不同轉速對軸流泵裝置水力性能的影響研究

闞 闞，鄭 源，孫奧冉

（1.河海大學能源與電氣學院，江蘇省南京市 211100；2.安徽省水利水電勘測設計院，安徽省合肥市 230088）

0 引言

水泵裝置在設計工況下運行高效、穩定，但當其運行環境發生變化時，水泵裝置運行會伴隨著能量性能下降、壓力脈動和振動劇烈等諸多不穩定問題[1-3]。目前，可以通過調節葉輪槳葉角度和調節葉輪轉速兩種方式來對水泵裝置運行工況點進行改變，使得原額定轉速下的非設計工況可以調節為較優運行工況[4，5]。國內外許多學者針對水泵裝置在變槳和變速下的水力性能進行了深入的研究。李允[6]分析了非同步控制下轉槳的水力性能規律，陳會向等[7]研究了槳葉調節對軸流式水輪機甩負荷過渡過程特性的影響，分析內外特性參數的變化規律；近年來，隨著變頻技術的發展和普及，變速調節具有調節方法簡單、效率高等優點，所以變速調節在工程中也獲得了廣泛應用[8]。江磊等[9]對泵站多機組在變頻變速調節下的運行特性進行了優化。全璐瑤[10]提出一種基于虛擬水頭技術的可變速抽水蓄能系統，實現轉速和水頭的雙重調節，并研究其系統功率調節控制策略，通過仿真驗證控制策略的可行性。目前來看，現有研究主要關注于水泵裝置變速下的外特性變化規律，尚未對內流場進行深入的分析；同時針對變速下壓力脈動的研究和分析較少。因此，本文借助計算流體動力學（CFD）方法，對國內某立式軸流泵裝置進行不同轉速下流場的三維模擬，分析了在6種不同轉速的最優工況點下，泵段的壓力場分布和葉輪進出口截面的環量分布。本文研究為水泵裝置在運行工況變化下進行轉速調節提供參考。

1 計算模型及參數

本文研究對象為某低揚程軸流泵模型裝置，計算域包括進水流道、泵段、出水流道，如圖1所示，主要參數如表1所示。泵裝置三維模型在UG軟件中進行建模與裝配。本文對軸流泵裝置在葉輪轉速從1461r/min到731r/min中六種轉速下的最優工況進行分析。

表1 軸流泵模型裝置基本參數Table 1 Parameters of the axial-flow pump model unit

2 計算方法

2.1 網格劃分

采用ICEM CFD軟件對計算域進行網格劃分，考慮到整個模型幾何形狀復雜且不規則，故采用適應性較強的非結構化網格[11]。為提高數值模擬的準確性，對軸流泵的葉片和導葉部分進行局部加密。進行網格無關性驗證，考慮到相同的收斂精度（10-5），確定網格數大于320萬個時，揚程的相對差值在1%以內，綜合考慮計算精度與節省計算資源，確定最終計算網格數為321萬個左右。

2.2 邊界條件

采用ANSYS CFX進行定常和非定常數值模擬，采用k-ε雙方程湍流模型在數值計算中封閉雷諾平均方程[12]。動靜交界面采用凍結轉子法。計算域進口采用質量流量邊界條件，出口采用自由出流邊界條件。固壁面設置為無滑移壁面條件，近壁區使用標準壁面函數[13，14]。在數值計算時，計算殘差設置為10-5，同時對揚程和效率設置監測點。當揚程、效率的監測曲線趨于穩定且殘差值滿足設置的精度時，認為計算滿足要求。

3 轉速對泵段壓力分布的影響

表2所示為不同轉速下，水泵葉輪的最優效率隨轉速下降變化規律。由表2可見，葉輪最優效率會隨著轉速的降低而輕微下降。當轉速下降為額定轉速的50%，葉輪最優效率相比額定轉速下降約0.5%。

表2 水泵葉輪效率隨轉速變化表Table 2 Impeller efficiency under different rotating speeds

如圖2所示為根據試驗結果繪制的軸流泵裝置外特性曲線。從圖2（a）中可以看出，不同轉速下軸流泵裝置的Q-H變化基本一致，揚程均隨著流量的增加而減小，且隨著轉速的降低，流量與揚程曲線坡度逐漸變緩。從圖2（b）可以看出，隨著轉速的減小，泵裝置的高效點逐漸向小流量偏移，水泵的高效區也逐漸變窄。隨著泵轉速偏離額定轉速越遠，其最高的效率與額定轉速下對應的最高效率偏差越大，當轉速為731r/min時，其對應的最高效率為75.39%，小于額定轉速下的最高效率78.19%，其相對偏差為3.6%。

圖2 不同轉速下軸流泵裝置外特性曲線Figure 2 External characteristic curve of the axial flow pump unit under different rotating speed

為分析葉輪及泵裝置最優效率隨著轉速的降低而輕微下降的原因，本文選取從輪轂至輪緣，截取了3個不同葉高處的截面：近輪轂處（r*=0.1）、轉輪中間截面（r*=0.5）和靠近輪緣處（r*=0.9），如圖3所示，對3個截面上的壓力分布進行分析。

圖3 各截面選取示意圖Figure 3 Sketch of selections of each section

圖4和圖5為選取了軸流泵裝置分別在額定轉速1461r/min和一半轉速731r/min的最優工況下，3組不同截面［近輪轂處（r*=0.1）、轉輪中間截面（r*=0.5）和靠近輪緣處（r*=0.9）］上的時均壓力云圖。

從圖4中的時均壓力云圖可以看出，在不同轉速的最優工況點，從輪轂到輪緣3組不同截面上的壓力分布均勻度逐漸變差，壓力梯度變大，壓差增大，葉片翼型做功能力逐漸增強。由于水流對導葉進口端的沖擊作用，導葉的進口端的正面形成了局部的高壓，相對應的在其進口端的背面形成了局部的低壓。當轉速從額定轉速1461r/min逐漸降低至731r/min時，葉片吸力面及壓力面的壓差分布均勻，梯度較小，沒有形成旋渦，出現局部的高壓或低壓，說明此軸流泵具有較好的做功能力。在不同轉速的最優工況點下，葉片吸力面靠近進口前緣的壓力區域逐漸變小，壓力面呈現逐漸增大的趨勢。總體而言，隨著轉速的降低，各轉速最優工況點下，整個截面的壓力逐漸減小，相比其他轉速下，當731r/min時，三個截面處的壓力差達到最小，葉片壓力面與吸力面兩者的壓差減小，葉片對水流提供的力矩減小，軸流泵裝置揚程降低。

圖4 當轉速為1461r/min時，三組截面上的時均壓力云圖Figure 4 Pressure distributions on three sections when the rotating speed is 1461r/min

4 轉速對葉輪進出口速度環量的影響

為了研究轉速對葉輪進出口環量的影響，本文分析了6組轉速下最優工況點的葉輪進、出口截面上的速度環量的分布，如圖6所示。

在葉輪進口截面，雖然入流條件應為均勻流向入流，但由于截面位置較為靠近葉輪，受其旋轉影響，截面上有較小的環量。由于葉輪上圓周線速度隨半徑和轉速的增大而增大，由于無滑移邊界條件的作用，葉輪進口截面的環量也會隨半徑和轉速的增大而增大。同理，在葉輪出口截面的環量也會隨半徑和轉速的增大而增大。注意到葉輪出口截面的環量數值較大，這是由于不同轉速下均為最優工況，不同工況下水體流向入流后，受葉輪作用，在葉輪出口相對速度與絕對速度的夾角均較為接近，也就是速度三角形相似。因此，轉速越大的流動工況，出口截面的環量也會越大。

圖5 當轉速為731r/min時，三組截面上的時均壓力云圖Figure 5 Pressure distributions on three sections when the rotating speed is 731r/min

5 結束語

本文以立式軸流泵裝置為研究對象，對其在葉輪轉速6種轉速下的最優工況進行流動分析。重點分析了效率、葉輪兩側壓力梯度和速度環量隨轉速變化的規律，揭示了立式軸流泵裝置不同轉速運行下的水力特性差異。本文研究為水泵裝置在運行工況變化下進行轉速調節提供參考。

圖6 不同轉速下進出口速度環量對比Figure 6 Comparisons of velocity circulation at inlet and outlet of impeller under different rotating speeds