不同轉(zhuǎn)速對(duì)軸流泵裝置水力性能的影響研究

闞 闞，鄭 源，孫奧冉

（1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇省南京市 211100；2.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽省合肥市 230088）

0 引言

水泵裝置在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行高效、穩(wěn)定，但當(dāng)其運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，水泵裝置運(yùn)行會(huì)伴隨著能量性能下降、壓力脈動(dòng)和振動(dòng)劇烈等諸多不穩(wěn)定問題[1-3]。目前，可以通過調(diào)節(jié)葉輪槳葉角度和調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速兩種方式來(lái)對(duì)水泵裝置運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行改變，使得原額定轉(zhuǎn)速下的非設(shè)計(jì)工況可以調(diào)節(jié)為較優(yōu)運(yùn)行工況[4，5]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)水泵裝置在變槳和變速下的水力性能進(jìn)行了深入的研究。李允[6]分析了非同步控制下轉(zhuǎn)槳的水力性能規(guī)律，陳會(huì)向等[7]研究了槳葉調(diào)節(jié)對(duì)軸流式水輪機(jī)甩負(fù)荷過渡過程特性的影響，分析內(nèi)外特性參數(shù)的變化規(guī)律；近年來(lái)，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和普及，變速調(diào)節(jié)具有調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以變速調(diào)節(jié)在工程中也獲得了廣泛應(yīng)用[8]。江磊等[9]對(duì)泵站多機(jī)組在變頻變速調(diào)節(jié)下的運(yùn)行特性進(jìn)行了優(yōu)化。全璐瑤[10]提出一種基于虛擬水頭技術(shù)的可變速抽水蓄能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和水頭的雙重調(diào)節(jié)，并研究其系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)控制策略，通過仿真驗(yàn)證控制策略的可行性。目前來(lái)看，現(xiàn)有研究主要關(guān)注于水泵裝置變速下的外特性變化規(guī)律，尚未對(duì)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行深入的分析；同時(shí)針對(duì)變速下壓力脈動(dòng)的研究和分析較少。因此，本文借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，對(duì)國(guó)內(nèi)某立式軸流泵裝置進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下流場(chǎng)的三維模擬，分析了在6種不同轉(zhuǎn)速的最優(yōu)工況點(diǎn)下，泵段的壓力場(chǎng)分布和葉輪進(jìn)出口截面的環(huán)量分布。本文研究為水泵裝置在運(yùn)行工況變化下進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)提供參考。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

本文研究對(duì)象為某低揚(yáng)程軸流泵模型裝置，計(jì)算域包括進(jìn)水流道、泵段、出水流道，如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。泵裝置三維模型在UG軟件中進(jìn)行建模與裝配。本文對(duì)軸流泵裝置在葉輪轉(zhuǎn)速?gòu)?461r/min到731r/min中六種轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)工況進(jìn)行分析。

表1 軸流泵模型裝置基本參數(shù)Table 1 Parameters of the axial-flow pump model unit

2 計(jì)算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到整個(gè)模型幾何形狀復(fù)雜且不規(guī)則，故采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[11]。為提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)軸流泵的葉片和導(dǎo)葉部分進(jìn)行局部加密。進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，考慮到相同的收斂精度（10-5），確定網(wǎng)格數(shù)大于320萬(wàn)個(gè)時(shí)，揚(yáng)程的相對(duì)差值在1%以內(nèi)，綜合考慮計(jì)算精度與節(jié)省計(jì)算資源，確定最終計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為321萬(wàn)個(gè)左右。

2.2 邊界條件

采用ANSYS CFX進(jìn)行定常和非定常數(shù)值模擬，采用k-ε雙方程湍流模型在數(shù)值計(jì)算中封閉雷諾平均方程[12]。動(dòng)靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法。計(jì)算域進(jìn)口采用質(zhì)量流量邊界條件，出口采用自由出流邊界條件。固壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面條件，近壁區(qū)使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[13，14]。在數(shù)值計(jì)算時(shí)，計(jì)算殘差設(shè)置為10-5，同時(shí)對(duì)揚(yáng)程和效率設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)揚(yáng)程、效率的監(jiān)測(cè)曲線趨于穩(wěn)定且殘差值滿足設(shè)置的精度時(shí)，認(rèn)為計(jì)算滿足要求。

3 轉(zhuǎn)速對(duì)泵段壓力分布的影響

表2所示為不同轉(zhuǎn)速下，水泵葉輪的最優(yōu)效率隨轉(zhuǎn)速下降變化規(guī)律。由表2可見，葉輪最優(yōu)效率會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的降低而輕微下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為額定轉(zhuǎn)速的50%，葉輪最優(yōu)效率相比額定轉(zhuǎn)速下降約0.5%。

表2 水泵葉輪效率隨轉(zhuǎn)速變化表Table 2 Impeller efficiency under different rotating speeds

如圖2所示為根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的軸流泵裝置外特性曲線。從圖2（a）中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下軸流泵裝置的Q-H變化基本一致，揚(yáng)程均隨著流量的增加而減小，且隨著轉(zhuǎn)速的降低，流量與揚(yáng)程曲線坡度逐漸變緩。從圖2（b）可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的減小，泵裝置的高效點(diǎn)逐漸向小流量偏移，水泵的高效區(qū)也逐漸變窄。隨著泵轉(zhuǎn)速偏離額定轉(zhuǎn)速越遠(yuǎn)，其最高的效率與額定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的最高效率偏差越大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為731r/min時(shí)，其對(duì)應(yīng)的最高效率為75.39%，小于額定轉(zhuǎn)速下的最高效率78.19%，其相對(duì)偏差為3.6%。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下軸流泵裝置外特性曲線Figure 2 External characteristic curve of the axial flow pump unit under different rotating speed

為分析葉輪及泵裝置最優(yōu)效率隨著轉(zhuǎn)速的降低而輕微下降的原因，本文選取從輪轂至輪緣，截取了3個(gè)不同葉高處的截面：近輪轂處（r*=0.1）、轉(zhuǎn)輪中間截面（r*=0.5）和靠近輪緣處（r*=0.9），如圖3所示，對(duì)3個(gè)截面上的壓力分布進(jìn)行分析。

圖3 各截面選取示意圖Figure 3 Sketch of selections of each section

圖4和圖5為選取了軸流泵裝置分別在額定轉(zhuǎn)速1461r/min和一半轉(zhuǎn)速731r/min的最優(yōu)工況下，3組不同截面［近輪轂處（r*=0.1）、轉(zhuǎn)輪中間截面（r*=0.5）和靠近輪緣處（r*=0.9）］上的時(shí)均壓力云圖。

從圖4中的時(shí)均壓力云圖可以看出，在不同轉(zhuǎn)速的最優(yōu)工況點(diǎn)，從輪轂到輪緣3組不同截面上的壓力分布均勻度逐漸變差，壓力梯度變大，壓差增大，葉片翼型做功能力逐漸增強(qiáng)。由于水流對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)口端的沖擊作用，導(dǎo)葉的進(jìn)口端的正面形成了局部的高壓，相對(duì)應(yīng)的在其進(jìn)口端的背面形成了局部的低壓。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速1461r/min逐漸降低至731r/min時(shí)，葉片吸力面及壓力面的壓差分布均勻，梯度較小，沒有形成旋渦，出現(xiàn)局部的高壓或低壓，說明此軸流泵具有較好的做功能力。在不同轉(zhuǎn)速的最優(yōu)工況點(diǎn)下，葉片吸力面靠近進(jìn)口前緣的壓力區(qū)域逐漸變小，壓力面呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)?？傮w而言，隨著轉(zhuǎn)速的降低，各轉(zhuǎn)速最優(yōu)工況點(diǎn)下，整個(gè)截面的壓力逐漸減小，相比其他轉(zhuǎn)速下，當(dāng)731r/min時(shí)，三個(gè)截面處的壓力差達(dá)到最小，葉片壓力面與吸力面兩者的壓差減小，葉片對(duì)水流提供的力矩減小，軸流泵裝置揚(yáng)程降低。

圖4 當(dāng)轉(zhuǎn)速為1461r/min時(shí)，三組截面上的時(shí)均壓力云圖Figure 4 Pressure distributions on three sections when the rotating speed is 1461r/min

4 轉(zhuǎn)速對(duì)葉輪進(jìn)出口速度環(huán)量的影響

為了研究轉(zhuǎn)速對(duì)葉輪進(jìn)出口環(huán)量的影響，本文分析了6組轉(zhuǎn)速下最優(yōu)工況點(diǎn)的葉輪進(jìn)、出口截面上的速度環(huán)量的分布，如圖6所示。

在葉輪進(jìn)口截面，雖然入流條件應(yīng)為均勻流向入流，但由于截面位置較為靠近葉輪，受其旋轉(zhuǎn)影響，截面上有較小的環(huán)量。由于葉輪上圓周線速度隨半徑和轉(zhuǎn)速的增大而增大，由于無(wú)滑移邊界條件的作用，葉輪進(jìn)口截面的環(huán)量也會(huì)隨半徑和轉(zhuǎn)速的增大而增大。同理，在葉輪出口截面的環(huán)量也會(huì)隨半徑和轉(zhuǎn)速的增大而增大。注意到葉輪出口截面的環(huán)量數(shù)值較大，這是由于不同轉(zhuǎn)速下均為最優(yōu)工況，不同工況下水體流向入流后，受葉輪作用，在葉輪出口相對(duì)速度與絕對(duì)速度的夾角均較為接近，也就是速度三角形相似。因此，轉(zhuǎn)速越大的流動(dòng)工況，出口截面的環(huán)量也會(huì)越大。

圖5 當(dāng)轉(zhuǎn)速為731r/min時(shí)，三組截面上的時(shí)均壓力云圖Figure 5 Pressure distributions on three sections when the rotating speed is 731r/min

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以立式軸流泵裝置為研究對(duì)象，對(duì)其在葉輪轉(zhuǎn)速6種轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)工況進(jìn)行流動(dòng)分析。重點(diǎn)分析了效率、葉輪兩側(cè)壓力梯度和速度環(huán)量隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，揭示了立式軸流泵裝置不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的水力特性差異。本文研究為水泵裝置在運(yùn)行工況變化下進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)提供參考。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)出口速度環(huán)量對(duì)比Figure 6 Comparisons of velocity circulation at inlet and outlet of impeller under different rotating speeds