井頭泵站豎井式貫流泵裝置流態(tài)及性能分析

王麗 鄒新勝 徐磊 王海 李亞楠

基金項(xiàng)目:中國博士后科學(xué)基金（2013M540469）；江蘇省博士后科研基金（1301021A）

作者簡介:王麗（1981玻，女，江蘇淮安人，工程師，主要從事泵站工程設(shè)計(jì)研究。E瞞ail:lilyking2003@163.com

通訊作者：徐磊（1984玻，男，江蘇連云港人，博士，主要從事低揚(yáng)程泵裝置優(yōu)化水力設(shè)計(jì)研究。E瞞ail:xulei1017@163.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.027

摘要：宿遷市井頭泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程和平均揚(yáng)程均為1.7 m，為適應(yīng)其揚(yáng)程低的特點(diǎn)，采用了豎井式貫流泵裝置。運(yùn)用三維湍流數(shù)值計(jì)算方法對該泵裝置進(jìn)、出水流道進(jìn)行了優(yōu)化水力設(shè)計(jì)，并通過模型試驗(yàn)對泵裝置水力性能進(jìn)行了檢驗(yàn)。模擬計(jì)算結(jié)果表明，進(jìn)、出水流道內(nèi)的流態(tài)平順均勻，葉輪室進(jìn)口的流速分布均勻度和水流入泵平均角度分別達(dá)到98.7％和88.7°，水頭損失??；設(shè)計(jì)工況時(shí)的泵裝置效率和臨界空化余量分別為80.3％和3.11 m，與模型試驗(yàn)結(jié)果（設(shè)計(jì)工況時(shí)的泵裝置效率和臨界空化余量分別為81.1％和3.3 m）接近。因此，井頭泵站豎井式貫流泵裝置的選型設(shè)計(jì)合理并達(dá)到最優(yōu)，為泵站的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：井頭泵站；豎井式貫流泵裝置；流態(tài)；性能；數(shù)值計(jì)算；模型試驗(yàn)

中圖分類號：TV675;TV136.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16721683（2014）04012305

Flow Pattern and Performance Analysis of Shaft Tubular Pump System in Jingtou Pumping Station

WANG Li1,ZOU Xin瞫heng2,XU Lei3,WANG Hai3,LI Ya瞡an3

(1.Huaian Investigation and Design Institute of Water Conservancy,Huaian 223005,China;

2.Suyu District Water Authority in Suqian City,Suqian 223800,China;3.Yangzhou University,Yangzhou 225009,China)

Abstract:The design and average heads of Jingtou pumping station in Suqian city are both 1.7 m,and thus shaft tubular pump system is applied to adapt its characteristics of low heads.The optimum hydraulic design for the inlet and outlet conduits of the pump system were conducted using the numerical simulation method of three瞕imensional turbulence flow,and the hydraulic performance of the pump system was verified using model test.The results indicated that the flow pattern in the inlet and outlet conduits is uniform and smooth,the velocity distribution uniformity and the average angle into the pump reach 98.7% and 88.7° at the impeller chamber inlet section,respectively,and the hydraulic losses of the optimized conduits are low.Moreover,the efficiency and critical net positive suction head of the pump system were 80.3% and 3.11 m under the design head conditions,respectively,which were similar to those obtained from model test (the efficiency and critical net positive suction head were 81.1% and 3.3m under the design head conditions).Therefore,the selection and design for the shaft tubular pump system in Jingtou pumping station are reasonable and optimal,which lays a foundation for the safe,stable,and efficient operation of the pumping station.

Key words:Jingtou pumping station;shaft tubular pump system;flow pattern;performance;numerical simulation;model test

宿遷市井頭泵站建成于1983年5月，由一站、二站2座機(jī)房組成，共安裝26寸混流泵配6 160 A型柴油機(jī)80臺套，總裝機(jī)容量8 000 kW，設(shè)計(jì)流量80 m3/s，主要為宿豫區(qū)來龍灌區(qū)提供灌溉水源，特殊干旱年份向宿遷閘上中運(yùn)河以及向駱馬湖補(bǔ)水。改建后泵站設(shè)計(jì)流量仍為80 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程和平均揚(yáng)程均為1.7 m，最大揚(yáng)程2.7 m。

經(jīng)方案比選，確定采用豎井式貫流泵裝置5臺套，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為16 m3/s，水泵葉輪軸線高程14.35 m。貫流泵的泵軸采用臥式布置，特別適用于大型低揚(yáng)程泵站［13］。其電機(jī)、齒輪箱、軸承等設(shè)備均布置在由混凝土澆筑的開敞式豎井中，安裝和檢修較為方便，電機(jī)通風(fēng)散熱條件較好，而且基礎(chǔ)構(gòu)造簡單，開挖深度淺，投資較省。該型式的貫流泵裝置的流道順直，經(jīng)過充分的優(yōu)化水力設(shè)計(jì)計(jì)算，可在特低揚(yáng)程條件下得到十分優(yōu)異的水力性能［46］。對該型式泵裝置的數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究已有不少［710］。本文結(jié)合井頭泵站工程建設(shè)的需要，對該站豎井式貫流泵裝置的流態(tài)及性能進(jìn)行分析研究，并通過泵裝置模型試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

1泵裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)

井頭泵站采用經(jīng)南水北調(diào)同臺測試的TJ04瞆L07水泵模型［11］，確定原型泵葉輪直徑為2 500 mm、轉(zhuǎn)速為125 r/min，選用額定功率為710 kW、電壓等級為10 kV的臥式異步電動機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為991 r/min，采用實(shí)際減速比為7889的平行軸齒輪減速箱間接傳動。根據(jù)模型泵換算的泵段葉輪室進(jìn)口斷面的直徑為2 433 mm，導(dǎo)葉體出口斷面的直徑為2 629 mm（圖1）。

圖1泵段主要安裝尺寸（原型）

Fig.1Main installation dimensions of the pump segment (prototype)

2進(jìn)、出水流道水力優(yōu)化的目標(biāo)

2.1進(jìn)水流道水力優(yōu)化的目標(biāo)

進(jìn)水流道是前池與水泵葉輪室之間的過渡段，其作用是為了使水流在流向葉輪室的過程中有序轉(zhuǎn)向和均勻收縮。對進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)的要求可概括為以下幾點(diǎn)。

（1）流道型線變化均勻，使水流收縮均勻，無渦流及其它不良流態(tài)。

（2）流道出口斷面的流速分布盡可能均勻、水流方向盡可能垂直于出口斷面，其要求可用以下目標(biāo)函數(shù)表示［12］。

（a）流速分布均勻度，用式（1）計(jì)算：

maxVu=1-1ua∑(uai-ua)2m×100%（1）

式中：ua為流道出口斷面的平均軸向速度；uai為出口斷面各單元的軸向速度；m為出口斷面的單元個(gè)數(shù)。

（b）水流入泵速度加權(quán)平均角度,用式（2）計(jì)算：

maxθ=∑uai［90°-arctanutiuai］∑uai（2）

式中：uti為水泵進(jìn)口斷面各單元的橫向速度。

在理想情況下Vu=100%，θ=90°，優(yōu)化計(jì)算的目標(biāo)是力爭取得最優(yōu)值。

（3）流道水頭損失盡可能小。

（4）流道控制尺寸取值合理。

2.2出水流道水力優(yōu)化的目標(biāo)

出水流道是水泵導(dǎo)葉出口與出水池之間的過渡段，其作用是為了使水流在流向出水池的過程中有序平緩擴(kuò)散，盡可能多地回收水流動能。對出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)的要求可概括為以下幾點(diǎn)。

（1）適當(dāng)加大出水流道出口斷面的面積，盡量降低流道出口斷面的流速，盡可能多地回收水流的動能。

（2）流道型線變化平緩，盡可能避免水流在擴(kuò)散的過程中產(chǎn)生脫流或渦流，最大限度地減少流道水頭損失。

（3）流道控制尺寸取值合理。

3進(jìn)、出水流場數(shù)值計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

3.1控制方程

泵站進(jìn)、出水流道內(nèi)水流的流動屬于不可壓縮湍流流動。湍流流動具有紊動性，可用非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和Navier睸tokes方程對湍流的瞬時(shí)運(yùn)動進(jìn)行描述。為使方程組封閉，還需引入反映湍動能的方程和反映湍動能耗散率的方程。已有很多文獻(xiàn)對此進(jìn)行過詳細(xì)介紹［1315］。

3.2計(jì)算區(qū)域及邊界條件

3.2.1進(jìn)水流場

將進(jìn)水流道三維湍流流動數(shù)值計(jì)算流場的進(jìn)口斷面設(shè)置在前池中距進(jìn)水流道進(jìn)口足夠遠(yuǎn)處，進(jìn)口邊界垂直于水流方向，可認(rèn)為此處來流速度均勻分布。計(jì)算流量為單泵設(shè)計(jì)流量，可作為已知條件，故而計(jì)算流場的進(jìn)口邊界可采用速度進(jìn)口邊界條件。

為了準(zhǔn)確應(yīng)用出口邊界條件，將計(jì)算流場從進(jìn)水流道出口沿出流方向等直徑延長，使計(jì)算流場的出口斷面設(shè)置在距進(jìn)水流道出口2倍圓管直徑處。此處的流動為充分發(fā)展的流動，可采用自由出流邊界條件。

在計(jì)算流場中，前池底壁，進(jìn)水流道邊壁、豎井邊壁和水泵葉輪室進(jìn)口的導(dǎo)流錐邊壁等均為固壁，其邊界條件按固壁定律處理。固壁邊界條件的處理對所有固壁處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用了無滑移條件，而對緊靠固壁處節(jié)點(diǎn)的湍流特性，則應(yīng)用了所謂對數(shù)式固壁函數(shù)處理之，以減少近固壁區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)［16］。

前池的表面為自由水面，若忽略水面的風(fēng)所引起的切應(yīng)力及與大氣層的熱交換，則自由面可視為對稱平面處理［16］。

在本項(xiàng)研究中，進(jìn)水流道的流場計(jì)算范圍包括進(jìn)水流道內(nèi)的豎井。

3.2.2出水流場

為了準(zhǔn)確地應(yīng)用進(jìn)口的邊界條件，將出水流道三維湍流流動數(shù)值計(jì)算的流場從出水流道進(jìn)口斷面逆水流方向等直徑延伸，使計(jì)算流場的進(jìn)口斷面設(shè)置在距出水流道進(jìn)口2倍圓管直徑處。在這里，可認(rèn)為來流速度均勻分布，計(jì)算流量為單泵設(shè)計(jì)流量，將其作為已知條件，故而計(jì)算流場的進(jìn)口邊界可采用速度進(jìn)口邊界條件。另一方面，由于出水流道的進(jìn)口與水泵導(dǎo)葉出口相接，還需考慮導(dǎo)葉出口水流所具有的環(huán)量對出水流道的流態(tài)及水頭損失的影響，因此，需在出水流場的進(jìn)口預(yù)置一定環(huán)量。

將出水流道三維湍流流動數(shù)值計(jì)算流場的出口斷面設(shè)置在出水池中距出水流道出口足夠遠(yuǎn)處，出口邊界垂直于水流方向。在這里，流動是充分發(fā)展的，可采用自由出流邊界條件。

在計(jì)算流場中，出水池底壁、出水流道邊壁及水泵導(dǎo)葉出口的導(dǎo)流帽邊壁等均為固壁，其邊界條件按固壁定律處理［16］。

出水池的表面為自由水面，若忽略水面的風(fēng)所引起的切應(yīng)力及與大氣層的熱交換，則自由面可視為對稱平面處理［16］。

3.2.3流道三維流動模擬的網(wǎng)格

根據(jù)上述有關(guān)邊界條件，可應(yīng)用GAMBIT軟件分別完成進(jìn)、出水流道三維湍流流動數(shù)值計(jì)算區(qū)域的建模和網(wǎng)格剖分，結(jié)果分別見圖2。

圖2進(jìn)、出水流道流場計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格

Fig.2Grid graphs of the calculation region for

the inlet and outlet conduit

4進(jìn)、出水流道優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

4.1進(jìn)水流道

對井頭泵站豎井式貫流泵裝置進(jìn)水流道內(nèi)的流動進(jìn)行了優(yōu)化水力設(shè)計(jì)計(jì)算，其優(yōu)化方案見圖3，計(jì)算所得設(shè)計(jì)流量時(shí)的流場見圖4。根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，進(jìn)水流道出口斷面的流速分布均勻度和水流入泵平均角度分別達(dá)到987％和887°，設(shè)計(jì)流量時(shí)進(jìn)水流道水頭損失的計(jì)算值僅為0061 m。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)水流道優(yōu)化方案水流流動的特點(diǎn)：在流道豎井段，水流在立面方向和平面方向收縮均勻，水流平順；在流道出口段，水流收縮加快，但依然保持流速勻稱分布、流線層次分明；在流道出口斷面，水流以垂直于該斷面的方向均勻流出。從流道進(jìn)口至流道出口，水流收縮平緩、流速分布均勻、流線層次分明，無任何不良流態(tài)。

計(jì)算結(jié)果表明：井頭泵站豎井式貫流泵裝置進(jìn)水流道優(yōu)化方案的水流收縮均勻、流線層次分明、水頭損失小，可為水泵葉輪室進(jìn)口提供非常理想的進(jìn)水流態(tài)。

圖3進(jìn)水流道單線圖和透視圖

Fig.3Single line drawing and perspective drawing of the inlet conduit

圖4進(jìn)水流道流場圖

Fig.4Flow pattern in the inlet conduit

4.2出水流道

對井頭泵站豎井式貫流泵裝置出水流道內(nèi)的流動進(jìn)行了優(yōu)化水力設(shè)計(jì)計(jì)算，其優(yōu)化方案見圖5，計(jì)算所得設(shè)計(jì)流量時(shí)的流場見圖6，設(shè)計(jì)流量時(shí)的流道水頭損失計(jì)算值僅為0086 m。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)出水流道優(yōu)化方案水流流動的特點(diǎn)：受流道進(jìn)口環(huán)量的影響，水流以螺旋狀進(jìn)入出水流道；出水流道內(nèi)水流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動從流道進(jìn)口一直保持到流道出口，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下流暢地完成擴(kuò)散過程；水流在整個(gè)流道內(nèi)的擴(kuò)散均勻平緩，在旋轉(zhuǎn)水流所具有的離心力作用下，流道內(nèi)未出現(xiàn)水流脫壁或旋渦等不良流態(tài)。

計(jì)算結(jié)果表明：井頭泵站豎井式貫流泵裝置出水流道優(yōu)化方案的水流擴(kuò)散平緩均勻、流道水頭損失小，可以滿足泵裝置高效運(yùn)行的要求。

圖5出水流道單線圖和透視圖

Fig.5Single line drawing and perspective

drawing of the outlet conduit

圖6出水流道流場圖

Fig.6Flow pattern in the outlet conduit

4.3泵裝置優(yōu)化方案單線圖

由進(jìn)、出水流道優(yōu)化方案和泵段構(gòu)成的井頭泵站豎井式貫流泵裝置優(yōu)化方案見圖7。

5井頭站泵裝置設(shè)計(jì)工況性能計(jì)算

5.1泵段性能的修正

泵段由葉輪與導(dǎo)葉體組成，其揚(yáng)程的測壓斷面理論上應(yīng)

圖7井頭泵站豎井式貫流泵裝置單線圖

Fig.7Single line drawing of the shaft tubular pump system

in Jingtou pumping station

分別位于葉輪室的進(jìn)口斷面和導(dǎo)葉體的出口斷面。由圖8可以看到，水泵模型測試段由泵段與標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)水直管、進(jìn)水收縮管、出水彎管和出水直管組成。水泵模型水力性能的同臺測試提供的結(jié)果實(shí)際上是水泵模型測試段的水力性能。因此，泵段性能與水泵模型測試段性能的差別在于揚(yáng)程測壓斷面的位置不同。顯然，前者的揚(yáng)程高于后者，兩者揚(yáng)程的差值即為水泵模型測試段中進(jìn)、出水管道的水頭損失。相應(yīng)地，前者的效率也高于后者。在低揚(yáng)程的條件下，測試段中進(jìn)、出水管道水頭損失的影響相對較大，不能忽略，應(yīng)予以修正［17］。

圖8水泵模型水力性能測試段

Fig.8Test section for hydraulic performance of the pump model

根據(jù)同臺測試結(jié)果，對TJ04瞆L07水泵模型高效區(qū)揚(yáng)程及效率進(jìn)行修正的結(jié)果見表1。

表1TJ04瞆L07水泵模型高效區(qū)效率的修正

Table 1Efficiency modification within the peak

efficiency range for the pump model (TJ04瞆L07)

參數(shù)

名稱流量

/（m3·s1）水泵模

型測試

段揚(yáng)程

/m水泵模

型測試

段效率

（%）測試段

管道水

頭損失

/m泵段

效率

（%）泵效率

修正值

（%）參數(shù)值0.3603.583.50.15687.23.75.2泵裝置能量性能計(jì)算

泵裝置效率等于水泵效率與流道效率的乘積：

η裝置=η水泵·η流道（3）

其中，流道效率可由下式計(jì)算：

η流道=H裝置H裝置+h流道×100%（4）

式中：H裝置是泵裝置揚(yáng)程；h流道是流道總水頭損失。

井頭泵站泵裝置設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況（H=1.7 m，Q=16 m3/s）能量性能主要指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2井頭泵站豎井式貫流泵裝置設(shè)計(jì)

揚(yáng)程工況能量性能主要參數(shù)

Table 2The main parameters of energy performance for

the shaft tubular pump system

in Jingtou pumping station under design head conditions

參數(shù)

名稱進(jìn)水流道

水頭損失

/m出水流道

水頭損失

/m流道總

水頭損失

/m流道

效率

（%）水泵

效率

（%）泵裝置

效率

（%）參數(shù)值0.0610.0860.14792.087.280.35.3空化性能計(jì)算

井頭站豎井式貫流泵裝置的水泵葉輪直徑為2 500 mm、轉(zhuǎn)速為125 r/min，設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況時(shí)水泵運(yùn)行的葉片角度為0°。根據(jù)同臺測試結(jié)果，TJ04瞆L07水泵模型在葉片角度0°時(shí)的空化比轉(zhuǎn)速C為1 200，其表達(dá)式為

C=5.62nQΔH3/4r（5）

式中：n為水泵轉(zhuǎn)速(r/min)；Q為水泵流量(m3/s)；ΔHr為臨界空化余量(m)；C為空化比轉(zhuǎn)速。

根據(jù)水泵的空化比轉(zhuǎn)速推算該站泵裝置設(shè)計(jì)工況的臨界空化余量，可得

ΔHr=5.62nQC43=5.62×125×1612004/3=3.11(m)（6）

6泵裝置模型試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果

對井頭泵站豎井式貫流泵裝置優(yōu)化方案進(jìn)行了－4°、－2°、0°、＋2°和＋4°等5個(gè)葉片角度的模型試驗(yàn)。圖9所示為根據(jù)泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果換算的原型泵裝置綜合性能曲線（原型、模型效率未換算）。

圖9井頭泵站豎井式貫流泵裝置綜合性能曲線（原型）

Fig.9Synthetic characteristics curve of the pump system

in Jingtou pumping station (prototype)

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果得到的該站設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況的泵裝置水力性能參數(shù)見表3。

表3泵裝置設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況下的性能參數(shù)

Table 3Performance parameters for the pump system

under design head conditions

參數(shù)

名稱葉片

角(°)泵裝置

揚(yáng)程

/m流量

/（m3·s1）軸功率

/kW泵裝置

效率

（%）臨界空

化余量

/m參數(shù)值－0.4°1.716.0329.281.13.3由表2和式（6）可以看到，計(jì)算分析得到設(shè)計(jì)工況時(shí)的泵裝置效率和臨界空化余量分別為80.3%和3.11 m。與泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果（表3）比較接近，誤差分別為0.8%和019 m。

7結(jié)論

（1）進(jìn)水流道的流速分布均勻度和水流入泵平均角度分別達(dá)到98.7％和88.7°，流道水頭損失小，可滿足水泵高效運(yùn)行的要求。

（2）出水流道內(nèi)的水流擴(kuò)散均勻平緩、水頭損失小，可在較低揚(yáng)程下獲得優(yōu)異的泵裝置水力性能。

（3）泵裝置計(jì)算分析結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果接近。

綜上，井頭泵站豎井式貫流泵裝置的選型設(shè)計(jì)合理并達(dá)到最優(yōu)，為泵站的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

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