北坍泵站流道優(yōu)化及泵裝置模型試驗(yàn)分析

李進(jìn)東，孫圣杰，許旭東，徐貴穎，楊 帆

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引 言

軸流泵因大流量、低揚(yáng)程的特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于平原地區(qū)的灌溉排水、城市供水與防洪等領(lǐng)域，進(jìn)、出水流道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)于泵裝置的運(yùn)行效率和安全穩(wěn)定具有重要影響。進(jìn)水流道的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)葉輪進(jìn)口的流速均勻度有明顯影響，出水流道的作用是引導(dǎo)水流平順流入上游水道并回收水流的部分動(dòng)能。未滿足流道水力設(shè)計(jì)條件的進(jìn)、出水流道會(huì)導(dǎo)致葉輪進(jìn)口的流速分布不均和出水流道內(nèi)流混亂及旋渦的產(chǎn)生，影響泵裝置的運(yùn)行效率，甚至引起水泵的汽蝕、噪聲和劇烈振動(dòng)[1-2]，威脅到泵站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于泵站的流道設(shè)計(jì)及優(yōu)化進(jìn)行了大量研究[3-5]。陸林廣等[6]針對(duì)直管式出水流道的脫流現(xiàn)象，借助CFD（Computational Fluid Dynamics）三維數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)泵站直管式出水流道進(jìn)行優(yōu)化。丁浩等[7]以最小水力損失為目標(biāo)對(duì)青龍山南泵站肘形進(jìn)水流道和虹吸式出水流道進(jìn)行幾何尺寸優(yōu)化。楊平輝等[8]對(duì)低駝峰出水流道的型線進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)延長(zhǎng)駝峰段水平長(zhǎng)度可明顯提高出水流道的水力性能。吉慶偉等[9]對(duì)比分析不同尺寸方案的進(jìn)、出水流道對(duì)泵裝置能量性能的影響，優(yōu)化后進(jìn)水流道出口流速的均勻度顯著提高，且出水流道的水力損失下降明顯。孫翀等[10]利用CFD 軟件對(duì)泵站不同進(jìn)出水流道方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和比選，優(yōu)化后泵裝置的效率提高明顯。付小莉等[11]利用模型試驗(yàn)方法對(duì)泵站進(jìn)出水流道的水力特性進(jìn)行多方案優(yōu)化以改善其內(nèi)部的不良流態(tài)。PEI 等[12]結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多目標(biāo)遺傳算法對(duì)單級(jí)單吸離心泵的進(jìn)水管進(jìn)行多目標(biāo)幾何優(yōu)化。GOLBABAEI 等[13]基于試驗(yàn)與有限元結(jié)構(gòu)失效方法對(duì)離心泵蝸殼的水力性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。VALYUKHOV 等[14]基于ANSYS 有限元分析系統(tǒng)并結(jié)合非線性規(guī)劃的方法，對(duì)主油泵流道的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化以使泵的性能效率達(dá)到最大。綜上可知，數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法是當(dāng)前泵裝置流道結(jié)構(gòu)三維幾何尺寸優(yōu)化的主要研究手段。

本文以江蘇省南水北調(diào)的北坍泵站為研究對(duì)象，采用CFD 技術(shù)對(duì)泵站肘形進(jìn)水流道和低駝峰出水流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提升水力性能，多方案比選確定最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，并通過對(duì)最優(yōu)方案組合的泵裝置進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，以驗(yàn)證優(yōu)化后泵裝置的水力性能。通過對(duì)泵站進(jìn)出水流道的優(yōu)化研究可為更多同類型泵站的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

北坍泵站位于江蘇省里下河地區(qū)的濱海縣境內(nèi)，是鹽城灌區(qū)調(diào)整興建的2 座集中補(bǔ)水泵站之一。該泵站的主要功能是向蘇北灌溉總渠補(bǔ)水，兼有排澇功能。泵房采用塊基型結(jié)構(gòu)，進(jìn)水流道為肘形進(jìn)水流道，出水流道為低駝峰出水流道，泵房剖面見圖1。安裝4 臺(tái)2200ZLB17-4 型立式半調(diào)節(jié)軸流泵，配套TL1120-36 型1 120 kW 立式同步電機(jī)。葉輪直徑2.2 m，轉(zhuǎn)速166.7 r/min，單機(jī)設(shè)計(jì)流量16.7 m3/s；灌溉設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.35 m，灌溉最高凈揚(yáng)程3.65 m，灌溉最低凈揚(yáng)程0.20 m；排澇設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.00 m，排澇最高凈揚(yáng)程4.00 m，排澇最低凈揚(yáng)程2.70 m。

圖1 北坍泵站的泵房剖面圖

2 流道的優(yōu)化分析

流道的內(nèi)流場(chǎng)采用ANSYS Fluent 商用軟件進(jìn)行計(jì)算，選用RNG k-ε 湍流模型[15-16]。肘形進(jìn)水流道和低駝峰出水流道數(shù)值計(jì)算的邊界條件參閱文獻(xiàn)［17］進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算收斂精度設(shè)置為10-5，經(jīng)網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性分析確定肘形進(jìn)水流道的網(wǎng)格數(shù)量為102 萬，低駝峰出水流道的網(wǎng)格數(shù)量為87 萬。

2.1 進(jìn)水流道的優(yōu)化分析

葉輪中心至肘形進(jìn)水流道底板頂高程的距離為1.80D（D為葉輪直徑），肘形進(jìn)水流道長(zhǎng)度為4.50D，彎肘段高度為1.61D。在肘形進(jìn)水流道長(zhǎng)度和彎肘段高度限制的條件下，給出2 種不同方案的肘形進(jìn)水流道：方案1 流道的進(jìn)口面高2.39D，寬2.27D，流道進(jìn)口平均流速為0.71 m/s；方案2流道的進(jìn)口面高2.10D，寬2.27D，流道進(jìn)口平均流速為0.80 m/s。2 個(gè)方案肘形進(jìn)水流道的近壁面流場(chǎng)見圖2。

圖2 不同方案肘形進(jìn)水流道的表面流場(chǎng)圖

由圖2 可知，2 個(gè)方案的肘形進(jìn)水流道在直線段內(nèi)的流線均平順且流速逐漸增大，水流進(jìn)入彎肘段時(shí)迅速轉(zhuǎn)向并加速，在離心力作用下，靠近流道內(nèi)側(cè)壁面處水流的流速明顯大于外側(cè)壁面的流速。由于水流在作90°轉(zhuǎn)向的同時(shí)伴隨著急劇的側(cè)向收縮，但均未在彎肘段出現(xiàn)旋渦和脫流情況，水流經(jīng)圓柱段壁面約束及調(diào)整后，均趨向于速度均勻分布且垂直于出口面。采用文獻(xiàn)［18］中的軸向流速分布均勻度和速度加權(quán)平均角，對(duì)2 種方案肘形進(jìn)水流道出口面的流場(chǎng)進(jìn)行定量求解，設(shè)計(jì)流量工況時(shí)各方案的流道水力性能結(jié)果見圖3。

圖3 不同方案肘形進(jìn)水流道的水力性能圖

由圖3 可知，方案1 流道出口的軸向流速分布均勻度為97.70%，速度加權(quán)平均角為86.9°，水力損失為8.6 cm；方案2 流道出口的軸向流速分布均勻度為97.80%，速度加權(quán)平均角為86.9°，水力損失為9.0 cm。雖然方案2 肘形進(jìn)水流道的水力損失相比方案1 增加4.65%，但是出口的軸向流速分布均勻度提高0.10%，表明方案2 流道壁面對(duì)水流的約束收縮流動(dòng)更有利，可以為水泵提供更好的入流條件，確保水泵高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，故優(yōu)選方案2 的肘形進(jìn)水流道。

2.2 出水流道的優(yōu)化分析

低駝峰出水流道長(zhǎng)4.64D，出口面高1.45D，寬2.27D，方案1 出水流道低駝峰的高度為1.00D。在總控制尺寸的約束條件下，給出3 種出水流道的優(yōu)化方案，各方案出水流道的幾何參數(shù)、流道剖面及平面圖見表1，各方案的流場(chǎng)見圖4。

表1 低駝峰出水流道的優(yōu)化方案參數(shù)表

圖4 不同優(yōu)化方案低駝峰出水流道的三維流線圖

由表1 和圖4 可知，方案1 出水流道的水力損失為64.4 cm，方案2 出水流道的水力損失為28.8 cm，方案3 出水流道的水力損失為49.0 cm，以水力損失最小為目標(biāo)，出水流道優(yōu)選方案2。方案1 出水流道的導(dǎo)葉體擴(kuò)散角偏小，彎管段水流未能充分?jǐn)U散，直管段單邊擴(kuò)散角偏大，導(dǎo)致出水流道內(nèi)流速較大、流態(tài)較差，水力損失達(dá)到64.4 cm。方案2 在方案1 的基礎(chǔ)上，將流道進(jìn)口直徑增加至1.05D，單邊擴(kuò)散角降低至9°，駝峰段高度增大至1.11D。方案2 出水流道的水流轉(zhuǎn)向有序、擴(kuò)散平緩，僅在流道出口段存在局部旋渦區(qū)，流道水力損失降至28.8 cm，相比方案1，水力損失降幅達(dá)55.28%，可滿足該泵站裝置的水力性能需求；但低駝峰段的結(jié)構(gòu)尺寸無法適應(yīng)現(xiàn)有水泵的安裝結(jié)構(gòu)，未能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和水力的協(xié)調(diào)優(yōu)化。為此，在方案2 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整：在保證流道進(jìn)口直徑1.05D不變的條件下進(jìn)一步優(yōu)化單邊擴(kuò)散角至10°，并降低駝峰段高度至1.09D。經(jīng)計(jì)算，水力損失為49.0 cm，相比方案1 降低23.91%，相比方案2 增大70.14%。但方案3 的流道結(jié)構(gòu)在滿足現(xiàn)有水泵安裝需求的同時(shí)，也能滿足現(xiàn)有泵裝置水力性能的要求，故出水流道選用優(yōu)化方案3。

3 物理模型試驗(yàn)

該泵裝置物理模型試驗(yàn)在河海大學(xué)水力機(jī)械多功能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，該試驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)在文獻(xiàn)［19］中均有介紹，本文不再贅述。試驗(yàn)選用重慶橫河川儀有限公司生產(chǎn)的EJA110A 型差壓變送器，揚(yáng)程測(cè)量的系統(tǒng)誤差為±0.1%；上海光華·愛爾美特儀器有限公司生產(chǎn)的RFM4110-500 型電磁流量計(jì)，流量測(cè)量的系統(tǒng)誤差為±0.2%；湖南湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司生產(chǎn)的JCZ200 型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，轉(zhuǎn)矩測(cè)量的系統(tǒng)誤差為±0.2%；重慶橫河川儀有限公司生產(chǎn)的EJA430A 型壓力變送器，其測(cè)控系統(tǒng)基于VB 和VC 高級(jí)語言，在Windows 平臺(tái)上開發(fā)研制，由參數(shù)設(shè)置模塊、運(yùn)行模塊和數(shù)據(jù)預(yù)處理模型3 部分組成。泵裝置能量性能、空化性能及飛逸特性試驗(yàn)均按SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》實(shí)施。

對(duì)方案2 肘形進(jìn)水流道、方案3 低駝峰出水流道結(jié)合水力模型進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。依據(jù)nD值相等原則，模型泵裝置的葉輪名義直徑為300 mm，葉輪轉(zhuǎn)速為1 222.5 r/min，共測(cè)試5 個(gè)葉片安放角時(shí)泵裝置的能量性能、空化性能和飛逸特性。5 個(gè)葉片安放角時(shí)泵裝置最優(yōu)工況點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)見表2。

由表2 可知，各葉片安放角（-4°、-2°、0°、+2°和+4°）時(shí)泵裝置的最高效率均超過72.00%。葉片安放角為+2°時(shí)泵裝置的最高效率為74.97%，此時(shí)泵裝置流量為329.60 L/s，揚(yáng)程為3.68 m，對(duì)應(yīng)的原型泵裝置流量為1.77×104L/s。

在灌溉設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.35 m 時(shí)，泵裝置最高效率為74.55%，此時(shí)葉片安放角為-4°，模型泵裝置流量為270.00 L/s，原型泵裝置流量為1.45×104L/s。排澇設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.00 m 時(shí)，泵裝置最高效率為73.54%，此時(shí)葉片安放角為-4°，模型泵裝置流量為280.00 L/s，原型泵裝置流量為1.51×104L/s。泵裝置綜合特性曲線見圖5。

圖5 泵裝置綜合特性曲線圖

不同葉片安放角時(shí)，水泵的臨界空化余量見圖6。相同葉片安放角時(shí)，隨著凈揚(yáng)程增大，臨界空化余量逐漸增大；相同凈揚(yáng)程時(shí)，臨界空化余量隨著葉片安放角的增大而增大。灌水期水泵最大臨界空化余量發(fā)生在葉片安放角+4°，此時(shí)臨界空化余量為6.88 m，對(duì)應(yīng)的灌溉最大凈揚(yáng)程為3.65 m；灌溉設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.55 m 時(shí)，水泵的臨界空化余量為6.64 m。排澇期水泵最大臨界空化余量發(fā)生在葉片安放角+4°，此時(shí)臨界空化余量為7.18 m，對(duì)應(yīng)的排澇最大凈揚(yáng)程為4.00 m；排澇設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.35 m 時(shí)，水泵的臨界空化余量為6.64 m。灌溉設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程和排澇設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程條件下，3 個(gè)葉片安放角（-4°、-2°和0°）時(shí)水泵的臨界空化余量均不大于6.40 m。

圖6 不同葉片安放角時(shí)水泵的臨界空化余量圖

當(dāng)水泵電機(jī)突然斷電時(shí)，水倒流經(jīng)過水泵，水泵的輸入功率為零，葉輪反轉(zhuǎn)進(jìn)入水輪機(jī)工況，這時(shí)產(chǎn)生的最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為飛逸轉(zhuǎn)速。飛逸特性試驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)輔助泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使泵裝置進(jìn)出口側(cè)形成不同的水位差，各葉片安放角時(shí)模型泵的單位飛逸轉(zhuǎn)速見表3。根據(jù)相似理論，原型泵和模型泵的單位飛逸轉(zhuǎn)速相等，以表3 中模型泵的單位飛逸轉(zhuǎn)速計(jì)算出不同水頭時(shí)，原型泵在各葉片安放角的飛逸轉(zhuǎn)速（見圖7）。葉片安放角0°，水頭3.70 m 以上時(shí)，水泵最大飛逸轉(zhuǎn)速將超過額定轉(zhuǎn)速的1.5 倍。

表3 不同葉片安放角時(shí)模型泵的單位飛逸轉(zhuǎn)速表

圖7 不同水頭時(shí)原型泵的飛逸轉(zhuǎn)速圖

4 結(jié) 論

1）通過CFD 技術(shù)對(duì)北坍泵站的肘形進(jìn)水流道和低駝峰出水流道的主要幾何參數(shù)進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，比較水力損失并考慮水泵安裝尺寸要求，推薦方案2 的肘形進(jìn)水流道和方案3 的低駝峰出水流道。

2）各葉片安放角（-4°、-2°、0°、+2°和+4°）時(shí)泵裝置的最高效率均超過72.00%。葉片安放角為+2°時(shí)泵裝置的最高效率為74.97%，凈揚(yáng)程為3.68 m，原型泵裝置流量為1.77×104L/s。在4 個(gè)葉片安放角（-4°、-2°、0°和+2°）時(shí)，灌溉設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程和排澇設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程條件下，泵裝置效率均不低于73.03%；在最大凈揚(yáng)程和最小凈揚(yáng)程工況時(shí)泵裝置能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3）灌溉設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程和排澇設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程條件下，3 個(gè)葉片安放角（-4°、-2°和0°）時(shí)水泵的臨界空化余量均不大于6.40 m。葉片安放角為0°，水頭3.70 m 以上時(shí)，水泵最大飛逸轉(zhuǎn)速將超過額定轉(zhuǎn)速的1.5 倍。