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(chǔ)上開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。對泵裝置模型進行了能量性能、空化性能、飛逸轉(zhuǎn)速和水力脈動的測試。試驗結(jié)果表明，在設(shè)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°時泵裝置效率提高了4%，達到了工程改造的預(yù)期目標。采用中高頻動態(tài)傳感器HM90 對不同工況的泵裝置水力脈動信號進行了采集和分析，得出葉輪進口和進水流道“ω”后壁處的脈動受工況的改變影響較小，葉輪進口流態(tài)受葉輪旋轉(zhuǎn)的影響較小，葉輪進口的主頻與轉(zhuǎn)頻相同，蝸殼壓水室的脈動主頻與轉(zhuǎn)頻成倍數(shù)關(guān)系。在保證葉輪中心線有足夠淹沒深度的情況下，泵站能安全可靠運行，該結(jié)論為立式蝸殼混流泵機組的穩(wěn)定運行提供了科學依據(jù)，可為同類泵站的改造提供借鑒。

前言

　　泵站工程是重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施，在大范圍內(nèi)的農(nóng)田和區(qū)域抗旱、防洪排澇、城鎮(zhèn)供水，污水排放和跨流域調(diào)水等方面起著關(guān)鍵的作用。結(jié)合南水北調(diào)東線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)驗可為同類泵站的更新改造提供一定的參考價值。為確保更新改造后的泵站能安全、穩(wěn)定和高效地運行，需要對改造后的泵站進行模型裝置試驗研究。近幾年，學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。本文以揚州大學江蘇省水利動力工程重點實驗室研發(fā)的混流泵水力模型為基礎(chǔ)，配合原泵站鐘形進水流道、雙螺旋蝸殼壓水室和出水流道組合成模型泵裝置，對該泵裝置進行能量、空化、飛逸和水力脈動試驗，并對試驗結(jié)果進行分析，為該泵站實際運行提供有價值的理論依據(jù)。

1、泵站更新改造研究思路

　　該泵站的改造僅限轉(zhuǎn)輪葉片的重新設(shè)計，對進、出水流道均不進行改造。通過葉片的重新設(shè)計提高泵站運行效率。針對該泵站更新改造的特點，制定了如下的改造分析流程圖，如圖1 所示。首先進行鐘形進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(shè)計的入流條件進行轉(zhuǎn)輪的初步設(shè)計及CFD 計算分析診斷其內(nèi)部流態(tài)，若滿足要求則進行泵裝置全流道的水力性能計算及外特性預(yù)測，若沒達到工程要求則對水力模型進行修正，直至滿足工程要求后進行模型試驗，模型試驗結(jié)果也滿足要求則提交最終成果，若無則對轉(zhuǎn)輪和泵裝置水力計算模型分別進行修正。針對該泵站的更新改造，揚州大學江蘇省水利動力工程重點實驗室共設(shè)計了3 副水力模型，在江蘇省水利動力工程重點實驗室的高精度水力機械試驗臺進行了兩副水力模型的預(yù)研工作，最終優(yōu)化后的一副水力模型參加了河海大學的同臺測試，并最終應(yīng)用于實際泵站的更新改造，經(jīng)更新改造后該泵站現(xiàn)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、出水流道設(shè)計，更取決于水力模型的優(yōu)劣。針對該泵站的更新改造，分別進行了泵裝置部分與整體的水力性能數(shù)值計算，為模型試驗工作的開展奠定基礎(chǔ)。首先基于大型商用CFD 軟件ANSYS CFX 對鐘形進水流道進行獨立地數(shù)值計算，獲取其內(nèi)部流場及出口斷面的軸向流速分布，數(shù)值計算結(jié)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為斷面中各個節(jié)點的軸向速度，v au為斷面的平均軸向速度。鐘形進水流道出口斷面的流速分布作為葉輪設(shè)計的初始條件之一，采用簡單徑向平衡流動模型和二維葉柵面元法葉片造型初步設(shè)計了混流泵轉(zhuǎn)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，基于iSIGHT 優(yōu)化設(shè)計軟件采用多目標約束函數(shù)對初步設(shè)計的轉(zhuǎn)輪進行優(yōu)化，最初設(shè)計的轉(zhuǎn)輪如圖3(a)所示、最終優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪如圖3(b)所示。最后對泵裝置進行全流道的三維湍流數(shù)值計算，獲得其內(nèi)部流場，如圖3(c)所示。立式蝸殼混流泵裝置進水流道內(nèi)部流態(tài)良好，無漩渦、回流出現(xiàn)，但雙螺旋蝸殼壓水室內(nèi)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(shù)值計算分析的基礎(chǔ)上，對泵裝置進行模型試驗研究。

圖2 鐘形進水流道的數(shù)值計算

圖3 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化對比及泵裝置內(nèi)部跡線圖

結(jié)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)化平臺進行泵裝置和轉(zhuǎn)輪的前期預(yù)研工作是必要的。采用初步優(yōu)化后轉(zhuǎn)輪的泵裝置在葉片安放角-1.3°，設(shè)計揚程工況時泵裝置效率相比原泵裝置提高了4%，達到了預(yù)期目標，在滿足葉輪中心淹沒深度的條件下，可滿足泵站實際運行的需要。在葉片安放角0°時，進水流道“ω”后壁和葉輪進口處的壓力脈動統(tǒng)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(qū)間和標準差的變化范圍均很小，進水流道“ω”后壁處的主頻為2 倍的轉(zhuǎn)頻，葉輪進口處的主頻與葉輪的轉(zhuǎn)頻相同，葉輪進口側(cè)水力脈動幅值小于進水流道“ω”后壁處。蝸殼壓水室的脈動變幅較大，壓力脈動各統(tǒng)計參數(shù)均未呈現(xiàn)出規(guī)律性，各工況中的脈動波形未呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期性，也表明了蝸殼壓水室內(nèi)的流態(tài)紊亂，大流量工況時紊動大于最優(yōu)工況。在工作揚程范圍內(nèi)，該泵站的最大飛逸轉(zhuǎn)速為82.51r/min，為額定轉(zhuǎn)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。