臧克江，黃建祥，謝煌生，楊炫松，陳木鳳，葉 婷，邱駿奇 ，鄭衛(wèi)銘

(1.龍巖學院；2.龍巖市海德馨汽車有限公司 福建龍巖 364000)

在氣候變暖背景下，由臺風引起的降水增強，導致洪澇災害頻發(fā)，同時，局部地區(qū)大旱情況概率有所增加，災害性天氣發(fā)生頻率逐漸增加。移動式排水泵站由于投資小、機動性好、使用范圍廣、設(shè)備利用率高等優(yōu)點得到快速發(fā)展[1]。國外在移動式排水泵站方面的研究技術(shù)比較成熟，例如美國MWI公司開發(fā)出一種移動泵站[2]，能夠?qū)崿F(xiàn)抗洪搶險及抗旱灌溉需求。國內(nèi)移動泵站起步較晚，自20世紀90年代以來，國內(nèi)的不少單位相繼開展了這方面的研究工作，經(jīng)歷了流量由小到大，整套裝備由簡單到功能逐漸完善的發(fā)展過程[3]。主動力的傳輸主要有電力傳動和液壓傳動兩種形式，動力的傳輸系統(tǒng)和水輸送系統(tǒng)是移動式排水泵站設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題的兩個方面。移動式排水泵站在國內(nèi)還處于發(fā)展和提升階段，水泵作為移動式排水泵站的關(guān)鍵部件還沒有形成系列產(chǎn)品，也沒有形成規(guī)模化生產(chǎn)，還需要根據(jù)需求單獨設(shè)計。本文聯(lián)合運用現(xiàn)代水泵設(shè)計及仿真軟件，對一種移動式排水泵站吸水泵進行設(shè)計與分析，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，為移動式排水泵站水泵設(shè)計開發(fā)提供參考。

1 水泵的結(jié)構(gòu)形式與驅(qū)動動力選擇

1.1 水泵的結(jié)構(gòu)形式選擇

輸水泵多采用葉輪形式的泵結(jié)構(gòu)，按葉輪形式，水泵可分為離心泵、斜流泵和軸流泵三種[4]，離心泵適合用于小流量、高揚程的場合，對于大流量移動式排水泵站無法滿足流量要求；軸流泵適用于大流量、低揚程，其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、占地面積小，但缺點是小流量區(qū)域性能不穩(wěn)定，隨著流量減小，軸功率急劇增加，所以軸流泵的高效范圍窄，不能在揚程變化范圍大的場合使用；斜流泵的結(jié)構(gòu)和性能介于離心泵和軸流泵之間，是一種吸取離心泵和軸流泵優(yōu)點，補償兩方面缺點的泵型，使用的范圍正在向傳統(tǒng)離心泵和軸流泵的范圍擴大，高比轉(zhuǎn)數(shù)軸流泵當工況略微偏離設(shè)計工況時會產(chǎn)生輪緣出口處擁堵，而輪轂出口處液體不足出現(xiàn)空位，產(chǎn)生二次回流。為了克服這種現(xiàn)象，近年來ns=500的軸流泵一般設(shè)計成導葉式混流泵，ns=700的軸流葉輪，輪轂帶有一定的錐度，也可以改善上述流動情況。本研究的移動式排水泵站屬于流量較大且揚程較高的泵站，因此，斜流泵的結(jié)構(gòu)比較適本研究的移動式排水泵站的工作范圍要求。

1.2 驅(qū)動動力選擇

移動式排水泵站的動力源為發(fā)動機，水泵與發(fā)動機分立安裝，而且水泵工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)與發(fā)動機空間位置發(fā)生變化，如圖1所示。能量從發(fā)動機到水泵的能量傳輸一般采用電力傳動或液壓傳動。電力傳動需要發(fā)電機及電力控制系統(tǒng)，電力系統(tǒng)與水泵連接端為電動機，對于大流量水泵，所需電機的功率大、體積大，難以與水泵結(jié)合成高能量密度元件。由于水泵在工作過程中經(jīng)常移動，同時，工作環(huán)境也對系統(tǒng)使用安全提出更高的要求。與電力系統(tǒng)相比，液壓傳動系統(tǒng)有著極強的優(yōu)勢，功率密度高，可以減小系統(tǒng)的占用空間；液壓馬達與水泵可以設(shè)計成獨立的高能量密度單元[5-7]；在使用安全性方面，比電器系統(tǒng)更容易防護，液壓傳動系統(tǒng)在移動式排水泵站應用已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，因此，本設(shè)計采用液壓馬達作為水泵的動力源。

(a)工作狀態(tài)

(b)非工作狀態(tài)圖1 移動式排水泵站工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)示意圖

2 水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 水泵比轉(zhuǎn)數(shù)ns

已知水泵達到的設(shè)計工作點：流量Q=3000 m3/h，揚程H=12 m，轉(zhuǎn)速n=1150 r/min。由于工作時葉輪浸沒在水里，因此不需要考慮汽蝕。計算比轉(zhuǎn)數(shù)ns：

(1)

代入已知值得ns=592，由文獻[4]，本設(shè)計選擇斜流泵形式，在獲得大流量的同時也可以獲得較高的揚程。

2.2 水泵結(jié)構(gòu)形式

圖2為本設(shè)計水泵的結(jié)構(gòu)圖。水泵由吸水段、葉輪、導葉體以及出水段構(gòu)成，葉輪由液壓馬達驅(qū)動。液壓馬達安裝在出水段內(nèi)，使水泵和驅(qū)動元件構(gòu)成了一個獨立的安裝單元，便于安裝和操作，使移動式排水泵站結(jié)構(gòu)更加緊湊。

(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(b)外觀結(jié)構(gòu)圖2 水泵結(jié)構(gòu)圖

2.3 主要參數(shù)設(shè)計與選擇

(1)進口直徑D1

(2)

式中K0為泵進口尺寸系數(shù)，由于該水泵工作時在水下，因此可以不考慮汽蝕問題，取K0=4.15，計算得D1=370 mm。

(2)葉輪出口平均直徑D2

(3)

式中D20為泵出口葉輪外緣直徑，D2h為泵出口葉輪輪轂直徑。

(4)

(5)

其中K2和KD2為出口平均直徑修正系數(shù)，其值與比轉(zhuǎn)速相關(guān)，KD2可由(5)式計算，K2可按照文獻[8]進行查閱。

由比轉(zhuǎn)數(shù)ns=592，計算KD2=3.84，查表得K2=1.07[8]，計算得D2=390mm。

(3)出口寬度b2

(6)

(7)

其中Kb和Kb2為葉輪出口寬度修正系數(shù)，其值與比轉(zhuǎn)速相關(guān)，Kb2可由(7)式計算，Kb可按照文獻[8]進行查閱。

查表得Kb=0.5[8]，計算得b2=127 mm。

于是得：D20=D2+b2=517 mm，D2h=D2-b2=263 mm。

(4)葉輪葉片進、出口安放角的確定

(8)

式中vm1——葉片進口軸面速度;F1——葉片進口過流面積;φ1——葉片進口排擠系數(shù)，一般φ1=0.85～0.95 ，此處取φ1=0.9，因此，代入數(shù)據(jù)vm1=8.85 m/s。

a.葉片進口安放角β1

(9)

式中Δβ——沖角，一般Δβ=0°～ 8°。

本設(shè)計取Δβ=3°，因此，葉輪葉片進口輪轂處安放角為β1轂=46°，輪緣處安放角為β1緣=25°。在本設(shè)計中選擇進口角從輪轂到輪緣按線性規(guī)律變化，按照此規(guī)律，設(shè)計軟件可以自動生成輪轂到輪緣間的各條流線。

b.葉片出口安放角β2

由文獻[8]可知，為了獲得較高的效率，葉片出口安放角通常選擇β2=18°～30°，考慮到本設(shè)計水泵的揚程較高，本設(shè)計取輪轂處出口安放角為β2轂=30°，輪緣處出口安放角為β2緣=25°，由輪轂到外緣逐漸減小，同樣，在本設(shè)計中選擇出口安放角從輪轂到輪緣按線性規(guī)律變化。

(5)導葉入口β3、出口β4及包角φ

導葉內(nèi)外流線入口角β3雖然可以計算確定，但按照計算值確定的導葉內(nèi)外流線入口角β3往往使內(nèi)外流線入口角度相差過大，葉片過分扭曲，造型困難，因此，一般在繪型時常取內(nèi)外流線入口角相等，導葉內(nèi)外流線入口角β3按下表選取。由葉輪輪轂處出口安放角為30°，所以，本設(shè)計選導葉入口角β3=35°。

表1 扭曲葉片式導葉入口角[9] (°)

一般取內(nèi)流線和外流線出口角相等，通常為了使液體離開扭曲葉片式導葉后有不大的預旋而使出口角為75°～90°，本研究取導葉出口角為β4=90°。

導葉包角常為70°～120°，本設(shè)計取φ=90°。

3 三維實體模型的構(gòu)建

本研究利用CFturbo10.3水力設(shè)計軟件，結(jié)合CFD數(shù)值計算軟件PumpLinx 4.6.0對水泵進行仿真分析，同時，利用三維造型軟件Creo 5.0實現(xiàn)葉輪是三維造型。CFturbo 軟件的Pump模塊可以根據(jù)輸入的設(shè)計水泵的工作點，軟件內(nèi)置函數(shù)確定葉輪進口直徑、出口直徑、出口寬度、最小安裝軸徑等，同時，也可以根據(jù)使用者設(shè)計經(jīng)驗對以上數(shù)值進行修改，使之符合實際情況要求。PumpLinx 是一款高效泵、閥類 CFD 仿真軟件，在預測壓力、功率、空化、換熱以及流動等方面工作特性，PumpLinx與CFturbo可以無縫連接，為水泵的仿真模型的建立提供了方便[10-11]。CFturbo可以與Creo對接，輸出Creo幾何建模所需要的數(shù)據(jù)文件[12]，為水泵的幾何建模提供方便，尤其是對葉輪的造型意義深遠。圖3為水泵模型，圖4為水泵葉輪模型及樣機葉輪。

(a)CFturbo中水泵模型

(b) PumpLinx中水泵模型

(c) PumpLinx網(wǎng)格模型圖3 水泵模型

(a)CFturbo中葉輪模型

(b) Creo中葉輪模型

(c) 樣機葉輪圖4 葉輪模型及樣機葉輪

4 仿真研究

4.1 仿真條件

工作介質(zhì)：以工作溫度20 °C清水為工作介質(zhì)，其物理特性參數(shù)：密度998.2 kg/m3，運動粘度1.006×10-6m2.s-1，體積彈性模量2.15×109Pa，飽和蒸氣壓2340 Pa，參考壓力101325 Pa，氣體質(zhì)量分數(shù)2.3×10-5[13]。

數(shù)值方法：采用 PumpLinx分析軟件中三維穩(wěn)態(tài)求解方法，求解器采用SIMPLES算法來求解二階迎風格式的離散差分方程。為了加快收斂的速度，對求解設(shè)置中的松弛因子調(diào)整為0.3。

邊界條件設(shè)置：將其定義為壓力入口，壓力值為 101325 Pa，出口設(shè)置為流量出口，這樣設(shè)置為后續(xù)的不同流量的仿真提供了有力條件。

4.2 仿真分析

(1)水泵工作特性分析

通過對水泵的流場分析可以進一步了解水泵的性能，通過觀察云圖、矢量圖和流線圖判斷流場合理性以及對工作特性的影響[14]，并導出仿真數(shù)據(jù)，繪制水泵的工作特性曲線。對水泵在設(shè)計轉(zhuǎn)速下工作點流量附近不同流量情況下?lián)P程及靜壓變化進行研究，對水輸送系統(tǒng)工作穩(wěn)定性是非常重要的，因此，在研究過程中，對1150 r/min 下 2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400 m3/h工況進行研究，獲得了水泵揚程及軸功率數(shù)據(jù)，同時，通過計算得到了水泵的輸出功率曲線及效率曲線。

由圖5可以看出，隨著流量的增大，水泵的揚程和軸功率有所減小，但軸功率減小速度比揚程減小的速度低，因此在水泵工作點附近水泵所需功率比較平穩(wěn)；由圖6可以看出，在工作點處水泵的效率達到最大值，而在工作點附近效率有所降低，但效率曲線在工作點附近變化非常平緩，因此，該水泵有較寬的工作范圍。

圖5 水泵揚程與功率特性曲線

圖6 水泵揚程與效率特性曲線

(2)導葉及導流罩對水泵工作特性影響分析

由于本設(shè)計的水泵是與動力驅(qū)動元件液壓馬達構(gòu)成的獨立單元總成，液壓馬達位于出水管內(nèi)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝上都帶來很多問題，因此，有必要對葉輪后端的導葉體及導流罩對水泵內(nèi)部的流場及工作特性的影響進行研究，同時，對無導流罩情況下，水泵內(nèi)部流動也進行了研究[15]。圖7為三種情況下水泵內(nèi)部流場分布情況。

(a)完整泵內(nèi)部流場

(b)無導葉泵內(nèi)部流場

(c)無導葉無導流罩泵內(nèi)部流場圖7 三種情況下水泵內(nèi)部流場分布

由圖7可以看出完整本內(nèi)流場經(jīng)導葉后，流線一軸線有較小的夾角，而去除導葉后流向與軸線夾角增大，但去除導流罩后，在徑向尺寸發(fā)生突變產(chǎn)生漩渦，加大了流場的混亂程度。圖8為三種情況下的水泵的出口的總壓水頭和靜壓水頭的對比，從圖8可以看出，三種情況的總壓水頭基本相同，但后兩種情況的靜壓水頭比完全泵的靜壓水頭降低很多，證明導葉對水泵的動能到壓力能的轉(zhuǎn)換起著重要作用。

圖8 三種情況總壓水頭及靜壓水頭對比

5 試驗測試

對本設(shè)計水泵進行了樣機制造并進行了裝機試驗，對設(shè)計水泵工作點進行了測試，試驗現(xiàn)場圖片如圖9所示。在水泵出水口處采用多普勒超聲流量測試儀進行流量測試。根據(jù)液壓傳動系統(tǒng)參數(shù)計算，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000 r/min時，驅(qū)動水泵的液壓馬達轉(zhuǎn)速為1150 r/min，即水泵的設(shè)計工況轉(zhuǎn)速。從圖10可以看出，當發(fā)動轉(zhuǎn)速達到2000 r/min運行穩(wěn)定后，水泵的進水流量值達到2991.87 m3/h，已經(jīng)達到了初始設(shè)計值，與仿真分析值非常吻合，與設(shè)計流量誤差在0.3%，小于試驗標準誤差6%，達到設(shè)計要求。

(a)樣機試驗 (b) 多普勒超聲流量測試儀圖9 測試現(xiàn)場

t/s圖10 水泵出口流量測試曲線

6 結(jié)束語

通過對一種移動式排水泵站作業(yè)條件及水輸送系統(tǒng)作業(yè)條件分析，確定了本研究水泵的結(jié)構(gòu)為斜流泵形式，動力驅(qū)動采用液壓傳動方式，液壓馬達布置在葉輪后端，并配有導葉和導流罩，使該水泵成為一個結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便的獨立單元部件。通過計算確定的水泵的關(guān)鍵幾何參數(shù)，利用水泵設(shè)計仿真軟件對水泵的工作特性進行了仿真分析，所設(shè)計水泵最大效率在工作點處，并且在工作點附近變化緩慢，使水泵有較大的工作范圍，并對無導葉和無導流罩兩種情況的水泵模型進行了仿真，通過內(nèi)部流場的對比可以看出，水泵內(nèi)流線經(jīng)導葉后與流線有較小夾角，出口靜壓較高，而無導葉水泵內(nèi)流向與流向夾角很大，出口靜壓降低。由于動能頭的加大，動能頭轉(zhuǎn)換為靜能頭過程中要造成后邊管路的更多的損失，因此，導葉的作用不可忽視。去除導流罩后，在徑向尺寸變化處出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象。