帶轉輪泵的頂蓋取水裝置流動特性研究

張惟斌，韓　濤，江啟峰，唐　健，趙　璽

(1.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川成都610039；

2.映秀灣水力發電總廠，四川都江堰611800 )

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帶轉輪泵的頂蓋取水裝置流動特性研究

張惟斌1，韓濤2，江啟峰1，唐健1，趙璽1

(1.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川成都610039；

2.映秀灣水力發電總廠，四川都江堰611800 )

摘要：為研究帶轉輪泵的頂蓋取水裝置取水裝置的內部流動特性，以漁子溪電站水輪發電機組的頂蓋取水裝置為例，針對其額定運行工況，采用基于有限元的有限體積法，結合CFD軟件平臺，對取水裝置內部的流場分布和主軸密封真空度進行了數值計算，并將部分計算結果與現場測量數據進行對比，驗證了數值計算方法的可靠性。在此基礎上，針對變轉速和變流量工況，分析了該取水裝置的主軸密封真空度，轉輪泵的揚程、軸功率和效率等的變化規律。結果表明，如果要保證主軸密封內全域無水運行，對于漁子溪電站，水輪機轉輪上止漏環密封出口處的壓力要小于推薦值(約為0.55 MPa)；計算同時發現，轉輪泵揚程隨轉速變大而變大，而隨流量變大而變小，其流動損失較大，水力效率較低。

關鍵詞：頂蓋取水裝置；轉輪泵；內特性；外特性

0引言

在水頭為80 m以上的混流式水輪發電機組中，目前廣泛采用頂蓋取水方式。頂蓋取水用于機組冷卻器，具有水質較好，水壓合適，節能環保等優點。在頂蓋取水的方式中，為了處理主軸密封處的漏水，常常在上冠上部或主軸法蘭上，設轉輪泵(多為葉片泵)結構，將漏入主軸密封下部的水排出至頂蓋取水裝置，降低主軸密封內的水壓，改善其工作條件。

在上述結構中，主軸的工作密封采用無接觸間接式密封，見圖1。在機組正常運轉時，轉輪泵的離心作用使主軸密封不接觸水，主軸密封是干的。從水輪機上止漏環處流出的泄漏水，通過轉輪泵裝置排至頂蓋取水管。在機組低于額定轉速運轉時，泄露水可能會到達主軸密封，主軸密封在短期內類似迷宮密封環工作，此時位于每個迷宮密封環之間的虹吸型管將密封滲漏的水引接至電站集水井。機組停機時，主軸密封下方的空氣圍帶靜密封可防止泄漏水漏過主軸密封體。

在這種結構中，轉輪泵主要作用是在正常運行過程中防止壓力水進入主軸密封中，使得主軸和主軸密封體均不沾水，從而使得密封體有極長的使用壽命，而且不需要潤滑和冷卻。

圖1　帶有轉輪泵的頂蓋取水裝置示意

目前對于這種轉輪泵+無接觸間接式主軸密封結構的頂蓋取水方式，研究大多涉及結構設計和經驗計算[1- 6]，對轉輪泵及頂蓋取水裝置的內部流動過程研究較少。本文以漁子溪水電站轉輪泵及無接觸間接式主軸密封的頂蓋取水方式為例，對帶轉輪泵的頂蓋取水裝置的流體動力性能進行研究。

1流體動力模型

1.1計算模型分析

帶轉輪泵的頂蓋取水裝置中的轉輪泵主要由隨主軸一起旋轉的動葉和靜止的泵腔兩部分組成，其結構與離心泵類似，動葉為平板結構。機組正常運行時，轉輪泵動葉隨水輪機轉輪一起旋轉，在轉輪泵的進口形成負壓，將主軸密封中的漏水從吸入口吸入到轉輪泵的泵腔內，泵腔中的流體在離心力等的作用下經由轉輪出口被甩出到頂蓋取水裝置中。從而使得主軸密封內保持無水狀態，工作原理見圖2。

圖2　工作原理示意

通過以上分析可知，為了計算轉輪泵內的流動特性，需要對轉輪泵、主軸密封漏水處、上止漏環漏水處和頂蓋四部分進行建模和計算。根據圖紙，通過三維建模軟件UG，建立了流道的三維幾何模型，如圖3所示。

圖3　全流道三維幾何模型

1.2控制方程及湍流模型

帶轉輪泵的頂蓋取水裝置內部流體的流動受到連續性方程和動量方程的約束，見式(1)、(2)

(1)

(2)

式中，ρ為流體的密度;ui為流體的時均速度;fi為體積力分量;P為折算壓力;μ為粘性系數;μt為湍動粘度。

根據頂蓋取水裝置內部高應變率和流線彎曲程度較大的流動特點，基于Boussinesq渦粘性系數的假定，采用RNG k-ε湍流模型來確定動量方程(2)中的粘性系數，RNG k-ε湍流模型的控制方程為

(3)

(4)

式(3)、(4)中，Gk為湍流動能的生成項；αk, αε分別為k方程和ε方程的湍流Prandtl數；C1ε、C2ε是已確定的模型常量。模型的近壁區采用標準壁面函數模型修正。

1.3計算邊界條件設置

無接觸間接式主軸密封在正常運行時無水，其流量為0；水輪機上止漏環密封漏水量[3]為100 kg/s，水輪機上止漏環密封處壓力由引出的測壓管現場測得，其壓力約為0.7 MPa；頂蓋取水口管路壓力現場測得約為0.6 MPa。

根據上述條件，數值計算邊界條件設置為：上止漏環密封斷面為圓環面，邊界條件為開放邊界，給定功率P=0.7 MPa；主軸密封漏水處為圓環面，設置為質量流量進口，給定質量流量；頂蓋取水管有兩個，應用質量流量進口，湍流強度為1%；轉輪泵設計轉速和水輪機轉速相同，為500 r/min，俯視順時針旋轉；環境壓力取1個大氣壓；固壁采用無滑移邊界條件。

2數值計算結果及分析

2.1正常運轉時內部流動特性分析

首先將現場試驗數據和數值模擬數據進行對比，在水輪機上止漏環密封漏水量為100 kg/s、壓力為0.7 MPa時，數值模擬得到頂蓋取水口平均壓力為0.61 MPa，和現場測得0.6 MPa左右的數據比較吻合，模擬結果可靠。

通過數值模擬計算發現，轉輪泵葉片表面壓力從葉片進水邊的0.25 MPa逐漸增大到葉片出水邊的0.61 MPa，壓力隨葉片半徑逐漸增大，如圖4所示。泵腔內部壓力沿圓周方向分布均勻。從進口到出口，壓力梯度呈線形增大，見圖5。轉輪泵出口最大壓力為0.59 MPa，見下圖6，最大值位置在轉輪泵出水口處，見圖中標號14處。

圖4　轉輪泵葉片表面壓力分布示意

圖5　轉輪泵泵腔內部截面上壓力分布示意

圖6　轉輪泵轉輪表面壓力分布示意

轉輪泵原理類似離心泵，主要通過葉片旋轉來使流體獲得能量。由于轉輪泵進口和一般的離心泵不同，采用從進口圓筒擋板上開16個小孔作為流體進口，因而進口處流動損失較大。另外，由于主軸密封的漏水量較小，轉輪泵工作在小流量區，也使得流動損失較大。從圖7可以看出，轉輪泵共有8個直葉片，在每兩個葉片間區域，均存在2個旋向相反的較明顯的旋渦。由于轉輪泵的旋轉方向為順時針方向，從圖中可以看出，貼近葉片壓力面的旋渦較大，為逆時針旋轉，較明顯，貼近葉片吸力面的旋渦則較小，為順時針旋轉，較不明顯。

圖7　轉輪泵的泵腔截面上旋渦分布矢量

2.2上止漏環漏水壓力變化情況下主軸密封處真空度分析

轉輪泵正常工作時，主軸和主軸密封體不沾水，從而使得密封體有極長的使用壽命。也即要保證主軸密封體處產生一定的真空度，而該真空度由轉輪泵來保證。為了分析主軸密封處的真空度變化規律，在其他參數(流量、轉速等)不變的情況下，分別針對不同的當水輪機上止漏環漏水壓力進行計算。當漏水壓力分別為0.4、0.5、0.6、0.7 MPa時，計算得出主軸密封出口壓力分別為-0.035、0.064、0.16、0.26 MPa?？梢钥闯?，隨著水輪機上止漏環密封漏水壓力的增大，主軸密封出口處的壓力也不斷增大。由于大氣壓為0.1 MPa，因此在上止漏環密封出口壓力≤0.5 MPa時，主軸密封出口處的壓力低于大氣壓，此時主軸密封體全區域均不沾水。在上梳齒密封出口壓力≥0.6 MPa時，主軸密封出口處的壓力高于大氣壓，此時主軸密封體在接近轉輪泵一端會有部分密封腔內有水滲入。上梳齒密封出口壓力越高，則主軸密封體中滲入水的密封腔也越多。此時，由于有水的存在，會縮短主軸密封的使用壽命。

通過對上述數據插值計算，建議水輪機上止漏環密封壓力<0.55 MPa，此時主軸密封出口處的壓力<0.1 MPa，也即小于大氣壓力，此時可以保證主軸密封體中無水。事實上，該電站水輪機上止漏環密封出口處的設計壓力為0.5 MPa，但是由于上止漏環密封已運行多年，漏水量和漏水壓力均已高于設計值。

2.3轉輪泵變轉速情況下內部各處壓力特性分析

機組運行時，水輪機上止漏環密封漏水取自水輪機轉輪和座環間隙。漏水量和導葉開度及水頭相關，而轉速也和導葉開度及水頭有關，即不同的上止漏環漏水量對應不同的轉速。此處為了分析方便，假定流量(即上止漏環密封漏水量)不變，分析不同轉速下該頂蓋取水裝置的流動特性。

表1為轉輪泵在不同轉速下各處壓力值，可以看出，隨著轉速的增大，轉輪泵進出口壓力差也逐漸變大。由于額定轉速為500 r/min，此時的轉輪泵進出口壓力差為0.392 MPa。從表2中也可以看出，轉輪泵出口壓力基本維持在0.635 MPa左右，這是因為在在數值計算時，水輪機上止漏環密封處的漏水壓力恒為0.7 MPa，從上止漏環密封處到轉輪泵出口這段管路的水力損失(也即壓降)基本是恒定的。表1也間接驗證了表1中主軸密封處真空度的特性：當水輪機上止漏環密封處的漏水壓力達到0.7 MPa時，要想保證水輪機主軸密封在運行中無水，則需要轉輪泵的轉速達到600 r/min以上。

表1轉輪泵在不同轉速下各處壓力值

轉輪泵轉速/r·min-1主軸密封漏水壓力/MPa轉輪泵進口壓力/MPa轉輪泵出口壓力/MPa進出口壓力差/MPa3000.4960.4950.6400.1454000.3780.3760.6350.2595000.2530.2460.6370.3926000.06480.06180.6320.570

2.4轉輪泵變流量情況下軸功率、效率等外特性分析

為了獲得轉輪泵的外特性，進而獲得整個頂蓋取水裝置的流動特性，下面針對變流量情況下頂蓋取水裝置進行計算，計算結果見圖8。

圖8　轉輪泵特性曲線

圖8中橫坐標為流量(即上止漏環密封漏水量)，縱坐標從左到右分別為揚程、軸功率和效率。從圖中可以看出，隨著流量的增大，揚程逐漸變小，但變化不大，在38～39 m之間；隨著流量的增大，軸功率和效率均逐漸變大，在流量為1 800 L/min時，軸功率約為100 kW，效率約為11%。結合前述分析，由于轉輪泵主要在小流量工況下工作，且進口流動損失較大，因此長期工作在低效率區。

3結論

本文以漁子溪電站頂蓋取水裝置為例，結合現場測量數據，采用CFD方法，對帶轉輪泵的頂蓋取水裝置的流體動力性能進行研究。得出以下結論：

(1) 在帶轉輪泵的頂蓋取水裝置中，當轉輪泵的吸入流量和轉速不變時，轉輪泵的揚程是恒定的，此時，要保證主軸密封全域無水，水輪機轉輪上止漏環密封出口處的壓力必須低于某一限定值。對于漁子溪電站，該值為0.55MPa。

(2)帶轉輪泵的頂蓋取水裝置中的轉輪泵，其結構類似開式離心泵，由于主要工作在小流量區，加之葉片為直葉片、吸入口結構特殊等因素，水力損失較大，水力效率較低，一般<12%。

(3) 帶轉輪泵的頂蓋取水裝置中的轉輪泵，在小流量區，揚程隨流量變化不大，對于漁子溪電站，該值基本維持在39 m左右；揚程隨轉速變化明顯，對于漁子溪電站，轉速達到600 r/min時，揚程可達57 m。

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(責任編輯高瑜)

Research on Fluid Dynamic Performances of Water Taking Device from Head Cover Including Rotary Pump

ZHANG Weibin1, HAN Tao2, JIANG Qifeng1, TANG Jian1, ZHAO Xi1

(1. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery of Ministry of Education, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China;2. Yingxiuwan General Hydropower Plant, Dujiangyan 611800, Sichuan, China)

Abstract:For studying the internal fluid dynamic performances of water taking device from head cover which includes rotary pump, the water taking device from head cover in Yingxiuwan Hydropower Station under rated operation condition is researched by using finite volume method based on finite element and CFD software. The internal flowing characteristics of water taking device and the vacuum of main shaft sealing are numerically calculated, and the results are compared with field test data. The comparison validates the reliability of numerical simulation. The change laws of the vacuum of main shaft sealing and the head, shaft power and efficiency of rotary pump under variable speed and variable flow operation conditions are also calculated. The results show that, for Yingxiuwan Hydropower Station, if the pressure in the outlet of turbine runner crown seal ring is less than 0.55 MPa, the main shaft sealing will keep operating in a whole no-water environment. Meanwhile, the head of rotary pump will increase with rotating speed increase and decrease as flow increase, and the efficiency of rotary pump is lower because of higher fluid resistance losses．

Key Words:water taking device from head cover; rotary pump; internal characteristics; external characteristics

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)01- 0066- 04

作者簡介：張惟斌(1982—)，男，河南鎮平人，實驗師，研究方向為流體及動力機械的數字化設計．

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51379179)；國家自然科學基金資助項目(51279172)；流體及動力機械教育部重點實驗室開放基金項目(szjj2011- 006)

收稿日期：2015- 03- 06