大型混流泵站流道優(yōu)化與模型試驗(yàn)

楊平輝，李彥軍，彭玉成

（1.武漢特種工業(yè)泵廠有限公司，武漢 430058；2.江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

混流泵的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍介于離心泵和軸流泵之間，兼有離心泵高效區(qū)范圍寬廣和軸流泵大流量的優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市排澇防洪工程建設(shè)得到了越來(lái)越多的重視，大型排澇泵站建設(shè)的越來(lái)越多。由于在不同的季節(jié)和時(shí)期降雨量和城市內(nèi)外河水位變化較大，排澇泵站的實(shí)際運(yùn)行凈揚(yáng)程在不同的時(shí)期變化范圍較大。由于混流泵自身所具有的高效區(qū)范圍廣和流量大的優(yōu)點(diǎn)，在大型排澇泵站中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

大型混流泵站一般均為立式泵站，采用的流道一般為肘形進(jìn)水-虹吸出水、肘形進(jìn)水-直管出水的型式［1］。肘形進(jìn)水流道在大型泵站中應(yīng)用較多，水力性能較好［2］。虹吸出水流道的特點(diǎn)是斷流方式簡(jiǎn)單，管理方便，運(yùn)行安全可靠，流道斷面形狀變化復(fù)雜，土建工程量較大，起動(dòng)揚(yáng)程較高，且對(duì)出水水位變化幅度有一定的要求。直管式出水流道的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，起動(dòng)揚(yáng)程低，運(yùn)行較穩(wěn)定，需要增設(shè)拍門或快速閘門等斷流設(shè)施［3］。虹吸出水流道和直管式出水流道在大型泵站中均得到了較為廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)方法也已成熟［4-9］。

大型排澇泵站的外河水位變化幅度較大，最高水位較高而最低水位又較低時(shí)，采用虹吸式出水流道滿足不了駝峰頂部真空度的要求，采用直管式出水流道出口又不能淹沒(méi)在最低水位以下，此時(shí)，就需要采用低駝峰式（又稱為屈膝式）出水流道。低駝峰式出水流道是在直管式出水流道管線下傾的基礎(chǔ)上演變而來(lái)，為了適應(yīng)水流的變化趨勢(shì)，低駝峰式出水流道的型線通常采用曲線形式。對(duì)于低駝峰式出水流道，出水彎管轉(zhuǎn)彎角度大，型線較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)不好則會(huì)導(dǎo)致水力損失較大，裝置效率低下，運(yùn)行不穩(wěn)定等不良后果［10］。

目前對(duì)大型混流泵站低駝峰出水流道的研究較少，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法不夠成熟，需要進(jìn)一步研究。以下以樊口二站為工程背景，對(duì)低駝峰出水流道的混流泵裝置進(jìn)行優(yōu)化和模型泵裝置試驗(yàn)研究，為同類型泵站提供參考。

1 工程概況

樊口二站位于湖北省鄂州市樊口鎮(zhèn)粑鋪大堤上，泵站位于樊口電排站左側(cè)，與樊口電排站共同承擔(dān)梁子湖排澇任務(wù)，泵站設(shè)計(jì)流量150 m3/s。裝機(jī)容量為5×4 000 kW。裝設(shè)5臺(tái)立式全調(diào)節(jié)混流泵，配套電動(dòng)機(jī)為10 kV TL4000-40/4250 型同步電機(jī)。泵站采用肘形進(jìn)水流道，低駝峰式出水流道的裝置形式，葉輪直徑D=2.9 m，轉(zhuǎn)速n=150 r/min。泵站的縱剖面布置如圖1所示，泵站的運(yùn)行特征揚(yáng)程見(jiàn)表1。

圖1 泵站縱剖面布置Fig.1 Vertical section layout of pumping station

表1 泵站運(yùn)行特征揚(yáng)程Tab.1 Operating characteristic heads of pumping station m

由表1可知，泵站的運(yùn)行揚(yáng)程變化范圍非常大，對(duì)水泵模型和裝置型式的選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)很大難度。

2 肘形進(jìn)水流道優(yōu)化分析

進(jìn)出水流道的所有曲線，均用有理Bezier曲線描述。肘形進(jìn)水流道的幾何形狀復(fù)雜，完全確定它的幾何模型，需要較多參數(shù)。不同的參數(shù)對(duì)應(yīng)不同的進(jìn)水流道，從而對(duì)應(yīng)不同的水力性能。影響肘形進(jìn)水流道水力性能主要是彎管處的型線參數(shù)，因此主要對(duì)肘形彎管的型線進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)肘形進(jìn)水流道進(jìn)行參數(shù)化三維造型，然后應(yīng)用CFD仿真技術(shù)進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值仿真尋優(yōu)，最終確定出最優(yōu)的流道型線方案。

進(jìn)水流道優(yōu)化主要滿足以下2個(gè)目標(biāo)：

（1）流動(dòng)損失最小。

流動(dòng)損失可以通過(guò)計(jì)算進(jìn)水流道吸入口的總壓與進(jìn)水流道出口的總壓差來(lái)衡量，通過(guò)調(diào)整進(jìn)水流道彎肘部分的形狀來(lái)達(dá)到最優(yōu)。

（2）進(jìn)水流道的出口速度均勻度最優(yōu)。

采用進(jìn)水流道出口速度標(biāo)準(zhǔn)差衡量，由下式計(jì)算：

φf(shuō)是出口截面上某個(gè)單元上的速度是按面積平均的速度，Af是某個(gè)單元面的面積。顯然理想狀況下δ=0表示該截面上所有的速度都相等，在優(yōu)化過(guò)程中δ 越小越好。

三維參數(shù)化造型軟件通過(guò)運(yùn)行宏腳本文件，即可自動(dòng)生成適于CFD仿真的計(jì)算域?qū)嶓w模型。為了更加真實(shí)反應(yīng)實(shí)際邊界條件，進(jìn)水流道向外延伸成圓柱面。將三維造型軟件生成的計(jì)算域?qū)嶓w模型讀入到CFD仿真平臺(tái)中，一方面自動(dòng)生成計(jì)算域網(wǎng)格，另一方面自動(dòng)設(shè)置進(jìn)水流道的流場(chǎng)求解策略，然后進(jìn)行計(jì)算和后處理。流體動(dòng)力學(xué)方程采用RANS，即雷諾平均的納維·斯托克斯方程，具體是采用SST k-ω湍流方程。

在設(shè)計(jì)流量30 m3/s工況下，調(diào)整彎肘的形狀，保持其它參數(shù)不變，總共進(jìn)行了5個(gè)方案的優(yōu)化比選，每個(gè)方案的流動(dòng)損失和出口速度標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表2。

表2 進(jìn)水流道優(yōu)化方案及性能對(duì)比Tab.2 Comparison of optimization schemes and performance of inlet channel

由表2可知，方案3是最優(yōu)方案，圖2為方案3的內(nèi)部流場(chǎng)分布。由圖2可以看出，進(jìn)水流道內(nèi)無(wú)流動(dòng)分離情況，流速均勻變化，出口流速分布均勻度較好，可以滿足水泵高效安全穩(wěn)定運(yùn)行的進(jìn)水要求。

圖2 方案3內(nèi)部流場(chǎng)分布Fig.2 Internal flow field distribution of Scheme 3

3 低駝峰出水流道優(yōu)化

出水流道優(yōu)化主要滿足以下2個(gè)目標(biāo)：

（1）流動(dòng)損失最小。

流動(dòng)損失可以通過(guò)出水流道入口的總壓與出水流道出口的總壓差來(lái)衡量，通過(guò)調(diào)整出水水流道的形狀來(lái)達(dá)到最優(yōu)。

（2）流道內(nèi)無(wú)明顯的旋渦。

主要通過(guò)觀察流線和截面。

3.1 出水流道第一階段優(yōu)化

首先對(duì)出水流道的方案1（初始方案）進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析其內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況，然后確定優(yōu)化方案，方案1流道內(nèi)部流場(chǎng)如圖3所示。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，方案1的出水流道內(nèi)存在大范圍的漩渦，直接導(dǎo)致的流動(dòng)損失也比其他方案大。原因是出水流道在進(jìn)口位置的速度最大，下曲線的曲率半徑小，因此容易導(dǎo)致流動(dòng)分離。為改善該問(wèn)題，可以將駝峰底部位置向上抬高。表面上該改動(dòng)，減小了出水流道頂部的面積，速度會(huì)增加，但實(shí)際上只是壓縮了漩渦區(qū)域。優(yōu)化方案2的內(nèi)部流場(chǎng)如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，頂部的流動(dòng)分離得到了大幅度改善。方案1，2的型線變化對(duì)比如圖5所示。

圖3 出水流道方案1流道內(nèi)的流線（從側(cè)面看）Fig.3 Streamline diagram in Scheme 1 of outlet channel（viewing from the side）

圖4 出水流道方案2流道內(nèi)的流線（從側(cè)面看）Fig.4 Streamline diagram in Scheme 2 of outlet channel（viewed from the side）

圖5 出水流道方案1和方案2的型線對(duì)比Fig.5 Comparison of outlet channel profiles between Scheme 1 and Scheme 2

3.2 出水流道第二階段優(yōu)化

經(jīng)過(guò)第一階段的優(yōu)化，出水流道方案2雖然取得一定效果，但駝峰底部的流動(dòng)分離現(xiàn)象依然存在。因此在優(yōu)化方案3中，嘗試將駝峰水平段向右拉伸，即延長(zhǎng)水平段的距離，方案3與方案2的流道型線對(duì)比如圖6所示，方案3的內(nèi)部流場(chǎng)分布情況如圖7所示。

圖6 出水流道方案2，3，4型線對(duì)比Fig.6 Comparison of outlet channel profiles in Schemes 2，3 and 4

圖7 出水流道方案3流線（從側(cè)面看）Fig.7 Streamline diagram of outlet channel in Scheme 3（viewed from the side）

觀察圖7，發(fā)現(xiàn)在圖中雙向箭頭處駝峰下降段的過(guò)流斷面過(guò)窄，而且在圖中“大肚子”處流動(dòng)分離較大，因此考慮減小此區(qū)域面積。針對(duì)這兩點(diǎn)，給出了方案4的形狀，如圖6所示。方案4的內(nèi)部流場(chǎng)分布情況如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)，在“大肚子”位置的流動(dòng)分離區(qū)減明顯改善，流道的整體流態(tài)取得了較理想的效果。出水流道各優(yōu)化方案的流動(dòng)損失見(jiàn)表3，可以看出方案4的流動(dòng)損失也是最小的，因此方案4為出水流道的最優(yōu)方案。這里暫時(shí)沒(méi)有考慮流道中隔墩的影響，可以在總體優(yōu)化方案確定后再單獨(dú)考慮中隔墩的影響。

圖8 出水流道方案4流線（從側(cè)面看）Fig.8 Streamline diagram of outlet channel in Scheme 4（viewed from the side）

表3 出水流道優(yōu)化方案及性能對(duì)比Tab.3 Comparison of optimization schemes and performance of outlet channel

4 泵裝置模型試驗(yàn)

將優(yōu)化后的肘形進(jìn)水流道和低駝峰出水流道，配置TJ11-HL-04水力模型，進(jìn)行模型泵裝置的能量特性、空化特性和飛逸特性試驗(yàn)，驗(yàn)證進(jìn)出水流道的水力優(yōu)化效果和泵裝置的整體性能。

4.1 模型泵裝置設(shè)計(jì)

模型泵裝置試驗(yàn)依據(jù)SL140-2006 水泵模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程執(zhí)行。根據(jù)等揚(yáng)程條件nD=idem確定模型泵轉(zhuǎn)速。原型泵裝置轉(zhuǎn)速為np=150 r/min，葉輪直徑Dp=2.9m，模型泵葉輪直徑Dm=320 mm，則模型泵裝置轉(zhuǎn)速nm=1 359.4 r/min。

按相似原理模擬進(jìn)、出水流道，模型比Dr=2.9/0.32=9.0625，全部過(guò)流部件幾何相似，尺寸按同一模型比確定，模型流道以鋼板焊接制作，加表面涂層，滿足幾何相似、糙率相似要求，泵裝置模型試驗(yàn)在江蘇大學(xué)國(guó)家水泵工程中心高精度水泵四象限多功能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)泵裝置效率測(cè)試綜合精度優(yōu)于0.3%，泵裝置模型裝置安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖9 模型泵裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.9 Installation of model pump unit at test site

4.2 模型泵裝置試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)模型泵裝置的 6個(gè)葉片角度（-6°、-4°、-2°、0°、+2°、+4°）進(jìn)行了能量特性和空化特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果采用水泵相似律換算公式進(jìn)行換算，不考慮比尺效應(yīng)導(dǎo)致的效率的變化，即效率為等效率換算，換算后的原型泵裝置綜合性能曲線如圖10所示。

圖10 原型泵裝置綜合性能曲線Fig.10 Comprehensive performance curve of prototype pump unit

飛逸特性試驗(yàn)是測(cè)定模型泵在反轉(zhuǎn)（水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向）且軸扭矩為零時(shí)的轉(zhuǎn)速［11-14］。各葉片角度的飛逸轉(zhuǎn)速變化曲線如圖11所示。

圖11 各葉片角度下飛逸轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.11 Variation curve of runaway speed at each blade angle

由模型試驗(yàn)結(jié)果可知，在設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程9.02 m，葉片安放角+1°時(shí)：?jiǎn)螜C(jī)流量為30.71 m3/s，裝置效率為80.95%，軸功率為3 356.90 kW，滿足設(shè)計(jì)要求，性能優(yōu)良。

在葉片安放角+2°，凈揚(yáng)程為9.49 m，單機(jī)流量為31.38 m3/s，此時(shí)達(dá)到最高裝置效率81.26%，軸功率為3 453 kW。

根據(jù)各葉片角度多工況點(diǎn)實(shí)際試驗(yàn)，臨界空化余量在正角度和較低揚(yáng)程運(yùn)行工況下數(shù)值較高。在+1°葉片角度下，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程9.02 m的臨界空化余量為10.95 m，可以滿足臨界淹沒(méi)深度要求。

由飛逸特性試驗(yàn)結(jié)果可知，泵裝置在葉片角-6°時(shí)單位飛逸轉(zhuǎn)速254.69 r/min，最大凈揚(yáng)程事故停機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速可達(dá)294.57 r/min，為水泵額定轉(zhuǎn)速的1.96倍。水泵生產(chǎn)廠家和電動(dòng)機(jī)廠家應(yīng)將最大飛逸轉(zhuǎn)速作為一項(xiàng)重要參數(shù)加以考慮，即飛逸轉(zhuǎn)速達(dá)到294.57 r/min時(shí)，水泵電機(jī)應(yīng)能安全運(yùn)轉(zhuǎn)2 min以上，而不會(huì)產(chǎn)生破壞性影響。

建議在設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程9.02 m時(shí)，在葉片安放角+1°左右運(yùn)行；在最大凈揚(yáng)程11.25 m時(shí)，在葉片安放角0°附近運(yùn)行；在較低凈揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)，在葉片安放角-6°附近運(yùn)行，以保證不發(fā)生空化現(xiàn)象和高效穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

（1）將進(jìn)出水流道的所有曲線均用有理Bezier曲線描述，對(duì)進(jìn)出水流道進(jìn)行參數(shù)化三維造型，應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)進(jìn)出水流道的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值仿真。對(duì)進(jìn)水流道以流動(dòng)損失最小和出口速度分布均勻度最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)出水流道主要以流態(tài)最優(yōu)和流動(dòng)損失最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

（2）肘形進(jìn)水流道的肘形彎管是影響進(jìn)水流道水力性能的關(guān)鍵，應(yīng)該對(duì)肘形彎管的型線方案進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化。出水流道的駝峰段是出水彎管的延伸段，流速較高容易產(chǎn)生脫流和漩渦，應(yīng)在立面方向上盡量壓縮脫流漩渦區(qū)的空間，適當(dāng)加長(zhǎng)駝峰段的長(zhǎng)度，同時(shí)在平面寬度方向上要逐漸擴(kuò)散，待流態(tài)穩(wěn)定和流速降低后再將流道壓低，因此駝峰段是影響低駝峰出水流道水力性能的關(guān)鍵。

（3）將優(yōu)化后的肘形進(jìn)出水流道和低駝峰出水流道匹配高效水泵模型，進(jìn)行泵裝置模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在葉片安放角+2°，凈揚(yáng)程為9.49 m，單機(jī)流量為31.38 m3/s，此時(shí)達(dá)到最高裝置效率81.26%，軸功率為3 453 kW。性能指標(biāo)優(yōu)良，說(shuō)明流道優(yōu)化效果明顯，可為低駝峰出水流道混流泵站的新建和更新改造提供參考。