隔墩對(duì)潛水軸流泵裝置水力性能及壓力脈動(dòng)的影響

楊曉春 張 春 楊春霞

（1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 合肥 230088 2.南京市滁河河道管理處 南京 210048 3.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院 南京 210098）

1 引言

水泵的能量特性、汽蝕狀態(tài)以及泵裝置的效率與進(jìn)水流道的水力性能密切相關(guān)。國(guó)內(nèi)的學(xué)者針對(duì)進(jìn)水流道對(duì)水泵裝置的性能影響已經(jīng)開展了大量的研究。但是關(guān)于進(jìn)水流道內(nèi)部隔墩對(duì)潛水泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)的研究較少。本文將通過對(duì)某潛水軸流泵裝置的進(jìn)水流道有無隔墩進(jìn)行三維流場(chǎng)計(jì)算，研究隔墩對(duì)泵裝置水力性能以及壓力脈動(dòng)的影響，為水泵進(jìn)水流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 模型建立與計(jì)算方法

2.1 三維模型的建立

本文以1600ZQ-125大型潛水軸流泵裝置為研究對(duì)象，該水泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)流量Qr=7.81m3/s，轉(zhuǎn)速為295r/min，水泵設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為2.75m，最高凈揚(yáng)程為4.36m，最低凈揚(yáng)程為0m，最低水泵揚(yáng)程為1.66m。利用三維建模軟件NX UG8.0建立了水泵裝置模型，其計(jì)算域包括：彎肘形進(jìn)水流道、葉輪體、導(dǎo)葉體以及蝸殼形出水流道。為了分析進(jìn)水流道內(nèi)部隔墩對(duì)潛水軸流泵內(nèi)部流態(tài)的影響，在進(jìn)水流道內(nèi)部增設(shè)了隔墩。

為了更好地獲取泵內(nèi)各處壓力脈動(dòng)信息，在葉輪的進(jìn)、出口部位以及導(dǎo)葉體出口共3個(gè)截面上均勻設(shè)置了若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)。葉輪進(jìn)口處由輪轂至輪緣處分別為P1-P4；葉輪出口處由輪轂至輪緣分別為P5-P8；導(dǎo)葉體出口處由輪轂至輪緣分別為G1-G4；當(dāng)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力呈現(xiàn)出周期性變化時(shí)，開始輸出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域信息。

在計(jì)算域部分采用ANSYS前處理軟件ICEM進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，由于該軸流泵模型較為復(fù)雜，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)，采用了適用性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證之后，確定進(jìn)水流道的網(wǎng)格數(shù)為15萬左右，整個(gè)水泵裝置的網(wǎng)格數(shù)為172萬左右，且網(wǎng)格質(zhì)量均控制在0.2以上。

2.2 邊界條件及計(jì)算方法

進(jìn)口邊界條件設(shè)置為流量進(jìn)口，出口設(shè)置為自由出流，壁面設(shè)置為無滑移壁面，不考慮壁面粗糙度對(duì)流場(chǎng)的影響。湍流模型選用RNG k-ε模型，計(jì)算精度設(shè)置為10-4。對(duì)水泵裝置進(jìn)行定常數(shù)值模擬時(shí)，葉輪區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)參考系，其他過流區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

為了分析進(jìn)水流道隔墩對(duì)水力性能的影響，在數(shù)值計(jì)算時(shí)，選取了3個(gè)工況點(diǎn)，其中，1為最大揚(yáng)程工況，2為設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況，3為最小揚(yáng)程工況。其隔墩設(shè)置情況見表1。

3.1 進(jìn)水流道出口斷面的軸向速度分布均勻度

進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)應(yīng)為葉輪提供均勻的流速分布和壓力分布進(jìn)水條件。進(jìn)水流道的出口就是葉輪室的進(jìn)口，其軸向速度分布均勻度Vzu反映了進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)質(zhì)量，Vzu越接近100%，表明進(jìn)水流道的出口水流的軸向流速分布越均勻，水力性能越好。其計(jì)算公式如下：

表1 數(shù)值計(jì)算工況點(diǎn)表

圖1 軸向速度分布均勻度與工況點(diǎn)關(guān)系圖

式中：

Vzu—流道出口斷面軸向流速分布均勻度，%；

uai—流道出口斷面各計(jì)算單元的軸向速度，m/s；

n—出口斷面上的計(jì)算單元個(gè)數(shù)。

肘形進(jìn)水流道出口斷面的軸向速度分布均勻度與各工況點(diǎn)關(guān)系曲線如圖1所示。隨著流量的增加，肘形進(jìn)水流道出口斷面的速度分布均勻度逐漸提高，增設(shè)隔墩并未影響軸向速度分布均勻度的規(guī)律性。設(shè)置有隔墩時(shí)，各工況下的軸向速度分布均勻度與不設(shè)隔墩相比均有所提高。說明在進(jìn)水流道內(nèi)部設(shè)置隔墩，能夠有效地改善葉輪進(jìn)口部分的速度分布的均勻度，使得水流更均勻地流入葉輪體。

3.2 進(jìn)水流道出口斷面的速度加權(quán)平均角

若進(jìn)水流道出口有橫向流速存在，將會(huì)改變水泵設(shè)計(jì)進(jìn)水條件，影響水泵的能量特性，為此引入速度加權(quán)平均角度來衡量。值越接近90°，出口水流越接近垂直于出口斷面，葉輪室的進(jìn)水條件越好。其計(jì)算公式如下：

式中：

vai—流道出口斷面各計(jì)算單元的軸向速度，m/s；

vti—流道出口斷面各計(jì)算單元的橫向速度，m/s。

不同工況時(shí)，肘形進(jìn)水流道出口斷面的速度加權(quán)平均角隨著流量的增加而提高，并且有無隔墩時(shí)分布規(guī)律相同。在增設(shè)隔墩時(shí)，速度加權(quán)平均角比未設(shè)隔墩時(shí)，更加接近90°，說明增設(shè)隔墩后葉輪室的進(jìn)水條件較好（見圖2）。

圖2 速度加權(quán)平均角與工況點(diǎn)關(guān)系圖

表2 彎肘形進(jìn)水流道水力損失表

3.3 進(jìn)水流道的水力損失

增設(shè)隔墩能有效地提高水流的分布狀態(tài)，改善葉輪進(jìn)口處的進(jìn)水條件，但隔墩的存在會(huì)對(duì)進(jìn)水流道的水力損失產(chǎn)生影響。

對(duì)彎肘形進(jìn)水流道的進(jìn)、出口斷面采用質(zhì)量流量加權(quán)平均法計(jì)算該斷面的總能量，按公式（3）計(jì)算得到肘形進(jìn)水流道的水力損失Δh，見表2。

式中：下標(biāo)1、2—流道進(jìn)口和出口；

Ai—各微元的面積，m2；

vai—垂直與斷面的流速，m/s；

ρ—水體密度，kg/m3。

由表2可見，在有隔墩和無隔墩時(shí)，進(jìn)水流道的水力損失都隨著揚(yáng)程的減小（流量的增加）而增大，主要原因是隨著流量的增加，水流通過既定斷面的流速增加，從而導(dǎo)致水力損失增加。

流道的水力損失直接影響到水泵裝置效率，是評(píng)價(jià)進(jìn)、出水流道的一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以流道阻力系數(shù)S作為比較的依據(jù)，計(jì)算公式為：

式中：S—流道阻力系數(shù)，s2/m5；

Δh—流道的水頭損失，m；

Q —流道的過流流量，m3/s。

由表3可見，隨著揚(yáng)程的降低（流量的提高），水力損失系數(shù)增大。增加隔墩后，流道阻力系數(shù)顯著增大，將會(huì)影響水泵裝置的效率。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在增設(shè)隔墩之后，進(jìn)水流道內(nèi)部的水力損失明顯增加，且增加幅度大，說明在進(jìn)水流道內(nèi)加設(shè)隔墩會(huì)影響水泵內(nèi)部的損失。進(jìn)水流道水力損失的增加主要是由于隔墩的存在減小了過流面積，使得水流流速增加所引起的。

3.4 非定常壓力脈動(dòng)特性

3.4.1 進(jìn)水流道無隔墩

設(shè)計(jì)工況下葉輪進(jìn)口處，壓力脈動(dòng)幅值沿著輪轂到輪緣逐步遞增。壓力脈動(dòng)主頻為3倍的轉(zhuǎn)頻，即為葉片通過頻率。說明葉輪進(jìn)口前壓力脈動(dòng)主要受到轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪的影響。

葉輪出口處的壓力脈動(dòng)幅值沿著輪轂到輪緣逐步遞減。壓力脈動(dòng)的主頻為3倍的轉(zhuǎn)頻，約為14.75Hz，即為葉片通過頻率。說明葉輪出口前壓力脈動(dòng)主要受到轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪的影響。

表3 彎肘形進(jìn)水流道阻力系數(shù)表

導(dǎo)葉體出口處壓力脈動(dòng)幅值沿著輪轂到輪緣逐步遞增。壓力脈動(dòng)主頻為一低頻。說明導(dǎo)葉體出口處壓力脈動(dòng)主要受到低頻壓力脈動(dòng)的影響。

3.4.2 進(jìn)水流道設(shè)有隔墩

進(jìn)水流道設(shè)有隔墩時(shí)，設(shè)計(jì)工況下葉輪進(jìn)口處壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)出規(guī)律的周期性波動(dòng)。壓力脈動(dòng)幅值沿著輪轂到輪緣逐步遞增。壓力脈動(dòng)主頻為3倍的轉(zhuǎn)頻，即為葉片通過頻率。說明葉輪進(jìn)口前壓力脈動(dòng)主要受到轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪的影響。

葉輪出口處的壓力脈動(dòng)幅值沿著輪轂到輪緣逐步遞減。壓力脈動(dòng)的主頻為3倍的轉(zhuǎn)頻，即為葉片通過頻率。說明葉輪出口前壓力脈動(dòng)主要受到轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪的影響。

導(dǎo)葉體出口處壓力脈動(dòng)幅值沿著輪轂到輪緣逐步遞增。壓力脈動(dòng)主頻為一低頻。說明導(dǎo)葉體出口處壓力脈動(dòng)主要受到低頻壓力脈動(dòng)的影響。

增設(shè)隔墩前后，葉輪進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)遵循著類似的規(guī)律，從輪轂到輪緣的方向上，壓力脈動(dòng)逐漸增加，但在靠近輪轂處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1處設(shè)置隔墩時(shí)，壓力脈動(dòng)幅值有所降低。在葉輪出口處，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)規(guī)律和幅值均有著相似的變化規(guī)律。在增設(shè)隔墩后，導(dǎo)葉體出口處，靠近輪緣處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)G5處的主頻由原來的低頻轉(zhuǎn)化為葉片通過頻率，使該水泵在導(dǎo)葉段出口處主要受到了葉輪的影響。

4 結(jié)論

本文以潛水軸流泵裝置為研究對(duì)象，通過對(duì)該泵裝置的全流道數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比分析了進(jìn)水流道內(nèi)有無隔墩對(duì)水泵裝置水力性能以及壓力脈動(dòng)的影響，得出了以下結(jié)論：

（1）在進(jìn)水流道內(nèi)部設(shè)置隔墩，使得肘形進(jìn)水流道出口斷面的平均軸向速度分布均勻度有所提高，平均軸向速度分布均勻度更均勻，改善了葉輪室的進(jìn)水條件，改善進(jìn)水流道內(nèi)部水流的流態(tài)。

（2）在彎肘形進(jìn)水流道內(nèi)部設(shè)置隔墩時(shí)，由于進(jìn)水流道內(nèi)部的過流面積減少，使得水流流速增加，因此，與無隔墩相比，水泵裝置內(nèi)部的水力損失有所增加。

（3）設(shè)計(jì)工況下，葉輪進(jìn)口、導(dǎo)葉體出口處壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值均沿著輪轂到輪緣的逐漸增加；葉輪進(jìn)、出口處的壓力脈動(dòng)主頻為葉片通過頻率（14.75Hz）；導(dǎo)葉體出口處的主頻為低頻壓力脈動(dòng)。增設(shè)隔墩前后，泵裝置內(nèi)壓力脈動(dòng)規(guī)律基本保持不變，但壓力脈動(dòng)幅值有所降低■