軸流泵裝置反轉(zhuǎn)水動(dòng)力特性研究

張校文 湯方平 張文鵬 石麗建 葛恒軍 袁海霞

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院, 揚(yáng)州 225009； 2.濟(jì)寧市水利事業(yè)發(fā)展中心， 濟(jì)寧 272002；3.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 揚(yáng)州 225009； 4.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司, 揚(yáng)州 225009)

0 引言

大中型泵站大多為軸流泵站，軸流泵與大多數(shù)水力機(jī)械一樣為可逆式機(jī)械[1-3]，可正反雙向運(yùn)行。軸流泵站在反向運(yùn)行時(shí)，既可發(fā)揮反向抽水的作用，又可以利用余水進(jìn)行反向發(fā)電。因此，針對(duì)軸流泵裝置反轉(zhuǎn)運(yùn)行特性的研究具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水力機(jī)械包括水泵的反轉(zhuǎn)特性已進(jìn)行了一些探索，取得的成果主要集中在泵反轉(zhuǎn)作透平特性上[4-7]。文獻(xiàn)[8]采用數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)的方法分析了某離心泵透平模式和泵模式的差異，發(fā)現(xiàn)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法可以較好地預(yù)測(cè)泵的透平性能。文獻(xiàn)[9]采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了某離心泵的反轉(zhuǎn)能量特性，指出離心泵反轉(zhuǎn)作透平時(shí)能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行，但效率低于常規(guī)水輪機(jī)。文獻(xiàn)[10]對(duì)某離心泵透平工況下的噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)泵作透平在小流量工況下的頻譜不僅包含特征頻率，還包含低頻的寬帶譜。文獻(xiàn)[11]研究了不同比轉(zhuǎn)數(shù)的工業(yè)用泵的透平特性，發(fā)現(xiàn)在泵模式下，效率具有典型的“鐘形”，而在透平工況下，其輪廓類似于混流式水輪機(jī)。

目前，針對(duì)軸流泵尤其是軸流泵裝置反轉(zhuǎn)特性的研究報(bào)道極為少見。文獻(xiàn)[12]采用數(shù)值計(jì)算的手段研究了某化工用軸流泵反轉(zhuǎn)作液力透平的能量特性，發(fā)現(xiàn)合適的葉片數(shù)和葉頂間隙有助于提高泵作透平的效率。文獻(xiàn)[13]采用單向流固耦合的方法，對(duì)某立式軸流泵裝置反向發(fā)電工況下的葉片應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)反向發(fā)電條件下葉片的最大應(yīng)力和應(yīng)變比泵模式下高20%。

本文采用試驗(yàn)測(cè)量結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對(duì)某配有常規(guī)單向葉輪的軸流泵裝置反轉(zhuǎn)運(yùn)行特性進(jìn)行研究，旨在揭示軸流泵裝置反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的能量特性與內(nèi)流特性，為反轉(zhuǎn)運(yùn)行條件下軸流泵裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 研究對(duì)象

本次試驗(yàn)選用的軸流泵水力模型如圖1所示，該水力模型的主要幾何參數(shù)：葉輪直徑D為300 mm，葉頂間隙0.15 mm，葉片數(shù)Z1為3，導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2為5，比轉(zhuǎn)數(shù)ns為1 179。模型泵裝置三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 軸流泵水力模型Fig.1 Hydraulic models of axial flow pump

圖2 模型泵裝置三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Three dimensional structure diagram of model pump device1.進(jìn)水流道 2.葉輪 3.導(dǎo)葉 4.支撐件 5.出水流道

2 試驗(yàn)裝置及流程

試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置如圖3所示，包括進(jìn)水箱、壓力出水箱、穩(wěn)壓整流筒、電磁流量計(jì)、控制閘閥等。

圖3 試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Diagram of test device1.進(jìn)水箱 2.受試泵裝置及驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3.壓力出水箱 4.分叉水箱 5.工況調(diào)節(jié)閘閥 6.穩(wěn)壓整流筒 7.電磁流量計(jì) 8.系統(tǒng)正反向運(yùn)行控制閘閥 9.輔助泵機(jī)組

反水泵工況與反向發(fā)電工況均需調(diào)整系統(tǒng)正反向運(yùn)行控制閘閥及水泵旋轉(zhuǎn)方向，使整個(gè)泵系統(tǒng)反向運(yùn)行。試驗(yàn)中首先進(jìn)行反水泵工況的試驗(yàn)，對(duì)反轉(zhuǎn)運(yùn)行的泵系統(tǒng)進(jìn)行能量特性測(cè)試和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。完成反水泵工況測(cè)試后，調(diào)整測(cè)壓管方向，利用輔助泵繼續(xù)增加試驗(yàn)流量，此時(shí)水泵轉(zhuǎn)矩將逐漸呈現(xiàn)負(fù)值，功率自水泵傳入動(dòng)力機(jī)，泵系統(tǒng)進(jìn)入反向發(fā)電工況，對(duì)反向發(fā)電工況的泵系統(tǒng)進(jìn)行能量特性測(cè)試和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的主要儀器包括差壓變送器、電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、絕對(duì)壓力變送器，其中外特性試驗(yàn)系統(tǒng)主要儀器如表1所示。試驗(yàn)過程嚴(yán)格參照《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行。本次試驗(yàn)選擇在反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的出水段(監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1)、葉輪進(jìn)口(監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2)、葉輪中部(監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3)、葉輪出口(監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4)、導(dǎo)葉出口(監(jiān)測(cè)點(diǎn)P5、P6、P7)、反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的進(jìn)水段(監(jiān)測(cè)點(diǎn)P8)共布置8個(gè)壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。壓力脈動(dòng)測(cè)試中葉輪區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P2、P3、P4)傳感器的采樣頻率為3 kHz，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器的采樣頻率為1 kHz，輸出電壓0～5 V，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1%。

表1 外特性試驗(yàn)系統(tǒng)主要儀器Tab.1 Main instruments of external characteristic test system

圖4 壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of pressure fluctuation measuring points1.出水段(泵反轉(zhuǎn)) 2.葉輪段 3.導(dǎo)葉段 4.進(jìn)水段(泵反轉(zhuǎn))

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 能量特性測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，試驗(yàn)工況包括常規(guī)水泵工況、反水泵工況、反向發(fā)電工況。圖5給出了軸流泵裝置在不同運(yùn)行條件下的性能曲線，對(duì)流量Q進(jìn)行了無量綱處理，無量綱流量Qd的計(jì)算公式為

圖5 軸流泵裝置試驗(yàn)性能曲線Fig.5 Test performance curves of axial flow pump device

(1)

式中Qi——第i個(gè)工況時(shí)泵裝置流量

Qdes——水泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的泵裝置流量

由圖5可以看出，當(dāng)軸流泵裝置反轉(zhuǎn)運(yùn)行，反水泵工況的揚(yáng)程明顯小于常規(guī)泵工況的揚(yáng)程，但揚(yáng)程曲線的變化趨勢(shì)與常規(guī)水泵工況基本一致。反水泵工況效率曲線上升段的斜率明顯小于泵工況，水泵可運(yùn)行的流量范圍和高效區(qū)的范圍也明顯較窄。當(dāng)泵裝置進(jìn)入反向發(fā)電工況，泵裝置的揚(yáng)程隨著流量的增大逐漸上升。反向發(fā)電工況效率曲線上升段的斜率大于泵工況，發(fā)電工況的流量范圍和高效區(qū)的范圍明顯較寬，在大流量工況下仍能保持較高的水力效率。

表2給出了泵裝置反轉(zhuǎn)運(yùn)行最高效率點(diǎn)的外特性參數(shù)。由表2可以看出，泵工況試驗(yàn)的最高效率點(diǎn)位于Qd=1.00流量工況，此時(shí)泵裝置的效率為68.39%，揚(yáng)程為2.01 m，軸功率為5.94 kW。反轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)中，反水泵工況的最高效率點(diǎn)位于Qd=0.85流量工況，此時(shí)泵裝置的效率為37.46%，揚(yáng)程為0.76 m，軸功率為3.88 kW。反向發(fā)電工況的最高效率點(diǎn)位于Qd=1.63流量工況，此時(shí)泵裝置的效率為71.69%，揚(yáng)程為3.85 m，軸功率為8.92 kW。

表2 泵裝置反轉(zhuǎn)運(yùn)行最高效率點(diǎn)的外特性參數(shù)Tab.2 External characteristic parameters of pump device at the highest efficiency point of reverse operation

為了更加直觀地對(duì)比泵工況與反水泵工況及反向發(fā)電工況的外特性參數(shù)，引入換算系數(shù)的概念。將反水泵工況及反向發(fā)電工況下最優(yōu)效率點(diǎn)的流量、揚(yáng)程、效率、高效區(qū)(以最高效率點(diǎn)下降5%為限)分別與泵工況下相應(yīng)值作比，得到流量、揚(yáng)程、效率、高效區(qū)流量范圍換算系數(shù)，分別如下：

流量換算系數(shù)

(2)

揚(yáng)程換算系數(shù)

(3)

效率換算系數(shù)

(4)

高效區(qū)的流量范圍換算系數(shù)

(5)

式中Qp、Hp、ηp、ΔQp——泵工況下最優(yōu)效率點(diǎn)的流量、揚(yáng)程、效率及泵工況下的高效區(qū)

Hi、ηi、ΔQi——反水泵與反向發(fā)電工況下最優(yōu)效率點(diǎn)的揚(yáng)程、效率及反水泵與反向發(fā)電工況的高效區(qū)

由表3可以看出，反水泵工況的最高效率點(diǎn)向小流量偏移，出現(xiàn)在Qd=0.82流量工況，高效點(diǎn)的揚(yáng)程為泵工況高效點(diǎn)揚(yáng)程的0.38倍，反水泵工況的最高效率僅為泵工況的0.55倍，高效區(qū)的范圍僅為泵工況的0.53倍。這表明應(yīng)用單向葉輪的軸流泵裝置進(jìn)行反向運(yùn)行抽水的揚(yáng)程和效率均較低。反向發(fā)電工況的最高效率點(diǎn)向大流量偏移，出現(xiàn)在Qd=1.62流量工況，高效點(diǎn)的揚(yáng)程為泵工況高效點(diǎn)揚(yáng)程的1.92倍，反向發(fā)電工況的最高效率略高于泵工況，高效區(qū)的范圍明顯較大，達(dá)到了泵工況的1.53倍，在大流量工況下效率仍能維持較高水平。這表明軸流泵裝置反向發(fā)電的適用流量范圍大于泵工況，運(yùn)用于反向發(fā)電時(shí)的軸流泵裝置性能良好。

表3 反轉(zhuǎn)運(yùn)行的換算系數(shù)Tab.3 Conversion factors for reverse operation

3.2 壓力脈動(dòng)信號(hào)分析

本文選取4個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期(1個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期為0.06 s)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)軸流泵裝置的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行時(shí)域分析。同時(shí)，為了捕捉壓力脈動(dòng)信號(hào)的細(xì)節(jié)特征，使用快速傅里葉方法(FFT)對(duì)壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行變換。為消除靜壓等干擾，對(duì)瞬時(shí)壓力進(jìn)行無量綱處理，引入壓力系數(shù)Cp表征壓力脈動(dòng)幅值，其公式為

(6)

式中p——瞬態(tài)壓力

u2——葉輪出口圓周速度

(1)反水泵工況

經(jīng)泵裝置反水泵工況的能量特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反水泵工況的最高效率點(diǎn)為Qd=0.82流量工況，故本節(jié)選取高效點(diǎn)流量的0.8倍(Qd=0.66)、1.0倍(Qd=0.82)、1.2倍(Qd=0.98)這3個(gè)典型流量工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)反水泵工況下泵裝置的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行分析。

圖6給出了反水泵工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖。由圖6可知，由于葉輪為正向運(yùn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)泵裝置處于反水泵工況，泵內(nèi)存在著嚴(yán)重的回流、旋渦等不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)信號(hào)相對(duì)復(fù)雜。在一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，反向運(yùn)行時(shí)的葉輪進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4在不同流量工況下均能觀察到明顯的3個(gè)波峰和3個(gè)波谷。反向運(yùn)行時(shí)的葉輪出口處監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2與葉輪中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3的主波峰與次波峰的差異較小，但仍可觀察出3個(gè)主波峰和3個(gè)主波谷。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P6在一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，存在多個(gè)主波峰和主波谷。對(duì)比不同流量工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)，可以發(fā)現(xiàn)不同流量工況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn) P2、P3的每個(gè)主波峰均帶有多個(gè)二次峰值，且二次峰值的出現(xiàn)無明顯規(guī)律性。相比于監(jiān)測(cè)點(diǎn) P2、P3，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4 處的壓力脈動(dòng)周期性規(guī)律較好，壓力脈動(dòng)信號(hào)成分相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖6 反水泵工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.6 Time domain diagrams of pressure pulsation at each monitoring point under working condition of reverse pump

圖7給出了反水泵工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖。由圖7可以看出，泵裝置處于反水泵工況時(shí)，壓力脈動(dòng)信號(hào)成分較為復(fù)雜，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻帶較寬，在高頻區(qū)和低頻區(qū)均存在較大的脈動(dòng)量。葉輪區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)低頻信號(hào)以軸頻及軸頻的諧波成分為主。但是，葉輪區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同流量工況下的壓力脈動(dòng)主頻仍由葉頻及葉頻的高階諧波主導(dǎo)。反向運(yùn)行時(shí)的葉輪出口處監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2的壓力脈動(dòng)主頻為葉頻。反向運(yùn)行時(shí)的葉輪進(jìn)口處監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4的壓力脈動(dòng)主頻為2倍葉頻。葉輪中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3在Qd=0.66和Qd=0.82流量工況下的壓力脈動(dòng)主頻為葉頻，在Qd=0.98流量工況下的壓力脈動(dòng)主頻為2倍葉頻。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P6的壓力脈動(dòng)頻譜中，信號(hào)成分較為簡(jiǎn)單，但在不同流量工況下仍能看出明顯的葉頻成分，顯示了反水泵工況下葉輪作為一個(gè)脈動(dòng)激勵(lì)源對(duì)上游流場(chǎng)存在較大的影響[14-16]。

圖7 反水泵工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.7 Frequency domain diagrams of pressure pulsation at each monitoring point under working condition of reverse pump

(2)反向發(fā)電工況

經(jīng)泵裝置反向發(fā)電工況的能量特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反向發(fā)電工況的最高效率點(diǎn)為Qd=1.62流量工況，故本節(jié)選取高效點(diǎn)流量的0.8倍(Qd=1.30)、1.0倍(Qd=1.62)、1.2倍(Qd=1.94)這3個(gè)典型流量工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)反向發(fā)電工況下泵裝置的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行分析。

圖8給出了反向發(fā)電工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖。由圖8可知，當(dāng)泵裝置進(jìn)入反向發(fā)電工況后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)波形具有良好的規(guī)律性和周期性。在一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，葉輪區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同流量工況下能觀察出明顯的3個(gè)波峰和3個(gè)波谷。相比于反水泵工況，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)系數(shù)有所增大，但壓力脈動(dòng)信號(hào)的成分明顯較為簡(jiǎn)單。葉輪區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每個(gè)主波峰帶有多個(gè)次波峰值的現(xiàn)象消失，反向發(fā)電工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)次波峰的出現(xiàn)開始呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性和周期性，每個(gè)主波峰帶有固定的一個(gè)二次峰值。

圖8 反向發(fā)電工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.8 Time domain diagrams of pressure fluctuation at each monitoring point under reverse power generation condition

圖9給出了反向發(fā)電工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖。由圖9可以看出，當(dāng)泵裝置處于反向發(fā)電工況，葉輪區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同流量下的壓力脈動(dòng)主頻均為葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，次主頻基本為2倍的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。這顯示了反向發(fā)電工況下葉輪區(qū)的壓力脈動(dòng)仍然受葉片數(shù)主導(dǎo)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P6距離葉輪較遠(yuǎn)，受水泵旋轉(zhuǎn)的影響相對(duì)較小，壓力脈動(dòng)幅值明顯較小，但在Qd=1.62和Qd=1.94兩個(gè)流量工況下，仍能觀察到葉頻成分。

圖9 反向發(fā)電工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.9 Frequency domain diagrams of pressure fluctuation at each monitoring point under reverse power generation condition

4 數(shù)值計(jì)算

4.1 網(wǎng)格剖分

采用混合網(wǎng)格對(duì)軸流泵裝置進(jìn)行網(wǎng)格剖分，為保證網(wǎng)格尺寸的一致性，將計(jì)算域劃分成為5部分，分別為進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、燈泡體、出水流道。其中，對(duì)進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，對(duì)燈泡體采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分。為了保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度，葉輪、導(dǎo)葉的邊壁處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。網(wǎng)格參數(shù)中y+[17-19]表示第1個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)到壁面的距離，本文計(jì)算域中的y+值均在8.5以內(nèi)，可以保證第1層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)集中在固體壁面附近。本文共準(zhǔn)備了5套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性的評(píng)價(jià)，如表4所示。網(wǎng)格無關(guān)性的分析結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于509萬時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的繼續(xù)增加，泵裝置的性能參數(shù)基本不變。綜合考慮計(jì)算資源和計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，最終選擇626萬網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行本次數(shù)值計(jì)算，計(jì)算網(wǎng)格如圖10所示。

表4 網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試Tab.4 Grid independence test

圖10 計(jì)算網(wǎng)格Fig.10 Calculation grids

4.2 數(shù)值方法與邊界條件

本文采用商用流體計(jì)算軟件ANSYS CFX進(jìn)行本次數(shù)值計(jì)算，湍流模型選用SST湍流模型。本次數(shù)值計(jì)算在軸流泵裝置的進(jìn)出口處均添加延伸段。反水泵工況與反向發(fā)電工況下的系統(tǒng)均為反向運(yùn)行，均需將常規(guī)泵工況下出水流道的出口壁面設(shè)置為進(jìn)口壁面，將常規(guī)泵工況下進(jìn)水流道的進(jìn)口壁面設(shè)置為出口壁面，進(jìn)口選擇質(zhì)量流量進(jìn)口，出口設(shè)置為opening開放式出口，相對(duì)壓力設(shè)置為0 Pa(反水泵工況與反向發(fā)電工況除進(jìn)口邊界流量不同外，其余邊界設(shè)置均相同)。對(duì)各過流部件采用無滑移假定。反向發(fā)電工況采用基于微元中心的有限體積法離散流動(dòng)控制方程，對(duì)流項(xiàng)的離散選用高精度求解格式(High resolution)，湍流項(xiàng)的離散也采用高精度求解格式。非定常數(shù)值計(jì)算中采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子的方法旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止部件進(jìn)行了仿真。瞬態(tài)計(jì)算中，對(duì)流項(xiàng)采用高精度求解格式,瞬態(tài)項(xiàng)采用Second Order Backward Euler。本文的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.000 5 s,計(jì)算總時(shí)間為0.48 s(8個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期)，每個(gè)時(shí)間步的最大迭代步數(shù)為20步，收斂精度為10-5。瞬態(tài)計(jì)算中對(duì)一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行120次采集，相應(yīng)的采樣頻率為2 000 Hz，達(dá)到了葉輪旋轉(zhuǎn)頻率的120倍，平衡計(jì)算精度和計(jì)算成本并綜合文獻(xiàn)[18]的推薦，0.000 5 s的時(shí)間步長(zhǎng)足夠且合理。

5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

5.1 外特性對(duì)比

圖11給出了泵裝置揚(yáng)程、扭矩的數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比,圖中M表示不同流量工況下的扭矩，H0、Q0、M0分別表示反轉(zhuǎn)工況(反水泵工況及反向發(fā)電工況)最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程、流量、扭矩。由圖11可以發(fā)現(xiàn)，在反水泵工況下，數(shù)值計(jì)算的性能曲線與試驗(yàn)的性能曲線在局部趨勢(shì)的吻合度上較差，不同流量下的模擬值與試驗(yàn)值存在較明顯的誤差，但在總體趨勢(shì)上大致相同。反向發(fā)電工況下，數(shù)值計(jì)算的性能曲線與試驗(yàn)的性能曲線在總體趨勢(shì)上高度吻合，小流量工況與設(shè)計(jì)工況的模擬值與試驗(yàn)值誤差較小，大流量工況下的誤差較大。從總體趨勢(shì)來看，本文采用的CFD數(shù)值格式(包括湍流模型、計(jì)算方法和邊界條件等)得到的計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性，故本文利用數(shù)值模擬方法對(duì)軸流泵裝置反轉(zhuǎn)水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

圖11 泵裝置外特性的數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值Fig.11 Numerical calculation and test values of external characteristics of pump device

5.2 泵裝置反轉(zhuǎn)內(nèi)流特性分析

圖12給出了泵裝置反轉(zhuǎn)時(shí)的葉片表面壓強(qiáng)分布，各分圖左側(cè)為工作面，右側(cè)為非工作面。當(dāng)泵裝置處于反水泵工況，葉片工作面的壓力分布不均勻，壓力梯度較大，葉片反轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)口邊出現(xiàn)了小范圍的高壓區(qū)。非工作面的壓力梯度分布相對(duì)較均勻，葉片的進(jìn)口邊至出口邊壓力逐漸增大。隨著流量的逐漸增大，葉片非工作面的低壓區(qū)的范圍逐漸減小。當(dāng)泵裝置處于反向發(fā)電工況，葉片工作面在小流量工況下的壓力分布較不均勻，葉片前緣與尾緣存在一定范圍的低壓區(qū)。葉片工作面在高效點(diǎn)工況下的壓力梯度分布較為均勻，壓力沿進(jìn)口邊至出口邊逐漸減小。隨著流量的增大，葉片工作面的高壓區(qū)的范圍擴(kuò)大。在高效點(diǎn)工況與小流量工況下，葉片非工作面存在一定范圍的不規(guī)則的低壓區(qū)，在大流量工況下，葉片非工作面的壓力梯度減小，壓力分布趨向于均勻。

圖12 葉片表面壓強(qiáng)分布Fig.12 Pressure distributions on blade surface

圖13給出了泵裝置反轉(zhuǎn)時(shí)葉片非工作面的極限流線。由于該泵裝置配備的葉輪為常規(guī)單向葉輪，故反水泵工況不同流量下的葉片非工作面均存在較大范圍的回流區(qū)。隨著流量的增大，進(jìn)口沖角減小，相對(duì)液流角增大，泵內(nèi)流動(dòng)分離現(xiàn)象減弱，葉片前緣進(jìn)口邊與葉片尾緣靠近輪轂處的回流區(qū)均逐漸減小，在大流量工況下葉片尾緣靠近輪轂處已觀察不到明顯的回流。當(dāng)泵裝置處于反向發(fā)電工況，葉片非工作面尾緣存在小范圍的偏流和徑向流動(dòng)。隨著流量的增大，葉片前緣出現(xiàn)了一定范圍的回流區(qū)。相對(duì)來說，反向發(fā)電工況下，水泵葉片非工作面的極限流線較為平順，這也與壓力脈動(dòng)試驗(yàn)中反向發(fā)電工況相對(duì)簡(jiǎn)單的壓力脈動(dòng)信號(hào)成分相一致。

圖13 葉片非工作面的極限流線Fig.13 Limit streamlines of blade non-working face

為了進(jìn)一步研究泵裝置反轉(zhuǎn)的內(nèi)流特性，取泵裝置中間截面的流線進(jìn)行分析[20-21]，泵裝置中間截面示意圖如圖14所示。圖15給出了泵裝置中間截面流線圖，由圖15可以看出，在反水泵工況下，泵裝置內(nèi)水流的流動(dòng)狀態(tài)明顯較差，出水流道內(nèi)的速度分布不均勻，不同流量工況下均存在多個(gè)旋渦和回流區(qū)。在反向發(fā)電工況下，泵裝置內(nèi)水流的流動(dòng)狀態(tài)明顯較好。在小流量工況與高效點(diǎn)工況下無顯著流動(dòng)分離現(xiàn)象，出水流道的流線分布較為規(guī)則，流道內(nèi)的水流流動(dòng)呈明顯的對(duì)稱性，在大流量工況下，流道中部出現(xiàn)了較大范圍的高速區(qū)，流道內(nèi)主流出現(xiàn)了一定的擠壓、回流的現(xiàn)象。

圖14 泵裝置中間截面示意圖Fig.14 Schematic of middle section of pump device

圖15 泵裝置中間截面流線圖Fig.15 Flow lines of middle section of pump device

6 結(jié)論

(1)軸流泵裝置反水泵工況的最高效率點(diǎn)向小流量偏移，出現(xiàn)在Qd=0.85流量工況，高效點(diǎn)的揚(yáng)程為泵工況高效點(diǎn)揚(yáng)程的0.38倍，反水泵工況的最高效率為泵工況的0.55倍，高效區(qū)的范圍為泵工況的0.53倍。反向發(fā)電工況的最高效率點(diǎn)向大流量偏移，出現(xiàn)在Qd=1.63流量工況，高效點(diǎn)的揚(yáng)程為泵工況高效點(diǎn)揚(yáng)程的1.92倍，反向發(fā)電工況的最高效率略高于泵工況，高效區(qū)的范圍明顯較大，達(dá)到了泵工況的1.53倍，在大流量工況下效率仍能維持較高水平。

(2)軸流泵裝置反轉(zhuǎn)工況下的葉輪區(qū)壓力脈動(dòng)仍受葉頻及葉頻的高階諧波主導(dǎo)。反水泵工況下的壓力脈動(dòng)信號(hào)成分較為復(fù)雜，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻帶較寬，在高頻區(qū)和低頻區(qū)均存在較大的脈動(dòng)量。反向發(fā)電工況下壓力脈動(dòng)波形具有良好的規(guī)律性和周期性，壓力脈動(dòng)信號(hào)的成分較為簡(jiǎn)單。

(3)反水泵工況下水泵葉片的非工作面存在較大范圍的回流區(qū)，葉片工作面的壓力分布不均勻，壓力梯度較大，葉片反轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)口邊出現(xiàn)了小范圍的高壓區(qū)，泵裝置出水流道的流態(tài)較差。反向發(fā)電工況下水泵葉片非工作面的極限流線較為平順，葉片非工作面尾緣存在小范圍的偏流和徑向流動(dòng)。葉片工作面的壓力梯度分布較為均勻，壓力沿進(jìn)口邊至出口邊逐漸減小。