大型混流泵站裝置優(yōu)化設(shè)計與試驗研究

何效平 戚慶軍 李彥軍

（1.安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽和縣 238251；2.江蘇大學，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

混流泵是一種比轉(zhuǎn)速較高的泵型，在結(jié)構(gòu)和性能上，它介于離心泵和軸流泵之間，兼有離心泵和軸流泵兩方面的優(yōu)點?；炝鞅么蠖鄳?yīng)用于農(nóng)田排灌、防澇排洪、水利工程、污水處理以及電站（燃煤電站、核電站、蓄能電站、潮汐電站）冷卻系統(tǒng)等領(lǐng)域，大中型混流泵的應(yīng)用日益廣泛。

1 工程概況

滁河四級站為安徽省駟馬山引江灌溉工程的最后一級提水泵站，規(guī)劃向定遠縣江巷水庫輸水，設(shè)計灌溉面積8.98萬hm2（134.7萬畝），四級站設(shè)計抽水流量71.4m3/s，設(shè)計裝機8臺套（7用1備），其中，水泵為1856HLB19.0-11.25（1856為水泵轉(zhuǎn)輪直徑）型立式半調(diào)節(jié)混流泵，配套電動機為TL2800-24/3250立式同步電機，額定轉(zhuǎn)速250 r/min，單機功率2800 kW，總裝機容量22400 kW。設(shè)計凈揚程16.4 m，最低凈揚程14.9 m，最高凈揚程17.9m。

泵站的進水流道采用普通的彎肘型流道，出水管道采用DN2200鋼制直管式流道，爬坡至出水池，管道長約40 m。滁河四級站采用混流泵水力模型為《南水北調(diào)工程水泵模型同臺測試》中的TJ11-HL-08水泵模型。泵站縱剖面圖如圖1所示?，F(xiàn)應(yīng)用CFD技術(shù)對泵裝置進行優(yōu)化和三維仿真計算，并進行泵裝置模型試驗驗證［1］。

2 進水流道初始型線確定

進水流道的設(shè)計合理與否將影響水泵葉輪進口處的流速分布和壓力分布，因此，對水泵的實際運行性能具有重要的影響。進水流道設(shè)計不合理，流道出口流速分布不均或產(chǎn)生渦帶，將會降低泵裝置效率甚至造成機組運行振動。

在流道的優(yōu)化設(shè)計過程中，為了得到良好的水力性能，需要根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果，不斷調(diào)整流道的基本參數(shù)來優(yōu)化流道的型線。根據(jù)滁河四級站控制性尺寸，聯(lián)合進水流道優(yōu)化設(shè)計軟件（如圖2所示）和CFD三維仿真技術(shù)，先用軟件確定流道型線，使其符合流速漸變規(guī)律，然后采用CFD技術(shù)在三維空間進行流場驗證和型線的局部修正，并采用便于工程施工的直線段和圓弧線，同時結(jié)合泵站土建結(jié)構(gòu)方面的不同設(shè)計方案，確定流道的型線方案，如圖3所示。

圖1 泵站縱剖面圖

3 進水流道三維流場數(shù)值計算結(jié)果及分析

進水流道的水力性能對泵裝置的效率和運行穩(wěn)定性具有重要的影響。進水流道水力性能包括水泵進水條件和流道水力損失兩部分。水泵的進水條件主要是考查流道出口的軸向流速分布均勻度（η）和出口水流平均偏流角（θ）兩個技術(shù)指標。流道的水力損失Δh直接影響到水泵裝置效率，是評價流道的一個重要的經(jīng)濟指標［2］。

以設(shè)計流量（Q）10.2 m3/s作為基準，分別對進水流道進行了0.8Q、1.0Q、1.2Q、1.3Q、1.4Q 幾個工況點的水力性能預(yù)測，進水流道的各項水力性能指標如表1所示。流道的縱剖面流速分布如圖4所示。

進水流道的出口流速分布均勻度η越高，出口水流平均偏流角θ越小，水力損失Δh越小，說明進水流道的水力性能越好。從表1和圖4可以看出，進水流道的水力性能較優(yōu)，達到了優(yōu)化的目的。

4 泵裝置全流道仿真計算

對模型泵裝置進行三維全流道CFD數(shù)值計算，預(yù)測進、出水流道與泵的匹配性及泵裝置的整體特性，為泵裝置的優(yōu)化設(shè)計和模型選擇提供參考，并與泵裝置模型試驗對比。

采用商業(yè)軟件CFX，在雙參考坐標系下（MRF），利用有限控制體積法對雷諾時均Navier-Stokes方程進行數(shù)值離散，采用SIMPLEC算法，對泵裝置全流道內(nèi)部流動進行了三維粘性數(shù)值模擬［3］。圖5為泵裝置整體三維計算水體圖，圖6為泵裝置的三維流線圖。

根據(jù)CFD計算結(jié)果預(yù)測泵裝置的外特性，泵裝置的揚程計算公式為：

式中：

pout—泵出口總壓，Pa；

pin—泵進口總壓，Pa；

表1 進水流道水力性能指標

ρ—輸送介質(zhì)密度，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2。泵的水力效率公式為：

式中：

Q—流量，m3/h；

H—揚程，m；

M—轉(zhuǎn)矩，N·m；

圖2 肘形進水流道優(yōu)化設(shè)計軟件界面

圖3 肘形進水流道型線

圖4 肘形進水流道縱剖面流速分布

ω—角速度，r/s。

由此，得到泵裝置外特性的預(yù)測性能曲線，圖7為0°葉片角度下泵裝置外特性CFD預(yù)測結(jié)果以及與試驗結(jié)果的對比。從圖7可以看出，試驗結(jié)果和數(shù)值模擬的流量揚程效率曲線趨勢基本一致。

5 泵裝置模型試驗

將優(yōu)化后的進出水流道配置TJ11-HL-08水泵模型，進行模型泵裝置的動力特性和汽蝕特性試驗，驗證進出水流道的水力優(yōu)化效果和泵裝置的整體性能。

5.1 模型泵裝置設(shè)計

泵裝置模型試驗按照《水泵模型驗收試驗規(guī)程》（SL140-2006）進行設(shè)計。模型泵葉輪直徑Dm=320mm，根據(jù)等揚程條件nD=idem確定模型泵轉(zhuǎn)速。原型泵額定轉(zhuǎn)速為np=250 r/min，葉輪直徑Dp=1.856 m，則模型泵裝置轉(zhuǎn)速nm=1450 r/min。

按相似原理模擬進、出水流道，模型流道以鋼板焊接制作，加表面涂層，滿足幾何相似、糙率相似要求。取水泵效率下降1%時的汽蝕余量作為臨界汽蝕余量。模型試驗在江蘇大學高精度水泵裝置模型試驗臺上進行，試驗臺泵裝置效率測試綜合精度高于0.32%。

5.2 模型泵裝置試驗結(jié)果

通過模型試驗，得到了模型泵裝置5 個葉片角度（-4°、-2°、0°、+2°、+4°）的效率特性和汽蝕特性，圖8為經(jīng)過等效率換算后的原型泵裝置綜合性能曲線。

由圖8可知，在設(shè)計凈揚程16.4 m，葉片角0°下，單機流量為12.32 m3/s，裝置效率為82.97%，軸功率為389 kW；在最低凈揚程14.9 m，葉片角 0°下，單機流量為 13.17m3/s，裝置效率為82.56%，軸功率為2332 kW；在最高凈揚程17.9m，葉片角0°下，單機流量為11.48m3/s，裝置效率為82.24%，軸功率為2451 kW。單泵配套2800 kW電動機合理，不會發(fā)生超載現(xiàn)象。

根據(jù)模型試驗結(jié)果，在葉片角0°時裝置效率略高，最高裝置效率為82.97%，對應(yīng)工況點揚程為16.4m，流量為12.32m3/s。

圖5 泵裝置整體三維水體圖

圖6 泵裝置三維流線圖

圖7 泵裝置CFD性能預(yù)測曲線

根據(jù)-4°～+4°各葉片角度多工況點實際試驗，臨界汽蝕余量在偏離高效區(qū)范圍的高揚程和低揚程運行工況下數(shù)值較高。本站從最低凈揚程到最高凈揚程的所有運行工況基本處于高效區(qū)范圍，在同一葉片角度下，其各運行工況點的臨界汽蝕余量相差不大。在0°葉片角度下，其最高凈揚程的臨界汽蝕余量為9.89m，葉輪中心的淹沒深度可滿足其汽蝕性能要求。

6 結(jié)語

針對滁河四級站的控制性尺寸，將流道的一維設(shè)計造型與流場的三維計算CFD技術(shù)相結(jié)合，對肘形進水流道進行了優(yōu)化設(shè)計，并進行了泵裝置模型試驗驗證。

由CFD數(shù)值模擬計算以及泵裝置模型試驗結(jié)果可知，進出水流道型線可行，泵裝置在不同特征工況下可安全、穩(wěn)定運行，能夠滿足滁河四級站的運行要求。

滁河四級站的優(yōu)化設(shè)計方法和試驗數(shù)據(jù)可供同類型的大型混流泵站參考和借鑒。

圖8 原型泵裝置綜合性能曲線

［1］ 嚴登豐.泵站工程［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［2］ 邴浩，曹樹良，王玉川.湍流模型對混流泵性能預(yù)測的影響［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44（11）：42-47.

［3］ Constantinescu G S，Patel V C.Numerical model for simulation of pump-intake flowand vortices［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1998，124（2）：123-134.