何效平 戚慶軍 李彥軍

（1.安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽和縣 238251；2.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

混流泵是一種比轉(zhuǎn)速較高的泵型，在結(jié)構(gòu)和性能上，它介于離心泵和軸流泵之間，兼有離心泵和軸流泵兩方面的優(yōu)點(diǎn)?；炝鞅么蠖鄳?yīng)用于農(nóng)田排灌、防澇排洪、水利工程、污水處理以及電站（燃煤電站、核電站、蓄能電站、潮汐電站）冷卻系統(tǒng)等領(lǐng)域，大中型混流泵的應(yīng)用日益廣泛。

1 工程概況

滁河四級(jí)站為安徽省駟馬山引江灌溉工程的最后一級(jí)提水泵站，規(guī)劃向定遠(yuǎn)縣江巷水庫(kù)輸水，設(shè)計(jì)灌溉面積8.98萬(wàn)hm2（134.7萬(wàn)畝），四級(jí)站設(shè)計(jì)抽水流量71.4m3/s，設(shè)計(jì)裝機(jī)8臺(tái)套（7用1備），其中，水泵為1856HLB19.0-11.25（1856為水泵轉(zhuǎn)輪直徑）型立式半調(diào)節(jié)混流泵，配套電動(dòng)機(jī)為T(mén)L2800-24/3250立式同步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速250 r/min，單機(jī)功率2800 kW，總裝機(jī)容量22400 kW。設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程16.4 m，最低凈揚(yáng)程14.9 m，最高凈揚(yáng)程17.9m。

泵站的進(jìn)水流道采用普通的彎肘型流道，出水管道采用DN2200鋼制直管式流道，爬坡至出水池，管道長(zhǎng)約40 m。滁河四級(jí)站采用混流泵水力模型為《南水北調(diào)工程水泵模型同臺(tái)測(cè)試》中的TJ11-HL-08水泵模型。泵站縱剖面圖如圖1所示?，F(xiàn)應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)泵裝置進(jìn)行優(yōu)化和三維仿真計(jì)算，并進(jìn)行泵裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)證［1］。

2 進(jìn)水流道初始型線確定

進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)合理與否將影響水泵葉輪進(jìn)口處的流速分布和壓力分布，因此，對(duì)水泵的實(shí)際運(yùn)行性能具有重要的影響。進(jìn)水流道設(shè)計(jì)不合理，流道出口流速分布不均或產(chǎn)生渦帶，將會(huì)降低泵裝置效率甚至造成機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)。

在流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了得到良好的水力性能，需要根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果，不斷調(diào)整流道的基本參數(shù)來(lái)優(yōu)化流道的型線。根據(jù)滁河四級(jí)站控制性尺寸，聯(lián)合進(jìn)水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件（如圖2所示）和CFD三維仿真技術(shù)，先用軟件確定流道型線，使其符合流速漸變規(guī)律，然后采用CFD技術(shù)在三維空間進(jìn)行流場(chǎng)驗(yàn)證和型線的局部修正，并采用便于工程施工的直線段和圓弧線，同時(shí)結(jié)合泵站土建結(jié)構(gòu)方面的不同設(shè)計(jì)方案，確定流道的型線方案，如圖3所示。

圖1 泵站縱剖面圖

3 進(jìn)水流道三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

進(jìn)水流道的水力性能對(duì)泵裝置的效率和運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的影響。進(jìn)水流道水力性能包括水泵進(jìn)水條件和流道水力損失兩部分。水泵的進(jìn)水條件主要是考查流道出口的軸向流速分布均勻度（η）和出口水流平均偏流角（θ）兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。流道的水力損失Δh直接影響到水泵裝置效率，是評(píng)價(jià)流道的一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［2］。

以設(shè)計(jì)流量（Q）10.2 m3/s作為基準(zhǔn)，分別對(duì)進(jìn)水流道進(jìn)行了0.8Q、1.0Q、1.2Q、1.3Q、1.4Q 幾個(gè)工況點(diǎn)的水力性能預(yù)測(cè)，進(jìn)水流道的各項(xiàng)水力性能指標(biāo)如表1所示。流道的縱剖面流速分布如圖4所示。

進(jìn)水流道的出口流速分布均勻度η越高，出口水流平均偏流角θ越小，水力損失Δh越小，說(shuō)明進(jìn)水流道的水力性能越好。從表1和圖4可以看出，進(jìn)水流道的水力性能較優(yōu)，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

4 泵裝置全流道仿真計(jì)算

對(duì)模型泵裝置進(jìn)行三維全流道CFD數(shù)值計(jì)算，預(yù)測(cè)進(jìn)、出水流道與泵的匹配性及泵裝置的整體特性，為泵裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和模型選擇提供參考，并與泵裝置模型試驗(yàn)對(duì)比。

采用商業(yè)軟件CFX，在雙參考坐標(biāo)系下（MRF），利用有限控制體積法對(duì)雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程進(jìn)行數(shù)值離散，采用SIMPLEC算法，對(duì)泵裝置全流道內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了三維粘性數(shù)值模擬［3］。圖5為泵裝置整體三維計(jì)算水體圖，圖6為泵裝置的三維流線圖。

根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)泵裝置的外特性，泵裝置的揚(yáng)程計(jì)算公式為：

式中：

pout—泵出口總壓，Pa；

pin—泵進(jìn)口總壓，Pa；

表1 進(jìn)水流道水力性能指標(biāo)

ρ—輸送介質(zhì)密度，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2。泵的水力效率公式為：

式中：

Q—流量，m3/h；

H—揚(yáng)程，m；

M—轉(zhuǎn)矩，N·m；

圖2 肘形進(jìn)水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件界面

圖3 肘形進(jìn)水流道型線

圖4 肘形進(jìn)水流道縱剖面流速分布

ω—角速度，r/s。

由此，得到泵裝置外特性的預(yù)測(cè)性能曲線，圖7為0°葉片角度下泵裝置外特性CFD預(yù)測(cè)結(jié)果以及與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖7可以看出，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬的流量揚(yáng)程效率曲線趨勢(shì)基本一致。

5 泵裝置模型試驗(yàn)

將優(yōu)化后的進(jìn)出水流道配置TJ11-HL-08水泵模型，進(jìn)行模型泵裝置的動(dòng)力特性和汽蝕特性試驗(yàn)，驗(yàn)證進(jìn)出水流道的水力優(yōu)化效果和泵裝置的整體性能。

5.1 模型泵裝置設(shè)計(jì)

泵裝置模型試驗(yàn)按照《水泵模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（SL140-2006）進(jìn)行設(shè)計(jì)。模型泵葉輪直徑Dm=320mm，根據(jù)等揚(yáng)程條件nD=idem確定模型泵轉(zhuǎn)速。原型泵額定轉(zhuǎn)速為np=250 r/min，葉輪直徑Dp=1.856 m，則模型泵裝置轉(zhuǎn)速nm=1450 r/min。

按相似原理模擬進(jìn)、出水流道，模型流道以鋼板焊接制作，加表面涂層，滿足幾何相似、糙率相似要求。取水泵效率下降1%時(shí)的汽蝕余量作為臨界汽蝕余量。模型試驗(yàn)在江蘇大學(xué)高精度水泵裝置模型試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)泵裝置效率測(cè)試綜合精度高于0.32%。

5.2 模型泵裝置試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)模型試驗(yàn)，得到了模型泵裝置5 個(gè)葉片角度（-4°、-2°、0°、+2°、+4°）的效率特性和汽蝕特性，圖8為經(jīng)過(guò)等效率換算后的原型泵裝置綜合性能曲線。

由圖8可知，在設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程16.4 m，葉片角0°下，單機(jī)流量為12.32 m3/s，裝置效率為82.97%，軸功率為389 kW；在最低凈揚(yáng)程14.9 m，葉片角 0°下，單機(jī)流量為 13.17m3/s，裝置效率為82.56%，軸功率為2332 kW；在最高凈揚(yáng)程17.9m，葉片角0°下，單機(jī)流量為11.48m3/s，裝置效率為82.24%，軸功率為2451 kW。單泵配套2800 kW電動(dòng)機(jī)合理，不會(huì)發(fā)生超載現(xiàn)象。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，在葉片角0°時(shí)裝置效率略高，最高裝置效率為82.97%，對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)揚(yáng)程為16.4m，流量為12.32m3/s。

圖5 泵裝置整體三維水體圖

圖6 泵裝置三維流線圖

圖7 泵裝置CFD性能預(yù)測(cè)曲線

根據(jù)-4°～+4°各葉片角度多工況點(diǎn)實(shí)際試驗(yàn)，臨界汽蝕余量在偏離高效區(qū)范圍的高揚(yáng)程和低揚(yáng)程運(yùn)行工況下數(shù)值較高。本站從最低凈揚(yáng)程到最高凈揚(yáng)程的所有運(yùn)行工況基本處于高效區(qū)范圍，在同一葉片角度下，其各運(yùn)行工況點(diǎn)的臨界汽蝕余量相差不大。在0°葉片角度下，其最高凈揚(yáng)程的臨界汽蝕余量為9.89m，葉輪中心的淹沒(méi)深度可滿足其汽蝕性能要求。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)滁河四級(jí)站的控制性尺寸，將流道的一維設(shè)計(jì)造型與流場(chǎng)的三維計(jì)算CFD技術(shù)相結(jié)合，對(duì)肘形進(jìn)水流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了泵裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

由CFD數(shù)值模擬計(jì)算以及泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果可知，進(jìn)出水流道型線可行，泵裝置在不同特征工況下可安全、穩(wěn)定運(yùn)行，能夠滿足滁河四級(jí)站的運(yùn)行要求。

滁河四級(jí)站的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可供同類(lèi)型的大型混流泵站參考和借鑒。

圖8 原型泵裝置綜合性能曲線

［1］ 嚴(yán)登豐.泵站工程［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

［2］ 邴浩，曹樹(shù)良，王玉川.湍流模型對(duì)混流泵性能預(yù)測(cè)的影響［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（11）：42-47.

［3］ Constantinescu G S，Patel V C.Numerical model for simulation of pump-intake flowand vortices［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1998，124（2）：123-134.