摘要：提升泵是凈水廠運(yùn)行的重要組成部分和保障，對(duì)于其發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的分析和處理能保證凈水廠的正常運(yùn)行。本文以某水廠提升泵的葉片斷裂事故為例進(jìn)行探討，分析了軸流泵葉片斷裂的原因，給出了兩個(gè)方面的改進(jìn)措施，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果可知，采用高比轉(zhuǎn)速斜流泵來(lái)替代軸流泵能有效減少泵內(nèi)部的汽蝕現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：軸流泵；斜流泵；高比轉(zhuǎn)速；葉輪；汽蝕；CFD

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，生產(chǎn)和生活用水量大大增加，自來(lái)水廠的建設(shè)得到了良好的發(fā)展。但是在運(yùn)行的過(guò)程中，水廠里的提升泵容易發(fā)生汽蝕故障的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了水廠的正常運(yùn)行。因此如何對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析并采取合適有效的治理措施成為了工作人員需要解決的問(wèn)題。下面就此進(jìn)行討論分析。

1 工程概況

我司當(dāng)前供水能力是64萬(wàn)m3，擁有獨(dú)立的制水系統(tǒng)三套。其中某一工程設(shè)計(jì)規(guī)模30萬(wàn)m3/d，工藝中設(shè)有1座提升泵房。

備有五臺(tái)立式潛水軸流泵，常規(guī)時(shí)，泵的揚(yáng)程為4米；泵運(yùn)行良好，只有輕微振動(dòng)；深度時(shí)，流量為3700m3/小時(shí)，揚(yáng)程為8米；泵振動(dòng)激烈，并伴隨軸流泵葉片斷裂的現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 葉片斷裂后的軸流泵內(nèi)部

2 軸流泵葉片斷裂原因分析

引起軸流泵葉片斷裂的原因主要有以下兩方面。

（1）當(dāng)泵運(yùn)行工況點(diǎn)的揚(yáng)程提高之后，軸流泵實(shí)際運(yùn)行在小流量工況，而小流量工況下的軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)常常伴隨著沖擊、二次流、泄漏渦及汽蝕等現(xiàn)象，使得泵運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)激烈。

（2）通過(guò)查看泵房剖面圖（見(jiàn)圖2）及提升泵安裝圖，發(fā)現(xiàn)提升泵站水泵進(jìn)水條件差，進(jìn)水流道的長(zhǎng)度（喇叭管中心至進(jìn)水口的距離，1300mm）約為喇叭管進(jìn)口直徑（810mm）的1.6倍，少于目前國(guó)外泵站設(shè)計(jì)規(guī)范的3倍要求。進(jìn)水流道短，難以恢復(fù)90°直角轉(zhuǎn)彎進(jìn)水形成的不穩(wěn)定水流。另外，喇叭吸入口距離池底的垂直距離小，受葉片高速旋轉(zhuǎn)影響，其產(chǎn)生的預(yù)旋容易導(dǎo)致在喇叭管進(jìn)口處產(chǎn)生附壁渦、附底渦等漩渦，同時(shí)也降低了葉片進(jìn)口前的壓力，加劇了汽蝕現(xiàn)象。結(jié)合圖1可以看出，喇叭吸入口與轉(zhuǎn)輪室相結(jié)合處產(chǎn)生了密密麻麻的凹坑，這證明了在該處產(chǎn)生了強(qiáng)烈的汽蝕作用，而葉片為不銹鋼材料，其抗汽蝕能力強(qiáng)，雖然表面無(wú)汽蝕損壞的跡象，但并非沒(méi)有汽蝕。

圖2 泵房剖面示意

3 改進(jìn)措施

通過(guò)以上原因分析，基于以下兩個(gè)方向進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.1 采用高比轉(zhuǎn)速斜流泵來(lái)替代軸流泵

高比轉(zhuǎn)速斜流泵具有高效范圍寬、適應(yīng)揚(yáng)程范圍大、抗汽蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于農(nóng)業(yè)灌排水、市政給排水等行業(yè)。且隨著計(jì)算流體力學(xué)和試驗(yàn)手段的不斷發(fā)展，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)從不同方面，如外特性、內(nèi)部壓力脈動(dòng)和內(nèi)部流場(chǎng)可視化等做了大量的研究。為避免軸流泵因工況變化范圍大而運(yùn)行在小流量區(qū)域內(nèi)，造成泵內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定和振動(dòng)等因素，因此，考慮采用高比轉(zhuǎn)速斜流泵來(lái)替代軸流泵。

鑒于前人利用CFD數(shù)值計(jì)算方法在泵領(lǐng)域的成功應(yīng)用案例，本文也采用該方法來(lái)對(duì)新設(shè)計(jì)的斜流泵葉輪進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，以保證設(shè)計(jì)的高效點(diǎn)為現(xiàn)場(chǎng)所要求的運(yùn)行工況點(diǎn)。

3.1.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)導(dǎo)葉區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，選用H/O型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而其他區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，并對(duì)葉輪區(qū)域進(jìn)行局部加密。最終的網(wǎng)格效果如圖3所示。

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意

3.1.2 計(jì)算方法

數(shù)值分析時(shí)采用時(shí)均N-S方程作為基本控制方程，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型。采用二階精度上風(fēng)格式，基于微元中心有限體積法空間離散方式。并通過(guò)SIMPLICE算法實(shí)現(xiàn)壓力速度的耦合求解。設(shè)置收斂精度為0.0001。

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

合理的壓力分布是判別泵內(nèi)部流態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，同時(shí)也是檢查CFD數(shù)值計(jì)算是否收斂的一個(gè)依據(jù)。圖4表示了整個(gè)裝置內(nèi)部的靜壓云分布。

圖4 裝置內(nèi)部靜壓分布

從圖4中可以看出，整個(gè)裝置內(nèi)壓力分布均勻，葉片表面壓力梯度分布明顯，可以作為計(jì)算收斂的一個(gè)依據(jù)。壓力分布梯度無(wú)明顯過(guò)度，從另外一個(gè)角度也說(shuō)明泵內(nèi)部的流態(tài)過(guò)度比較平穩(wěn)，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的撞擊和速度突變現(xiàn)象。

圖5為整個(gè)裝置的內(nèi)部流線圖。從圖5可以看出，喇叭型進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)均勻無(wú)漩渦，并且能夠進(jìn)行有效的整流和引流作用，真正實(shí)現(xiàn)葉輪的無(wú)預(yù)旋來(lái)流速度進(jìn)口條件。

圖5 整個(gè)裝置內(nèi)部三維流線

從圖6葉輪與導(dǎo)葉內(nèi)部流線圖可以看出，葉輪進(jìn)口角度安放合適，無(wú)明顯撞擊現(xiàn)象。并且葉輪葉片附近流線緊貼葉片的壓力面和吸力面，無(wú)脫流現(xiàn)象，這也保證了葉輪的高效率性能。同時(shí)，水流從葉輪內(nèi)部向?qū)~過(guò)度的時(shí)候，導(dǎo)葉進(jìn)口邊也沒(méi)有產(chǎn)生明顯的撞擊現(xiàn)象，說(shuō)明導(dǎo)葉與該葉輪的匹配完全合適；另外導(dǎo)葉流道內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生漩渦，證明導(dǎo)葉的擴(kuò)散度選擇合理，沒(méi)有導(dǎo)致脫流現(xiàn)象，減小擴(kuò)散損失、二次流等損失。另外，還可以看到電機(jī)一圈的流線基本上沿著軸向向上，即切向分速度很小，說(shuō)明導(dǎo)葉已經(jīng)有效地消除了圓周方向的分速度，達(dá)到了整流的作用。當(dāng)水流沖擊到最上面的混合部分時(shí)，水流整體有序的向出口方向流出，并未出現(xiàn)水流纏繞著前進(jìn)，也沒(méi)有出現(xiàn)水流撞擊壁面后改變方向后而影響主流原始運(yùn)動(dòng)軌跡，更沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)檗D(zhuǎn)彎而發(fā)生脫流現(xiàn)象。因此從整體上來(lái)分析，這樣的幾個(gè)過(guò)流部件的組合是合理的。

圖6 泵段內(nèi)部三維流線

外特性預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 外特性預(yù)測(cè)結(jié)果

3.1.4 試驗(yàn)結(jié)果

改進(jìn)的斜流泵在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，圖7給出了外特性的試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)外特性試驗(yàn)結(jié)果得知，電泵機(jī)組最高效率為69.99%，此時(shí)流量、揚(yáng)程分別為3481.56m3/h和8.44m。且在流量為3702.71m3/h工況下，揚(yáng)程為7.51m，效率為66.57%。

圖7 外特性試驗(yàn)結(jié)果

3.2 優(yōu)化斜流泵的水力設(shè)計(jì)

（1）提高斜流泵葉輪與池底的垂直距離，以防止附底渦和附壁渦的產(chǎn)生，優(yōu)化葉輪進(jìn)口前的來(lái)流狀態(tài)；

（2）增加斜流泵葉輪進(jìn)口前的過(guò)流面積，因?yàn)槠g主要是由于葉片附近的靜壓過(guò)低造成，而靜壓過(guò)低大多因?yàn)楫?dāng)?shù)亓魉龠^(guò)快，對(duì)原有軸流泵進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其葉輪進(jìn)口處的過(guò)流面積為0.11m2，進(jìn)口流速為9.1m/s，因此，決定加大改型設(shè)計(jì)后的斜流泵進(jìn)口面積至0.14m2，使得進(jìn)口流速下降至7.1m/s，提高其汽蝕性能；

（3）光順整個(gè)過(guò)流部件內(nèi)部的壁面形狀，采用全流道式導(dǎo)葉設(shè)計(jì)，以避免因局部壁面突變而形成漩渦，從而造成局部汽蝕現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 流道結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況點(diǎn)，其流量Q=3700m3/h，揚(yáng)程H=8m，轉(zhuǎn)速n=740r/min，比轉(zhuǎn)速ns=575.6。最終設(shè)計(jì)的斜流泵過(guò)流部件和過(guò)流通道的裝配三維示意如圖9所示。

圖9 過(guò)流部件及過(guò)流通道的三維裝配示意

4 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

改進(jìn)的提升泵在工程中實(shí)際使用后，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低于75dB，完全滿足使用要求。利用便攜式狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀，在深度處理的工況下，對(duì)相應(yīng)井筒的上蓋進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量，共進(jìn)行了21次采集，振動(dòng)結(jié)果見(jiàn)表2。其中1#～4#泵為更換過(guò)原始葉輪的軸流泵，5#泵為此次改進(jìn)后的斜流泵。

從表2中可以看出，5#改進(jìn)的提升泵的振動(dòng)要明顯小于其他四種。

表2 各個(gè)提升泵的振動(dòng)采集結(jié)果

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為平均值。

工程提升泵新泵型在工程現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行一年后進(jìn)行實(shí)物觀測(cè)，葉輪及流道部分，沒(méi)有汽蝕破壞的現(xiàn)象，狀態(tài)良好，取得了很好的效果。根據(jù)目前的設(shè)備實(shí)際使用情況和大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，工程提升泵新泵型的開(kāi)發(fā)成功，對(duì)于提高設(shè)備管理水平、節(jié)能降耗以及進(jìn)口設(shè)備國(guó)產(chǎn)化有著積極的意義。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)過(guò)分析，我們可以知道上文所提及的例子是因?yàn)樵急闷x了設(shè)定運(yùn)行工作狀況過(guò)多以及內(nèi)部汽蝕嚴(yán)重，才導(dǎo)致的葉片斷裂。通過(guò)分析后，使用高比轉(zhuǎn)速斜流泵來(lái)替換原來(lái)的軸流泵，并對(duì)其水力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，明顯降低了提升泵內(nèi)部的汽蝕現(xiàn)象，保證了水廠的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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