水泵裝置飛逸過渡過程中水動力特性研究

陳小云

（深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司,廣東 深圳 518020）

0 引言

隨著我國水利建設(shè)的大力發(fā)展,水泵裝置應(yīng)用越來越多,針對水泵的設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)工況和動力特性,許多研究人員進(jìn)行了一系列研究。

陳政[1]依托引江濟(jì)淮工程,通過模型試驗(yàn)和數(shù)值手段相結(jié)合的方式,對流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。閆宇等[2]針對低揚(yáng)程大流量泵裝置模型,對水壓力脈動測點(diǎn)位置進(jìn)行了總結(jié),并提出了一種新的水壓力脈動相對值計(jì)算方法。劉健峰等[3]以龍昆溝北雨水排澇泵站為例,通過模型試驗(yàn)手段分析了全貫流泵裝置的水力性能。江宇航[4]通過CFD 軟件對立式軸流泵裝置進(jìn)行了仿真模擬,并根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值仿真結(jié)果的可靠性。劉軍等[5]依托南水北調(diào)東線二期工程,對大型低揚(yáng)程泵裝置的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化。徐逍帆等[6]通過損耗分離法對全貫流泵效率進(jìn)行了計(jì)算,并通過MATLAB 進(jìn)行了計(jì)算結(jié)果的擬合驗(yàn)證。

本文通過數(shù)值模擬手段結(jié)合模型試驗(yàn),對水泵裝置在飛逸過渡過程中的水動力特性進(jìn)行了詳細(xì)探究。基于模型試驗(yàn)結(jié)果,對數(shù)值模擬的有效性和合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。并根據(jù)經(jīng)過驗(yàn)證后的數(shù)值模型,進(jìn)一步對水泵裝置的水壓力脈動和偏流特性進(jìn)行了分析。

1 泵裝置模型試驗(yàn)

通過開封儀表電磁流量計(jì)對流量進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測誤差為±0.20%。通過智能壓差變送器對揚(yáng)程進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測誤差為±0.08%。通過TQ-600 型傳感器對扭矩進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測誤差為±0.07%。

圖1 展示了模型試驗(yàn)中不同安放角工況下正反轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速變化情況。從圖1中可以看出,同一葉片安放角工況下,正轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速要遠(yuǎn)大于反轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速。以葉片安放角0°為例,正轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速約為584.2 r/min,反轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速為290.3 r/min,是其兩倍之多。不同葉片安放角對比,隨著葉片安放角的增大,從-5°增加到5°,飛逸轉(zhuǎn)速均呈現(xiàn)線性下降趨勢。

圖1 模型試驗(yàn)中水泵葉輪輪片不同安放角工況下正反轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速

通過下式對飛逸轉(zhuǎn)速nf進(jìn)行計(jì)算：

式中：N0為單位飛逸轉(zhuǎn)速；H為水頭高度；D為葉輪直徑。

根據(jù)圖1 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,由圖1 可知,葉片安放角為0°工況時,正轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速為584.2 r/min,Hj為3.33 m,因此飛逸轉(zhuǎn)速為394.3 r/min,此數(shù)值約為該水泵額定轉(zhuǎn)速的2.8 倍。

2 數(shù)值模型建立

2.1 計(jì)算模型

為進(jìn)一步分析水泵裝置飛逸過渡過程中的水動力特性,本文建立了水泵數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。根據(jù)工程實(shí)際情況,模型水泵葉輪直徑設(shè)為2700 mm,額定轉(zhuǎn)速設(shè)為141 r/min。設(shè)計(jì)流量為22.5 m3/s,設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.33 m。計(jì)算模型由6 部分組成,分別為進(jìn)水流道、進(jìn)水池、導(dǎo)葉、葉輪、出水池和出水流道。水泵裝置數(shù)值計(jì)算模型見圖2。

圖2 泵裝置數(shù)值模型

2.2 網(wǎng)格劃分

為在保證計(jì)算精度的前提下兼顧計(jì)算效率,對泵裝置數(shù)值模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分優(yōu)化。對導(dǎo)葉區(qū)域進(jìn)行了局部的網(wǎng)格加密處理,共劃分出387512 個計(jì)算網(wǎng)格。

2.3 正轉(zhuǎn)飛逸過渡過程計(jì)算方法

在完整過渡過程中,考慮到水泵葉輪轉(zhuǎn)速實(shí)時變化,且該變化不易控制,但各時間步單獨(dú)來看,其轉(zhuǎn)速與泵裝置內(nèi)特性相關(guān),故將水泵葉輪力矩平衡方程進(jìn)行引入,以此對各時間步葉輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。水泵葉輪力矩平衡方程如下：

式中：J為轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量總和,kg·m2；為水泵裝置葉輪的角速度,rad/s；M0為電動機(jī)的電磁力矩；M1為各時間步水泵葉輪的阻力矩；M2為軸承摩擦力矩；M3為風(fēng)阻力矩,N·m。

2.4 邊界條件和前處理

邊界條件設(shè)置方面,根據(jù)以往學(xué)者的研究成果和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),將泵裝置的進(jìn)出口邊界均設(shè)為了壓強(qiáng)邊界,其壓強(qiáng)值大小根據(jù)運(yùn)行水位進(jìn)行換算。根據(jù)上述水泵葉輪力矩平衡對各時間步的轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時,水頭工況為-3.33 m。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 機(jī)組外特性分析

圖3 展示了水泵裝置在正傳飛逸過渡過程中轉(zhuǎn)速與流量隨時間變化曲線。從圖中可以看出,隨著時間的增加,轉(zhuǎn)速持續(xù)降低,約在30 s 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定狀態(tài)后轉(zhuǎn)速達(dá)到了385 r/min。與模型試驗(yàn)相比,相對誤差為2.81%,體現(xiàn)出了本文數(shù)值模擬的有效性和可靠性,表明通過上述模型可較為準(zhǔn)確地反映水泵裝置在飛逸過渡過程中的內(nèi)外特性。與轉(zhuǎn)速相比,流量時程曲線變化規(guī)律恰好相反,隨著時間的增加而增大,約在30 s 后達(dá)到穩(wěn)定值,穩(wěn)定后流量約為46.2 m3/s。

圖3 轉(zhuǎn)速與流量時程曲線

圖4 展示了水泵裝置在正傳飛逸過渡過程中扭矩和軸向力的時程變化曲線。從圖中可以看出,隨著時間步的堆積,扭矩呈現(xiàn)出先急速大幅增加后緩慢減小的變化趨勢。尤其是在泵裝置達(dá)到飛逸工況后,扭矩值大小基本在0 附近波動,這也符合飛逸過渡過程的定義。軸向力方面,隨著時間步的增加,表現(xiàn)出了與扭矩完全相反的變化趨勢,即先大幅減小后緩慢增加的變化趨勢。進(jìn)入飛逸工況后,軸向力大小在75 kN 左右徘徊波動。這表明,泵裝置持續(xù)在進(jìn)入飛逸工況和退出飛逸工況間持續(xù)循環(huán)。

圖4 扭矩和軸向力時程曲線

3.2 內(nèi)部流動特性

在正轉(zhuǎn)飛逸過渡過程中,主要區(qū)別發(fā)生在出水流道的內(nèi)部流動特性,進(jìn)水流道內(nèi)的內(nèi)部流動隨時間步的變化較小。數(shù)值結(jié)果顯示,隨著葉輪轉(zhuǎn)速的提升,出水流道內(nèi)出現(xiàn)了較為顯著的不對稱流動情況,且該情況隨著葉輪轉(zhuǎn)速的提升而愈發(fā)顯著。由于中隔板將出水流道進(jìn)行了分割,使其成為對稱的兩個部分,兩部分流量出現(xiàn)了明顯的差異。

對出水流道兩側(cè)斷面的流量變化情況進(jìn)行了對比。圖5展示了出水流道中左側(cè)斷面與右側(cè)斷面的流量比值隨時間的變化情況。從圖中可以看出,在水泵葉輪運(yùn)行初期,兩側(cè)斷面流量基本一致,右側(cè)斷面流量略大于左側(cè)斷面。隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加,兩斷面大小關(guān)系發(fā)生逆轉(zhuǎn),流量比持續(xù)增加,直至30 s 后達(dá)到穩(wěn)定,流量比穩(wěn)定在3.2 左右,表明左側(cè)斷面流量遠(yuǎn)大于右側(cè)斷面流量,體現(xiàn)出了明顯的偏流特性,此狀況持續(xù)到飛逸過渡過程結(jié)束。

圖5 兩側(cè)斷面流量比

3.3 水壓脈動特性

此外,本文研究了偏流特性對出水流道內(nèi)部流動穩(wěn)定性的影響情況,布置有6 個監(jiān)測點(diǎn)于出水流道內(nèi)。其中,P1 和P2 測點(diǎn)位于導(dǎo)葉出口斷面處,P3、P4 測點(diǎn)位于出水流道中部同一斷面處,P5 和P6 測點(diǎn)位于中隔板兩側(cè)的同一斷面處。

圖6 展示了出水流道內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)水壓脈動隨時間的變化情況。從圖中可以看出,同一時間段內(nèi),出水流道內(nèi)的壓強(qiáng)脈動與監(jiān)測點(diǎn)位置有明顯的關(guān)聯(lián)。其中P1 和P2 監(jiān)測點(diǎn)較為接近,兩者水壓脈動最低,其次為P3 和P4 監(jiān)測點(diǎn),水壓脈動最大的為P5 和P6 監(jiān)測點(diǎn)。這也表明,流量和流速越大,其水壓脈動越低,而該規(guī)律由于有著中隔板的存在導(dǎo)致本次試驗(yàn)中更為明顯。此外,從圖6 中也可以看出,出現(xiàn)了明顯的偏流和偏壓現(xiàn)象。即同一監(jiān)測斷面內(nèi),左側(cè)測點(diǎn)的水壓脈動普遍大于右側(cè)測點(diǎn)。

圖6 出水流道內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)水壓脈動時程曲線

各監(jiān)測點(diǎn)水壓脈動隨時間步的增加變化趨勢基本一致,在葉輪工作前期,壓強(qiáng)值呈現(xiàn)大幅下降趨勢,隨著葉輪轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增長,各監(jiān)測點(diǎn)壓強(qiáng)相對保持穩(wěn)定,以較低的變化速度呈現(xiàn)緩慢下降態(tài)勢,此狀態(tài)一直持續(xù)到葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到正轉(zhuǎn)飛逸轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

為研究水泵裝置在飛逸過渡過程中的水動力特性,本文開展了模型試驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬。通過模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性和合理性,并就機(jī)組外特性和偏流特性進(jìn)行了分析。得出主要結(jié)論如下：

（1）同一葉片安放角工況下,正轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速要遠(yuǎn)大于反轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速。不同葉片安放角對比,隨著葉片安放角的增大,從-5°增加到5°,飛逸轉(zhuǎn)速均呈現(xiàn)線性下降趨勢。

（2）葉片安放角為0°工況時,正轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速為584.2 r/min,揚(yáng)程為-3.33 m,飛逸轉(zhuǎn)速為394.3 r/min,此數(shù)值約為該水泵額定轉(zhuǎn)速的2.8 倍。

（3）與模型試驗(yàn)相比,數(shù)值模擬的相對誤差僅為2.81%,體現(xiàn)出了本文數(shù)值模擬的有效性和可靠性,表明通過上述模型可較為準(zhǔn)確地反映水泵裝置在飛逸過渡過程中的內(nèi)外特性。

（4）在葉輪工作前期,壓強(qiáng)值呈現(xiàn)大幅下降趨勢,隨著葉輪轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增長,各監(jiān)測點(diǎn)壓強(qiáng)相對保持穩(wěn)定,以較低的變化速度呈現(xiàn)緩慢下降態(tài)勢。