李端明，張 印，肖若富，溫鴻浦，李彥迪

(1.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；2. 寧夏回族自治區(qū)固海揚(yáng)水管理處，寧夏 中寧 755100；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；4.寧夏回族自治區(qū)水利廳灌排中心，銀川 751000)

0 引 言

泵站工程是利用水泵機(jī)組及其配套建筑物將電能轉(zhuǎn)化為水能進(jìn)行灌排或者供水的綜合性提水工程[1]。灌溉泵站是提水對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉的泵站，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民增收和區(qū)域環(huán)境改善的重要基礎(chǔ)設(shè)施。新中國成立60多年來，我國機(jī)電灌排事業(yè)獲得了迅猛發(fā)展，泵站比較集中的省份及地區(qū)，已初步形成了以大型泵站為骨干的抗旱灌溉、抗洪除澇及跨流域調(diào)水工程體系，及以中小型泵站為主導(dǎo)地位的地區(qū)性灌溉和除澇工程網(wǎng)絡(luò)。目前全國機(jī)電灌溉排水面積約4 267 萬hm2，有力地提高了各地抗御自然災(zāi)害的能力，對(duì)保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，保障國家糧食安全等起到了關(guān)鍵性的作用[2]。

雙吸離心泵流量大、揚(yáng)程高，廣泛應(yīng)用于大型調(diào)水工程、農(nóng)田灌溉和城鎮(zhèn)供水等重要領(lǐng)域。如南水北調(diào)中線工程惠南莊泵站安裝了8臺(tái)國內(nèi)單機(jī)功率最大的雙吸離心泵，單機(jī)設(shè)計(jì)流量10 m3/s、設(shè)計(jì)揚(yáng)程58.2 m、功率7500 kW，泵站總裝機(jī)功率達(dá)到6 萬kW，由于泵站流量變幅10～60 m3/s、揚(yáng)程范圍0～58.2 m，且年運(yùn)行時(shí)間長，運(yùn)行工況復(fù)雜，對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的要求非常高[3]。在大型灌溉排泵站方面，據(jù)水利部統(tǒng)計(jì)，我國共有大型灌溉排水泵站450處，裝機(jī)功率563.57 萬kW，設(shè)計(jì)流量35 885 m3/s，共安裝水泵機(jī)組24 540 臺(tái)套，在大型灌溉泵站中，75%以上的泵型為雙吸離心泵[4]。在這些大型泵站中，大型雙吸離心泵為農(nóng)業(yè)灌溉和飲水工程發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)大型雙吸離心泵的需求將會(huì)越來越大[5,6]。隨著在建和新建大型泵站中水泵單機(jī)功率的不斷提升，雙吸離心泵應(yīng)用面臨的能耗過高和運(yùn)行穩(wěn)定性問題將更加突出。針對(duì)這一問題，本文結(jié)合寧夏白府都泵站更新改造工程，研究葉片載荷分布對(duì)雙吸離心泵水力性能的影響，通過控制葉片載荷來提高雙吸離心泵的效率和穩(wěn)定運(yùn)行性，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 研究對(duì)象及存在的問題分析

1.1 單級(jí)雙吸離心泵基本參數(shù)

白府都泵站屬于寧夏固海揚(yáng)水工程的梯級(jí)提水泵站的其中一級(jí)，始建于1984年，控灌面積3 734 hm2，泵站總揚(yáng)程48.8 m，設(shè)計(jì)流量10.04 m3/s，采用3工1備的運(yùn)行方式，為更好地提高該泵站雙吸離心泵的運(yùn)行穩(wěn)定性，并降低其能耗。本文以白府都泵站所使用的HS600-500-650A型單級(jí)雙吸離心泵為研究對(duì)象進(jìn)行改進(jìn)，該泵的主要參數(shù)如表1所示。

表1 HS600-500-650A型單級(jí)雙吸離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 數(shù)值計(jì)算模型及方法

根據(jù)HS600-500-650A單級(jí)雙吸離心泵的水力圖尺寸，建立三維模型，如圖1所示。

圖1 流體域三維圖

在該模型中，利用ICEM CFD軟件對(duì)于進(jìn)水流道(包含延伸段)、葉輪、出水流道(包含延伸段)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。全流道的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 096 833，總單元數(shù)為5 725 942。各個(gè)流體域的網(wǎng)格、節(jié)點(diǎn)數(shù)如表2所示。網(wǎng)格如圖2所示。

表2 各個(gè)流體域參數(shù)

圖2 流道網(wǎng)格

采用ANSYS CFX軟件對(duì)HS600-500-650A單級(jí)雙吸離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬，選用SST湍流模型，在參數(shù)設(shè)置中流動(dòng)介質(zhì)為水，溫度22 ℃，參考?jí)毫? atm，轉(zhuǎn)速為990 r/min，計(jì)算步數(shù)為1 000步，收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-5。

對(duì)于邊界條件的設(shè)定：①進(jìn)口邊界條件：將吸水延伸段進(jìn)口設(shè)置為進(jìn)口邊界，給定各工況的質(zhì)量流量；②出口邊界條件：將蝸殼出口延伸段出口設(shè)置為出口邊界，給定出口靜壓為0；③其他邊界條件：其余所有壁面都采用無滑移邊界條件。對(duì)于交界面的設(shè)置，將進(jìn)水流道出口和葉輪進(jìn)口、葉輪出口和出水流道進(jìn)口設(shè)置為固定-旋轉(zhuǎn)交界面，將進(jìn)水流道進(jìn)口和進(jìn)口延伸段出口處、出水流道出口和出口延伸段進(jìn)口處設(shè)置為固定交界面。

1.3 外特性分析

對(duì)表3中的情況下進(jìn)行模擬計(jì)算，分別計(jì)算出各工況下的揚(yáng)程、效率并做出相應(yīng)的水力特性曲線，如圖3。揚(yáng)程曲線在設(shè)計(jì)工況和小流量工況下誤差較小，其中，設(shè)計(jì)工況下，泵揚(yáng)程的計(jì)算值為47.97 m，略高于試驗(yàn)值，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。比較效率對(duì)比圖，可以看到效率曲線在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果整體上趨勢一致。其中，在設(shè)計(jì)工況下，模擬結(jié)果與效率實(shí)驗(yàn)值誤差為0.73%，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。因此，從總體上來說，該泵的CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，其計(jì)算結(jié)果可以作為我們優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)判方法。

表3 模擬計(jì)算時(shí)的工況

圖3 HS600-500-650A水力特性曲線

1.4 內(nèi)部流動(dòng)分析

葉輪流場分布結(jié)果如圖4所示，在這里取了0.2Q，0.4Q，0.6Q，0.8Q，1.0Q，1.2Q，1.4Q工況進(jìn)行分析?？梢悦黠@看出，小流量工況下，葉輪出口處的流動(dòng)及其不均勻，輪轂隔板兩側(cè)的水流在這里易發(fā)生相互碰撞。

圖4 葉輪流場分布

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 改進(jìn)方案

針對(duì)上述問題，本文采用葉片交替加載技術(shù)設(shè)計(jì)理論對(duì)HS600-500-650A型號(hào)的雙吸離心泵葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該技術(shù)采用前后蓋板交替加載的載荷分布方式，結(jié)合雙側(cè)葉片出口邊傾斜呈“V”字型，并均勻交錯(cuò)雙側(cè)葉輪的方法對(duì)葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中優(yōu)化后的葉輪在原始葉輪的基礎(chǔ)上運(yùn)用葉片交替加載技術(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，在后蓋板位置增加8 mm厚度的隔板，再均勻交錯(cuò)布置兩側(cè)葉輪。優(yōu)化前后葉輪對(duì)比如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前后葉輪的結(jié)構(gòu)三維圖

2.2 改進(jìn)效果分析

通過CFD模擬計(jì)算分別計(jì)算出各工況下的揚(yáng)程、效率并做出相應(yīng)的外特性曲線，如圖6所示。

圖6 重新設(shè)計(jì)葉輪后的外特性曲線與原始葉輪比較

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新的模型流量-揚(yáng)程曲線與原始模型基本吻合，而新模型的流量-效率曲線得到明顯改善，在小流量工況和大流量工況，其效率值均有明顯提升，在設(shè)計(jì)流量下，效率值提高2.1%，高效區(qū)大約拓寬20%左右。該水泵模型通過運(yùn)用交替加載設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)葉輪，水泵外特性得到明顯優(yōu)化。

采用交替加載技術(shù)后，在原始葉輪模型的出口處產(chǎn)生隔板，消除了水流在匯集到出口時(shí)的產(chǎn)生的撞擊，從而流態(tài)的得到改善，以小流量工況下最為顯著。

圖7為HS600-500-650A的設(shè)計(jì)工況下葉輪改進(jìn)前后出口處的流速分布云圖，葉輪旋轉(zhuǎn)方向如箭頭所示?？梢钥闯?，兩側(cè)葉輪經(jīng)過交錯(cuò)布置后出口的流態(tài)均勻性得到明顯提高，在原始方案中，呈現(xiàn)出明顯的“射流-尾跡”區(qū)域，射流的高速區(qū)位于葉片的工作面，尾跡靠近相鄰葉片的背面，高速區(qū)過于集中，速度梯度大。改進(jìn)后的葉輪出口流速分布均勻，流速在18.4 m/s以上的區(qū)域占出口面積的大部分，速度梯度小。由此可以證明，前蓋板前加載，后蓋板后加載的混合加載方式能夠改善葉輪出口的“射流-尾跡”現(xiàn)象。

對(duì)于HS600-500-650A的葉片壓力分布，可以看到，原始的葉片雖然沒有形成比較明顯的進(jìn)口低壓區(qū)，但是壓力梯度變化不均勻，從進(jìn)口到出口的等壓線均呈現(xiàn)出不同程度的彎曲，而改進(jìn)后的葉片壓力梯度變化均勻?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的葉片壓力分布較為均勻，這種葉片的混合加載形式能夠有效避免因葉片前部過載或者后部過載造成的前后做功不均的弊端，從而改善了雙吸離心泵的效率和壓力脈動(dòng)的水平。

圖7 HS600-500-650A葉輪出口流速分布

圖8 HS600-500-650A葉片工作面壓力分布圖

圖9為原始方案和改進(jìn)后方案的葉片前后蓋板工作面和背面的壓力分布圖，原始方案的后蓋板工作面受力處處都高于前蓋板的工作面受力，改進(jìn)后方案的前后蓋板壓力曲線吻合度較高。說明改進(jìn)后的葉片不僅消除了原始葉片中沿流線方向上的載荷不均，也同時(shí)消除了原始葉片中前后蓋板的受力不均。

圖9 HS600-500-650A的葉片壓力分布

2.3 優(yōu)化前后壓力脈動(dòng)對(duì)比分析

為進(jìn)一步研究優(yōu)化前后的內(nèi)部流態(tài)，對(duì)模型進(jìn)行壓力脈動(dòng)監(jiān)測。壓力脈動(dòng)測點(diǎn)設(shè)置在進(jìn)水流道、葉輪和出水流到上。如圖10所示，進(jìn)水流道的進(jìn)水口處上下各設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)SUC4、SUC5，進(jìn)水流道最高點(diǎn)設(shè)置測點(diǎn)SUC1，進(jìn)水流道出口設(shè)置兩個(gè)測點(diǎn)SUC2、SUC3；葉輪葉片流道進(jìn)口，葉片流道中間和葉片流道出口各設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，為IPM1、IPM2、IPM3；出水流道的隔舌處，設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)VOL1，沿出水流道外壁，隔90°設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，為VOL2、VOL3、VOL4、VOL5，出水流道出口處上下各設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，VOL6、VOL7。

圖10 測點(diǎn)位置

針對(duì)設(shè)計(jì)流量Q進(jìn)行非定常壓力脈動(dòng)計(jì)算的對(duì)比分析。非定常壓力脈動(dòng)計(jì)算中以定常計(jì)算結(jié)果為初始條件，計(jì)算10個(gè)轉(zhuǎn)輪周期，每個(gè)周期計(jì)算180個(gè)時(shí)間步長，同時(shí)監(jiān)測壓力隨時(shí)間的變化。

將數(shù)值模擬計(jì)算得到的各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)壓力值進(jìn)行無量綱化處理，無量綱壓力系數(shù)Cp的定義如下：

(1)

式中：P為各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)壓力值；Pref為參考位置壓力值，采用進(jìn)水流道進(jìn)水口的壓力值；ρ為水的密度；vref為參考位置速度，即進(jìn)水流道進(jìn)水口的速度值。

如圖11至圖14所示，為該型號(hào)雙吸離心泵改進(jìn)前后各監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)域圖和頻譜圖。通過HS600-500-650A雙吸離心泵的主要參數(shù)得知，該雙吸離心泵的轉(zhuǎn)速為990 r/min，轉(zhuǎn)頻為16.5 Hz，葉頻為99 Hz。

圖11 流量為1.0 Q時(shí)，測點(diǎn)SUC1的時(shí)域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

圖12 流量為1.0 Q時(shí)，測點(diǎn)SUC4的時(shí)域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

圖14 流量為1.0 Q時(shí)，測點(diǎn)VOL3的時(shí)域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

從表4可以看出，吸水室最高點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值由原泵的1.452 m下降了0.707 m，降低幅度為48.6%，吸水室進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)幅值由原泵的1.447 m下降了0.940 m，降低幅度為65.0%左右，蝸殼隔舌處的壓力脈動(dòng)幅值由原泵的2.451 m下降了1.509 m，降低幅度為61.6%，蝸殼最高點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值由原泵的1.606 m下降了1.090 m，降低幅度為67.8%。同時(shí)從頻譜圖中可以看出，原始方案葉輪的條件下，各個(gè)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)其主頻均為99 Hz，即葉片通過頻率；改進(jìn)后，葉輪的通過頻率(99 Hz)幅值大幅下降，蝸殼內(nèi)的主頻由原來的99 Hz改變?yōu)?倍葉頻(198 Hz)，其幅值也遠(yuǎn)低于原葉輪主頻的幅值。

表4 改進(jìn)前后各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值對(duì)比

3 結(jié) 論

本文以寧夏回族自治區(qū)固海揚(yáng)水工程白府都泵站更新改造工程的HS600-500-650A雙吸離心泵為研究對(duì)象，研究葉片載荷分布對(duì)雙吸離心泵水力性能的影響，通過控制葉片載荷來提高雙吸離心泵的效率和穩(wěn)定運(yùn)行性。結(jié)果表明相對(duì)于傳統(tǒng)的雙吸式離心泵，采用交替加載與V形交錯(cuò)技術(shù)設(shè)計(jì)得到的雙吸離心泵最明顯的優(yōu)勢是其具有高效區(qū)寬，壓力脈動(dòng)低的優(yōu)點(diǎn)。由于灌溉泵站的雙吸泵普遍偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行，因此具有高效區(qū)寬和低壓力脈動(dòng)特性的雙吸離心泵可以明顯地提高灌溉泵站的裝置效率和機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文豐富了單機(jī)雙吸離心泵的改造設(shè)計(jì)方法，對(duì)未來泵站雙吸離心泵改造具有一定的借鑒意義。

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