大型灌排泵站改造應(yīng)用研究

李端明，張 印，肖若富，溫鴻浦，李彥迪

(1.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；2. 寧夏回族自治區(qū)固海揚(yáng)水管理處，寧夏 中寧 755100；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；4.寧夏回族自治區(qū)水利廳灌排中心，銀川 751000)

0 引 言

泵站工程是利用水泵機(jī)組及其配套建筑物將電能轉(zhuǎn)化為水能進(jìn)行灌排或者供水的綜合性提水工程[1]。灌溉泵站是提水對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉的泵站，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民增收和區(qū)域環(huán)境改善的重要基礎(chǔ)設(shè)施。新中國(guó)成立60多年來(lái)，我國(guó)機(jī)電灌排事業(yè)獲得了迅猛發(fā)展，泵站比較集中的省份及地區(qū)，已初步形成了以大型泵站為骨干的抗旱灌溉、抗洪除澇及跨流域調(diào)水工程體系，及以中小型泵站為主導(dǎo)地位的地區(qū)性灌溉和除澇工程網(wǎng)絡(luò)。目前全國(guó)機(jī)電灌溉排水面積約4 267 萬(wàn)hm2，有力地提高了各地抗御自然災(zāi)害的能力，對(duì)保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，保障國(guó)家糧食安全等起到了關(guān)鍵性的作用[2]。

雙吸離心泵流量大、揚(yáng)程高，廣泛應(yīng)用于大型調(diào)水工程、農(nóng)田灌溉和城鎮(zhèn)供水等重要領(lǐng)域。如南水北調(diào)中線(xiàn)工程惠南莊泵站安裝了8臺(tái)國(guó)內(nèi)單機(jī)功率最大的雙吸離心泵，單機(jī)設(shè)計(jì)流量10 m3/s、設(shè)計(jì)揚(yáng)程58.2 m、功率7500 kW，泵站總裝機(jī)功率達(dá)到6 萬(wàn)kW，由于泵站流量變幅10～60 m3/s、揚(yáng)程范圍0～58.2 m，且年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行工況復(fù)雜，對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的要求非常高[3]。在大型灌溉排泵站方面，據(jù)水利部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)共有大型灌溉排水泵站450處，裝機(jī)功率563.57 萬(wàn)kW，設(shè)計(jì)流量35 885 m3/s，共安裝水泵機(jī)組24 540 臺(tái)套，在大型灌溉泵站中，75%以上的泵型為雙吸離心泵[4]。在這些大型泵站中，大型雙吸離心泵為農(nóng)業(yè)灌溉和飲水工程發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)大型雙吸離心泵的需求將會(huì)越來(lái)越大[5,6]。隨著在建和新建大型泵站中水泵單機(jī)功率的不斷提升，雙吸離心泵應(yīng)用面臨的能耗過(guò)高和運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題將更加突出。針對(duì)這一問(wèn)題，本文結(jié)合寧夏白府都泵站更新改造工程，研究葉片載荷分布對(duì)雙吸離心泵水力性能的影響，通過(guò)控制葉片載荷來(lái)提高雙吸離心泵的效率和穩(wěn)定運(yùn)行性，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 研究對(duì)象及存在的問(wèn)題分析

1.1 單級(jí)雙吸離心泵基本參數(shù)

白府都泵站屬于寧夏固海揚(yáng)水工程的梯級(jí)提水泵站的其中一級(jí)，始建于1984年，控灌面積3 734 hm2，泵站總揚(yáng)程48.8 m，設(shè)計(jì)流量10.04 m3/s，采用3工1備的運(yùn)行方式，為更好地提高該泵站雙吸離心泵的運(yùn)行穩(wěn)定性，并降低其能耗。本文以白府都泵站所使用的HS600-500-650A型單級(jí)雙吸離心泵為研究對(duì)象進(jìn)行改進(jìn)，該泵的主要參數(shù)如表1所示。

表1 HS600-500-650A型單級(jí)雙吸離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 數(shù)值計(jì)算模型及方法

根據(jù)HS600-500-650A單級(jí)雙吸離心泵的水力圖尺寸，建立三維模型，如圖1所示。

圖1 流體域三維圖

在該模型中，利用ICEM CFD軟件對(duì)于進(jìn)水流道(包含延伸段)、葉輪、出水流道(包含延伸段)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。全流道的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 096 833，總單元數(shù)為5 725 942。各個(gè)流體域的網(wǎng)格、節(jié)點(diǎn)數(shù)如表2所示。網(wǎng)格如圖2所示。

表2 各個(gè)流體域參數(shù)

圖2 流道網(wǎng)格

采用ANSYS CFX軟件對(duì)HS600-500-650A單級(jí)雙吸離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬，選用SST湍流模型，在參數(shù)設(shè)置中流動(dòng)介質(zhì)為水，溫度22 ℃，參考?jí)毫? atm，轉(zhuǎn)速為990 r/min，計(jì)算步數(shù)為1 000步，收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-5。

對(duì)于邊界條件的設(shè)定：①進(jìn)口邊界條件：將吸水延伸段進(jìn)口設(shè)置為進(jìn)口邊界，給定各工況的質(zhì)量流量；②出口邊界條件：將蝸殼出口延伸段出口設(shè)置為出口邊界，給定出口靜壓為0；③其他邊界條件：其余所有壁面都采用無(wú)滑移邊界條件。對(duì)于交界面的設(shè)置，將進(jìn)水流道出口和葉輪進(jìn)口、葉輪出口和出水流道進(jìn)口設(shè)置為固定-旋轉(zhuǎn)交界面，將進(jìn)水流道進(jìn)口和進(jìn)口延伸段出口處、出水流道出口和出口延伸段進(jìn)口處設(shè)置為固定交界面。

1.3 外特性分析

對(duì)表3中的情況下進(jìn)行模擬計(jì)算，分別計(jì)算出各工況下的揚(yáng)程、效率并做出相應(yīng)的水力特性曲線(xiàn)，如圖3。揚(yáng)程曲線(xiàn)在設(shè)計(jì)工況和小流量工況下誤差較小，其中，設(shè)計(jì)工況下，泵揚(yáng)程的計(jì)算值為47.97 m，略高于試驗(yàn)值，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。比較效率對(duì)比圖，可以看到效率曲線(xiàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果整體上趨勢(shì)一致。其中，在設(shè)計(jì)工況下，模擬結(jié)果與效率實(shí)驗(yàn)值誤差為0.73%，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。因此，從總體上來(lái)說(shuō)，該泵的CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，其計(jì)算結(jié)果可以作為我們優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)判方法。

表3 模擬計(jì)算時(shí)的工況

圖3 HS600-500-650A水力特性曲線(xiàn)

1.4 內(nèi)部流動(dòng)分析

葉輪流場(chǎng)分布結(jié)果如圖4所示，在這里取了0.2Q，0.4Q，0.6Q，0.8Q，1.0Q，1.2Q，1.4Q工況進(jìn)行分析?？梢悦黠@看出，小流量工況下，葉輪出口處的流動(dòng)及其不均勻，輪轂隔板兩側(cè)的水流在這里易發(fā)生相互碰撞。

圖4 葉輪流場(chǎng)分布

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 改進(jìn)方案

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用葉片交替加載技術(shù)設(shè)計(jì)理論對(duì)HS600-500-650A型號(hào)的雙吸離心泵葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該技術(shù)采用前后蓋板交替加載的載荷分布方式，結(jié)合雙側(cè)葉片出口邊傾斜呈“V”字型，并均勻交錯(cuò)雙側(cè)葉輪的方法對(duì)葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中優(yōu)化后的葉輪在原始葉輪的基礎(chǔ)上運(yùn)用葉片交替加載技術(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，在后蓋板位置增加8 mm厚度的隔板，再均勻交錯(cuò)布置兩側(cè)葉輪。優(yōu)化前后葉輪對(duì)比如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前后葉輪的結(jié)構(gòu)三維圖

2.2 改進(jìn)效果分析

通過(guò)CFD模擬計(jì)算分別計(jì)算出各工況下的揚(yáng)程、效率并做出相應(yīng)的外特性曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 重新設(shè)計(jì)葉輪后的外特性曲線(xiàn)與原始葉輪比較

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新的模型流量-揚(yáng)程曲線(xiàn)與原始模型基本吻合，而新模型的流量-效率曲線(xiàn)得到明顯改善，在小流量工況和大流量工況，其效率值均有明顯提升，在設(shè)計(jì)流量下，效率值提高2.1%，高效區(qū)大約拓寬20%左右。該水泵模型通過(guò)運(yùn)用交替加載設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)葉輪，水泵外特性得到明顯優(yōu)化。

采用交替加載技術(shù)后，在原始葉輪模型的出口處產(chǎn)生隔板，消除了水流在匯集到出口時(shí)的產(chǎn)生的撞擊，從而流態(tài)的得到改善，以小流量工況下最為顯著。

圖7為HS600-500-650A的設(shè)計(jì)工況下葉輪改進(jìn)前后出口處的流速分布云圖，葉輪旋轉(zhuǎn)方向如箭頭所示?？梢钥闯?，兩側(cè)葉輪經(jīng)過(guò)交錯(cuò)布置后出口的流態(tài)均勻性得到明顯提高，在原始方案中，呈現(xiàn)出明顯的“射流-尾跡”區(qū)域，射流的高速區(qū)位于葉片的工作面，尾跡靠近相鄰葉片的背面，高速區(qū)過(guò)于集中，速度梯度大。改進(jìn)后的葉輪出口流速分布均勻，流速在18.4 m/s以上的區(qū)域占出口面積的大部分，速度梯度小。由此可以證明，前蓋板前加載，后蓋板后加載的混合加載方式能夠改善葉輪出口的“射流-尾跡”現(xiàn)象。

對(duì)于HS600-500-650A的葉片壓力分布，可以看到，原始的葉片雖然沒(méi)有形成比較明顯的進(jìn)口低壓區(qū)，但是壓力梯度變化不均勻，從進(jìn)口到出口的等壓線(xiàn)均呈現(xiàn)出不同程度的彎曲，而改進(jìn)后的葉片壓力梯度變化均勻。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的葉片壓力分布較為均勻，這種葉片的混合加載形式能夠有效避免因葉片前部過(guò)載或者后部過(guò)載造成的前后做功不均的弊端，從而改善了雙吸離心泵的效率和壓力脈動(dòng)的水平。

圖7 HS600-500-650A葉輪出口流速分布

圖8 HS600-500-650A葉片工作面壓力分布圖

圖9為原始方案和改進(jìn)后方案的葉片前后蓋板工作面和背面的壓力分布圖，原始方案的后蓋板工作面受力處處都高于前蓋板的工作面受力，改進(jìn)后方案的前后蓋板壓力曲線(xiàn)吻合度較高。說(shuō)明改進(jìn)后的葉片不僅消除了原始葉片中沿流線(xiàn)方向上的載荷不均，也同時(shí)消除了原始葉片中前后蓋板的受力不均。

圖9 HS600-500-650A的葉片壓力分布

2.3 優(yōu)化前后壓力脈動(dòng)對(duì)比分析

為進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化前后的內(nèi)部流態(tài)，對(duì)模型進(jìn)行壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)。壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在進(jìn)水流道、葉輪和出水流到上。如圖10所示，進(jìn)水流道的進(jìn)水口處上下各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)SUC4、SUC5，進(jìn)水流道最高點(diǎn)設(shè)置測(cè)點(diǎn)SUC1，進(jìn)水流道出口設(shè)置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)SUC2、SUC3；葉輪葉片流道進(jìn)口，葉片流道中間和葉片流道出口各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，為IPM1、IPM2、IPM3；出水流道的隔舌處，設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)VOL1，沿出水流道外壁，隔90°設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，為VOL2、VOL3、VOL4、VOL5，出水流道出口處上下各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，VOL6、VOL7。

圖10 測(cè)點(diǎn)位置

針對(duì)設(shè)計(jì)流量Q進(jìn)行非定常壓力脈動(dòng)計(jì)算的對(duì)比分析。非定常壓力脈動(dòng)計(jì)算中以定常計(jì)算結(jié)果為初始條件，計(jì)算10個(gè)轉(zhuǎn)輪周期，每個(gè)周期計(jì)算180個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)壓力隨時(shí)間的變化。

將數(shù)值模擬計(jì)算得到的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，無(wú)量綱壓力系數(shù)Cp的定義如下：

(1)

式中：P為各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值；Pref為參考位置壓力值，采用進(jìn)水流道進(jìn)水口的壓力值；ρ為水的密度；vref為參考位置速度，即進(jìn)水流道進(jìn)水口的速度值。

如圖11至圖14所示，為該型號(hào)雙吸離心泵改進(jìn)前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖和頻譜圖。通過(guò)HS600-500-650A雙吸離心泵的主要參數(shù)得知，該雙吸離心泵的轉(zhuǎn)速為990 r/min，轉(zhuǎn)頻為16.5 Hz，葉頻為99 Hz。

圖11 流量為1.0 Q時(shí)，測(cè)點(diǎn)SUC1的時(shí)域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

圖12 流量為1.0 Q時(shí)，測(cè)點(diǎn)SUC4的時(shí)域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

圖14 流量為1.0 Q時(shí)，測(cè)點(diǎn)VOL3的時(shí)域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

從表4可以看出，吸水室最高點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值由原泵的1.452 m下降了0.707 m，降低幅度為48.6%，吸水室進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)幅值由原泵的1.447 m下降了0.940 m，降低幅度為65.0%左右，蝸殼隔舌處的壓力脈動(dòng)幅值由原泵的2.451 m下降了1.509 m，降低幅度為61.6%，蝸殼最高點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值由原泵的1.606 m下降了1.090 m，降低幅度為67.8%。同時(shí)從頻譜圖中可以看出，原始方案葉輪的條件下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)其主頻均為99 Hz，即葉片通過(guò)頻率；改進(jìn)后，葉輪的通過(guò)頻率(99 Hz)幅值大幅下降，蝸殼內(nèi)的主頻由原來(lái)的99 Hz改變?yōu)?倍葉頻(198 Hz)，其幅值也遠(yuǎn)低于原葉輪主頻的幅值。

表4 改進(jìn)前后各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值對(duì)比

3 結(jié) 論

本文以寧夏回族自治區(qū)固海揚(yáng)水工程白府都泵站更新改造工程的HS600-500-650A雙吸離心泵為研究對(duì)象，研究葉片載荷分布對(duì)雙吸離心泵水力性能的影響，通過(guò)控制葉片載荷來(lái)提高雙吸離心泵的效率和穩(wěn)定運(yùn)行性。結(jié)果表明相對(duì)于傳統(tǒng)的雙吸式離心泵，采用交替加載與V形交錯(cuò)技術(shù)設(shè)計(jì)得到的雙吸離心泵最明顯的優(yōu)勢(shì)是其具有高效區(qū)寬，壓力脈動(dòng)低的優(yōu)點(diǎn)。由于灌溉泵站的雙吸泵普遍偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行，因此具有高效區(qū)寬和低壓力脈動(dòng)特性的雙吸離心泵可以明顯地提高灌溉泵站的裝置效率和機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文豐富了單機(jī)雙吸離心泵的改造設(shè)計(jì)方法，對(duì)未來(lái)泵站雙吸離心泵改造具有一定的借鑒意義。

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