大型低揚程立式蝸殼混流泵裝置模型試驗研究及分析

　　針對某低揚程立式蝸殼混流泵站更新改造的需要，在CFD 分析的基礎上開(kāi)展該泵站模型裝置試驗研究工作，并提出了泵站更新改造的流程分析圖。對泵裝置模型進(jìn)行了能量性能、空化性能、飛逸轉速和水力脈動(dòng)的測試。試驗結果表明，在設計流量282 L/s 和揚程4. 7 m 工況下初步優(yōu)化后的泵裝置在葉片安放角-1.3°時(shí)泵裝置效率提高了4%，達到了工程改造的預期目標。采用中高頻動(dòng)態(tài)傳感器HM90 對不同工況的泵裝置水力脈動(dòng)信號進(jìn)行了采集和分析，得出葉輪進(jìn)口和進(jìn)水流道“ω”后壁處的脈動(dòng)受工況的改變影響較小，葉輪進(jìn)口流態(tài)受葉輪旋轉的影響較小，葉輪進(jìn)口的主頻與轉頻相同，蝸殼壓水室的脈動(dòng)主頻與轉頻成倍數關(guān)系。在保證葉輪中心線(xiàn)有足夠淹沒(méi)深度的情況下，泵站能安全可靠運行，該結論為立式蝸殼混流泵機組的穩定運行提供了科學(xué)依據，可為同類(lèi)泵站的改造提供借鑒。

前言

　　泵站工程是重要的水利基礎設施，在大范圍內的農田和區域抗旱、防洪排澇、城鎮供水，污水排放和跨流域調水等方面起著(zhù)關(guān)鍵的作用。結合南水北調東線(xiàn)某低揚程蝸殼混流泵站的更新改造，提出了泵站更新改造的流程分析圖，有計劃地進(jìn)行泵站的水力性能更新改造。當前，國家正在推行大型灌排泵站的更新改造項目，對泵站更新改造制定的流程分析圖及改造的經(jīng)驗可為同類(lèi)泵站的更新改造提供一定的參考價(jià)值。為確保更新改造后的泵站能安全、穩定和高效地運行，需要對改造后的泵站進(jìn)行模型裝置試驗研究。近幾年，學(xué)者們對泵裝置模型試驗的研究主要集中于軸流泵裝置和離心泵裝置試驗研究，而對混流泵模型裝置的試驗研究很少。本文以揚州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗室研發(fā)的混流泵水力模型為基礎，配合原泵站鐘形進(jìn)水流道、雙螺旋蝸殼壓水室和出水流道組合成模型泵裝置，對該泵裝置進(jìn)行能量、空化、飛逸和水力脈動(dòng)試驗，并對試驗結果進(jìn)行分析，為該泵站實(shí)際運行提供有價(jià)值的理論依據。

1、泵站更新改造研究思路

　　該泵站的改造僅限轉輪葉片的重新設計，對進(jìn)、出水流道均不進(jìn)行改造。通過(guò)葉片的重新設計提高泵站運行效率。針對該泵站更新改造的特點(diǎn)，制定了如下的改造分析流程圖，如圖1 所示。首先進(jìn)行鐘形進(jìn)水流道的水力性能計算獲取其出口斷面的流速分布，并將此流速分布作為葉輪設計的入流條件進(jìn)行轉輪的初步設計及CFD 計算分析診斷其內部流態(tài)，若滿(mǎn)足要求則進(jìn)行泵裝置全流道的水力性能計算及外特性預測，若沒(méi)達到工程要求則對水力模型進(jìn)行修正，直至滿(mǎn)足工程要求后進(jìn)行模型試驗，模型試驗結果也滿(mǎn)足要求則提交最終成果，若無(wú)則對轉輪和泵裝置水力計算模型分別進(jìn)行修正。針對該泵站的更新改造，揚州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗室共設計了3 副水力模型，在江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗室的高精度水力機械試驗臺進(jìn)行了兩副水力模型的預研工作，最終優(yōu)化后的一副水力模型參加了河海大學(xué)的同臺測試，并最終應用于實(shí)際泵站的更新改造，經(jīng)更新改造后該泵站現運行情況良好。該泵站的改造思路可為其他泵站的更新改造提供參考。

圖1 泵站改造分析流程

2、泵裝置的CFD 分析

　　泵裝置的整體水力性能不僅取決于水力性能優(yōu)良的進(jìn)、出水流道設計，更取決于水力模型的優(yōu)劣。針對該泵站的更新改造，分別進(jìn)行了泵裝置部分與整體的水力性能數值計算，為模型試驗工作的開(kāi)展奠定基礎。首先基于大型商用CFD 軟件ANSYS CFX 對鐘形進(jìn)水流道進(jìn)行獨立地數值計算，獲取其內部流場(chǎng)及出口斷面的軸向流速分布，數值計算結果如圖2 所示，圖2(b)、(c)和(d)中出口斷面軸向速度分布等值線(xiàn)均以各工況該斷面平均流速為參考值，即vi /vau，其中vi為斷面中各個(gè)節點(diǎn)的軸向速度，v au為斷面的平均軸向速度。鐘形進(jìn)水流道出口斷面的流速分布作為葉輪設計的初始條件之一，采用簡(jiǎn)單徑向平衡流動(dòng)模型和二維葉柵面元法葉片造型初步設計了混流泵轉輪，又因泵站的最低揚程與最高揚程間差4.5m，平均揚程為4.6m，針對該泵站的特點(diǎn)，基于iSIGHT 優(yōu)化設計軟件采用多目標約束函數對初步設計的轉輪進(jìn)行優(yōu)化，最初設計的轉輪如圖3(a)所示、最終優(yōu)化后的轉輪如圖3(b)所示。最后對泵裝置進(jìn)行全流道的三維湍流數值計算，獲得其內部流場(chǎng)，如圖3(c)所示。立式蝸殼混流泵裝置進(jìn)水流道內部流態(tài)良好，無(wú)漩渦、回流出現，但雙螺旋蝸殼壓水室內流態(tài)較差，水力損失較大直接影響了泵裝置的水力性能。在數值計算分析的基礎上，對泵裝置進(jìn)行模型試驗研究。

圖2 鐘形進(jìn)水流道的數值計算

圖3 轉輪優(yōu)化對比及泵裝置內部跡線(xiàn)圖

結論

　　針對泵站的更新改造，提出了一套泵站更新改造的方法，并給出了分析流程圖，對類(lèi)似泵站的更新改造具有借鑒意義。在泵裝置模型試驗前，采用CFD 技術(shù)和iSIGHT 的優(yōu)化平臺進(jìn)行泵裝置和轉輪的前期預研工作是必要的。采用初步優(yōu)化后轉輪的泵裝置在葉片安放角-1.3°，設計揚程工況時(shí)泵裝置效率相比原泵裝置提高了4%，達到了預期目標，在滿(mǎn)足葉輪中心淹沒(méi)深度的條件下，可滿(mǎn)足泵站實(shí)際運行的需要。在葉片安放角0°時(shí)，進(jìn)水流道“ω”后壁和葉輪進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)統計值與揚程的比值，如最大值、最小值和平均值均隨揚程的增加而減小，區間和標準差的變化范圍均很小，進(jìn)水流道“ω”后壁處的主頻為2 倍的轉頻，葉輪進(jìn)口處的主頻與葉輪的轉頻相同，葉輪進(jìn)口側水力脈動(dòng)幅值小于進(jìn)水流道“ω”后壁處。蝸殼壓水室的脈動(dòng)變幅較大，壓力脈動(dòng)各統計參數均未呈現出規律性，各工況中的脈動(dòng)波形未呈現出有規律的周期性，也表明了蝸殼壓水室內的流態(tài)紊亂，大流量工況時(shí)紊動(dòng)大于最優(yōu)工況。在工作揚程范圍內，該泵站的最大飛逸轉速為82.51r/min，為額定轉速的1.1 倍，考慮到葉輪直徑為5.7 m，需做好防止飛逸發(fā)生的工程措施。