水泵裝置飛逸過渡過程中水動力特性研究

陳小云

（深圳市廣匯源環境水務有限公司,廣東 深圳 518020）

0 引言

隨著我國水利建設的大力發展,水泵裝置應用越來越多,針對水泵的設計穩態工況和動力特性,許多研究人員進行了一系列研究。

陳政[1]依托引江濟淮工程,通過模型試驗和數值手段相結合的方式,對流道進行了優化設計。閆宇等[2]針對低揚程大流量泵裝置模型,對水壓力脈動測點位置進行了總結,并提出了一種新的水壓力脈動相對值計算方法。劉健峰等[3]以龍昆溝北雨水排澇泵站為例,通過模型試驗手段分析了全貫流泵裝置的水力性能。江宇航[4]通過CFD 軟件對立式軸流泵裝置進行了仿真模擬,并根據模型試驗結果驗證了數值仿真結果的可靠性。劉軍等[5]依托南水北調東線二期工程,對大型低揚程泵裝置的關鍵技術進行了創新優化。徐逍帆等[6]通過損耗分離法對全貫流泵效率進行了計算,并通過MATLAB 進行了計算結果的擬合驗證。

本文通過數值模擬手段結合模型試驗,對水泵裝置在飛逸過渡過程中的水動力特性進行了詳細探究。基于模型試驗結果,對數值模擬的有效性和合理性進行了驗證。并根據經過驗證后的數值模型,進一步對水泵裝置的水壓力脈動和偏流特性進行了分析。

1 泵裝置模型試驗

通過開封儀表電磁流量計對流量進行監測,監測誤差為±0.20%。通過智能壓差變送器對揚程進行監測,監測誤差為±0.08%。通過TQ-600 型傳感器對扭矩進行監測,監測誤差為±0.07%。

圖1 展示了模型試驗中不同安放角工況下正反轉單位飛逸轉速變化情況。從圖1中可以看出,同一葉片安放角工況下,正轉單位飛逸轉速要遠大于反轉單位飛逸轉速。以葉片安放角0°為例,正轉單位飛逸轉速約為584.2 r/min,反轉單位飛逸轉速為290.3 r/min,是其兩倍之多。不同葉片安放角對比,隨著葉片安放角的增大,從-5°增加到5°,飛逸轉速均呈現線性下降趨勢。

圖1 模型試驗中水泵葉輪輪片不同安放角工況下正反轉單位飛逸轉速

通過下式對飛逸轉速nf進行計算：

式中：N0為單位飛逸轉速；H為水頭高度；D為葉輪直徑。

根據圖1 試驗結果進行計算,由圖1 可知,葉片安放角為0°工況時,正轉單位飛逸轉速為584.2 r/min,Hj為3.33 m,因此飛逸轉速為394.3 r/min,此數值約為該水泵額定轉速的2.8 倍。

2 數值模型建立

2.1 計算模型

為進一步分析水泵裝置飛逸過渡過程中的水動力特性,本文建立了水泵數值模型進行數值仿真模擬。根據工程實際情況,模型水泵葉輪直徑設為2700 mm,額定轉速設為141 r/min。設計流量為22.5 m3/s,設計揚程為3.33 m。計算模型由6 部分組成,分別為進水流道、進水池、導葉、葉輪、出水池和出水流道。水泵裝置數值計算模型見圖2。

圖2 泵裝置數值模型

2.2 網格劃分

為在保證計算精度的前提下兼顧計算效率,對泵裝置數值模型進行了網格劃分優化。對導葉區域進行了局部的網格加密處理,共劃分出387512 個計算網格。

2.3 正轉飛逸過渡過程計算方法

在完整過渡過程中,考慮到水泵葉輪轉速實時變化,且該變化不易控制,但各時間步單獨來看,其轉速與泵裝置內特性相關,故將水泵葉輪力矩平衡方程進行引入,以此對各時間步葉輪轉速進行計算。水泵葉輪力矩平衡方程如下：

式中：J為轉動部件的轉動慣量總和,kg·m2；為水泵裝置葉輪的角速度,rad/s；M0為電動機的電磁力矩；M1為各時間步水泵葉輪的阻力矩；M2為軸承摩擦力矩；M3為風阻力矩,N·m。

2.4 邊界條件和前處理

邊界條件設置方面,根據以往學者的研究成果和實際工程經驗,將泵裝置的進出口邊界均設為了壓強邊界,其壓強值大小根據運行水位進行換算。根據上述水泵葉輪力矩平衡對各時間步的轉速進行計算,計算時,水頭工況為-3.33 m。

3 結果分析與討論

3.1 機組外特性分析

圖3 展示了水泵裝置在正傳飛逸過渡過程中轉速與流量隨時間變化曲線。從圖中可以看出,隨著時間的增加,轉速持續降低,約在30 s 后達到穩定狀態,穩定狀態后轉速達到了385 r/min。與模型試驗相比,相對誤差為2.81%,體現出了本文數值模擬的有效性和可靠性,表明通過上述模型可較為準確地反映水泵裝置在飛逸過渡過程中的內外特性。與轉速相比,流量時程曲線變化規律恰好相反,隨著時間的增加而增大,約在30 s 后達到穩定值,穩定后流量約為46.2 m3/s。

圖3 轉速與流量時程曲線

圖4 展示了水泵裝置在正傳飛逸過渡過程中扭矩和軸向力的時程變化曲線。從圖中可以看出,隨著時間步的堆積,扭矩呈現出先急速大幅增加后緩慢減小的變化趨勢。尤其是在泵裝置達到飛逸工況后,扭矩值大小基本在0 附近波動,這也符合飛逸過渡過程的定義。軸向力方面,隨著時間步的增加,表現出了與扭矩完全相反的變化趨勢,即先大幅減小后緩慢增加的變化趨勢。進入飛逸工況后,軸向力大小在75 kN 左右徘徊波動。這表明,泵裝置持續在進入飛逸工況和退出飛逸工況間持續循環。

圖4 扭矩和軸向力時程曲線

3.2 內部流動特性

在正轉飛逸過渡過程中,主要區別發生在出水流道的內部流動特性,進水流道內的內部流動隨時間步的變化較小。數值結果顯示,隨著葉輪轉速的提升,出水流道內出現了較為顯著的不對稱流動情況,且該情況隨著葉輪轉速的提升而愈發顯著。由于中隔板將出水流道進行了分割,使其成為對稱的兩個部分,兩部分流量出現了明顯的差異。

對出水流道兩側斷面的流量變化情況進行了對比。圖5展示了出水流道中左側斷面與右側斷面的流量比值隨時間的變化情況。從圖中可以看出,在水泵葉輪運行初期,兩側斷面流量基本一致,右側斷面流量略大于左側斷面。隨著葉輪轉速的增加,兩斷面大小關系發生逆轉,流量比持續增加,直至30 s 后達到穩定,流量比穩定在3.2 左右,表明左側斷面流量遠大于右側斷面流量,體現出了明顯的偏流特性,此狀況持續到飛逸過渡過程結束。

圖5 兩側斷面流量比

3.3 水壓脈動特性

此外,本文研究了偏流特性對出水流道內部流動穩定性的影響情況,布置有6 個監測點于出水流道內。其中,P1 和P2 測點位于導葉出口斷面處,P3、P4 測點位于出水流道中部同一斷面處,P5 和P6 測點位于中隔板兩側的同一斷面處。

圖6 展示了出水流道內各監測點水壓脈動隨時間的變化情況。從圖中可以看出,同一時間段內,出水流道內的壓強脈動與監測點位置有明顯的關聯。其中P1 和P2 監測點較為接近,兩者水壓脈動最低,其次為P3 和P4 監測點,水壓脈動最大的為P5 和P6 監測點。這也表明,流量和流速越大,其水壓脈動越低,而該規律由于有著中隔板的存在導致本次試驗中更為明顯。此外,從圖6 中也可以看出,出現了明顯的偏流和偏壓現象。即同一監測斷面內,左側測點的水壓脈動普遍大于右側測點。

圖6 出水流道內各監測點水壓脈動時程曲線

各監測點水壓脈動隨時間步的增加變化趨勢基本一致,在葉輪工作前期,壓強值呈現大幅下降趨勢,隨著葉輪轉速的進一步增長,各監測點壓強相對保持穩定,以較低的變化速度呈現緩慢下降態勢,此狀態一直持續到葉輪轉速達到正轉飛逸轉速。

4 結論

為研究水泵裝置在飛逸過渡過程中的水動力特性,本文開展了模型試驗,并在此基礎上進行了一系列數值模擬。通過模型試驗結果驗證了數值模擬的有效性和合理性,并就機組外特性和偏流特性進行了分析。得出主要結論如下：

（1）同一葉片安放角工況下,正轉單位飛逸轉速要遠大于反轉單位飛逸轉速。不同葉片安放角對比,隨著葉片安放角的增大,從-5°增加到5°,飛逸轉速均呈現線性下降趨勢。

（2）葉片安放角為0°工況時,正轉單位飛逸轉速為584.2 r/min,揚程為-3.33 m,飛逸轉速為394.3 r/min,此數值約為該水泵額定轉速的2.8 倍。

（3）與模型試驗相比,數值模擬的相對誤差僅為2.81%,體現出了本文數值模擬的有效性和可靠性,表明通過上述模型可較為準確地反映水泵裝置在飛逸過渡過程中的內外特性。

（4）在葉輪工作前期,壓強值呈現大幅下降趨勢,隨著葉輪轉速的進一步增長,各監測點壓強相對保持穩定,以較低的變化速度呈現緩慢下降態勢。