變工況反滲透海水淡化水力渦輪泵設(shè)計開發(fā)

劉思晗 汪程鵬 黃云飛 王生輝 王海濤 劉 軍

（1.自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所；2.山東雙輪股份有限公司）

水力渦輪泵是20 世紀(jì)80 年代初期出現(xiàn)的一種將液力透平與泵耦合設(shè)計出的能量回收裝置，在海水淡化行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。 水力渦輪泵利用反滲透膜元件的高壓濃鹽水驅(qū)動液力透平，將高壓濃鹽水的余壓能轉(zhuǎn)化為機械能，同軸傳遞到泵端，驅(qū)動泵旋轉(zhuǎn)對進料海水加壓，從而降低海水增壓的能耗，達(dá)到節(jié)能的目的［1～3］。

一級增壓、段間增壓、二級增壓是水力渦輪泵應(yīng)用于反滲透海水淡化系統(tǒng)的最典型的幾種工藝。 不同工藝對水力渦輪泵技術(shù)參數(shù)的要求也不相同， 往往需要系列化的水力渦輪泵與之匹配。 水力渦輪泵的主要技術(shù)參數(shù)有泵揚程、泵流量、透平水頭、透平流量、流量比（影響反滲透系統(tǒng)回收率）和能量回收效率，因此設(shè)計開發(fā)具有可變技術(shù)參數(shù)的水力渦輪泵對降低裝置開發(fā)成本具有重要意義。

常見的水力渦輪泵產(chǎn)品包括美國ERI 公司和FEDCO 公司生產(chǎn)的系列化透平式能量回收裝置，在全球范圍內(nèi)有著廣泛的工程應(yīng)用，但是對于工況復(fù)雜多變的反滲透海水淡化系統(tǒng)，其工況調(diào)節(jié)機制仍存在較大的提升空間。 現(xiàn)有技術(shù)對工況的調(diào)節(jié)方式主要包括針閥調(diào)節(jié)和旁路調(diào)節(jié)，兩者的原理都是通過改變介質(zhì)在蝸殼內(nèi)的流程，進而改變水頭和流量來達(dá)到工況調(diào)節(jié)的目的，但這樣調(diào)節(jié)能力有限且導(dǎo)致裝置結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，非額定工況下的能量回收效率無法得到保證［4～7］。

自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所經(jīng)過長時間研究，開發(fā)出變工況海水淡化水力渦輪泵，不僅比上述產(chǎn)品具有更好的工況調(diào)節(jié)能力， 適應(yīng)海水淡化系統(tǒng)對不同回收率的變化要求，同時還拓寬了在較大工況范圍內(nèi)的水力高效區(qū)。 在此，筆者介紹變工況水力渦輪泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并通過計算流體力學(xué)仿真結(jié)果驗證所設(shè)計的活動導(dǎo)葉對工況調(diào)節(jié)的有效性。

1 活動導(dǎo)葉模塊設(shè)計

變工況水力渦輪泵透平側(cè)采用活動導(dǎo)葉模塊與蝸殼模塊相配合的方式，活動導(dǎo)葉及其零部件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中活動導(dǎo)葉為一體化成型的獨立構(gòu)件，包含軸、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉前座與后座。 導(dǎo)葉的軸穿過前蓋板的通孔與驅(qū)動齒輪通過鍵相連接，導(dǎo)葉前座抵在前蓋板通孔的臺階上，后座插進后蓋板的導(dǎo)葉插槽中。 該模塊作為水力渦輪泵插裝式結(jié)構(gòu)的一部分，安裝在變工況水力渦輪泵內(nèi)部。

圖1 活動導(dǎo)葉及其零部件結(jié)構(gòu)

活動導(dǎo)葉前、后座凸臺結(jié)構(gòu)（圖1）的設(shè)計形式，將有效抑制流經(jīng)活動導(dǎo)葉的介質(zhì)向模塊前后蓋板外側(cè)滲漏，同時該形式還方便活動導(dǎo)葉的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。 在調(diào)節(jié)方式上，驅(qū)動齒輪受外力作用即可驅(qū)動導(dǎo)葉發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)功能。

2 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 為變工況一體機樣機外觀與裝配效果圖，樣機材料為2205 不銹鋼，裝置外殼設(shè)計有筋板和底側(cè)開螺紋孔的板式底座， 以加強結(jié)構(gòu)強度、方便整機固定。4 個進出口均設(shè)計有拷貝林接頭，方便管路的連接與組裝。

圖2 變工況一體機樣機外觀與裝配效果圖

蝸殼與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉兩大過流部件的配合是實現(xiàn)水力渦輪泵工況調(diào)節(jié)的主要方式。 結(jié)構(gòu)上，蝸殼與導(dǎo)葉均采用插裝式的模塊化設(shè)計，因此方便在不更換裝置外殼、蓋板等部件的條件下進行整套水力構(gòu)件的替換。 安裝方式上，首先將插裝式透平蝸殼模塊通過定位銷安裝于裝置外殼上，然后安裝活動導(dǎo)葉模塊并同樣用銷固定位置。

變工況水力渦輪泵設(shè)計過程中的核心問題是活動導(dǎo)葉的驅(qū)動方式設(shè)計。 透平側(cè)蓋板設(shè)計一個具有允許活動導(dǎo)葉軸穿出的通孔，并壓緊蝸殼與組裝完成的活動導(dǎo)葉模塊，然后通過螺栓與裝置外殼連接。 活動導(dǎo)葉軸穿過透平蓋板的通孔，與驅(qū)動齒輪通過鍵相連接。 與驅(qū)動齒輪配合的中心齒輪設(shè)計成套筒狀，外圈有與驅(qū)動齒輪嚙合的齒，需要對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉進行角度調(diào)節(jié)時，手持中心齒輪的筒壁旋轉(zhuǎn)即可通過傳動的方式帶動驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)完成旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)。 另外，在透平出口外側(cè)管壁上開有螺紋，調(diào)節(jié)完成后，中心齒輪端蓋通過螺紋連接壓緊中心齒輪使之固定，至此便完成了一次導(dǎo)葉角度調(diào)節(jié)。 直至下一次調(diào)節(jié)時，重新旋開齒輪端蓋，轉(zhuǎn)動中心齒輪，改變透平水力工況達(dá)到目標(biāo)值后， 再將中心齒輪端蓋壓緊。

由于透平側(cè)蓋板設(shè)計有通孔， 容易發(fā)生泄漏，因此在活動導(dǎo)葉模塊前蓋板外側(cè)設(shè)計兩道密封溝槽（前蓋板通孔內(nèi)外圈各一道）。 整機結(jié)構(gòu)如圖3 所示，溝槽內(nèi)加設(shè)密封圈，一方面可以防止透平葉輪葉頂間隙以及蝸殼、活動導(dǎo)葉模塊連接處的流體向前蓋板通孔處泄漏，另一方面可以為透平蓋板提供螺栓連接的預(yù)緊力反作用力，并維持透平蓋板與蝸殼、活動導(dǎo)葉模塊之間的彈性接觸。

圖3 變工況水力渦輪泵結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

上述設(shè)計即為變工況水力渦輪泵區(qū)別于常規(guī)水力渦輪泵的設(shè)計開發(fā)內(nèi)容。

與常規(guī)水力渦輪泵相同的是，整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)泵輪與透平輪采用分體設(shè)計，兩者插裝并用螺母擰緊連接， 透平側(cè)端面軸承與泵側(cè)滑動軸承，包括中心軸承皆為水潤滑耐磨材料或者由耐磨材料包覆金屬材料制成，共同為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供軸向和徑向的約束。 此外，設(shè)置連通管使泵側(cè)進口和端面軸承與透平之間的間隙相連通，保證兩者的壓力相同，壓力作用于透平輪可以抵消部分軸向力，方便透平輪與端面軸承之間形成水膜，以利于為兩者的直接接觸摩擦提供海水介質(zhì)的潤滑。

3 流動設(shè)計與仿真分析

水力渦輪泵應(yīng)用于反滲透海水淡化系統(tǒng)時，高壓濃水進入透平端進口后依次流經(jīng)導(dǎo)流塊、蝸殼、活動導(dǎo)葉、透平葉輪和出口。 介質(zhì)的流動特征決定了活動導(dǎo)葉需設(shè)計成具有圖4 所示的型線特征，其迎水方向的導(dǎo)葉進口厚度小，隨即逐漸增厚，因此可以將水流以最低的流動損失進行切分， 轉(zhuǎn)化為多段流動以固定方向沖擊透平葉輪，產(chǎn)生軸功。 活動導(dǎo)葉在不同角度下呈現(xiàn)的狀態(tài)也可以從圖4 中看出，隨著角度的增加，導(dǎo)葉間過流面積增大。

圖4 透平端介質(zhì)流動方向

變工況水力渦輪泵對工況的調(diào)節(jié)機理為：對于海水淡化系統(tǒng)，當(dāng)流入透平進口的總能量發(fā)生改變時，通常反映為流量的增大或減小，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉的開度以調(diào)節(jié)進入葉輪的流量，同時由于伯努利原理，在等高流動時，活動導(dǎo)葉開度減小，導(dǎo)葉前后壓差升高，反之開度增大，壓差降低。 但對于特定規(guī)格的變工況水力渦輪泵，需要保持在一導(dǎo)葉開度對應(yīng)一最佳效率工況的狀態(tài)。 筆者以圖5所示的水力渦輪泵透平流體計算域水力模型為例，借助CFD 仿真技術(shù)來預(yù)測所設(shè)計活動導(dǎo)葉對工況調(diào)節(jié)的效果。

圖5 不同導(dǎo)葉開度下的流體計算域水力模型

圖5 包含6 種導(dǎo)葉開度下的蝸殼、導(dǎo)葉和葉輪水體域結(jié)構(gòu)，在仿真時進出口均加設(shè)直管延長段。 分別在不同導(dǎo)葉開度下以壓力進口5.5MPa、出口20 ～60m3/h 流量為邊界條件，設(shè)置轉(zhuǎn)速22 000r/min，由模擬結(jié)果獲得透平流量-效率、流量-扭矩、流量-水頭的關(guān)系曲線（圖6）［8］。

圖6 透平水力性能特性曲線

從圖6a 可以看出， 不同導(dǎo)葉開度下的透平存在各自的效率曲線，且曲線基本隨導(dǎo)葉開度的增加向大流量工況偏移。 活動導(dǎo)葉的加設(shè)和合理調(diào)節(jié)，使透平在相當(dāng)大流量范圍內(nèi)保證較高的能量回收效率，如圖陰影區(qū)即為可以預(yù)測的水力渦輪泵全導(dǎo)葉開度工況下的整機效率覆蓋范圍，相比單一導(dǎo)葉開度來說，可有效拓寬渦輪泵水力高效區(qū)。

從圖6b、c 可以看出， 在活動導(dǎo)葉開度不斷調(diào)節(jié)的過程中，扭矩、水頭對應(yīng)流量的關(guān)系可被陰影區(qū)域所覆蓋。 因此相比單一工況固定導(dǎo)葉開度， 活動導(dǎo)葉可實現(xiàn)特性曲線向特性面的延伸，實現(xiàn)多流量、多水頭工況的覆蓋式調(diào)節(jié)，在極大拓寬水力渦輪泵工況范圍的同時還能適應(yīng)不同反滲透海水淡化系統(tǒng)對回收率的調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

筆者將活動導(dǎo)葉機構(gòu)創(chuàng)新性地加入到海水淡化水力渦輪泵，并公開了變工況水力渦輪泵具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，旨在為反滲透海水淡化系統(tǒng)多變的工況環(huán)境配套技術(shù)性能優(yōu)良、工況調(diào)節(jié)范圍廣泛的水力渦輪泵能量回收一體化裝置。 通過CFD 仿真技術(shù)預(yù)測，驗證了該變工況海水淡化水力渦輪泵在工況調(diào)節(jié)方面的技術(shù)優(yōu)勢， 在0～25°的活動導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)將實現(xiàn)多流量、多水頭工況的覆蓋式調(diào)節(jié)。 裝置應(yīng)用于反滲透海水淡化系統(tǒng)工程中，不僅可以有效節(jié)約反滲透所需的能耗，還可以在保證高效率的同時應(yīng)對產(chǎn)水量和回收率的變化及反滲透壓力變化等多種工況變化。