水電站離心泵過(guò)流部件水力模型仿真分析與研究

劉 磊

（上海熊貓機(jī)械集團(tuán)有限公司，上海 201704）

離心泵是水電站及水庫(kù)取水泵站應(yīng)用最廣泛的一種設(shè)備，與人們的日常工作和生活息息相關(guān)。離心泵有閉式葉輪、半開(kāi)式葉輪、開(kāi)式葉輪三種結(jié)構(gòu)，其中，閉式葉輪做功效率高、性能佳，能滿足大多場(chǎng)合的需求。隨著各國(guó)工業(yè)水平的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)離心泵的性能也有了更高的要求，主要表現(xiàn)在既要保證設(shè)計(jì)工況、又要考慮綜合效率以及整體功率消耗等方面。本文利用UG軟件建立了水電站離心泵的水力模型，并應(yīng)用CFX軟件進(jìn)行水力模型的仿真分析，研究不同葉片出口直徑和寬度下的離心泵的揚(yáng)程、葉輪效率及總效率，通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證水力模型設(shè)計(jì)的合理性。

1 水電站離心泵的工作原理

水電站離心泵的組成主要有葉輪、葉片、泵體、泵軸及軸承。啟動(dòng)水泵前，應(yīng)該向泵腔和吸水管注滿水，將水泵里面的空氣排除干凈。打開(kāi)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，通過(guò)泵軸帶動(dòng)離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)，水在受到葉輪旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的離心力作用甩向泵體，最終經(jīng)過(guò)排水管流到地面。此時(shí)在葉輪中心的進(jìn)水口位置處于真空狀態(tài)，這是因?yàn)樗呀?jīng)被拋到輪緣造成的。在大氣壓的作用下，吸水井中的水被迫進(jìn)入濾水器、底閥、吸水管，最終到達(dá)水泵的葉輪中心[1]。

2 水力計(jì)算模型

2.1 三維物理模型

本文研究和分析的離心泵給定的參數(shù)如下：流量Q=34 m3/h，揚(yáng)程H=22.8 m，轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，效率η=77 %，輸送介質(zhì)為水。利用CFturbo和UG軟件相互結(jié)合建立了葉輪水力模型、泵體水力模型及葉輪前后蓋板水力模型，并對(duì)其進(jìn)行整體配合，水電站臥式離心泵整體水力模型見(jiàn)圖1所示。

圖1 水電站離心泵水力三維模型

2.2 流體動(dòng)力學(xué)控制方程

連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量方程作為流體動(dòng)力學(xué)三大基本控制方程，能夠準(zhǔn)確地表述任何類型的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在對(duì)水電站離心泵的研究分析中，水泵內(nèi)的熱交換可以忽略。

連續(xù)性方程也稱質(zhì)量守恒方程，可以表述為：控制體內(nèi)部流體質(zhì)量的增量等于流入與流出控制體的流體質(zhì)量之差，在離心泵的分析研究中，定義液體為不可壓縮流體，密度ρ為常量，其積分表達(dá)形式如下：

式中：u、v、w是速度在x、y、z三個(gè)方向上的分量。

動(dòng)量方程也稱運(yùn)動(dòng)方程，可以表述為：對(duì)于一個(gè)給定的流體系統(tǒng)，總流體的動(dòng)量變化率等于作用于其上的合外力，其實(shí)質(zhì)是牛頓第二定律，根據(jù)這一定律可導(dǎo)出流體體系在x、y、z三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)方程的微分表達(dá)形式，工程中常用的Euler方程實(shí)質(zhì)是動(dòng)量方程在忽略粘性條件下的簡(jiǎn)化形式，可表述為：

2.3 水力模型網(wǎng)格劃分

離心泵葉輪、泵體及葉輪前后蓋板等過(guò)流部件的水力模型網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度和迭代的收斂速度都有直接的影響，為了提高仿真分析的準(zhǔn)確性，本文利用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。首先，將葉輪、泵體及前后蓋板的水力模型分別導(dǎo)入到網(wǎng)格劃分軟件中，對(duì)葉輪和泵體的水力模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格劃分時(shí)，保證網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)大于0.3。

3 水力仿真分析

3.1 仿真前處理及邊界條件

水電站離心泵葉輪的數(shù)量會(huì)影響水泵的進(jìn)水量和泵內(nèi)的壓力大小。由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，葉輪增多會(huì)增大離心泵腔內(nèi)壓力，進(jìn)而增大離心泵的揚(yáng)程。但葉輪的進(jìn)水截面將會(huì)減小，增大進(jìn)水的阻力，從而減少了離心泵的流量。因此合理選擇葉輪數(shù)量，是改善離心泵性能的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)的水力模型選擇了6個(gè)葉輪，將ICEM軟件劃分好的葉輪、泵體及前后蓋板水力模型的網(wǎng)格，依次分別導(dǎo)入到CFX仿真軟件中，然后檢查水泵過(guò)流部件間的裝配關(guān)系，是否存在間隙或干涉。

3.2 水力模型后處理分析

本文選取的水電站離心泵水力模型葉片出口直徑分別為140 mm、142 mm，出口寬度分別為12 mm、14 mm，在仿真軟件中對(duì)不同組合工況進(jìn)行分析，計(jì)算離心泵水力模型中心截面的相對(duì)速度場(chǎng)分布情況。分析結(jié)果可知，在水泵葉輪進(jìn)口端沒(méi)有出現(xiàn)流體漩渦，水體流向基本沿著葉輪壁面流動(dòng)，葉輪相對(duì)速度方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致，速度沿葉輪徑向呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。

在CFX仿真軟件后處理中，利用前處理中設(shè)置的水泵的揚(yáng)程計(jì)算公式、葉輪效率及總效率計(jì)算公式，計(jì)算出不同工況下的數(shù)值大小，并對(duì)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析和研究，具體見(jiàn)表1所示。

表1 葉輪水力模型效率數(shù)據(jù)分析

由表1可知：在葉片出口寬度相同的情況下，離心泵水力模型的揚(yáng)程隨著葉片出口直徑的增大而增加，葉輪水力模型效率和水力模型總效率隨著葉片出口直徑的增大而降低。

4 結(jié)論

本文利用CFX仿真分析軟件，對(duì)水電站離心泵水力模型的相對(duì)速度場(chǎng)、水力模型的揚(yáng)程、葉輪水力模型效率及水力模型總效率進(jìn)行計(jì)算和研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：

（1）水力模型的進(jìn)口端無(wú)流體漩渦出現(xiàn)，水體流向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致，并且沿葉輪徑向呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；在靠近泵體的隔舌部位速度較大，相對(duì)速度場(chǎng)在泵體內(nèi)分布均勻，說(shuō)明設(shè)計(jì)的泵體水力模型是合理的。

（2）葉片出口寬度相同時(shí)，水力模型的揚(yáng)程與葉片出口直徑呈正相關(guān)關(guān)系，葉片出口直徑相同時(shí)，水力模型的揚(yáng)程與葉片出口寬度呈正相關(guān)關(guān)系。

（3）仿真計(jì)算的水力模型揚(yáng)程都大于離心泵給定的揚(yáng)程22.8 m，且有10 %的余量，水力模型的總效率與給定的效率77 %十分接近。