全貫流泵回流間隙對(duì)泵水力性能的影響

石麗建 焦海峰 茍金瀾 袁 堯 湯方平 楊 帆

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225100； 2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所， 武漢 430205；3.江蘇省水利科學(xué)研究院， 南京 210017)

0 引言

泵裝置按照電動(dòng)機(jī)在水泵中的安裝位置可以分為軸伸泵裝置和貫流泵裝置，軸伸泵裝置的電機(jī)布置在管道外部，貫流泵裝置的電動(dòng)機(jī)布置在管道內(nèi)部，而貫流泵按照其電機(jī)的布置方式又可以分為燈泡式貫流泵和全貫流泵[1-2]。燈泡式貫流泵在流道內(nèi)設(shè)有一個(gè)金屬燈泡體，電動(dòng)機(jī)和減速箱均安裝在燈泡體之內(nèi)；而全貫流泵的電機(jī)和葉輪整合為一個(gè)整體，沒(méi)有葉頂間隙和傳統(tǒng)軸流泵的傳動(dòng)軸，葉片的外緣與電機(jī)的轉(zhuǎn)子相連，轉(zhuǎn)子通過(guò)電磁作用旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)葉輪做功，進(jìn)、出水流道平直，水流直進(jìn)直出，進(jìn)水流態(tài)平順均勻，水力損失小，泵裝置效率較高。

全貫流泵作為一種新型水泵，具有揚(yáng)程低、流量大等特點(diǎn)，在國(guó)外大量應(yīng)用于調(diào)水工程、灌溉工程和防洪排澇工程之中，尤其是在荷蘭和日本，已經(jīng)將其作為一種成熟的技術(shù)廣泛應(yīng)用。但是由于其效率和揚(yáng)程均顯著低于軸流泵，全貫流泵在國(guó)內(nèi)泵站中的應(yīng)用還很少[3]。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，全貫流泵省去了電機(jī)的空間，泵房面積不需要很大，節(jié)省了土建成本和建設(shè)周期。全貫流泵整體結(jié)構(gòu)緊湊，安裝便利，在尺寸較大時(shí)，安裝檢修更為方便，因此適合大型低揚(yáng)程、大流量泵站使用[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于軸流泵的研究較多，由于全貫流泵使用的是經(jīng)過(guò)軸流泵葉輪改造的葉輪，兩泵的進(jìn)出水流道和導(dǎo)葉也相似，因此軸流泵的內(nèi)流特性和水力特性對(duì)于研究全貫流泵也有一定的參考意義。許多學(xué)者對(duì)軸流泵水力性能、內(nèi)部流動(dòng)特性及其非定常特性進(jìn)行了較為廣泛的研究[6-23]。

全貫流泵和軸流泵的葉輪有相似之處，由于全貫流泵葉輪與轉(zhuǎn)子是一個(gè)整體，因此全貫流泵工作時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)會(huì)對(duì)其葉輪室的內(nèi)流特性和水力性能產(chǎn)生影響。本文基于數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的研究方法[24-26]，對(duì)全貫流泵進(jìn)行性能分析，研究全貫流泵的回流間隙對(duì)泵水力性能的影響。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

全貫流泵的設(shè)計(jì)是將葉輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接為一體，關(guān)鍵設(shè)計(jì)部件為電機(jī)轉(zhuǎn)子，電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子外殼存在間隙，間隙d中存在間隙回流流量q，可以起到散熱的作用。本文設(shè)計(jì)的全貫流泵初始間隙d為0.65 mm，另外設(shè)計(jì)了1.00、1.50、 2.00 mm共計(jì)4個(gè)方案。本文電機(jī)轉(zhuǎn)子為簡(jiǎn)化模型，不含線圈布置，轉(zhuǎn)子最大厚度為18 mm，軸向長(zhǎng)度為100 mm。全貫流泵葉輪三維模型造型圖如圖1所示。

圖1 全貫流泵葉輪的三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model diagram of full-flow pump impeller

本文研究的全貫流泵葉輪直徑D為350 mm，轉(zhuǎn)速n為950 r/min，輪轂比為0.4，葉尖葉柵稠密度為0.79，葉根葉柵稠密度為1.4，輪緣處葉片安放角為15.33°，輪轂處葉片安放角為46.59°。導(dǎo)葉體葉片數(shù)為7片，直徑為350 mm，輪轂比同樣為0.4。進(jìn)出水流道與葉輪和導(dǎo)葉配套，直徑均為350 mm，長(zhǎng)度L均為1 m。泵裝置設(shè)計(jì)流量Q為390 L/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H為3.2 m，水泵比轉(zhuǎn)數(shù)nS為905。全貫流泵的電機(jī)轉(zhuǎn)子間隙二維示意圖如圖2所示。

圖2 全貫流泵間隙二維示意圖Fig.2 Two-dimensional diagram of gap

1.2 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性分析

本文根據(jù)伯努利能量方程計(jì)算全貫流泵葉輪揚(yáng)程，由數(shù)值模擬計(jì)算得到的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)以及葉輪上作用的扭矩預(yù)測(cè)軸流泵葉輪的水力性能。

全貫流泵葉輪揚(yáng)程計(jì)算公式為

H=(pout,T-pin,T)/(ρg)

(1)

式中pout,T——葉輪出口斷面總壓，Pa

pin,T——葉輪進(jìn)口斷面總壓，Pa

ρ——液體密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

全貫流泵葉輪效率計(jì)算公式為

(2)

式中Tp——扭矩，N·m

ω——葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

全貫流泵葉輪功率計(jì)算公式為

P=Mω

(3)

式中P——功率，W

M——葉輪的扭矩，N·m

全貫流泵連續(xù)性方程為

(4)

式中r——過(guò)流斷面的半徑，m

Vz——過(guò)流斷面的平均速度，m/s

ηV——水泵容積效率，%

rt——葉輪輪轂半徑，m

rh——葉輪輪緣半徑，m

本文的計(jì)算模型由葉輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子、導(dǎo)葉以及進(jìn)、出水流道等部分構(gòu)成，其中葉輪和導(dǎo)葉的網(wǎng)格通過(guò)將葉輪和導(dǎo)葉的Curve文件導(dǎo)入Turbogrid中建模，然后劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪網(wǎng)格數(shù)約為60萬(wàn)，導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)約為76萬(wàn)。進(jìn)出水流道通過(guò)UG建模，使用ICEM劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為44萬(wàn)。電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)UG建模并使用Mesh劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為177萬(wàn)。模型各部位網(wǎng)格圖如圖3所示。各部件網(wǎng)格劃分完成后在CFX里面裝配成計(jì)算模型，計(jì)算模型三維圖如圖4所示。

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.3 Computational area meshing

圖4 全貫流泵裝置計(jì)算模型三維圖Fig.4 3D map of calculation model of full-flow pump device

由于全貫流泵運(yùn)行時(shí)，葉輪是最主要的做功部件，因此葉輪網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著決定性的影響。因此需要對(duì)全貫流泵的葉輪網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 全貫流泵葉輪網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析Fig.5 Grid independence analysis of full-flow pump impeller

根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)葉輪總網(wǎng)格數(shù)量在60萬(wàn)時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量的增加對(duì)于效率的影響很小，為了減小計(jì)算工作量以及網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的影響，最終選取葉輪網(wǎng)格數(shù)量為60萬(wàn)左右。

1.3 控制方程及邊界條件

數(shù)值模擬計(jì)算控制方程采用時(shí)均N-S方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[27]。進(jìn)口邊界條件設(shè)定為總壓進(jìn)口，壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；出口邊界條件設(shè)置質(zhì)量流量出口，設(shè)計(jì)流量Q=390 L/s。葉輪和轉(zhuǎn)子設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，其他部件均設(shè)置為靜止域。固體壁面邊界包括葉片表面、輪轂表面、葉輪輪緣的內(nèi)表面等，采用滿足粘性流體的無(wú)滑移條件，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)邊界條件。動(dòng)靜交界面采用速度平均的Stage交界面模型，其余各部分交界面均采用None交界面模型[28-29]。

針對(duì)圖4全貫流泵計(jì)算模型初始間隙方案(d=0.65 mm)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并將其與模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

2 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)全貫流泵數(shù)值模擬的結(jié)果，將葉輪、導(dǎo)葉、電機(jī)轉(zhuǎn)子和進(jìn)、出水流道加工出來(lái)進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。全貫流泵葉輪直徑為350 mm，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為950 r/min。全貫流泵葉輪如圖6a所示，輪轂比為0.4，葉片數(shù)為4片，采用黃銅材料加工而成。間隙電機(jī)轉(zhuǎn)子按照CAD圖紙精確加工，采用鋼質(zhì)材料制成，轉(zhuǎn)子通過(guò)4枚直徑3 mm的沉孔螺絲與葉片固定，使其與葉輪形成一體，定子安裝在轉(zhuǎn)子外圈，與試驗(yàn)臺(tái)固定。模型導(dǎo)葉如圖6b所示，輪轂比為0.4，采用直導(dǎo)葉型式，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7片，用鋼質(zhì)材料焊接成型。試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖6c所示。

圖6 試驗(yàn)部件及裝置實(shí)物圖Fig.6 Physical diagrams of test components and devices

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 18149—2000《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗(yàn)規(guī)范(精密級(jí))》和SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)葉片安放角的性能試驗(yàn)不少于15個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)間隙d=0.65 mm下的全貫流泵裝置進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并與全貫流泵裝置數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示，以驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。

1.家長(zhǎng)助教可以拓展課堂教學(xué)內(nèi)容和有效補(bǔ)充教師專業(yè)知識(shí)的不足。家長(zhǎng)資源是幼兒園不可或缺的可利用資源，家長(zhǎng)利用自身資源將其專業(yè)知識(shí)、工作經(jīng)驗(yàn)和社會(huì)經(jīng)驗(yàn)帶入課堂中，不僅可以幫助幼兒園和教師完善人力資源、物質(zhì)資源、信息資源等方面的不足，還可以拓展課堂教學(xué)內(nèi)容，豐富幼兒相關(guān)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。如，在開(kāi)展體育活動(dòng)中，體育教師一個(gè)人的精力有限，無(wú)法組織幼兒完成大型體育活動(dòng)游戲，而有了家長(zhǎng)的參與和幫助，教師便可以更好地帶領(lǐng)大家共同完成內(nèi)容豐富的體育活動(dòng)；另外，對(duì)于專業(yè)性較強(qiáng)的特色課程內(nèi)容，家長(zhǎng)助教也可以補(bǔ)充教師專業(yè)知識(shí)的不足。

圖7 數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)對(duì)比Fig.7 Comparison of numerical simulation and model test

根據(jù)圖7可知，在設(shè)計(jì)工況(流量為390 L/s，轉(zhuǎn)速為950 r/min)下，全貫流泵試驗(yàn)測(cè)試效率為78.54%，揚(yáng)程為3.22 m，數(shù)值模擬流量-效率曲線普遍高于模型試驗(yàn)，效率最大偏差約為3.7個(gè)百分點(diǎn)；流量-揚(yáng)程曲線與設(shè)計(jì)工況基本重合，在大流量和小流量工況下?lián)P程最大偏差約為0.17 m；試驗(yàn)測(cè)試最高運(yùn)行效率為78.69%，數(shù)值模擬最高效率為82.66%，偏差約為3.97個(gè)百分點(diǎn)，全貫流泵數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)揚(yáng)程和效率偏差較小，說(shuō)明全貫流泵的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可信。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果，分別對(duì)不同間隙尺寸的全貫流泵裝置模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算流量為190 ～ 470 L/s，每隔20 L/s計(jì)算一個(gè)流量工況點(diǎn)。將不同間隙下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 各間隙下泵裝置數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of numerical calculation results of pump devices under each gap

由圖8可知，各間隙的全貫流泵的揚(yáng)程和效率曲線均較為光滑。最小間隙為0.65 mm時(shí)，全貫流泵在設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程為3.05 m，效率為82.46%，最高效率為82.66%；最大間隙為2 mm時(shí)，全貫流泵在設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程為2.92 m，效率為80.85%，最高效率為81.27%。不同間隙的泵裝置在設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程最大差值為0.13 m，效率差值為1.61個(gè)百分點(diǎn)，因此可以發(fā)現(xiàn)不同間隙全貫流泵的揚(yáng)程和效率差別較大。隨著間隙的增大，全貫流泵在流量230～430 L/s之間的流量-揚(yáng)程和流量-效率曲線逐漸下移，其中流量-揚(yáng)程曲線在馬鞍區(qū)的差別尤為明顯，馬鞍區(qū)位置逐漸向大流量移動(dòng)，且最大間隙與最小間隙的馬鞍區(qū)流量偏移了近40 L/s，馬鞍區(qū)的最高揚(yáng)程差值約為0.34 m；流量-效率曲線的高效區(qū)基本一致，在流量370 L/s時(shí)效率差距最大，最大間隙與最小間隙的效率相差約1.61個(gè)百分點(diǎn)，在流量小于230 L/s和流量大于430 L/s范圍內(nèi)效率曲線的差距很小。

為了分析全貫流泵的水力特性的差異是否由間隙引起，取出軸流泵和間隙d=0.65 mm的全貫流泵在3種特征工況(210、390、450 L/s)下葉輪室的軸向速度云圖和二維流線圖，如圖9、10所示。

圖9 軸流泵葉輪室的內(nèi)流特性Fig.9 Inflow characteristics of impeller chamber of axial-flow pump

圖10 全貫流泵葉輪室的內(nèi)流特性(d=0.65 mm)Fig.10 Inflow characteristics of impeller chamber of full-flow pump (d=0.65 mm)

對(duì)比圖9、10可以發(fā)現(xiàn)，軸流泵和全貫流泵的主要差距在小流量工況下，軸流泵的葉輪進(jìn)口流態(tài)平順，而全貫流泵的葉輪進(jìn)口靠近輪緣處(即間隙回流出口)有漩渦和偏流現(xiàn)象，此處產(chǎn)生了低壓區(qū)，這是由于間隙回流擾亂了葉輪進(jìn)口靠近輪緣處水流的流態(tài)引起。同樣葉輪出口流場(chǎng)在小流量工況差距較為明顯，兩泵在靠近輪緣位置均出現(xiàn)了偏流，靠近輪轂位置出現(xiàn)了漩渦，而軸流泵水流往輪轂方向偏流，全貫流泵往輪緣方向偏流，這是由于間隙回流流量q是由葉輪出口流向葉輪進(jìn)口，全貫流泵葉輪出口靠近輪緣處(即間隙回流進(jìn)口)壓力較低,間隙回流進(jìn)入葉輪進(jìn)口時(shí)對(duì)主流影響較大，造成葉輪進(jìn)口輪緣處較大的漩渦，進(jìn)而導(dǎo)致了葉輪出口流場(chǎng)的變化(間隙內(nèi)部二維流動(dòng)如圖11所示)。由此可以發(fā)現(xiàn)，全貫流泵葉輪水力特性的變化主要是由間隙回流導(dǎo)致。

圖11 間隙內(nèi)部流動(dòng)示意圖Fig.11 Internal flow in gap

從圖11可以發(fā)現(xiàn)，全貫流泵葉輪進(jìn)出口的流態(tài)均受到了間隙回流的影響，距離輪緣越近，水流受到間隙回流的干擾越強(qiáng)烈。隨著葉輪流量的增大，間隙回流對(duì)全貫流泵葉輪進(jìn)出口的影響越來(lái)越小，在設(shè)計(jì)工況和大流量工況下全貫流泵葉輪進(jìn)出口的流態(tài)均較好，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的流線偏移。為了研究間隙回流對(duì)葉輪進(jìn)出口的干擾程度隨葉輪流量增大的原因，取出間隙d=0.65 mm的全貫流泵在全工況下間隙回流流量、葉輪進(jìn)出口壓差與總流量的關(guān)系，如圖12所示。

圖12 間隙回流流量和葉輪進(jìn)出口壓差與總流量的關(guān)系曲線(d=0.65 mm)Fig.12 Gap backflow rate and impeller inlet and outlet pressure difference and total flow rate (d=0.65 mm)

從圖12可以看出，隨著葉輪流量的增大，葉輪進(jìn)出口壓差越來(lái)越小，間隙回流流量也越來(lái)越小，而間隙回流斷面面積是不變的，根據(jù)連續(xù)性方程可知間隙回流流速減小，回流對(duì)葉輪進(jìn)出口的流態(tài)干擾也就更不明顯。因此間隙回流不僅對(duì)葉輪進(jìn)出口流態(tài)有影響，而且該影響隨著葉輪流量的升高而降低。

為了進(jìn)一步分析不同間隙對(duì)全貫流泵揚(yáng)程和效率的影響，將4種間隙全貫流泵葉輪壓力面和吸力面在設(shè)計(jì)工況下(390 L/s)的壓力云圖和二維流線圖取出，如圖13、14所示。

圖13 各間隙全貫流泵葉輪壓力面在設(shè)計(jì)工況下的壓力云圖Fig.13 Pressure cloud diagrams of pressure surface of full-flow pump impeller under various design conditions

圖14 各間隙全貫流泵葉輪吸力面在設(shè)計(jì)工況下的壓力云圖Fig.14 Pressure cloud diagrams of suction surface of full-flow pump impeller under various design conditions

從圖13可發(fā)現(xiàn)，各間隙下葉輪壓力面的壓力沿著輪轂到輪緣的方向逐漸上升。軸流泵葉片做功能力主要來(lái)自于輪緣處壓差分布，而隨著間隙的增大，壓力面靠近輪緣區(qū)域高壓區(qū)范圍越來(lái)越小，說(shuō)明葉片的做功能力越來(lái)越低，這也是圖8設(shè)計(jì)工況下?lián)P程隨著回流間隙增大而降低的原因。從圖14可以發(fā)現(xiàn)，各間隙葉輪吸力面的壓力沿著水流流動(dòng)的方向先減小后增大，在葉輪背面靠近進(jìn)口位置壓力最低，說(shuō)明了該區(qū)域是葉輪工作時(shí)最容易發(fā)生汽蝕的位置，且該區(qū)域的面積隨著間隙的增大基本沒(méi)有變化，說(shuō)明間隙回流對(duì)全貫流泵葉輪的汽蝕性能影響很小。

為了分析不同的間隙回流對(duì)全貫流泵效率的影響，取出設(shè)計(jì)工況(Q=390 L/s)下間隙回流流量、摩擦功率、葉輪功率與間隙的關(guān)系，如圖15、16所示。

圖15 間隙回流流量與間隙的關(guān)系曲線Fig.15 Relationship between gap backflow and gap size

圖16 葉輪功率、摩擦功率與間隙的關(guān)系曲線Fig.16 Relationship between gap backflow, shaft power and gap size

由圖15、16可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)工況下，隨著間隙的增大，間隙回流流量逐漸增大，實(shí)際工程使用中可根據(jù)間隙回流流量要求選擇相應(yīng)的間隙。隨著間隙的增大，葉輪功率逐漸減小，這是由于揚(yáng)程降低較大的原因。由圖8可知，設(shè)計(jì)工況全貫流泵效率計(jì)算結(jié)果為81%左右，遠(yuǎn)低于當(dāng)前軸流泵87%的效率水平，這是因?yàn)槿~輪轉(zhuǎn)子外殼帶來(lái)了很大的摩擦阻力損失，根據(jù)圖16計(jì)算，摩擦功率占葉輪功率的5%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著間隙的增大，摩擦功率基本不發(fā)生變化。

4 結(jié)論

(1)相對(duì)于傳統(tǒng)軸流泵，全貫流泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、土建成本低等優(yōu)勢(shì)，但由于電機(jī)跟葉輪合二為一，電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間存在間隙回流，導(dǎo)致水力損失和圓盤摩擦功率均增加。實(shí)際工程中，根據(jù)間隙回流流量對(duì)水泵性能的影響規(guī)律，應(yīng)在滿足回流流量要求的前提下盡可能提高全貫流泵的性能指標(biāo)，對(duì)應(yīng)選取合適的間隙。

(2)當(dāng)間隙一定時(shí)，隨著葉輪流量的增大，間隙回流流量逐漸減小，間隙回流對(duì)葉輪進(jìn)出口的流態(tài)影響也逐漸減??；距離輪緣越近，水流受到回流的影響越大。在設(shè)計(jì)工況下，隨著間隙的增大，全貫流泵的間隙回流流量逐漸增大，間隙回流流量與葉片進(jìn)出口壓差趨勢(shì)一致，全貫流泵葉輪的做功能力逐漸降低，但吸力面的汽蝕性能基本不發(fā)生變化。同時(shí)，隨著間隙的增大，葉輪的軸功率逐漸減小，而摩擦功率基本不發(fā)生變化。

(3)全貫流泵數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差別較小，說(shuō)明了全貫流泵數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。