大型立式潛水泵水力模型及模型試驗研究

陳 洋

（1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司，上海 200439；2.上海寶山人力資源有限公司，上海 201900）

0 引 言

立式潛水泵是一體式泵組，它具有泵組結構緊湊，土建結構簡單、安裝方便和運行噪音小等特點［1］。目前，中小型的立式潛水泵機組在市政工程和水利行業應用已經較為廣泛，但大型機組使用較少。

常規大型泵選型一般根據泵相似定律，采用等揚程方法或參考比轉速接近的水力模型，將模型泵段參數或泵裝置參數的特性換算成實型泵參數。國內學者對常規大型水泵的選型研究已開展較多，謝傳流等［2］以立式軸流泵模型試驗為基礎，分析了軸流泵葉輪的選型方法；張中東等［3］針對黃金峽大型單級單吸離心泵機組選型詳細論證了水泵機組性能參數的確定方法及其影響因素；一些水利工作者對南水北調工程及一些大中型的立式軸流泵、燈泡貫流泵、豎井貫流泵、虹吸式出水豎井貫流泵等泵裝置進行了選型與優化設計研究［4-9］。這些選型及裝置研究均針對的是已有的成熟泵段的水力模型。另有部分學者針對燈泡貫流泵和潛水貫流泵機組性能開展過一些研究，如梁豪杰等［10］對低比轉速燈泡貫流泵進行模型優化并試驗驗證；趙文龍等［11］運用CFD 數值模擬方法設計了適用于7～10 m 高揚程的定槳式燈泡貫流泵；劉浩然等［12］對低揚程燈泡貫流泵水力特性及內部流場進行了數值模擬研究；施偉等［13］采用CFD 技術研究不同工況下某南水北調泵站后置燈泡貫流泵葉輪導葉壓力脈動規律；戴景等［14］以南水北調東線淮安三站后置燈泡貫流泵裝置為研究對象，計算并分析了不同的前導葉體葉片位置對進水流道水力性能以及泵裝置能量特性的影響；張仁田等［15］對南水北調東線一期工程中4種不同結構型式的燈泡貫流泵的主要特點進行了定性和定量分析；夏臣智等［16］采用CFD 方法研究潛水貫流泵裝置不同過流部件形式對水力性能的影響，并進行試驗驗證；楊帆等［17］分析了潛水貫流泵燈泡體段對泵裝置正反向運行的影響；陸偉剛等［18］提出了電動機前置的新型潛水貫流泵裝置型式。以上這些研究對象均為臥式機組結構型式，立式與臥式機組安裝結構相似但又不盡相同，盛建萍等［19］采用CFD技術與優化算法相結合的方法對立式潛水軸流泵葉輪進行優化設計；陳斌等［20］基于輪轂比對立式潛水軸流泵進行優化設計；另有針對深井潛水泵、小型潛水泵的數值模擬、測試和壓力脈動研究［21-23］。然而目前針對大功率立式潛水泵的研究并不多見。隨著社會進步及經濟規模的發展，國民經濟各部門對使用潛水泵的功率、流量和揚程都提出大型化的迫切要求。

1 研究對象

根據調研，部分大型立式潛水泵業績如表1所示。立式潛水電機功率1 200 kW 的應用實例極少，目前最大應用實例為2013年投入使用的安徽梅隴三站，其水泵口徑1 800 mm，葉輪直徑為1 650 mm，功率850 kW。

表1 國內部分大型立式潛水泵業績（10 kV）Tab.1 Performance of some large vertical submersible pumps in China（10 kV）

由于受空化性能限制（nD值）［24］，當潛水泵大型化后，水泵轉速降低，使得直連電機尺寸偏大，即使配備行星齒輪減速器，電機的體積仍然較大，這會影響泵裝置內部流態，降低機組的運行效率，甚至增加振動，帶來破壞性影響。本文以安徽某大型立式潛水泵站為例對水泵選型參數、導葉匹配CFD 計算及裝置模型試驗測試進行相關研究分析。泵站規模66 m3/s，采用6臺立式潛水混流泵機組，單泵流量11.00 m3/s，運行凈揚程2.7～9.5 m，水泵葉輪直徑1 870 mm，水泵轉速210 r/min，電機功率1 250 kW。

圖2 原型水泵裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of prototype pump device

2 立式潛水泵選型及導葉匹配計算

2.1 設計選型

泵段與泵裝置參數存在一定的數理關系，但由于未有此規模的大型立式潛水泵類似裝置的測試數據。選型水力模型采用泵段模型，安徽目前應用最大的立式潛水泵泵站是梅龍三站，采用的水泵水力模型為350HDB-50A，經過多年運行檢驗。另外，從南水北調天津同臺測試的模型中優選TJ11-HL-04 和TJ11-HL-05 水力模型分別進行換算。這3 個水力模型的選型計算結果見表2。可見，3 個水力模型均能滿足泵站高效、穩定的運行要求。在平均揚程和最低揚程工況下，TJ11-HL-05 水力模型效率較其余兩個模型略低；在設計揚程和最大揚程工況下，3 個水力模型水泵效率相當；350HDB-50A 轉輪直徑較大，整體經濟性略差。經綜合考慮，采用TJ11-HL-04 模型較合適。采用TJ11-HL-04 泵段模型換算的原型泵性能曲線如圖3所示。

表2 選型參數比較表Tab.2 Comparison table of selection parameters

圖3 原型泵段預想綜合特性曲線Fig.3 Comprehensive characteristic curve of prototype pump section

2.2 潛水泵導葉匹配

2.2.1 立式潛水泵水力模型的特點及導葉匹配

設計選型的水力模型為泵段模型，葉輪和導葉共同決定了泵段的基本性能參數。導葉的作用主要是消除葉輪出口旋轉的速度環量，將速度能轉換為壓力能。而大型立式潛水泵的結構特點與常規立式泵存在顯著差異，如圖4所示，常規優秀的泵段水力模型由于導葉結構形式與潛水泵結構上不匹配，直連傳動的潛水泵電機的體積或減速傳動的行星齒輪箱的尺寸均較常規泵段水力模型的導葉內筒體大。常規泵段的水力模型結構上不適合直接應用于大型立式潛水泵機組。目前，大型潛水混流泵泵站也未有成熟水力模型可供選型使用，因此本文匹配了針對該大型立式潛水泵的水力模型。在選取目標葉輪和給定的控制尺寸約束條件下，重新匹配導葉。導葉數量、進口角、出口角、高度等結構參數的選擇參照TJ11-HL-04 模型導葉，型線利用Bladegen 軟件參數化建模［25］，根據特征工況點進行CFD計算。計算過程暫不計葉輪葉頂間隙和表面粗糙度的影響。

圖4 常規混流泵與潛水混流泵泵段結構對比Fig.4 Structure comparison between mixed flow pump and submersible mixed flow pump

2.2.2 CFD計算分析

根據CFD 計算結果，統計得到各流量工況下的泵裝置性能如圖5所示。設計工況點流量11.08 m3/s，裝置揚程7.5 m，裝置效率約76.6%。流量13 m3/s 時，裝置揚程6.5 m，裝置效率最高約80.1%。

圖5 CFD計算的泵裝置性能曲線Fig.5 Performance curve of pump device calculated by CFD

如圖6所示，分別展示了設計流量（11 m3/s）和大流量工況（14 m3/s）不同的葉高截面葉輪和導葉內的流線分布。可見，葉輪和導葉在偏大流量工況，各個截面上的流線分布比較平順，未見明顯的分離漩渦，說明本項目設計的導葉與選擇的葉輪較為匹配。

圖6 葉輪和導葉葉高截面空間流線圖Fig.6 Space streamline diagram of high section of impeller and guide vane

圖7、8 分別截取了導葉出口端位置、XY中間截面位置的壓力分布圖。可見，隨著流量增加，導葉出口端面壓力逐漸降低。葉輪及導葉附近壓力變化較大，在進出口區域壓力波動較小，并且在葉輪進口區域出現了明顯的低壓區，對可能發生空化的風險有待進一步分析。依此導葉水力模型進行泵裝置模型試驗。

圖7 不同工況下靠近導葉出口XZ截面壓力分布云圖Fig.7 Pressure distribution nephogram of XZ section near guide vane outlet under different working conditions

圖8 不同工況下XY截面壓力分布云圖Fig.8 Pressure distribution nephogram of XY section under different working conditions

3 裝置模型試驗結果與分析

水泵裝置模型在河海大學水力試驗臺進行。水泵裝置模型包括進水流道、導葉及葉輪段和出水流道。模型水泵葉輪直徑320 mm，模型水泵與實型水泵流道尺寸完全相似。泵裝置模型如圖9所示。模型試驗采用等揚程方法進行，原、模型nD值相等。

圖9 水泵裝置模型Fig.9 Pump device model

3.1 常規水力模型選型換算與模型試驗的比較

分別對水泵裝置模型進行了5 個葉片角度下的能量試驗，結果與TJ11-HL-04 泵段設計選型曲線做比較，如圖10所示。根據以往近似規模裝置型式進出水流道損失約0.65 m，裝置流道效率約91%，TJ11-HL-04 泵段選型設計工況點水泵效率86%，換算裝置效率約78.26%，由圖10可見，所有葉片角對應特征工況點，裝置模型試驗流量較TJ11-HL-04 泵段設計選型工況點小，且高揚程區域流量偏差較大。裝置模型試驗設計工況點裝置效率約75.6%，比設計選型預測效率低2.66%，這主要是由于潛水泵導葉體較常規泵擴散角度變大，小流量時導葉出口區域水流約束性較大流量時弱，出現低速回流影響了過流能力和效率。根據裝置模型試驗結果，最高揚程最大軸功率1 071 kW，與設計選型1 094 kW 接近，以上說明采用常規泵段進行潛水泵的選型換算方法可行，實際流量偏小約5.8%。

圖1 立式潛水泵示意圖Fig.1 Schematic diagram of vertical submersible pump

圖10 模型試驗換算實型泵裝置與設計選型水泵性能比較圖Fig.10 Performance comparison chart of model test conversion real pump device and design selection pump

3.2 裝置CFD計算與模型試驗的比較

如圖11所示，對特征工況點的CFD數值模擬結果與裝置模型試驗結果進行了比較，CFD 計算預測的流量揚程效率變化趨勢與試驗結果一致。整體上相同揚程下，CFD 計算流量較裝置模型試驗大近2 個葉片角度，最高效率高約3.5%。這主要是由于計算未考慮葉輪葉頂間隙和表面粗糙度的影響，葉頂間隙的存在對大流量工況（1.27 倍設計流量）下流量的影響大于小流量工況（0.78 倍設計流量）。與文章《葉頂間隙對低比轉速混流泵性能及內部流場影響的數值研究》［26］提出的差異結論基本一致。

圖11 模型試驗換算實型泵裝置與其CFD計算性能比較圖Fig.11 Model test conversion of real pump device and CFD calculation performance comparison chart

4 立式潛水泵模型試驗設想

4.1 問題的提出

中小型潛水泵機組一般較為廣泛地采用原型泵在開敞式試驗臺進行真機性能測試。當潛水泵大型化后，開展真機試驗困難。不同泵站的裝置形式、性能參數的測試誤差將放大，因此不宜再采用原型泵在開敞式試驗臺上進行測試。而大型泵站在設計建設過程中若沒有可信的性能預期作為保證，將在一定程度上制約了立式潛水泵向大型化方向的發展。

目前常規大、中型軸、混流泵采用模型試驗臺進行測試，再根據相似換算運用于實際過程，實踐證明這條路線盡管存在相似換算比尺效應，但總體誤差基本可控。具有經濟、高效、可信、可重復驗證和廣泛應用推廣價值，且該方法在水利行業已經得到廣泛實踐應用。多年的實踐積累表明，大中型軸混流泵已有較完整的規范給出了的泵段模型和裝置模型的定義，形成了相應的設計和驗收的標準，并在此標準下開發了完整的優秀的水力模型庫，可供設計單位根據實際工程應用進行選擇。

然而，針對潛水泵領域，大型立式潛水泵結構上具有顯著特點，目前還未能形成統一的泵段模型、裝置模型和模型試驗的概念和標準，而已有的水泵相關標準由于未能考慮潛水電機的影響，不完全適合直接應用于潛水混流泵的水力模型開發和模型試驗驗證。因此，十分缺乏廣泛認可的潛水泵水力模型可供大型泵站選擇應用。

圖12 立式軸流泵段和泵裝置示意圖Fig.12 Diagram of vertical axial flow pump section and pump device

4.2 概念的提出及試驗設想

在《SL-140-2006 水泵模型及裝置模型試驗規程》中，給出了立式機組的泵段和泵裝置示意圖。由于試驗測量性能時需要在泵段進出口給出足夠長度的直管段，顯然直接在泵段進出口測量泵段的性能是不合適的。規程指出，對于軸流泵、導葉混流泵的模型驗收試驗，應以裝置模型試驗為主。

為了開發潛水混流泵水力模型，同時考慮到模型試驗的可行性及向大型機組相似換算應用的可比性，本文構思的潛水泵模型泵段區域如圖13所示。其中，保證模型泵葉輪外徑320 mm，葉輪旋轉速度為1 450 r/min。為了模擬潛水電機，比照電機尺寸建立電機假體，這樣實際模型實驗時可以將電機和扭矩儀裝在外面，并考慮了電機對泵性能的影響。同時，為了保證測量位置具有足夠長的直管段，暫定義圖13所示（A-B）位置為模型泵的泵段，具體位置和型式有待結合模型試驗商討確定。

圖13 立式潛水泵泵段模型試驗標準化設想示意圖Fig.13 Schematic diagram for standardization of vertical submersible pump model test

本文嘗試提出潛水泵段模型和裝置模型的概念，有望形成適合大型立式潛水泵水力模型，并經模型試驗測試驗證。為今后大型潛水混流泵站的水力模型開發和實驗提供借鑒。

5 結 論

（1）國內暫無系列針對立式潛水軸混流泵的水力模型。利用常規的大型泵站水力模型對立式潛水泵選型計算可行，但泵段模型葉輪和導葉共同決定了泵段的基本性能參數。立式潛水泵的導葉須匹配機組結構，實際流量偏小約5.8%，裝置效率低約2.66%。

（2）對特征工況點的CFD 數值模擬結果與裝置模型試驗結果進行了比較，預測的流量揚程效率變化趨勢是準確的，由于計算未考慮葉輪葉頂間隙和表面粗糙度的影響，流量較裝置模型試驗大約2 個葉片角度，最高效率高約3.5%。并且計算對大流量工況（1.27 倍設計流量）下流量的偏差大于小流量工況（0.78倍設計流量）。

（3）大型立式潛水泵結構上具有顯著特點，目前還未有針對立式潛水泵統一的泵段模型、裝置模型和模型試驗的概念和標準，本文提出了標準化立式潛水泵模型試驗的設想，為立式潛水泵提供了大型化發展的思路。