后置導葉對大型貫流泵水力特性影響研究

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200; 2.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098； 3.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210001)

1 研究背景

導葉是水力機械中為了改變水流流態(tài)而采用的重要整流裝置。在旋轉機械中可以加進口導葉以改善轉輪進口處流體的流態(tài)；或者加出口導葉以回收動能、變動能為壓能，改善出口處流體的流態(tài)。通過改變流體的流態(tài)以提高裝置的整體效率。后置導葉可以回收轉輪產生的旋轉動能，減少出口速度環(huán)量，將水流圓周速度動能轉化為軸向動能和位能，被廣泛地應用在軸流式水力機械中[1]。

在國外，Durmus Kaya通過實驗研究了軸流泵的導葉、有無導葉對軸流泵裝置性能的影響，以及導葉對泵效率的影響[2]。研究結果表明：引入導葉雖然增加了流道的水力損失，但是從總體上卻提高了泵的效率。湯方平對軸流泵后置導葉回收能量進行了分析[3-4]，結果表明：導葉不會影響葉輪的性能，對泵裝置性能的影響取決于導葉自身的能量回收能力和葉型摩擦損失，對于比轉數(shù)在500～1600的軸流泵，導葉的葉型產生的摩擦損失相差不大，但是進出水道中的水力損失卻隨著比轉數(shù)的增大而增加，從而會影響到泵裝置的效率，而導葉的回收能量也跟比轉數(shù)有關。胡建對加后置導葉的軸流泵進行了水動力研究[5]，結果表明：導葉的數(shù)目與軸流泵的比轉數(shù)有關，對于高比轉數(shù)泵，取導葉葉片數(shù)應較少，一般而言，取導葉數(shù)比葉片數(shù)多1片或少1片。李忠對設計模型軸流泵在無導葉和有導葉時的外特性進行了測試[6]，運用球形五孔探針對導葉進出口流場進行測量，從而揭示了導葉對軸流泵性能影響的規(guī)律。湯方平通過模型試驗并配合CFD分析的方法，研究了擴散導葉對貫流泵性能的影響[7]，結果表明：采用現(xiàn)有設計普通導葉的方法來設計擴散導葉，必然會存在脫離現(xiàn)象，因為導葉葉柵本身為擴散葉柵，而擴散導葉本身又是一個擴散非常大的擴散管。李龍在不同的直導葉情況下，應用全流場三維紊流數(shù)值模擬方法，探討了導葉型式對泵站性能的影響，并與彎導葉進行了比較[8]，結果顯示：導葉對改進流道內的流態(tài)有明顯的效果，可以消除流道內的反向流動，使流動變化均勻；后置彎導葉對泵站正、反向運行性能反應敏感，采用直導葉的泵站正、反向運行性能較為接近，對泵站性能影響較小。仇寶云采用5孔探針測試流場的方法，對100ZLB-3型的軸流泵進行了一系列的實驗[9-11]，結果表明：水泵出水環(huán)量對出水流道的水力損失具有很大的影響。劉軍研究認為，南水北調東線工程在江蘇境內就以泵站為核心，將泵站的可靠性放在首位[12]。陸林廣等人應用水泵裝置三維湍流數(shù)值模擬的方法，研究了南水北調工程中某站前置、后置燈泡貫流泵裝置兩個不同方案的流態(tài)，揭示了前置和后置燈泡貫流泵裝置的基本流動屬性[13]。金燕[14]、魯俊[15]等人借助于計算流體力學方法，采用RNG k-ε模型對貫流泵裝置及貫流泵站水流流態(tài)進行了研究，并將研究結果與實驗相比，獲得了比較準確的結果。R.T.Johnston[16]和Yousef Yassi[17]研究了前置導葉對泵裝置中水流流態(tài)的影響。A.Thakker[18]和T. Setoguchi[19]分別對沖擊式透平和威爾斯透平的導葉形狀進行了研究，研究結果均認為，與傳統(tǒng)的二維導葉相比，三維導葉能改善裝置內部的流態(tài)，提高裝置的總體效率。

本文主要對大型貫流泵裝置加后置導葉的情況進行了深入研究。在初步設計后置導葉的基礎之上，通過開展數(shù)值模擬試驗，研究了有無后置導葉對大型貫流泵裝置水力特性的影響，并深入研究了后置導葉的個數(shù)以及安裝位置對大型貫流泵裝置水力特性的影響。研究結果可為實際應用提供可靠的理論依據(jù)。

2 后置導葉的初步設計

大型貫流泵裝置一般都裝有后置導葉，其目的是減少和消除水流的速度環(huán)量，將旋轉動能轉換為壓能。本文結合南水北調東線工程淮安三站大型貫流泵裝置，對后置導葉進行初步設計，內容包括進出口安放角的計算、葉柵稠密度的確定以及導葉高度的確定等。

2.1 導葉葉片進出口安放角的計算

圖1為導葉進口、出口速度三角形。

由圖1(a)中的進口速度三角形，得

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，vm3為導葉進口軸面速度(下標3表示導葉進口處的物理量)，m/s；ψ3為導葉進口排擠系數(shù)；vu3為導葉進口的圓周速度分量，m/s；Q為體積流量，m3/s；D3為計算流面的進口直徑，m；su3為導葉進口圓周方向厚度，m；s3為計算流面導葉進口的流面的厚度，m；α3為導葉進口安放角；α4為葉片出口角，考慮到有限葉片數(shù)的影響應小于90°，為了保證水流沿法向出口，目前一般80°～90°之間取α4的值[20]。

圖1 導葉進、出口速度三角形Fig.1 The triangle of guide blade inlet and outlet velocity

2.2 確定葉柵稠密度

葉柵稠密度l/t和相鄰葉片間道的擴散角有關。葉柵中，兩葉片間的進口寬度為ttanα3，出口寬度為l，流道長度近似等于t。由此，流道的擴散角為

(5)

擴散角一般為6°～10°。通常先參考有關資料選擇l/t，然后校核擴散角在合適的范圍內即可。

2.3 導葉高度

當導葉出口角為任意角α4時：

(6)

當α4=90°時，有

(7)

設計時,一般先畫軸面投影，定出e=(0.3～0.4)D，計算l值，然后再校核擴散角。

3 后置導葉對泵裝置水力性能的影響

本文對大型貫流泵裝置進行了數(shù)值模擬，并對其水力特性進行了研究。采用RNGk-ε湍流模型，進口條件是進口均勻來流速度，出口條件為自由出流。通過對不同流量工況進行研究，充分考慮到過流情況，對不用導葉情況進行了深入研究，主要是研究其內部流態(tài)，并對轉輪出口處與出流場道出口水流進行比較。

3.1 不加導葉時貫流泵出水流道流態(tài)分析

由圖2～5可以看出，無導葉時，轉輪出口燈泡體水平段以及燈泡體段出口段中的水流壓力和速度的分布情況是：不加導葉時的分布狀況受到轉輪的影響并不均勻，同時，導葉出口處圓周方向速度的分量較大，而且具有較大的徑向速度。在燈泡體的進出口處均有較大的速度環(huán)量，可以看出在流道的出口處也具有較大的速度環(huán)量。

圖2 預設導葉體段進出口的壓力分布狀況Fig.2 Pressure distribution of inlet and outlet without guide vane

圖3 預設導葉體段進出口的速度分布狀況Fig.3 Velocity distribution of inlet and outlet without guide vane

圖4 預設導葉體段進出口軸向速度分布狀況Fig.4 Axial velocity distribution of inlet and outlet without guide vane

從圖3～5可以看出，出口速度及軸向、徑向分量受到了轉輪的影響；圖6是動能分布的示意圖，動能分布也受到了轉輪的影響；通過對動能的積分發(fā)現(xiàn)，圓周方向的動能占到了約1/3，動能損失明顯，水力損失較大。

圖5 預設導葉體段進出口徑向速度分布狀況Fig.5 Radial velocity distribution of inlet and outlet without guide vane

圖6 預設導葉體段進出口的動能分布Fig.6 Kinetic energy distribution of inlet and outlet without guide vane

從圖7和圖8可以看出，無導葉時，貫流泵轉輪出口處具有明顯的圓周速度分布，同時，在燈泡體周圍存在著明顯的漩渦和脫流現(xiàn)象，流態(tài)差，水力損失較大，效率明顯較低。

研究表明，在沒有加后置導葉的大型貫流泵裝置的出水流道中，流態(tài)較差對環(huán)量動能的轉化非常小。但是從出水流道的水力損失來看，流道的水力摩擦損失較小，過流能力較大。在設計工況點，由加導葉而減小的水力損失約占總揚程的13.16%，有效地回收了環(huán)量和擴散能量。

3.2 有導葉時貫流泵出水流道中的流態(tài)

通過對導葉體段進行數(shù)值模擬(圖9)，得出了5個有導葉時泵的內部流動情況，詳見圖10～13。由圖10～13可以看出，導葉出口處的壓力減小了，流速增加了，其主要原因是加裝導葉以后，導葉對水流的過流能力產生了影響，過流能力減少了。上述圖中的數(shù)值反映出導葉出口段的軸向速度得到了明顯增加，徑向和圓周方向的速度則明顯地減小了。導葉減小并消除了泵轉輪出口水流的速度環(huán)量和徑向速度。

圖7 無導葉時預設導葉進口口處的流速矢量(m/s)Fig.7 Velocity vector diagram at the inlet without guide vane

圖8 無導葉時預設導葉體段的流線圖Fig.8 Flow diagram of preset guide vane segment without guide vane

從圖14中可以看出,泵的動能分布受到導葉體的影響，導葉末端動能有所減少，但導葉段出口處的圓周方向動能很小且接近0，有效地減少了泵出口環(huán)量的能量，同時也有效地回收了出口速度環(huán)量。

圖15～16是速度矢量分布和導葉體段的流線示意圖。從圖中可以看出，導葉體段的水流流線分布均勻，且出口處的圓周速度明顯沿軸向運動。水力性能獲得較好的改善，發(fā)揮了導葉使水流沿軸向運動的作用。

圖9 導葉體段的三維圖Fig.9 Three-dimensional diagram of guide vane segment

圖10 導葉體段進出口的壓力分布狀況Fig.10 Pressure distribution of inlet and outlet

圖11 導葉體段進出口的速度分布狀況Fig.11 Velocity distribution of inlet and outlet

從上述研究可以得出：導葉對泵裝置水力性能的影響較大，后置導葉可以減少水流的出口環(huán)量能量，從而減少泵裝置的水力損失，有效地改變泵出口至流道出口段的水力性能。對加導葉和不加導葉的貫流泵裝置進行了比較分析，結果表明：加裝導葉后水流流態(tài)得到了明顯改善，水力特性變好；導葉對泵轉輪產生的速度環(huán)量進行回收，從而提高了泵裝置效率。

圖12 導葉體段進出口的軸向速度分布狀況Fig.12 Axial velocity distribution of inlet and outlet

圖13 導葉體段進出口的徑向速度分布狀況Fig.13 Radial velocity distribution of inlet and outlet

圖14 導葉體段進出口的動能分布狀況Fig.14 Kinetic energy distribution of inlet and outlet

4 后置導葉葉片數(shù)對裝置水力特性的影響

在導葉數(shù)略多于葉輪數(shù)時，泵的效率最高。但是從導葉對流態(tài)的改變程度來看，導葉數(shù)越多水流流態(tài)會越好，水流環(huán)量受到的影響會減少。然而導葉數(shù)多了以后會增加水流流動阻力損失。本文對不同導葉數(shù)通過數(shù)值模擬進行深入研究。圖17是不同導葉數(shù)的三維圖。計算部位包括了導葉體段、轉輪處、燈泡體段及出水流道。采用RNG k-ε湍流模型，進口條件是均勻來流的速度進口，出口條件為自由出流。

圖15 導葉進口處的流速矢量圖(m/s)Fig.15 Velocity vector at guide vane inlet

圖16 導葉體段的流線圖Fig.16 Flow diagram of guide vane segment

圖17 不同的導葉數(shù)的模型Fig.23 Model diagram of different guide vane numbers

(1) 壓力分布與導葉數(shù)的關系。壓力反映了泵的出口能量，同時出口壓力穩(wěn)定則表明泵工作穩(wěn)定。圖18反映了導葉出口處的壓力分布狀況，從圖18中可以看出，當葉片數(shù)量增加，出口處的壓力也會有所增加，這樣可以提高泵出口處的壓力，從而使出口處的位能增加，達到回收動能的目的。隨著導葉數(shù)量的增加，壓力分布越來越明顯地受到導葉的影響，導葉對水力特性影響明顯。

圖18 不同導葉數(shù)時導葉出口處的總壓分布狀況(Pa)Fig.18 The total pressure distribution at outlet of vane

(2) 水流的跡線反映了水流的流態(tài)，跡線均勻表明水流流態(tài)好，泵裝置的水力特性好。從數(shù)值模擬的跡線結果可以看出，隨著導葉數(shù)量的增加，水流更平緩。從圖19中的流線圖可以看出隨著導葉數(shù)的增加，流線更加的均勻，可見導葉可以明顯地改善出口的流態(tài)，導葉數(shù)越多流態(tài)越好。

5 后置導葉安裝位置對泵裝置水力性能的影響

圖20是兩種導葉安裝方式的立體圖。以淮安三站大型泵站的貫流泵裝置為原型，考慮到水流間的相互作用，建立了包括泵轉輪段、導葉體段、燈泡體段及出水流道在內的數(shù)理模型，用于對內部流場進行數(shù)值模擬，主要研究導葉體段的水流流動情況。進口邊界條件采用均勻來流的進口速度，假定進口速度在軸向均勻分布、無旋，其值由流量和進口過流面積確定，并給定湍動能和湍流耗散率值。出口邊界條件指定為自由出流條件，認為泵裝置內部水流流動在出口部分己達到充分發(fā)展狀態(tài)；壁面采用0.05 mm的糙度；轉輪處與導葉段分界處采用滑移網格的方法。對轉動部分采用多參考系研究水流的轉動情況。

對兩種導葉安裝方式下的導葉體段的水流流態(tài)進行研究，得出了較為合理的安裝方法。在大型貫流泵裝置中，一般安裝的是擴散導葉，擴散段水流復雜，若讓水流在水平軸處獲得改善了水力性能會好些，但從穩(wěn)定性來說增加了主軸的長度，會對泵裝置穩(wěn)定產生一定的影響。

通過對兩種導葉的安裝方式在設計工況下水流的流動情況進行了研究，圖21是模擬出來的導葉體段水流流線圖。從圖21(a)可以看出，當后置導葉安裝在直軸處時水流到擴散段后變差，水流會有互相干擾情況。從圖21(b)可以看出，安裝在擴散段時導葉流線平緩，水流均勻，水流流動情況更好。從中可得出水流通過加在擴散段的導葉時水流的流態(tài)較好。

圖22是導葉體段進出口處的流速分布圖的模擬結果，反映了導葉體段出口動能和動能回收情況。從圖22(a)中可以看出，導葉安裝在直軸處的流速分布較差，不利于對動能的回收。從圖22(b)可以看出，擴散導葉導葉體段出口水流速度大小分布均勻，反映了動能分布均勻，能量回收較好。

圖23是模擬得出的導葉體段進出口處的軸向流速分布圖，反映了導葉對流態(tài)的改善情況，理想的導葉出口處水流應完全沿軸向流動。從圖23(b)可以看出，當導葉安裝在擴散段時軸向流速分布明顯受到導葉影響，導葉后端流速較小，而圖23(a)表明，導葉安裝在直軸上時，水流流動分布不均勻，受導葉影響不明顯，而且水流流態(tài)較差。

圖19 不同導葉數(shù)時導葉處的粒子軌跡分布狀況Fig.19 Particle trajectory map at guide vane

在大型貫流泵裝置中安裝的是擴散導葉，其擴散段水流復雜，若讓水流在水平軸處獲得改善，則水力性能會好些。從前面的分析來看，除了導葉安裝在直軸上的流速矢量分布好些以外，其他均是在擴散段安裝導葉的效果好。從水力性能來看，擴散導葉對水流的改善比水平軸處安裝導葉要好些。同時從穩(wěn)定性來說，增加了主軸長度會對泵裝置穩(wěn)定產生一定的影響。同時后置擴散導葉起著對燈泡體支撐的作用。安裝在擴散段的導葉對泵裝置水力性能的改善較好，因此綜合考慮在擴散段安裝導葉。

圖20 導葉的安裝位置圖Fig.20 Installation location of guide vane

圖21 導葉體段的流線圖Fig.21 Flow diagram of guide vane segment

圖23 導葉體段出口處的軸向速度分布圖(m/s)Fig.23 Axial velocity distribution at the outlet

6 結 論

(1) 在沒加后置導葉的大型貫流泵裝置的出水流道中，流態(tài)較差，對環(huán)量動能的轉化非常小。但從出水流道的水力損失來看，流道的水力摩擦損失較小，過流能力較大。在設計工況點，由加導葉而減小的水力損失約占總揚程的13.16%，它有效地回收了環(huán)量和擴散能量。

(2) 通過加后置擴散導葉可使水流盡能多地沿軸向運動，水流流態(tài)得到明顯改善，消除速度環(huán)量，同時也可減少從轉輪出口到燈泡體擴散所帶走的能量，導葉對泵轉輪產生速度環(huán)量回收，后置導葉可使泵裝置的效率獲得5%左右的提高。

(3) 隨著導葉數(shù)的增加，分布情況越來越明顯地受到導葉的影響，導葉對水力特性影響明顯，同時速度分布更均勻，流線也更加的均勻，可見導葉可以明顯地改善出口的流態(tài)，導葉數(shù)越多流態(tài)越好。針對具有3個葉片的轉輪，配置5個后置導葉時水力損失較小。

(4) 從水力性能來看，在擴散段安裝導葉對水流的改善比在水平軸處安裝導葉效果會好些。同時從穩(wěn)定性來說，增加了主軸長度會對泵裝置穩(wěn)定產生一定的影響。安裝在擴散段的導葉對泵裝置的水力性能的改善效果較好，經綜合考慮，選擇在擴散段安裝導葉。