不同葉輪在軸流泵裝置中的水力特性分析

張文鵬，陳 鋒，湯方平，石麗建，劉海宇，王 林

（1.濟(jì)寧市水利事業(yè)發(fā)展中心，山東濟(jì)寧 272000；2.常州市城市防洪工程管理處，江蘇常州 213000；3.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009）

0 引 言

泵站是跨流域與區(qū)域調(diào)水、農(nóng)業(yè)灌溉與排澇、城市供水與排水等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)設(shè)施。軸流泵因其結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活、形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，是用于低揚(yáng)程泵站的最主要泵型［1］。良好的泵裝置性能是泵站安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行的前提，而葉輪是泵裝置的核心，選擇合適的葉輪無疑是泵裝置設(shè)計(jì)的最重要內(nèi)容之一。

針對軸流泵及泵裝置的研究，學(xué)者做了大量工作。在葉輪選型方面，關(guān)醒凡［2］等論述了南水北調(diào)工程大型軸流泵選型時(shí)應(yīng)注意的問題；湯方平［3.4］等研究了水泵特性與泵裝置特性的關(guān)系；鄧東升［5］等提出應(yīng)該對水力性能、設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行多方案、全方位的綜合比較。在葉輪內(nèi)部流場方面，王福軍［6］等采用時(shí)間相關(guān)的瞬態(tài)流分析理論及大渦模擬方法研究軸流泵內(nèi)部非定常流動；鄭源［7］等研究了軸流泵內(nèi)部壓力脈動在不同葉片安放角度和揚(yáng)程下的變化規(guī)律及特性；施衛(wèi)東［8］等對軸流泵全流場進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬。然而，由于現(xiàn)階段還未能實(shí)現(xiàn)針對泵裝置特定工況的專門葉輪設(shè)計(jì)，只能在已有水力模型中選擇，為了滿足泵站運(yùn)行要求，往往要改變其nD 值；加上之前公開的模型試驗(yàn)資料少，對理論分析的反饋不足，仍存在運(yùn)行工況偏離、空化性能差、機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。再者，在進(jìn)行泵站葉輪選型時(shí)，可能會有幾副葉輪均可滿足外特性的運(yùn)行要求，但它們對應(yīng)的泵裝置內(nèi)部流場特性無疑會有所差別。因此，分析不同葉輪對其他過流部件的干涉作用，掌握不同葉輪在泵裝置中的流場特性，對泵裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和泵站的穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。

基于某立式軸流泵裝置，開發(fā)了參數(shù)化的流道設(shè)計(jì)軟件，比較了兩副葉輪內(nèi)部流場及其對其他過流部件的影響，試驗(yàn)測試了兩副葉輪在同一泵裝置的外特性，可以為相似泵裝置的葉輪選型、流道優(yōu)化設(shè)計(jì)以及泵站的運(yùn)行管理提供參考。

1 工程概況

某泵站規(guī)劃為調(diào)水灌溉泵站，總設(shè)計(jì)流量為37 m3/s，初步選用4 臺套的機(jī)械全調(diào)節(jié)立式軸流泵，其中1 臺為備機(jī)，單機(jī)流量為12.33 m3/s。采用肘形流道進(jìn)水，虹吸式流道出水，真空破壞閥斷流。泵站的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為4.9 m，平均揚(yáng)程為4.2 m，最低揚(yáng)程為3.2 m，最高揚(yáng)程為5.2 m。由于軸流泵馬鞍區(qū)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，最高運(yùn)行揚(yáng)程不能超過馬鞍區(qū)。

根據(jù)泵站的特征水位和控制尺寸，本著型線變化合理、斷面過渡均勻的原則，對AutoCAD 進(jìn)行二次開發(fā)，可以得到進(jìn)、出水流道的型線及斷面尺寸圖。再結(jié)合三維數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，通過不斷調(diào)整控制參數(shù)來優(yōu)化進(jìn)、出水流道，生成最終的立式泵裝置型線如圖1所示。

圖1 立式泵裝置布置圖Fig.1 Layout of vertical pump device

2 葉輪選型分析

泵裝置效率ηm是泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)，可以由水泵效率ηp與流道效率ηd的乘積表示，計(jì)算式為：

根據(jù)泵效率的定義，泵的效率表達(dá)式為：

式中：ρ和g分別為水的密度和重力加速度；Q為泵的流量；Hp為泵的揚(yáng)程；Ns為輸入功率。

根據(jù)流道效率的定義，流道效率的表達(dá)式為：

式中：Hd為泵裝置的揚(yáng)程；Δh為流道的水力損失。

因此，在選葉輪時(shí)，既要考慮葉輪自身的性能，如效率高，空化性能好等；又要盡可能準(zhǔn)確判斷進(jìn)、出水流道的水力損失，以避免泵站運(yùn)行時(shí)偏離最優(yōu)工況點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)［9］，在進(jìn)行流道的水力設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，要考慮泵對進(jìn)、出水流道性能的影響。根據(jù)泵站的設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇自行開發(fā)的兩副葉輪進(jìn)行對比分析，兩副葉輪對應(yīng)的泵段的最高效點(diǎn)參數(shù)如表1所示。

表1 兩副葉輪對應(yīng)的泵段的最高效率點(diǎn)參數(shù)（D=300 mm，n=1 450 r/min）Tab.1 The most efficient point of the pump section corresponding to the two impellers

單從這兩副葉輪的最高效率點(diǎn)參數(shù)來看，葉輪A 的比轉(zhuǎn)速較高，最高效率點(diǎn)的揚(yáng)程低，更適合應(yīng)用于設(shè)計(jì)揚(yáng)程較低的工況，最優(yōu)效率值比葉輪B低。為了滿足泵裝置的運(yùn)行，需要對葉輪的nD 值進(jìn)行調(diào)整，葉輪的空化性能會顯著改變。對于本泵裝置而言，葉輪A 的揚(yáng)程稍低，需要增加轉(zhuǎn)速運(yùn)行，而葉輪B 則揚(yáng)程過高，且流量偏大，需要降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。根據(jù)初步規(guī)劃，泵裝置在設(shè)計(jì)工況的參數(shù)確定如表2所示。

表2 兩副葉輪對應(yīng)的泵裝置設(shè)計(jì)工況的參數(shù)Tab.2 Design conditions of pump device corresponding to two impellers

由于葉輪A 轉(zhuǎn)速較高，相應(yīng)的nD 值比葉輪B 要大，而nD 值是衡量水泵空化性能的重要參考值，因此，葉輪A 的空化性能可能會比葉輪B差。由于葉輪轉(zhuǎn)速、直徑與泵裝置流量、揚(yáng)程的匹配比較復(fù)雜而且繁瑣，限于篇幅有限，本文僅基于上述參數(shù)進(jìn)行兩副水力模型的水力特性進(jìn)行分析，不再探究葉輪直徑與轉(zhuǎn)速等參數(shù)的最優(yōu)匹配關(guān)系。

3 數(shù)值模擬

泵裝置內(nèi)部流場是泵站設(shè)計(jì)最關(guān)心的內(nèi)容之一。隨著CFD 技術(shù)的快速發(fā)展，對泵裝置特別是葉輪內(nèi)部復(fù)雜流場的數(shù)值模擬研究越來越多［11-15］，可以為葉輪選型分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力支撐。

3.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格

根據(jù)生成的泵裝置型線和各斷面尺寸圖，創(chuàng)建進(jìn)、出水流道和出水彎管的三維模型，并剖分六面體網(wǎng)格，且對邊壁網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。在TurboGrid中對葉輪和導(dǎo)葉剖分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并保證兩副水力模型的網(wǎng)格數(shù)基本一致。研究表明，葉頂間隙對水泵性能有顯著影響［15-17］，為了保證數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果的一致性，本次數(shù)值計(jì)算設(shè)置的葉頂間隙與模型試驗(yàn)中測量的結(jié)果相同，為0.20 mm。為了減少網(wǎng)格對計(jì)算結(jié)果的影響，基于兩副葉輪分別進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。不同網(wǎng)格數(shù)時(shí)兩副葉輪對應(yīng)的泵裝置揚(yáng)程和效率如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性分析Fig.2 Grid independence analysis

由圖2可知，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，兩副葉輪對應(yīng)的泵裝置的揚(yáng)程和效率均表現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢。為了節(jié)省計(jì)算資源，在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下確定最終泵裝置的網(wǎng)格數(shù)約為368 萬個(gè)，各計(jì)算域的網(wǎng)格信息如表3 所示。經(jīng)過計(jì)算，選用此網(wǎng)格數(shù)時(shí)，葉輪的Y+值約為40，葉輪和導(dǎo)葉體的網(wǎng)格分別如圖3所示。

圖3 葉輪和導(dǎo)葉的網(wǎng)格圖Fig.3 Mesh of impeller and guide vane

表3 各計(jì)算域的網(wǎng)格信息 個(gè)Tab.3 Mesh information for each computing domain

在CFX-Pre 中，將各計(jì)算域依次拼接起來，并在進(jìn)水流道前和出水流道后各增加一段延伸段，整體的泵裝置計(jì)算域如圖4（a）所示。

圖4 計(jì)算模型及監(jiān)控點(diǎn)位置Fig.4 Calculate model and position of monitoring point

3.2 計(jì)算方法及邊界條件

RNG k-ε 模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型的修正方程，可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動［18，19］，因此，以RNAS方程為基本控制方程，選用RNG k-ε 模型對立式軸流泵裝置進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬，待經(jīng)模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證可靠性后，將定常結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始值，再進(jìn)行三維非定常數(shù)值計(jì)算。

入口設(shè)置為壓力進(jìn)口條件，出口設(shè)置為流量出口條件。固壁應(yīng)用無滑移的壁面條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。肘形進(jìn)水流道與葉輪之間、葉輪與導(dǎo)葉之間采用動靜交界面，其余各計(jì)算域之間均采用靜靜交界面。

流場壓力脈動是影響大型軸流泵運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素［20，21］，基于兩副葉輪的設(shè)計(jì)工況，在葉輪進(jìn)口、導(dǎo)葉進(jìn)口和導(dǎo)葉出口位置設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，以分析泵裝置內(nèi)部的壓力脈動狀況。監(jiān)控點(diǎn)的位置如圖4（b）所示。根據(jù)兩副葉輪的轉(zhuǎn)速設(shè)置非定常計(jì)算的時(shí)間步長，葉輪A 為2.262 34×10-4s，葉輪B 為2.521 43×10-4s，每步長葉輪旋轉(zhuǎn)2°，其旋轉(zhuǎn)1周為180步，計(jì)算總時(shí)間為10個(gè)旋轉(zhuǎn)周期，總時(shí)間分別為0.411 523 s和0.453 858 s。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 葉 輪

為了比較兩副葉輪內(nèi)部流場，在各自的設(shè)計(jì)揚(yáng)程下，取出葉片表面壓力，如圖5所示。

由圖5可知，兩副葉輪的葉片表面壓力分布趨勢是一致的。在吸力面都是葉片進(jìn)口處低，出口處高；在壓力面都是靠近進(jìn)口的外緣高，出口的內(nèi)緣低。葉片表面的壓力分布符合一般軸流泵的壓力分布規(guī)律。對兩副葉輪的差異，葉輪A 在進(jìn)口處的壓力明顯低于葉輪B，這就表明，葉輪A 比葉輪B 更容易產(chǎn)生空化。并且，在葉片頭部，葉輪A 的吸力面壓力更低，壓力面壓力更高，壓力差值大，葉片容易失穩(wěn)。

圖5 葉片表面壓力圖Fig.5 Pressure diagram on blade surface

為了定量的對比兩副葉輪的壓力分布，將泵裝置最低揚(yáng)程（3.2 m）、平均揚(yáng)程（4.2 m）和設(shè)計(jì)揚(yáng)程（4.9 m）工況附近的葉輪葉片展向span 值分別為0.1、0.5 和0.9 處的壓力值取出，如圖6所示。

圖6 葉片表面壓力對比Fig.6 Comparison of blade surface pressure

由圖6 可知，從輪轂至輪緣，兩副葉輪的最低壓力值降低，最高壓力值升高。葉片頭部存在很大的壓力差，并且從輪轂至輪緣，差值呈現(xiàn)增大的趨勢。隨著揚(yáng)程的增加逐漸靠近設(shè)計(jì)揚(yáng)程，葉片表面的壓力逐漸變得均勻。對兩副葉輪而言，葉輪B在不同斷面的壓力分布都更均勻，葉片頭部壓力差較小，最低壓力值較高，更不容易發(fā)生空化。

在葉輪進(jìn)口、導(dǎo)葉進(jìn)口和導(dǎo)葉出口取監(jiān)控點(diǎn)的壓力脈動值，采用計(jì)算趨于穩(wěn)定的后6個(gè)周期的壓力脈動值，經(jīng)傅立葉變換后得到的頻域圖如圖7所示。圖中Fn為轉(zhuǎn)頻倍數(shù)。

由圖7可知，在葉輪進(jìn)口，監(jiān)控點(diǎn)的壓力脈動峰值均出現(xiàn)在4倍轉(zhuǎn)頻，由于兩副葉輪葉片數(shù)均為4，即主頻為葉頻，并且從輪轂至輪緣，脈動幅值呈現(xiàn)隨葉輪半徑增加的趨勢。葉輪A 的幅值大于葉輪B，這與葉片表面壓力分布規(guī)律一致。在葉輪出口，從輪轂至輪緣，幅值的峰值先減小后增大，主頻仍出現(xiàn)在葉頻附近，并且2 倍和3 倍的葉頻比較突出。在靠近輪轂側(cè)，葉輪A的主頻幅值較大，而在靠近輪緣側(cè)，葉輪B的主頻幅值較大。另外，葉輪出口處的低頻脈動比較突出，特別是葉輪B，在輪轂側(cè)的低頻脈動多且幅值較大，表明在靠近輪轂處水流狀況比較復(fù)雜。在導(dǎo)葉出口，葉頻幅值下降明顯，低頻脈動幅值較大，葉輪B 對應(yīng)的低頻脈動幅值比葉輪A 多。由此可見，葉輪與導(dǎo)葉的動靜干涉作用明顯，低頻脈動突出，導(dǎo)葉內(nèi)部流動復(fù)雜。

圖7 不同監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動值對比Fig.7 Comparison of pressure pulsation values at different monitoring points

3.3.2 導(dǎo) 葉

在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下，在葉片展向span 值為0.5 處，取葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)的流速矢量圖，如圖8所示。

圖8 泵內(nèi)部流速矢量圖Fig.8 Flow velocity vector diagram inside the pump

由圖8 可知，對于葉輪A，揚(yáng)程為3.2 m 時(shí)，對應(yīng)的流量為403 L/s，在導(dǎo)葉片前1/3 區(qū)域位置的迎水面，出現(xiàn)了小范圍的脫流區(qū)，隨著揚(yáng)程的增加，流場逐漸變得均勻。對于葉輪B，揚(yáng)程為3.2 m 時(shí)，對應(yīng)的流量為380 L/s，導(dǎo)葉內(nèi)部流速分布較均勻，隨著揚(yáng)程的增加，在靠近導(dǎo)葉片出口的背面出現(xiàn)漩渦，并且揚(yáng)程越高，漩渦區(qū)范圍越大。

兩副葉輪在設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)對應(yīng)的導(dǎo)葉內(nèi)部流場差異明顯。為了分析導(dǎo)葉內(nèi)部的流場狀況，以q準(zhǔn)則［22］識別導(dǎo)葉內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)戎得娴娜≈禐閝=4.56×104s-2，識別到導(dǎo)葉內(nèi)部的漩渦結(jié)果如圖9 所示。取導(dǎo)葉出口斷面的壓力分布云圖，如圖10所示。

圖9 導(dǎo)葉內(nèi)部的漩渦Fig.9 The vortex inside the guide vane

由圖9 可以看出，對于葉輪A，在靠近輪轂和輪緣位置存在較多小的漩渦，而葉輪B，導(dǎo)葉內(nèi)部存在較大的條狀渦帶。由圖10可以看出，在漩渦對應(yīng)的位置，導(dǎo)葉出口的壓力梯度大，葉輪B 對應(yīng)的導(dǎo)葉內(nèi)部渦帶對流場擾動明顯，導(dǎo)葉出口存在明顯的低壓區(qū)。這也是導(dǎo)葉低頻壓力脈動突出的主要原因。

圖10 導(dǎo)葉出口壓力分布對比Fig.10 Comparison of pressure distribution of guide vane outlet

為了定量分析導(dǎo)葉的整流效果，引入軸向流速分布不均勻度，來評價(jià)導(dǎo)葉出口的流態(tài)，計(jì)算式為：

取兩副葉輪對應(yīng)的導(dǎo)葉出口Vnu的計(jì)算結(jié)果，如圖11所示。

圖11 導(dǎo)葉出口Vnu對比圖Fig.11 Vnu comparison of guide vane outlet

由圖11可知，兩副葉輪對應(yīng)的導(dǎo)葉出口流速分布不均勻度的變化趨勢一致，均隨著流量的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。從各自的設(shè)計(jì)工況來看，葉輪A 的導(dǎo)葉出口流態(tài)比葉輪B要更均勻。

3.3.3 進(jìn)、出水流道

為了分析葉輪對進(jìn)、出水流道的影響，取進(jìn)水流道和出水流道的水力損失，如圖12所示。

由圖12可以看出，兩副葉輪對應(yīng)的進(jìn)水流道水力損失隨著流量的增加而增大，在相同的流量下水力損失基本相同，這表明，進(jìn)水流道的水力損失與進(jìn)水流道尺寸和流量有關(guān)，而與葉輪的關(guān)系并不明顯。出水流道水力損失均隨著流量的增加先減小后增大。葉輪B對應(yīng)的小流量和大流量的水力損失均比葉輪A大，而在各自的設(shè)計(jì)工況附近，葉輪B對應(yīng)的水力損失均比葉輪A 小。出水流道的水力損失在流量為360 L/s 左右時(shí)的水力損失最小。在葉輪B 的設(shè)計(jì)工況，出水流道水力損失并不是最優(yōu)值，這會降低泵裝置在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的性能。

圖12 進(jìn)、出水流道水力損失對比圖Fig.12 Comparison diagram of hydraulic loss of inlet and outlet passages

出水流道的水力損失與導(dǎo)葉出口Vnu的變化趨勢一致，導(dǎo)葉對出水流道的性能有直接的影響。泵裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量讓各部件的性能在設(shè)計(jì)工況均達(dá)到最優(yōu)，從而提高泵裝置整體性能。對于導(dǎo)葉與出水流道的關(guān)聯(lián)性，后續(xù)會做深入研究。

4 模型試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)臺及測試方法簡介

泵裝置模型試驗(yàn)在高精度水力試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，總長度為60.0 m，管道直徑為0.5 m（僅在安裝電磁流量計(jì)的前、后直管段為直徑0.4 m 的管道），系統(tǒng)可容納的水體積為50 m3。經(jīng)鑒定，試驗(yàn)臺效率的綜合不確定度為±0.39%。試驗(yàn)臺如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)臺示意圖Fig.13 Schematic diagram of test bench

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程［23］，每副葉輪均測試不少于5 個(gè)葉片安放角的能量試驗(yàn)和空化試驗(yàn)。能量試驗(yàn)時(shí)每個(gè)角度測試不少于18個(gè)工況點(diǎn)，在馬鞍區(qū)附近，降速30%運(yùn)行；空化試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)角度測試5 個(gè)工況點(diǎn)，保持流量為常數(shù)，逐漸降低泵進(jìn)口壓力，改變空化余量值至與無空化工況相比效率下降1%作為臨界空化余量。

4.2 泵裝置簡介

兩副水力模型的名義葉輪直徑均為300 mm，葉片葉頂間隙0.2 mm 左右，葉片數(shù)均為4，采用黃銅經(jīng)數(shù)控加工成型。導(dǎo)葉葉片數(shù)為7，采用鑄鐵焊接而成。進(jìn)、出水流道采用鋼板焊接制作。模型泵安裝后，經(jīng)檢查，導(dǎo)葉體與葉輪室的定位面軸向跳動0.10 mm，輪轂外表面徑向跳動0.06 mm，安裝精度滿足試驗(yàn)要求。葉輪和導(dǎo)葉的實(shí)物及模型試驗(yàn)的泵裝置如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物圖Fig.14 Photos of model test

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果繪制出兩副葉輪對應(yīng)的模型泵裝置的綜合特性曲線如圖15所示。

圖15 泵裝置全特性曲線對比圖Fig.15 Comparison diagram of full characteristic curve of pump unit

由圖15 可知，葉輪A 對應(yīng)的泵裝置最高效率為78%，但最高效率偏向小流量區(qū)域，出現(xiàn)在-2°，與泵裝置的設(shè)計(jì)工況相差較大；葉輪B所在的泵裝置最高效率為77%。在設(shè)計(jì)工況，兩副葉輪對應(yīng)的泵裝置效率均為77%，但空化性能相差較大，葉輪A的空化余量為6.6 m，葉輪B 的空化余量為4.8 m?？栈阅艿牟町惻c數(shù)值模擬中的預(yù)測一致。

泵站運(yùn)行時(shí)，需要兼顧各運(yùn)行工況點(diǎn)的性能，在兩副葉輪對應(yīng)的全特性曲線中找到各運(yùn)行工況的性能，對比結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在最低揚(yáng)程和平均揚(yáng)程區(qū)域，葉輪A 的效率顯著低于葉輪B，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程和最高揚(yáng)程，葉輪A 的效率略高于葉輪B。在各揚(yáng)程，葉輪A的空化性能都比葉輪B差。

表4 各運(yùn)行工況的性能對比Tab.4 Performance comparison of each operating condition

4.4 數(shù)值模擬的可靠性驗(yàn)證

在葉片安放角+2°時(shí)，取兩水力模型對應(yīng)的泵裝置試驗(yàn)與數(shù)值模擬的外特性結(jié)果，如圖16所示。

由圖16可知，兩副葉輪對應(yīng)的泵裝置的數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合均較好。在大流量和設(shè)計(jì)工況，揚(yáng)程的誤差在1%左右，效率的誤差小于3%；在小流量區(qū)域，揚(yáng)程的趨勢一致，數(shù)值模擬結(jié)果均比模型試驗(yàn)低，葉輪A 的效率誤差較大，葉輪B的效率吻合較好。小流量區(qū)域的揚(yáng)程誤差可能是由于數(shù)值模擬時(shí)沒有考慮到機(jī)組的振動問題，使數(shù)值模擬的環(huán)境與模型試驗(yàn)環(huán)境有差別，造成了一定的誤差。整體來看，數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果的揚(yáng)程變化趨勢一致，揚(yáng)程的最大誤差在3%左右，可以認(rèn)為數(shù)值模擬的結(jié)果是可信的。

圖16 數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.16 Comparison of numerical simulation and model test results

5 結(jié) 論

（1）為了滿足泵站運(yùn)行要求，選擇的葉輪可能會偏離其最優(yōu)工況。nD 值是葉輪選型的重要參考，其值超過435 時(shí)，應(yīng)特別注意葉輪的空化性能。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，葉片壓力分布差異明顯，葉輪A 葉輪出口低頻脈動較少，導(dǎo)葉內(nèi)部流態(tài)較好；葉輪B葉片壓力分布均勻，葉輪進(jìn)口脈動幅值較小，空化性能較優(yōu)。雖然兩副葉輪在設(shè)計(jì)工況的外特性基本相同，但內(nèi)部流態(tài)差別很大。導(dǎo)葉出口的流速分布不均勻度與出水流道的水力損失變化基本一致。

（3）模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性；兩副葉輪在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率基本相同，空化性能差別較大；在平均揚(yáng)程和最低揚(yáng)程區(qū)域，葉輪B的綜合性能更好。

（4）泵裝置設(shè)計(jì)時(shí)，為了滿足運(yùn)行要求，選擇不同的葉輪時(shí)泵裝置性能會有顯著不同，即便是外特性相近，其內(nèi)流場也可能差異明顯，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行工況綜合分析，選擇可以使泵裝置穩(wěn)定、高效運(yùn)行的葉輪。針對泵裝置特定工況的綜合性能仍有進(jìn)一步提升的空間。