陸偉剛，王東偉，施偉，劉軍，徐磊

(1. 揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；2. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司，江蘇 南京 210019)

潛水貫流泵裝置是一種臥式安裝的新型機電一體化泵裝置型式，采用潛水電動機，具有流道順直、水力性能優(yōu)異和結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便、土建投資省等突出優(yōu)點，已開始在江蘇、安徽、廣東等地的低揚程泵站得到應用[1-2].該裝置在水資源調(diào)配、城鎮(zhèn)防洪、水環(huán)境改善和農(nóng)業(yè)排灌等領(lǐng)域的應用前景十分廣闊.

在立式潛水泵裝置中，潛水電動機只能布置在水泵導葉體之后，如圖1所示.當立式潛水泵裝置由立式改為臥式安裝時，潛水電動機也就順理成章地布置在水泵導葉體之后(即電動機后置).目前應用的潛水貫流泵裝置都習慣性地采用電動機后置方式.劉榮華[3]通過降低斷面平均流速、改變電動機外殼形狀等方法改善潛水貫流泵裝置流態(tài)，減小了水力損失；夏臣智[4]發(fā)現(xiàn)潛水貫流泵裝置進水流道縱向結(jié)構(gòu)的不對稱會影響進水流道內(nèi)的水流流態(tài).在潛水貫流泵的結(jié)構(gòu)研究方面，方桂林等[1]從支撐結(jié)構(gòu)、分段結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面對潛水貫流泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析；張愛霞[5]通過在潛水貫流泵上加裝行星齒輪減速箱來減小電動機的尺寸；陳璐[6]指出可通過解決電動機散熱和電動機絕緣問題、采用密封技術(shù)等措施來提高潛水貫流泵的可靠性.

目前，采用潛水貫流泵裝置的低揚程泵站均為電動機后置方式，關(guān)于潛水貫流泵裝置的研究也是針對電動機后置的型式.由于潛水貫流泵臥式安裝提供了將潛水電動機布置在水泵葉輪室之前的可能(即電動機前置)，文中打破了潛水貫流泵裝置電動機后置的習慣性思維，提出了潛水貫流泵裝置電動機前置的新型式，以便使?jié)撍灹鞅醚b置在低揚程和特低揚程泵站得到更多更好的應用.

圖1 立式潛水泵裝置示意圖

Fig.1 Schematic sketch of vertical submersible pump device

1 某泵站潛水貫流泵裝置設(shè)計參數(shù)

某大型低揚程泵站的最高、設(shè)計和最低揚程分別為4.55，2.02，1.00 m，采用6臺潛水貫流泵裝置，單泵設(shè)計流量為12.8 m3/s.該站選用南水北調(diào)水泵模型同臺測試的TJ04-ZL-07水泵模型，水泵葉輪直徑和轉(zhuǎn)速分別為2.00 m和183.8 r/min.潛水貫流泵裝置的主要控制尺寸如下：水泵葉輪中心高程為-2.05 m，進水流道進口的高度和寬度分別為2.79,5.00 m，出水流道出口的高度和寬度分別為3.10,5.00 m，電動機段長度為3.45 m，泵裝置總長度為33.84 m；潛水電動機的直徑為1.05 m，電動機段的外殼直徑為2.50 m.

在主要控制尺寸相同的條件下，文中對該站電動機前置和電動機后置的潛水貫流泵裝置分別進行了優(yōu)化水力設(shè)計和數(shù)值模擬，并對這2種方案下潛水貫流泵裝置的水力性能和結(jié)構(gòu)特點進行了比較.

2 電動機前置泵裝置數(shù)值計算

2.1 計算方案

根據(jù)該站擬定的葉輪中心高程、進水流道進口、出水流道進口等泵裝置控制尺寸，對電動機前置潛水貫流泵裝置的進、出水流道進行了優(yōu)化水力設(shè)計研究.優(yōu)化方案如圖2所示.

2.2 泵裝置流場計算數(shù)學模型

2.2.1 控制方程

潛水貫流泵裝置內(nèi)的水流流動屬于不可壓縮湍流流動，可用連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程對湍流的運動進行描述.為求解泵裝置三維流場，還需引入湍流模型以使方程組封閉.常用的湍流模型有S-A湍流模型、k-ε湍流模型和k-ω湍流模型等[7-11]，其中標準k-ε湍流模型應用最為廣泛，且在水力機械流動模擬中具有良好的適用性[12].

圖2 電動機前置的潛水貫流泵裝置優(yōu)化方案單線

2.2.2 流場計算區(qū)域

電動機前置的潛水貫流泵裝置，其三維湍流流動數(shù)值計算區(qū)域由前池、進水流道、葉輪及葉輪室、導葉體、出水流道和出水池6個部分組成.采用Gambit軟件對泵裝置流場的數(shù)值模擬區(qū)域進行三維建模和網(wǎng)格剖分，其中，前池和出水池采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余各部分均選用適應能力較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.電動機前置的潛水貫流泵裝置流場計算區(qū)域及網(wǎng)格剖分情況如圖3所示.計算區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)為86.43萬，其中，前池、進水流道、葉輪室、導葉體、出水流道和出水池的網(wǎng)格數(shù)分別為4.65萬，16.37萬，19.86萬，10.13萬，26.60萬和8.82萬.

圖3 電動機前置的潛水貫流泵裝置流場計算區(qū)域及網(wǎng)格

2.2.3 邊界條件

計算流場進口的邊界設(shè)置在前池中距進水流道進口足夠遠處，進口邊界垂直于水流方向，可認為此處來流速度均勻分布，采用速度進口邊界條件.計算流場出口的邊界設(shè)置在出水池中距出水流道出口足夠遠處，出口邊界垂直于水流方向，這里可采用自由出流邊界條件.

對于泵裝置計算流場中的水池底壁、流道邊壁、葉輪室內(nèi)壁、電動機外壁及支撐筋板等固壁，應用對數(shù)式固壁函數(shù)處理[13].水泵葉輪表面設(shè)置為轉(zhuǎn)動壁面，且轉(zhuǎn)動速度及方向與水泵葉輪的旋轉(zhuǎn)速度及方向一致.

計算流場中的前池和出水池表面為自由水面，忽略水面的風所引起的切應力及與大氣層的熱交換.自由水面的速度和湍動能均視為對稱平面處理[13].

2.3 數(shù)值計算結(jié)果

2.3.1 流場計算結(jié)果

電動機前置潛水貫流泵裝置設(shè)計流量時的三維流場圖如圖4所示,圖中v為流速.

圖4 電動機前置的潛水貫流泵裝置流場圖

Fig.4 Flow fields of tubular pump device with motor front arrangement

從圖中可以看到，進水流道進口至潛水電動機段進口之間的水流，在立面和平面方向均勻收縮、流線層次分明；水流由流道段過渡到電機段非常平順，電動機段內(nèi)雖有潛水電動機和支撐筋板等增大斷面流速，阻礙水流流動，但優(yōu)化水力設(shè)計方案加大了電動機段流道直徑且此時水流已經(jīng)完成了收縮流動，水流在潛水電動機段內(nèi)流動平順流暢，上下左右均基本對稱，在繞過筋板后匯合；從電動機段流出的水流經(jīng)出口曲線段的進一步調(diào)整，以基本垂直于流道出口斷面的方向均勻流入葉輪室；在葉輪室內(nèi)，水流在葉輪旋轉(zhuǎn)運動的推動下獲得揚程，同時也產(chǎn)生一定的周向速度，以較大的切向速度旋轉(zhuǎn)進入導葉體；在導葉體內(nèi)，水流在經(jīng)流向調(diào)整并得到初步擴散后進入出水流道；從導葉體流出的水流仍具有較大的剩余環(huán)量，呈螺旋狀進入出水流道.在旋轉(zhuǎn)水流“貼壁效應”[14]的作用下，水流在出水流道內(nèi)做邊旋轉(zhuǎn)、邊擴散的運動直至出口；水流在平面和立面方向擴散平穩(wěn)，整個流道內(nèi)無旋渦等不良流態(tài).

2.3.2 水力性能計算結(jié)果

選取運行工況范圍內(nèi)15個工況點，對電動機前置潛水貫流泵裝置的能量性能進行計算.計算所得泵裝置的揚程-流量曲線、效率-流量曲線如圖5所示，圖中H為揚程，η為效率，Q為流量.

圖5 電動機前置的潛水貫流泵裝置能量性能曲線

Fig.5 Energy performance curve of tubular pump device with motor front arrangement

3 電動機后置泵裝置數(shù)值計算

3.1 計算方案

根據(jù)該站擬定的葉輪中心高程、進水流道進口、出水流道出口等泵裝置主要控制尺寸，對電動機后置的潛水貫流泵裝置進、出水流道進行了優(yōu)化水力設(shè)計研究.圖6為優(yōu)化方案.

3.2 泵裝置流場計算數(shù)學模型

3.2.1 控制方程

電動機后置潛水貫流泵裝置的流場數(shù)值計算控制方程與電動機前置潛水貫流泵裝置的相同.

3.2.2 流場計算區(qū)域

電動機后置潛水貫流泵裝置的三維湍流流動數(shù)值計算的區(qū)域由前池、進水流道、葉輪及葉輪室、導葉體、出水流道和出水池6個部分組成.采用Gambit軟件對數(shù)值模擬區(qū)域進行三維建模和網(wǎng)格剖分，其中，前池和出水池采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析，后置潛水貫流泵裝置計算區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)為96.42萬，其中，前池、進水流道、葉輪室、導葉體、出水流道和出水池的網(wǎng)格數(shù)分別為4.61萬，14.28萬，17.81萬，18.74萬，32.12萬和8.86萬.圖7為電動機后置的潛水貫流泵裝置流場計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分情況.

圖6 電動機后置的潛水貫流泵裝置優(yōu)化方案單線圖

圖7 電動機后置的潛水貫流泵裝置流場計算區(qū)域及網(wǎng)格

3.2.3 邊界條件

電動機后置潛水貫流泵裝置的流場數(shù)值計算的邊界條件與電動機前置潛水貫流泵裝置的相同.

3.3 數(shù)值計算結(jié)果

3.3.1 流場計算結(jié)果

圖8為設(shè)計流量下，電動機后置潛水貫流泵裝置的三維流場圖.從圖中可以看到，在進水流道內(nèi)，水流在立面和平面方向收縮平緩均勻，流線層次分明，流速逐漸增大，水流以近乎垂直于葉輪室進口斷面的方向均勻地進入葉輪室；葉輪室與導葉體內(nèi)水流的流動情況與電動機前置潛水貫流泵裝置相同；從導葉體流出的水流具有較大剩余環(huán)量，水流呈螺旋狀進入出水流道(在電動機后置的情形下，旋轉(zhuǎn)的水流需繞過潛水電動機).在此過程中，水流受到電動機及其支撐板的阻礙作用，在其兩側(cè)分別產(chǎn)生迎水面和背水面，導致電動機尾部產(chǎn)生偏流.順水流方向，可觀察到主流偏向流道擴散段右下區(qū)域，同時在流道擴散段左上區(qū)域產(chǎn)生旋渦.

圖8 電動機后置的潛水貫流泵裝置流場圖

3.3.2 水力性能計算結(jié)果

選取運行工況范圍內(nèi)13個工況點，對后置潛水貫流泵裝置進行了能量性能數(shù)值計算.計算所得H-Q,η-Q曲線如圖9所示.

圖9 電動機后置的潛水貫流泵裝置能量性能曲線

Fig.9 Energy performance curve of tubular pump device with motor rear arrangement

4 不同電動機布置方式的綜合比較

4.1 泵裝置水力性能

根據(jù)電動機前置、后置潛水貫流泵裝置的流場數(shù)值模擬及水力性能計算結(jié)果，分析得到：

1) 電動機前置方案進水流道內(nèi)的水流收縮均勻、流線層次分明，無渦流或其他不良流態(tài)，水流以垂直于出口斷面的方向流出流道，能夠給水泵進口提供較好的來流條件.前置方案出水流道內(nèi)的水流擴散平穩(wěn)，無旋渦等不良流態(tài)，為保證機組穩(wěn)定和高效運行提供了必要條件.

2) 電動機后置方案進水流道內(nèi)的水力性能優(yōu)異，能夠給水泵進口提供較好的來流條件.但出水流道內(nèi)的流態(tài)受水泵出口環(huán)量和電動機段的雙重影響，水流的主流偏于擴散段右下區(qū)域，在電動機段后部的流道左上部區(qū)域存在旋渦，對水流運動的穩(wěn)定性及流道水力性能存在不良影響.

表1 2種電動機布置方案潛水貫流泵裝置設(shè)計工況水力性能主要參數(shù)的比較

Tab.1 Main parameters comparison of hydraulic performance between two types of submer-sible tubular pump device under the design condition

潛水電動機布置方式進水流道Δhi/mvu/%θ/(°)Δho/mΔht/mη/%電動機前置0.16497.9389.410.1340.29879.94電動機后置0.06198.6189.250.2920.35377.05

4.2 對水泵導葉體設(shè)計的影響

對于電動機前置的情況，直接采用水泵模型的原設(shè)計導葉體，無需修改即可保證水泵的水力性能.但在潛水電動機后置的條件下，由于潛水電動機的直徑大于水泵導葉體輪轂直徑，因此，為實現(xiàn)二者的平順連接，須適當加大導葉體的擴散角[15].為此，各潛水泵生產(chǎn)廠家需根據(jù)潛水電動機的直徑修改水泵模型的導葉體，但可能影響水泵模型的水力性能.

4.3 對潛水電動機密封的影響

潛水電動機密封是潛水電動機的關(guān)鍵部件，密封部件的可靠性和使用壽命與其所承受的壓力關(guān)系極大[16].前置時，潛水電動機位于進水流道內(nèi)，其所受壓力較??；后置時，潛水電動機位于出水流道內(nèi)，其所受壓力較大.二者的差值即水泵的揚程.例如：該泵站在最大揚程工況下，出水流道內(nèi)的壓力比進水流道內(nèi)的壓力高出約45 kPa，電動機后置對電動機密封性能的要求要高很多.若電動機前置，則電動機密封的安全可靠性將大幅提高、使用壽命將大幅延長.

4.4 對泵裝置支撐結(jié)構(gòu)的影響

在潛水電動機前置的條件下，水泵軸有2個支撐點：一個在導葉輪轂體內(nèi)，另一個位于電動機段內(nèi).水泵葉輪位于這2個支撐點之間，支撐結(jié)構(gòu)合理.而在潛水電動機后置的條件下，水泵軸的2個支撐點分別在導葉體的輪轂體內(nèi)和電動機段內(nèi)，也即均在水泵葉輪之后，使水泵軸的支撐形成懸臂結(jié)構(gòu).為保證泵軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般需要在葉輪室之前增設(shè)1個十字形撐架及軸承、軸封等部件，但同時也會對泵裝置的性能產(chǎn)生一定的影響.

5 結(jié) 論

1) 電動機前置的潛水貫流泵裝置將潛水電動機布置在進水流道內(nèi)，不僅不影響水流的收縮流動，而且其電動機支撐板還能起到較好的整流作用.出水流道內(nèi)無任何阻礙或影響水流的擴散運動，避免了出現(xiàn)偏流、旋渦等不良流態(tài).

2) 電動機后置的潛水貫流泵裝置將潛水電動機布置在出水流道內(nèi)，當旋轉(zhuǎn)的水流繞過潛水電動機時，水流受到電動機及其支撐板的阻礙，導致電動機尾部產(chǎn)生偏流和旋渦.

3) 與電動機后置相比，電動機前置的潛水貫流泵裝置不僅水力性能優(yōu)異，而且在裝置結(jié)構(gòu)方面也更具優(yōu)勢，預計將在低揚程和特低揚程泵站中得到更多更好的應用.