幸欢谈舭?，阻斷了水流的環(huán)向旋轉(zhuǎn)，消除了流動非連續(xù)區(qū)。流道中加裝消渦錐后，有效消除了進(jìn)水流道內(nèi)的渦帶，在各種工況下未觀測到可見附底漩渦，可以確保水泵機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。圖14為有無消渦錐時泵裝置的能量性能曲線。由圖可見，消渦錐對水泵能量性能影響很小，有無消渦錐時泵裝置的能量性能的差別在泵裝置測試系統(tǒng)的重復(fù)性誤差范圍之內(nèi)，可以忽略。然而消除漩渦可以增強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而確保泵機(jī)組的運(yùn)行安全。

圖13 進(jìn)水流道底部的消渦錐(單位：mm)

圖14 有無消渦錐泵裝置能量性能對比

4 結(jié) 語

(1)模型試驗的結(jié)果表明更新改造的雙向泵裝置的性能較好， 模型泵裝置在葉片全角度下效率達(dá)(60～67)%的范圍較寬，效率較高，比改造前平均提高3%～5%，模型裝置能量性能達(dá)到了泵站改造設(shè)計的目標(biāo)要求。

(2)模型泵裝置必需汽蝕余量NPSHr為(4.9～9.7)m，相應(yīng)的汽蝕比轉(zhuǎn)速C為(800～1 300)，汽蝕性能良好，能滿足水泵實際運(yùn)行對防止產(chǎn)生汽蝕的需要。

(3)模型試驗顯示進(jìn)水流道在流量大于300 L/s時有附底渦帶出現(xiàn)，渦帶出現(xiàn)頻率較高，引發(fā)泵機(jī)組振動。采用項目組研發(fā)的消渦錐有效地消除了進(jìn)水流道內(nèi)存在的底部有害漩渦，實現(xiàn)水泵進(jìn)口無渦運(yùn)行，提高泵機(jī)組運(yùn)行可靠性。

(4)通過數(shù)值模擬計算結(jié)果獲得雙向泵裝置內(nèi)的流動形態(tài)，在進(jìn)水流道后端存在有較大的回流區(qū)，但是回流速度很小，對主流和泵裝置運(yùn)行影響不大，其余與單向進(jìn)水流道內(nèi)的流動形態(tài)相近，進(jìn)水流道出口的流速分布均勻度為84%左右；雙向出水流道內(nèi)受出流環(huán)量影響水流流線擺動較大，出水流道前端水流紊亂，這是雙向流道泵裝置效率低于單向裝置的主要原因。

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