施偉，成立

(1. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019； 2. 江蘇省泵站工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210019； 3. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

立式軸流泵裝置是低揚(yáng)程泵站常用的一種泵裝置形式，其進(jìn)、出水的形式由泵站規(guī)模、布置要求、附屬設(shè)施形式以及投資經(jīng)濟(jì)性等因素確定.目前，大型泵站的進(jìn)水建筑物的形式較多地采用肘形進(jìn)水流道、斜式進(jìn)水流道，與開敞式的進(jìn)水池相比，一方面節(jié)省了土建開挖量，另一方面能夠?yàn)樗锰峁└玫娜肓髁鲬B(tài).出水建筑物虹吸式出水流道、低駝峰式出水流道和直管式出水流道均較為常用[1-2].中型泵站的進(jìn)水建筑物常用的形式有開敞式進(jìn)水池、封閉式進(jìn)水池、肘形進(jìn)水流道.對(duì)于運(yùn)行臺(tái)時(shí)較長的調(diào)水、供水泵站，考慮到運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全穩(wěn)定性，一般選用水力性能較好的肘形進(jìn)水流道和直管式出水型式[3-4].

隨著水泵葉片調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)置式葉片全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的安全可靠性進(jìn)一步提高，中型立式軸流泵站已具備葉片全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的技術(shù)條件[5-7].因此，為提高效益，中型泵站在供水工程等長時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用場合，更多地采用全調(diào)節(jié)技術(shù).隨著葉片角度調(diào)節(jié)的變化，泵裝置的水力性能也會(huì)受到影響.謝麗華等[8]針對(duì)15°斜式軸流泵進(jìn)行水動(dòng)力特性研究發(fā)現(xiàn)，泵裝置在小葉片角度下的空化特性優(yōu)于大葉片角度；陳紅勛等[9]采用數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)軸流泵液壓式葉片調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)過程受力進(jìn)行研究，結(jié)果表明葉片調(diào)節(jié)力均隨著葉片角度增加而逐漸減??；程煬等[10]針對(duì)不同葉片角度下軸流泵裝置特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明不同葉片角度下進(jìn)水流道壓力脈動(dòng)差異較大.目前，傳統(tǒng)的水泵選型方式還是以滿足設(shè)計(jì)工況的要求為主，通過設(shè)計(jì)工況下的水力性能優(yōu)劣來選擇設(shè)計(jì)運(yùn)行角度，忽視了對(duì)滿足設(shè)計(jì)工況運(yùn)行條件的水泵裝置在其他葉片角度運(yùn)行的水力性能分析.

文中以某大型供水工程低揚(yáng)程立式軸流泵站為研究背景，基于CFD技術(shù)和模型試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)流量工況不同葉片角度下泵站泵裝置進(jìn)水流道、出水流道流動(dòng)及葉輪內(nèi)流特性和水力性能進(jìn)行研究，以期為實(shí)際工程提供參考.

1 計(jì)算模型及方法

1.1 計(jì)算模型

泵站單機(jī)設(shè)計(jì)流量為8 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為5.5m，以研究泵站單臺(tái)機(jī)組為計(jì)算模型，包括進(jìn)水延伸段、肘形進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、直管式出水流道、出水延伸段.根據(jù)泵站原型尺寸建立三維數(shù)值模型，如圖1所示.水泵葉輪直徑D=1500 mm，葉片數(shù)為4，導(dǎo)葉片數(shù)為7，轉(zhuǎn)速為250 r/min.

圖1 泵站單機(jī)組計(jì)算模型

1.2 湍流模型

泵裝置內(nèi)部流動(dòng)近似認(rèn)為是不可壓縮流體的湍流流動(dòng)，可采用三維雷諾時(shí)均N-S方程(RANS)計(jì)算分析其流動(dòng)特性和水力性能.湍流模型采用RNGk-ε模型，這是一種RANS方法常用的渦黏模型，采用重整化群統(tǒng)計(jì)方法，通過修正湍動(dòng)黏度和增加時(shí)均應(yīng)變率項(xiàng)來考慮流動(dòng)中的旋流情況，適用于各種泵裝置流動(dòng)特性的穩(wěn)態(tài)模擬，特別是帶有肘形進(jìn)水流道的泵裝置水力性能模擬[11-13].

1.3 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

文中研究的計(jì)算模型組成部件較多，較為復(fù)雜.整體劃分網(wǎng)格難以控制質(zhì)量，并且葉輪和導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其內(nèi)部水流流動(dòng)變化急劇，需要相對(duì)精細(xì)的網(wǎng)格捕捉流動(dòng)特性，因此采用分塊網(wǎng)格剖分策略.應(yīng)用Turbogrid軟件對(duì)葉輪、導(dǎo)葉用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行剖分，肘形進(jìn)水流道、直管式出水流道及進(jìn)、出水延伸段等采用Mesh軟件中非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分.葉輪、導(dǎo)葉網(wǎng)格如圖2a所示.為減少網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析，對(duì)整體計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)控，設(shè)置了6個(gè)不同網(wǎng)格數(shù)N的方案，并進(jìn)行數(shù)值模擬，且對(duì)比各方案的揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果.計(jì)算結(jié)果表明網(wǎng)格單元數(shù)達(dá)到千萬量級(jí)時(shí)，泵裝置的揚(yáng)程波動(dòng)值小于1%.為了保證精度和計(jì)算效率，取網(wǎng)格數(shù)為1 200萬.網(wǎng)格敏感性分析如圖2b所示.

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意及網(wǎng)格敏感性分析

計(jì)算進(jìn)口設(shè)置在進(jìn)水延伸段進(jìn)口，進(jìn)口邊界條件為流量進(jìn)口；計(jì)算出口設(shè)置在出水延伸段出口，出口邊界條件為壓力出口，進(jìn)水延伸段表面為自由對(duì)稱水面，采用剛蓋假定設(shè)置為symmetry.對(duì)固體壁面采用無滑移邊界條件，在近壁區(qū)采用壁面函數(shù).對(duì)于泵站而言，包含旋轉(zhuǎn)的葉輪，靜止的導(dǎo)葉和進(jìn)、出水流道，其中進(jìn)水流道與葉輪、葉輪與導(dǎo)葉之間有相互流動(dòng)耦合作用，設(shè)置為動(dòng)靜交界面.計(jì)算格式為高階迎風(fēng)，收斂精度為10-4.本次計(jì)算流量范圍為7.0～10.5 m3/s，葉片角度為-8°,-6°,-2°,0°,+2°.

1.4 性能預(yù)測模型

由計(jì)算得到流速場和壓力場，根據(jù)伯努利能量方程計(jì)算泵裝置凈揚(yáng)程，通過數(shù)值積分計(jì)算葉輪上作用的扭矩，從而預(yù)測泵裝置的效率.

將泵裝置進(jìn)水流道進(jìn)口1-1與出水流道出口2-2的總能量差定義為泵站揚(yáng)程，即

(1)

式中：H1,H2分別為斷面1-1和斷面2-2的高程，m；p1,p2分別為斷面1-1和斷面2-2的壓力，Pa;u為速度，m/s；S1,S2分別為斷面1-1和斷面2-2的面積，m2；Q為流量，m3/s；ρ為水的密度；g為重力加速度，m/s2.式(1)右邊的第1項(xiàng)為斷面2-2和斷面1-1的靜壓能水頭差，第2項(xiàng)為斷面2-2和斷面1-1的高程差，第3項(xiàng)為斷面2-2和斷面1-1的動(dòng)能水頭差.

因此，水泵裝置的效率為

(2)

式中：Tp為扭矩，N·m；ω為葉輪角速度，rad/s.

2 數(shù)值模擬計(jì)算及分析

2.1 泵裝置能量性能曲線

文中研究的供水泵站是某個(gè)供水系統(tǒng)的1個(gè)環(huán)節(jié)，其運(yùn)行的性能既要滿足系統(tǒng)特性，還要具有較高的效率，因此需要根據(jù)運(yùn)行的實(shí)際情況調(diào)整葉片的運(yùn)行角度α.圖3為-8°～+2°角度下原型泵裝置經(jīng)數(shù)值計(jì)算得到的能量性能曲線，由圖可知，當(dāng)流量為8m3/s，葉片角度α由-2°到+2°時(shí)，揚(yáng)程為6.10～7.10m，滿足設(shè)計(jì)工況要求，效率為76.6%～80.8%.根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)軸流泵站裝置效率不低于70.0%，南水北調(diào)工程建設(shè)專用技術(shù)規(guī)定平均揚(yáng)程5m的泵站效率達(dá)到73.0%的要求，該裝置在葉片角度-2°～+2°時(shí)能量性能較好.

當(dāng)流量為8m3/s，葉片角度為-6°時(shí)，揚(yáng)程為4.36m，效率為75.4%；葉片角度為-8°時(shí)，揚(yáng)程為3.49 m，效率為69.3%.在流量為8m3/s，葉片角度從+2°變?yōu)?2°，效率下降了4.2%；葉片角度從-2°變?yōu)?6°，效率下降了5.6%；葉片角度從-6°變?yōu)?8°，效率下降了6.1%；在葉片角度從- 6°變?yōu)?8°的過程中，泵裝置的能量性能下降較從-2°變?yōu)?2°時(shí)急劇.

圖3 不同葉片角度下泵裝置的能量性能

Fig.3 Energy performance of pumping system at different blade angles

2.2 不同葉片角度下進(jìn)、出水流道內(nèi)流態(tài)

圖4為葉片角度α為-8°,-6°,-2°,0°,+2°，流量為8m3/s時(shí)，肘形進(jìn)水流道速度v分布情況.由計(jì)算可知，各個(gè)角度下，肘形進(jìn)水流道內(nèi)水流沿著流道幾何輪廓轉(zhuǎn)向平滑，無回流區(qū)，流道內(nèi)流速變化均勻，進(jìn)水流態(tài)較好.

圖4 不同葉片角度下進(jìn)水流道的流態(tài)

(3)

(4)

表1 肘形進(jìn)水流道出口流態(tài)和水力損失

Tab.1 Flow pattern at outlet and hydraulic loss of elbow inlet passage

α/(°)vu/%ΔH/mΔH′-877.070.1041.28-678.580.0971.20-284.310.0891.10085.080.081—+282.560.0921.13

圖5為葉片角度為-8°,-6°,-2°,0°,+2°時(shí)，出水流道流速分布情況.由圖可知，葉片角度為0°，流量為8m3/s時(shí)，出水流道水流流速分布較為均勻；葉片角度為-8°，-6°，-2°，+2°時(shí)，直管式出水流道沿水流方向進(jìn)口側(cè)存在明顯的且范圍較大的局部低壓區(qū)和高壓區(qū).由此表明，葉片設(shè)計(jì)運(yùn)行角度發(fā)生變化，偏離設(shè)計(jì)運(yùn)行角度，進(jìn)入出水流道的水流流態(tài)較差，存在局部的回流區(qū).

圖5 不同葉片角度下出水流道的流態(tài)

表2為直管式出水流道入流渦角和水力損失.入流渦角是評(píng)價(jià)出水流道入口水流流態(tài)的一項(xiàng)指標(biāo)，定義為軸面平均切向速度與軸向平均速度的比值.入流渦角越大，水流流入出水流道的環(huán)量越大，流態(tài)越差.由表2可知，流量為8m3/s時(shí)，葉片角度為0°的出水流道入流渦角θin最小，水力損失也最小.葉片角度偏離0°越大，入流渦角越大，水力損失也增大.研究表明，在流量不變情況下，葉片角度偏離設(shè)計(jì)角度，出水流道入流流態(tài)變差，水力損失增大.

由表1，2可知，為保證一定的流量，在水位發(fā)生變化，進(jìn)行偏角調(diào)節(jié)時(shí)，進(jìn)水流道的水力損失變化相對(duì)較小，水力損失相對(duì)值最大為1.28(葉片角度-8°)；出水流道水力損失變化相對(duì)較大，水力損失相對(duì)值最大為2.89(葉片角度-8°)，葉片角度變化對(duì)出水流道流態(tài)影響較大.

表2 直管式出水流道入流渦角和水力損失

Tab.2 Inflow vortex angle and hydraulic loss of straight pipe outlet passage

α/(°)θinΔH/mΔH′-812.0710.6942.89-612.2500.6302.63-210.7900.3641.5206.5560.240-+211.1810.5612.34

2.3 不同葉片角度下葉輪內(nèi)流態(tài)

S為葉輪內(nèi)部某一點(diǎn)到輪轂的距離與輪緣到輪轂的距離比值，當(dāng)S=0.1時(shí)，所取剖面上的所有點(diǎn)都滿足其到輪轂的距離與對(duì)應(yīng)位置輪緣到輪轂的距離之比為0.1.圖6為S=0.1，流量為8m3/s時(shí)，葉片角度為-8°,-6°,-2°,0°,+2°的軸向速度vz分布翼展圖.

圖6 葉輪軸向速度分布翼展圖

由圖6可知，葉片角度為-8°,-6°,+2°時(shí)，靠近輪轂的區(qū)域，葉片頭部存在小范圍的回流區(qū).這是由于葉片角度變化，葉輪在偏設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，葉輪內(nèi)出現(xiàn)脫流、回流的現(xiàn)象.這種脫流、回流發(fā)生在葉輪的進(jìn)口靠近輪轂的區(qū)域，也影響了進(jìn)水流道的水流流動(dòng)，使得進(jìn)水流道的出口流態(tài)變差，水力損失增大.

3 模型試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性，進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究.水泵裝置模型比例為1∶5，模型葉輪直徑D=300 mm，葉片數(shù)為4，用黃銅材料加工成型.模型導(dǎo)葉葉片數(shù)為7，用鋼質(zhì)材料焊接成型.進(jìn)出水流道采用鋼板焊接制作，模型泵裝置如圖7所示.模型泵安裝檢查，導(dǎo)葉體與葉輪室定位面軸向跳動(dòng)0.10 mm，輪轂外表面徑向跳動(dòng)0.08 mm，葉頂間隙控制在0.20 mm以內(nèi).

圖7 泵裝置模型

圖8為葉片角度為0°時(shí)，CFD預(yù)測能量性能與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比.由圖可知，流量為8m3/s時(shí)，CFD預(yù)測揚(yáng)程為6.724m，預(yù)測效率為80.2%，試驗(yàn)測得揚(yáng)程為6.801m，效率為78.5%.揚(yáng)程的相對(duì)偏差為1.1%，效率相對(duì)偏差為2.1%，均在5.0%以內(nèi)，表明在流量為8m3/s時(shí)，CFD預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.

圖8 CFD和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

1) 葉輪葉片角度調(diào)節(jié)對(duì)葉輪及出水流道影響較大，在非設(shè)計(jì)角度下，葉輪進(jìn)口近輪轂區(qū)存在回流、脫流.葉片角度偏離設(shè)計(jì)工況角度越大，進(jìn)水流道出口速度均勻度越差，出水流道進(jìn)口環(huán)量也越大，導(dǎo)致進(jìn)水流道、出水流道內(nèi)水流流態(tài)越差；同等偏離角度下，出水流道水力損失增大幅度較進(jìn)水流道顯著.

2) 采用模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，在設(shè)計(jì)流量工況下，葉片角度為0°時(shí)，揚(yáng)程相對(duì)誤差為1.2%，效率相對(duì)誤差為2.1%，兩者吻合較好.

3) 對(duì)于運(yùn)行工況變化較大、運(yùn)行時(shí)間較長的輸水泵站，采用變角調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)中，對(duì)不同葉片角度下泵裝置的流動(dòng)特性進(jìn)行分析及優(yōu)化.