自循環(huán)機匣提高軸流泵穩(wěn)定性的參數(shù)化研究

摘要： 為了探究有效擴大軸流泵穩(wěn)定運行范圍的方法，針對軸流泵進行自循環(huán)機匣處理的單通道定常數(shù)值模擬，分析周向覆蓋比例、抽吸口位置和喉部高度對水泵擴穩(wěn)性能的影響規(guī)律，并揭示自循環(huán)機匣對軸流泵擴穩(wěn)的改善機理.結(jié)果表明，抽吸口位置保持不變，擴大周向覆蓋比例和喉部高度都可以增大流量裕度，但設(shè)計點效率降低；喉部高度為1.8 mm的自循環(huán)機匣流量裕度隨著抽吸口位置的后移先增加后降低，效率先降低后增加，說明在葉頂上方存在一個最佳位置.在研究的范圍內(nèi)，流量裕度最大達到5.93%，設(shè)計點的效率最低降低1.12%.通過自循環(huán)機匣處理，使葉頂泄漏流與主流在葉頂上方相互作用形成的堵塞區(qū)面積有所減小，從而可以擴大軸流泵流量范圍和提升小流量工況效率.該研究可為軸流泵在自循環(huán)機匣的端壁處理方式下擴穩(wěn)提供參考.

關(guān)鍵詞： 軸流泵；自循環(huán)機匣處理；流量裕度；設(shè)計點效率；葉頂泄漏流

中圖分類號： S277.9；TH312 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674-8530（2024）04-0358-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0218

童志庭，原野，張志民，等. 自循環(huán)機匣提高軸流泵穩(wěn)定性的參數(shù)化研究［J］. 排灌機械工程學(xué)報，2024，42（4）：358-364.

TONG Zhiting，YUAN Ye，ZHANG Zhimin， et al. Parametric study on improving stability of axial-flow pumps with self-circulating casing［J］. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（4）： 358-364.

Parametric study on improving stability of axial-flow

pumps with self-circulating casing

TONG Zhiting1，2，YUAN Ye1，2，ZHANG Zhimin3，ZHANG Chao1，2*

（1. Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384， China; 2. National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education （Tianjin University of Technology）， Tianjin 300384， China; 3. China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China）

Abstract： In order to explore ways to effectively expand the stable operating range of axial-flow pumps， a single-channel steady numerical simulation of the self-circulating casing treatment was carried out on an axial-flow pump to analyze the influence of the circumferential coverage ratio， suction port position and throat height on the expansion and stability performance of water pumps， and to as well reveal the influence law and improvement mechanism of the self-circulating casing on the expansion and stability of axial-flow pumps. The results show that the self-circulating casing can effectively expand the flow range of the axial-flow pump， keeping the position of the suction port unchanged， increasing the circumferential coverage ratio and throat height can increase the flow margin， but the design point efficiency is reduced. The flow margin of the self-circulating casing with a throat height of 1.8 mm first increases and then decreases with the backward movement of the suction port position， and the efficiency first decreases and then increases， indicating that there is an optimal position above the blade tip. Within the scope of the study， the flow margin reaches a maximum of 5.93%， and the efficiency at the design point is reduced by a minimum of 1.12%. Through the self-circulating ca-sing treatment， the area of the blockage area formed by the interaction between the blade tip leakage flow and the main flow above the blade tip is reduced， which is responsible for the extended flow range and increased efficiency of the axial-flow pump for small flow conditions. This study provides a reference for the expansion and stability of axial-flow pump under the end wall treatment of self-circulating casing.

Key words： axial-flow pump;self-circulating casing treatment;flow margin;design point efficiency;tip leakage flow

軸流泵因具有大流量、低揚程［1-3］的特點，在農(nóng)業(yè)灌溉和排澇救災(zāi)上都得到了廣泛的應(yīng)用.受外界環(huán)境的影響，軸流泵很難保證長時間在設(shè)計工況運行，當(dāng)泵運行到小流量工況區(qū)，軸流泵內(nèi)部會發(fā)生回流和旋渦，產(chǎn)生噪聲和振動，使內(nèi)部流動紊亂進一步惡化，對軸流泵的運行造成危害［4-5］.

軸流泵關(guān)于小流量工況區(qū)的研究較多.ZHANG等［6］通過數(shù)值和試驗對軸流泵泄漏渦的軌跡進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)泄漏渦的運行軌跡與葉片弦長之間的相對角度隨流量減小而逐漸增大.MOMOSAKI等［7］對軸流泵進行非定常數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)小流量工況下，在葉片前緣處形成強烈的葉頂泄漏渦［8］，導(dǎo)致該區(qū)域形成流動阻塞.

為了擴大軸流泵的高效運行工況范圍、增強其運行穩(wěn)定性，需要探索相關(guān)的流動控制技術(shù).主動控制需要依靠外界能量，而被動控制則是靠自身能量變化來進行控制，因此被動控制得到廣泛應(yīng)用.常用的被動控制機匣處理技術(shù)有槽式機匣處理、縫式機匣處理、葉頂噴氣和自循環(huán)機匣處理等技術(shù).由于流動控制技術(shù)在水泵行業(yè)起步較晚，近年來有一些探索性研究［9-10］，但改善效果不是十分明顯，甚至對效率影響較大.

因自循環(huán)機匣處理運用在壓氣機上達到的效果較好，得到國內(nèi)外研究者的廣泛研究［11-14］，特別是晏松等［15-16］對自循環(huán)機匣處理不同軸向引氣位置和喉部高度進行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)自循環(huán)機匣處理后都起到了一定的擴穩(wěn)作用，且對效率的影響較小.但自循環(huán)機匣處理技術(shù)應(yīng)用在水泵上的研究成果較少，因此借鑒壓氣機上的自循環(huán)機匣處理，運用到軸流泵上.

為了探究自循環(huán)機匣對軸流泵擴大穩(wěn)定運行范圍的影響規(guī)律，文中在葉頂機匣上布置一種自循環(huán)機匣處理結(jié)構(gòu)并開展單通道定常數(shù)值計算，通過與實壁機匣進行對比，分析外特性及內(nèi)部流場變化，以揭示自循環(huán)機匣擴大軸流泵穩(wěn)定運行范圍的流動控制機理.

1 數(shù)值方法

1.1 計算模型

研究對象為某低揚程潛水軸流泵模型裝置，計算域包括整個泵段，其葉頂間隙e為0.6 mm，流體介質(zhì)為清水；軸流泵的主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪直徑D為202.8 mm，葉片數(shù)Z1為5，導(dǎo)葉數(shù)Z2為7，設(shè)計流量qVdes為550 m3/h，設(shè)計揚程Hdes為10.5 mm，設(shè)計轉(zhuǎn)速n為2 300 r/min.軸流泵的三維模型及實體模型如圖1所示.

使用NUMECA軟件求解雷諾時均Navier-Stokes方程，湍流模型選用Spalart-Allmaras模型；文中模型采用AutoGrid 5軟件對葉輪和導(dǎo)葉采用O4H型拓撲結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，為了確保y+值在所選湍流模型y+（1～10）的范圍內(nèi)，壁面的第1層網(wǎng)格高度設(shè)為0.006 mm，滿足要求.

為了消除網(wǎng)格對計算的影響，進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證.設(shè)置相同的全局殘差數(shù)量級為10-6，對3組網(wǎng)格數(shù)33萬，146萬，233萬分別進行數(shù)值計算，確定網(wǎng)格數(shù)大于140萬時，效率最大差距僅為0.1%.為了節(jié)省計算資源，最終確定網(wǎng)格數(shù)為146萬左右.加2層薄的輔助塊在軸流泵葉輪上方的機匣部位；2層輔助塊均采用H型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，上層輔助塊與自循環(huán)機匣的噴嘴和抽吸口分別進行完全非匹配性連接（FNMB），下層輔助塊與葉頂上方的機匣進行完全非匹配性連接（FNMB）.2個輔助塊之間采用完全非匹配固定轉(zhuǎn)子交接面的連接，以便于自循環(huán)機匣收到軸流泵傳遞的數(shù)據(jù).

1.2 數(shù)值方法校核

使用Fine Turbo模塊對軸流泵模型進行數(shù)值計算.進口設(shè)置為總溫和總壓，出口設(shè)置為平均靜壓；算到臨近失速點，出口設(shè)置為質(zhì)量流量，直到算到設(shè)置的出口流量不收斂為止；壁面的邊界條件為絕熱無滑移；單通道的兩側(cè)設(shè)為周期性邊界條件.收斂準(zhǔn)則：進出口流量誤差小于0.5%，且流量不再發(fā)生變化或全局殘差滿足設(shè)置的10-6精度時，認為計算滿足要求.

為了檢驗數(shù)值模擬方法的可靠性，對軸流泵模型設(shè)置6個與試驗相同的工況點進行數(shù)值模擬.因試驗中使用液壓動力源驅(qū)動水泵，并不能保證水泵在額定轉(zhuǎn)速下進行試驗，因此試驗在轉(zhuǎn)速2 182 r/min下進行；為了與試驗進行對比，數(shù)值模擬也在2 182 r/min下進行數(shù)值計算.模型做成產(chǎn)品后，在湖南省水力機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗授權(quán)站進行了試驗，主要檢驗儀器設(shè)備：SFT-B智能流量轉(zhuǎn)速儀、三相功率儀、0～0.25 MPa精密壓力表；然后從檢驗報告中得到試驗數(shù)據(jù)并與數(shù)值模擬值進行對比.

圖2為數(shù)值計算和試驗的揚程H和效率η與流量的關(guān)系曲線對比圖，圖中qV為實際運行流量.總體上，模擬數(shù)據(jù)曲線與試驗曲線整體趨勢一致，但也存在一定誤差，在接近設(shè)計工況（534.4～567.0 m3/h），效率的絕對誤差小于4%，揚程的相對誤差小于2.3%，說明數(shù)值模擬和試驗存在差別.造成此差別的原因主要涵蓋兩方面，首先是數(shù)值模型和實物存在加工誤差，特別是對于葉頂間隙的加工，而葉頂間隙對揚程和效率的影響比較大，不能完全保證與數(shù)值模型一致，同時葉片表面的粗糙度也有一定影響；其次是數(shù)值計算沒有包含機械損失，僅對流體域進行考慮，所以造成試驗值較模擬值偏低，這是不可避免的誤差，但總體趨勢是吻合的，也證實了數(shù)值模擬的可靠性.

為此在該模型上添加自循環(huán)機匣處理結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算.

2 自循環(huán)機匣處理設(shè)計

自循環(huán)機匣處理一般由噴嘴、橋路和抽吸口組成.參考軸流壓氣機中自循環(huán)機匣處理的設(shè)計［17］，采用部分已有的參數(shù)化研究結(jié)果，并運用到軸流泵上，探索該機匣處理技術(shù)對水泵擴穩(wěn)性的影響.文中主要研究抽吸口位置、喉部高度和周向覆蓋比例對水泵性能的影響.

圖3為自循環(huán)機匣的參數(shù)化結(jié)構(gòu)及三維結(jié)構(gòu)圖，圖中h為喉部高度，Za為噴射口前端距葉片前緣的距離，L為弧長.CCP（circumfereneial coverage percentage）表示周向覆蓋比例，其值為1周內(nèi)全部自循環(huán)機匣管路對應(yīng)弧長L的總和與整周的比值.每種方案中，噴嘴均為Coanda結(jié)構(gòu)，噴射角和抽吸角都為10°，噴射偏航角都為0°，周向分布數(shù)目均為5個.基于此，設(shè)計了喉部高度分別為e，2e和3e；抽吸口分別位于15%Ca，45%Ca和75%Ca（Ca為葉頂軸向弦長，單位為mm）；周向覆蓋比例分別為10.4%和5.2%，總計6種自循環(huán)機匣處理結(jié)構(gòu).噴嘴位置保持不變，始終位于葉片前緣上游-11%Ca處（負號表示噴嘴在軸向葉頂前緣的前端）.

周向覆蓋比例為10.4%，喉部高度為3e，抽吸口位置P為15%Ca，45%Ca和75%Ca時對應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點的軸向分布分別為115個，147個，187個，周向和徑向分布均為29×21個，它們分別為不同方向上網(wǎng)格節(jié)點的個數(shù)，網(wǎng)格點數(shù)分別為7.0萬、9.0萬、11.0萬；當(dāng)喉部高度改為2e和e時，軸向、周向和徑向的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點和喉部高度為3e時對應(yīng)相同.

周向覆蓋比例為5.2%，喉部高度為3e，抽吸口位置為75%Ca時，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點的軸向分布為187個，周向和徑向分布均為17×21個，網(wǎng)格點數(shù)為6.6萬.

3 外特性和內(nèi)部流場分析

3.1 總性能分析

為了定量描述不同自循環(huán)機匣處理結(jié)構(gòu)對泵外特性的影響，采用流量裕度［15］和效率變化量［10］來衡量這種差別，這是因為流量裕度和效率變化量可以較直觀地表達自循環(huán)機匣處理后流量范圍的變化和對設(shè)計點效率的影響.流量裕度定義為

ΔSM=qVSC－qVSCTqVSC×100%，（1）

式中：ΔSM為流量裕度；qVSC為實壁機匣臨界點體積流量；qVSCT為自循環(huán)機匣處理臨界點體積流量.

效率變化量定義為

Δη=（ηdes）SCT－（ηdes）SC，（2）

式中：ηdes為設(shè)計效率；下標(biāo)SC表示實壁機匣；下標(biāo)SCT表示自循環(huán)機匣處理.

圖4為自循環(huán)機匣的幾何參數(shù)對泵水力性能的影響，表1為自循環(huán)機匣的幾何參數(shù)對軸流泵流量裕度與效率的影響，表中h為喉部高度.

由圖4a可知，在該自循環(huán)機匣處理后，揚程曲線和效率曲線整體隨周向覆蓋比例增大而逐漸向下偏移，在失速工況點（qV/qVdes=0.77）時，效率都高于實壁機匣的效率，周向覆蓋比例為5.2%下的揚程高于實壁機匣的揚程.由表1可知，周向覆蓋比例為10.4%下的流量裕度提高了4.24%，明顯高于周向覆蓋比例為5.2%下的流量裕度，但設(shè)計點的效率卻降低了1.94%.

由圖4b可知，自循環(huán)機匣的揚程和效率曲線都普遍低于實壁機匣的，但失速工況點的效率經(jīng)自循環(huán)機匣處理后高于實壁機匣的.由表1可知，隨著抽吸口位置后移，流量裕度先增大后降低，設(shè)計點的效率卻先降低后升高，說明在葉頂存在1個最佳位置，使得流量裕度達到最佳.故在后續(xù)數(shù)值計算中，對位于45%Ca前后的抽吸口位置可進行參數(shù)化研究，以盡可能地尋求最佳位置.

由圖4c可知，揚程和效率曲線隨喉部高度增加而逐漸向下偏移，且整體上都低于實壁機匣的，但流量范圍隨著喉部高度增加而逐漸拓寬，并且小流量工況的效率高于實壁機匣的.由表1可知，隨著喉部高度增加，流量裕度逐漸增加，在喉部高度為3e時，流量裕度達到5.93%，效率卻降低了2.56%.

由以上分析可知，軸流泵的流量裕度和設(shè)計點的效率兩者不可兼得，須兼顧兩者來選取適當(dāng)參數(shù).

3.2 擴穩(wěn)機理分析

由以上分析結(jié)果可知，噴嘴的喉部高度、抽吸口的位置和周向覆蓋比例都對水泵的性能產(chǎn)生了一定的影響，兼顧對流量裕度和效率變化量的影響，選取周向覆蓋比例為10.4%，抽吸口位置位于45%Ca，喉部高度分別為e，2e和3e的自循環(huán)機匣處理結(jié)構(gòu)，對軸流泵的葉頂流動作進一步的內(nèi)部流場分析.

圖5為失速工況點99%葉展方向的絕對軸向速度vz分布，圖中葉頂堵塞區(qū)位于vzlt;0的部位.由圖5a可知，堵塞區(qū)橫跨整個葉片通道，說明失速工況點實壁機匣在葉頂存在一個較差的流動狀況.運用自循環(huán)機匣處理后，由圖5b—5d可知，堵塞區(qū)沒有占用整個葉頂上方的通道，相反面積有所減小，使得流通情況轉(zhuǎn)好，從而提高了軸流泵的流量裕度.比較不同噴嘴喉部高度自循環(huán)機匣作用后葉頂上方堵塞區(qū)的變化，發(fā)現(xiàn)隨著喉部高度的增大，在葉頂前緣的堵塞區(qū)改善情況更好，但整體上看，3種不同喉部高度下的堵塞區(qū)分布情況基本相同，堵塞區(qū)面積向葉片吸力面靠近.

圖6為失速工況點99%葉展方向上的相對速度wxyz矢量圖.從6a中可以看出，葉頂上方在實壁機匣的情況下，低速阻滯區(qū)集中在葉頂上方前緣附近，并沿著壓力面向通道內(nèi)蔓延，使得葉頂上方通道內(nèi)的流通情況逐漸惡化.

經(jīng)過自循環(huán)機匣處理后，從圖6b—6d中可以看出，葉頂上方通道內(nèi)的低速阻滯區(qū)面積有所減小，從而通道內(nèi)的流通情況有了一定的改善.隨著喉部高度的增加，在壓力面前緣附近低速阻滯區(qū)改善情況向好，相對速度wxyz得到提高.

4 結(jié) 論

針對軸流泵穩(wěn)定運行范圍的問題，提出自循環(huán)機匣處理，得出主要結(jié)論如下：

1） 保持喉部高度h為3e、抽吸口位置為75%Ca不變，隨著周向覆蓋比例增大，流量裕度逐漸增大，最大值為4.24%，而設(shè)計點效率逐漸降低，最低減小1.94%.保持周向覆蓋比例CCP為10.4%、抽吸口位置為45%Ca不變，隨著喉部高度增大，流量裕度逐漸增大，最大值為5.93%，而設(shè)計點效率逐漸降低，最低減小2.56%.

2） 保持周向覆蓋比例CCP為10.4%、喉部高度h為3e不變，流量裕度都隨抽吸口位置后移而先增大后減小，設(shè)計點的效率先降低后升高，說明在葉頂上方存在1個最佳位置.

3） 失速工況點葉頂泄漏流與主流相互作用形成葉頂泄漏渦，使葉頂通道堵塞.通過自循環(huán)機匣處理，使葉頂上方的堵塞區(qū)面積有所減小，低速阻滯區(qū)減小，堵塞區(qū)面積向吸力面靠近，從而達到擴穩(wěn)目的.

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（責(zé)任編輯 張文濤）

收稿日期： 2022-09-13； 修回日期： 2022-11-04； 網(wǎng)絡(luò)出版時間： 2024-04-11

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240408.1500.016

基金項目： 國家自然科學(xué)基金資助項目（51976139）

第一作者簡介： 童志庭（1977—），男，福建莆田人，副教授（tongzhiting1215@163.com），主要從事葉輪機械設(shè)計及試驗研究.

通信作者簡介： 張超（1983—），男，河南睢縣人，副教授（czhangxj@email.tjut.edu.cn），主要從事葉輪機械氣動設(shè)計、燃機葉片冷卻技術(shù)研究.