劉 超 張 松 謝傳流 錢 軍 謝榮盛

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225100； 2.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 揚(yáng)州 225007)

引言

軸流泵裝置可以分為軸伸式和貫流式兩大類。軸伸式泵裝置又分為平面S形(臥式)、立面S形(立式、斜式)和Y形(臥式豎井泵裝置)[1]。近年來燈泡貫流泵裝置、雙向流道泵裝置和雙向泵裝置均有重要的發(fā)展[2-8]。低揚(yáng)程泵站中選用豎井軸伸泵、潛水貫流泵和燈泡貫流泵較多[9-15]，立面S形斜軸伸泵應(yīng)用也增長較快[16-26]，對(duì)平面S形軸伸泵裝置應(yīng)用和研究相對(duì)較少[27-32]。平面S形軸伸泵裝置的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)簡(jiǎn)便，運(yùn)行可靠，然而以往的平面S形軸伸泵裝置效率較低，限制了其實(shí)際應(yīng)用和推廣。

傳統(tǒng)的平面S形軸伸泵裝置的彎管為圓形斷面，且面積相等，彎道內(nèi)二次流導(dǎo)致水力損失較大，管路效率低。本文基于流體動(dòng)力學(xué)的最小阻力原理和下臥式立面S形軸伸泵裝置的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程的應(yīng)用需要，提出平面S形軸伸泵裝置設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化斷面漸擴(kuò)的彎管，以變曲率橢圓斷面取代圓形斷面，控制二次流，減小出水?dāng)U散角及水力損失，提高管路效率。應(yīng)用CFD三維流動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)，計(jì)算獲得平面S形軸伸泵裝置的內(nèi)部流場(chǎng)，并預(yù)測(cè)泵裝置性能。分析細(xì)部結(jié)構(gòu)對(duì)水力損失的影響，針對(duì)水力特性的不足，對(duì)方案作出相應(yīng)的改進(jìn)優(yōu)化，使流道的水力損失最小，最后制作模型裝置在高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模型試驗(yàn)，測(cè)試泵裝置性能。

1 泵裝置數(shù)值優(yōu)化

黃金壩閘站工程為中型規(guī)模，主要用于抽引古運(yùn)河的水源補(bǔ)充城區(qū)內(nèi)的環(huán)境生態(tài)用水。黃金壩閘站泵房?jī)?nèi)布置1400ZWB4.5-1型臥式單向軸流泵3臺(tái)，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率為115 kW，用于抽引運(yùn)河水；另外布置1400 ZWS4.5-2型臥式雙向軸流泵1臺(tái)，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率為132 kW，主要用于灌溉排水和輔助引水。除了在需要時(shí)抽排城區(qū)內(nèi)的澇水，也可用于抽引運(yùn)河水。黃金壩閘站泵站引水設(shè)計(jì)流量18 m3/s，排澇設(shè)計(jì)流量3 m3/s，采用4臺(tái)機(jī)組，其中3臺(tái)單向運(yùn)行，單機(jī)設(shè)計(jì)流量4.5 m3/s，1臺(tái)雙向運(yùn)行，正向引水設(shè)計(jì)流量4.5 m3/s，排澇設(shè)計(jì)流量3 m3/s。黃金壩泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程0.65～1.05 m，最高凈揚(yáng)程1.65 m，為特低揚(yáng)程泵站。經(jīng)方案比較，選用平面S形軸伸泵裝置。前期研究采用數(shù)值模擬方法對(duì)泵裝置進(jìn)行流動(dòng)特性分析和性能預(yù)測(cè)，為設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。

1.1 數(shù)值模擬基本理論

1.1.1控制方程與紊流模型

泵葉輪內(nèi)部流動(dòng)是三維非定常紊流流動(dòng)，水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)認(rèn)為葉輪內(nèi)相對(duì)運(yùn)行是定常流動(dòng)，采用ANSYS-CFX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算中用動(dòng)靜交界面處理葉輪與進(jìn)水流道、導(dǎo)葉體之間動(dòng)靜耦合流動(dòng)的參數(shù)傳遞。控制方程的離散采用基于有限元的有限體積法。擴(kuò)散項(xiàng)和壓力梯度采用有限元函數(shù)表示，對(duì)流項(xiàng)采用高分辨率格式。流場(chǎng)的求解使用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法，將動(dòng)量方程和連續(xù)性方程耦合求解，同時(shí)引入代數(shù)多重網(wǎng)格技術(shù)，提高求解的穩(wěn)定性和計(jì)算速度。

控制方程為雷諾平均RANS方程，紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型。

1.1.2計(jì)算參數(shù)與邊界條件

數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)將原型的幾何參數(shù)轉(zhuǎn)換為模型幾何參數(shù)，以便與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。模型泵葉輪直徑DM=300 mm，原型泵葉輪直徑DP=1 350 mm，則幾何比尺λD=1 350/300=4.5；遵循等揚(yáng)程準(zhǔn)則，即nMDM=nPDP，揚(yáng)程比尺λnD=1，根據(jù)原型泵轉(zhuǎn)速np=227 r/min，計(jì)算得到模型轉(zhuǎn)速nM=1 022 r/min。對(duì)應(yīng)原型設(shè)計(jì)工況流量4.5 m3/s的模型流量為222 L/s。所有的結(jié)構(gòu)部件經(jīng)過比例換算后進(jìn)行幾何建模。泵裝置計(jì)算區(qū)域包括：進(jìn)水段、進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體、出水流道及出水段。

(1)進(jìn)口邊界條件。為了更好地模擬泵裝置內(nèi)部流動(dòng)，在泵裝置進(jìn)水流道前加一段進(jìn)水段(相當(dāng)于進(jìn)水前池)，以保證水流進(jìn)入進(jìn)水流道是充分發(fā)展的紊流，更接近實(shí)際的流速分布。進(jìn)口設(shè)置在進(jìn)水段的進(jìn)口斷面，采用質(zhì)量流進(jìn)口條件。

(2)出口邊界條件。在出水流道后加一段出水延伸段(相當(dāng)于出水池)，將計(jì)算流場(chǎng)的出口設(shè)置在出口段的出口斷面，使水流充分發(fā)展，出口斷面采用出流邊界條件。

(3)壁面條件。泵裝置的進(jìn)出水流道、葉輪的輪轂、外殼及導(dǎo)葉體的固體壁面均設(shè)置為靜止壁面，應(yīng)用無滑移條件，近壁區(qū)流動(dòng)采用scalable壁面函數(shù)。

(4)自由液面。進(jìn)水段和出水段的水面為自由液面，按對(duì)稱面處理。

(5)旋轉(zhuǎn)葉輪部件與固定導(dǎo)葉及進(jìn)水流道之間的靜動(dòng)交界面采用 stage 模型傳遞數(shù)據(jù)。對(duì)葉輪的扭矩及進(jìn)出的總壓增量設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，以監(jiān)控點(diǎn)不隨計(jì)算的波動(dòng)為收斂標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 泵裝置模型與網(wǎng)格剖分

采用NX 8.0軟件對(duì)進(jìn)水流道、直管式出水流道、進(jìn)水段和出水段進(jìn)行實(shí)體建模與網(wǎng)格剖分。采用CFX-TurboGrid軟件對(duì)葉輪和導(dǎo)葉體進(jìn)行實(shí)體建模與網(wǎng)格剖分，模型泵建模時(shí)考慮了葉頂間隙的影響，葉頂間隙設(shè)置為0.2 mm。泵裝置的水力模型采用ZM25A葉輪。

1.2.1泵裝置整體三維幾何模型

在NX 8.0中完成進(jìn)水流道型線的參數(shù)化建模，控制參數(shù)主要為收縮斷面圓角與外部型線，通過調(diào)整各斷面控制尺寸最終使得各斷面之間過渡平順。泵裝置包括進(jìn)水流道、泵葉輪、導(dǎo)葉體和出水流道，如圖1所示。

圖1 泵裝置整體幾何模型Fig.1 Pump geometric model as a whole1.進(jìn)水流道 2.葉輪導(dǎo)葉 3.彎管 4.出水流道

1.2.2導(dǎo)葉和葉輪模型建立與網(wǎng)格剖分

葉輪和導(dǎo)葉的模型分別在Turbgrid中按照葉輪直徑DM=300 mm標(biāo)準(zhǔn)模型建立，如圖2所示。泵葉輪中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，葉頂間隙設(shè)置為0.2 mm，葉片曲面以光滑曲面方式建立。

圖2 葉輪和導(dǎo)葉模型與網(wǎng)格圖Fig.2 Impeller and guide blade model and grid

1.2.3進(jìn)、出水流道模型建立與網(wǎng)格剖分

進(jìn)水流道為水平直管，斷面從進(jìn)口的矩形過渡到出口的圓形，面積逐步減小。出水流道由S形彎管和出口直段組成，面積逐步增大，如圖3所示。出水流道模型建立時(shí)考慮軸伸段電動(dòng)機(jī)安裝方便，并兼顧水流平順過渡，出水彎管斷面的寬度小于高度。

圖3 進(jìn)、出水流道網(wǎng)格Fig.3 Inlet/outlet passage grids

1.2.4網(wǎng)格數(shù)

泵裝置模型最終生成的網(wǎng)格角度在 24°～155°之間，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.35。各個(gè)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)與網(wǎng)格數(shù)如表1所示。通過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果滿足應(yīng)用要求。

1.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

1.3.1軸伸泵裝置整體流動(dòng)形態(tài)

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的內(nèi)部流態(tài)，選取水泵葉片角-2°的計(jì)算結(jié)果，繪出泵裝置內(nèi)部全流道三維流線用于分析。圖4為平面S形軸伸泵裝置全流道流場(chǎng)的三維流線，圖中列出了最高效率工況(流量為Q0)、大流量工況和小流量工況3種流動(dòng)形態(tài)。

表1 網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)與網(wǎng)格數(shù)Tab.1 Numbers of grid nodes and elements

圖4 不同工況下泵裝置全流道三維流線Fig.4 Three-dimensional flow of pump system under different operating conditions

從軸伸泵裝置內(nèi)部流線圖可以看出不同工況的流動(dòng)形態(tài)特征。在最高效率工況運(yùn)行時(shí)，進(jìn)出水流道整體流態(tài)較好，進(jìn)水流道的流線順直，沿著進(jìn)水流道幾何邊界收縮流動(dòng)，沒有脫流和偏轉(zhuǎn)，流態(tài)非常理想；而在出水流道內(nèi)，水泵導(dǎo)葉出口的剩余環(huán)量致使水流產(chǎn)生螺旋型流動(dòng)，這種螺旋型流動(dòng)在流向出口的過程中逐步發(fā)展，愈發(fā)明顯。在小流量工況下，進(jìn)水流道的流動(dòng)順直，保持理想形態(tài)；出水流道的流動(dòng)形態(tài)因流量減小，葉輪內(nèi)的二次回流和導(dǎo)葉內(nèi)部脫流，軸向流速降低，剩余環(huán)量較大，出水流道內(nèi)部螺旋流動(dòng)增強(qiáng)。在大流量工況下，進(jìn)水流道流動(dòng)依然呈現(xiàn)理想形態(tài)；由于軸向流速的增大，螺旋型流線有一定的舒緩。

新峪選煤廠的工業(yè)性試驗(yàn)表明，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的工藝指標(biāo)，無論是數(shù)量效率還是可能偏差均優(yōu)于主再選兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器。該廠一期工程系統(tǒng)的主再選兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器采用預(yù)先脫泥有壓給料，主選旋流器排矸，懸浮液密度不高，致使矸石帶煤率大，造成了寶貴的煤炭資源損失。三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的噸煤電耗為0.72 kW·h，低于主再選兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，符合節(jié)能降耗的基本國策。

1.3.2進(jìn)水流道流速分布

進(jìn)水流道的出口就是葉輪室的進(jìn)口，進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)應(yīng)為葉輪提供流速分布均勻的進(jìn)水條件，其軸向速度分布均勻程度反映了進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)質(zhì)量,是實(shí)現(xiàn)水泵設(shè)計(jì)性能的重要保證[20-21]。為進(jìn)一步討論這種流道的水力特性，考察了進(jìn)水流道在最高效率工況(流量Q0)、大流量(1.2Q0)工況、小流量(0.6Q0)工況3個(gè)不同工況下，4個(gè)過水?dāng)嗝?斷面1、2、3、4)的流速矢量圖，如圖5所示。進(jìn)水水流速度從進(jìn)口到出口逐漸增加，在距離水泵葉輪進(jìn)口(斷面0)0.14 m的斷面4，無論是最高效率工況，大流量工況，還是小流量工況，從進(jìn)口斷面1到出口斷面4，各個(gè)斷面水流速度矢量圖顯示，流速大小都非常均勻，流速方向保持順直。

圖5 進(jìn)水流道流速分布Fig.5 Flow velocity distributions of suction passage

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，采用計(jì)算單元面積加權(quán)的方法，計(jì)算得到了進(jìn)水流道出口斷面4紊流區(qū)的流速均勻度Vzu，其數(shù)值越大，表明進(jìn)水流道的出口水流的軸向流速分布越均勻，計(jì)算公式為[22]

式中Vzu——流道出口斷面軸向流速分布均勻度，%

vai——流道出口斷面各計(jì)算單元的軸向速度，m/s

ΔAi、A——i單元的面積、斷面面積

在各個(gè)不同的流量工況下，斷面軸向流速分布均勻度都達(dá)到了99.2%以上，如圖6所示。因此進(jìn)水流態(tài)已經(jīng)接近理論設(shè)定狀態(tài)，可以充分保證水泵對(duì)葉輪進(jìn)口的水力條件要求，使水泵最大程度地實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)性能[23-24]。這主要是因?yàn)檫M(jìn)水流道為斷面漸縮的直管，水流均勻收縮和加速且沒有彎道，進(jìn)水條件優(yōu)異正是平面S形(后置)軸伸泵裝置的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。

圖6 進(jìn)水流道出口流速均勻度Fig.6 Velocity uniformity of suction passage outlet

1.3.3出水流道水流流動(dòng)特性

出水流道由S形彎管和直管2部分構(gòu)成。如前所述，受水泵葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，水流流出后導(dǎo)葉時(shí)盡管已通過導(dǎo)葉的調(diào)整，仍然帶有較大的環(huán)量[25]。出水彎管的一個(gè)重要功能是回收水流的剩余動(dòng)能；另一個(gè)重要功能則是調(diào)整水流的方向。由于動(dòng)力機(jī)的外置和水流流向的調(diào)整，形成了雙彎道的S形彎管，為了在徑向有效抑制彎道水流橫向二次流的發(fā)生，有利于動(dòng)能的回收，出水彎管采用橢圓形斷面。為深入分析出水流道內(nèi)部水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)，分別在出水彎管選取4個(gè)橫斷面(斷面5、6、7、8)，在出水直管選取1個(gè)橫斷面(斷面9)，考察不同工況下出水流道橫斷面的流動(dòng)情況，斷面位置和流動(dòng)形態(tài)如圖7所示。

斷面5為彎管的進(jìn)口，同時(shí)也是水泵導(dǎo)葉的出口，水流從葉輪帶來的剩余環(huán)量大，在小流量工況下尤為突出。此時(shí)進(jìn)入彎管的水流軸向速度較大，在彎管徑向約束作用下，未能形成橫向二次環(huán)流的形態(tài)，在彎管中部斷面7處偏向一側(cè)出現(xiàn)較小的回旋區(qū)，并向直段延續(xù)發(fā)展，在彎管出口斷面8及其后的直管斷面9形成順時(shí)針、全斷面的回旋。隨著流程發(fā)展，過流斷面增大，水流流速下降，回旋的速度也在減小。正是這種斷面回旋流動(dòng)與水流軸向流動(dòng)疊加，形成了如圖4所示的水流螺旋形流動(dòng)，這也是軸流泵裝置出水流動(dòng)形態(tài)的共有特征。從不同的流量工況看，隨著流量的減小，在小流量工況(0.6Q0)斷面回旋的形態(tài)更為明顯；在大流量工況(1.2Q0)時(shí),彎管中部斷面7的回旋形態(tài)并不明顯，但是在彎管出口斷面8、直管斷面斷面9，與較小流量的工況一樣，均為全斷面的回旋流動(dòng)。這不同于普通彎管內(nèi)二次流的雙回旋流動(dòng)，說明S形彎管較好地抑制了水流的橫向二次回旋，有助于減少出水流動(dòng)的能量消耗和出水流道的水力損失。因而小流量工況的效率有所提升。

圖7 出水流道不同斷面橫向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)Fig.7 Swirl flow at different cross sections of discharge passage

為了進(jìn)一步剖析出水流道渦旋流動(dòng)的情況，提取了3個(gè)流量工況下斷面5～9的渦度，即旋渦強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)斷面位置的坐標(biāo)值，分別繪制成曲線，如圖8所示。

圖8 出水流道不同斷面渦度的變化Fig.8 Changes of vorticity at different cross sections of discharge passage

在3個(gè)工況下，從導(dǎo)葉出口到出水流道出口斷面旋渦強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，其中小流量工況下從斷面5至斷面7下降梯度最大；最高效率工況和大流量工況下斷面5至斷面7下降梯度較緩，斷面7至斷面8下降梯度較大；3個(gè)工況的斷面8至斷面9的渦度變化規(guī)律一致。彎管內(nèi)總的水流渦旋強(qiáng)度從S形彎管進(jìn)口斷面5的最大值下降至S形彎管出口斷面8的最小值，到斷面9稍有回升。這種情況表明，S形彎管抑制橫向回旋流動(dòng)，回收旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的效果很好，尤其對(duì)于小流量工況，彎管回收旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的效果更佳，對(duì)提高泵裝置的運(yùn)行效率極為有利。

1.3.4進(jìn)、出水流道水力損失

根據(jù)數(shù)值模擬的流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)，計(jì)算了在不同流量下進(jìn)水流道與出水流道的水力損失。圖9為進(jìn)、出水流道水力損失隨流量的變化曲線。

圖9 進(jìn)、出水流道水力損失Fig.9 Hydraulic loss of passages

由圖9可知，進(jìn)水流道的水力損失很小，在泵裝置流量為160～280 L/s時(shí)，進(jìn)水流道損失隨流量的增大而增大，數(shù)值為0.005～0.016 m。出水流道損失有所不同，在最高效率點(diǎn)右側(cè)，水力損失隨流量增加而增大，數(shù)值為0.02～0.096 m；在最高效率點(diǎn)左側(cè)，水力損失隨流量增加而減小，數(shù)值為0.02～0.08 m；出水流道損失在最高效率工況附近有最小值0.02 m；進(jìn)、出水流道總損失為0.085 m-0.02 m-0.112 m的拋物線。這正是S形后置軸伸泵裝置的又一特點(diǎn)，有助于提高小流量工況的泵裝置效率[26]。由于進(jìn)出水流道的水力損失很小，高效平面S形軸伸泵裝置的整體效率得以達(dá)到較高的水平。

1.3.5軸伸泵裝置性能預(yù)測(cè)

對(duì)泵裝置的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)是對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要參考，尤其在前期方案比選過程中，可以節(jié)省很多時(shí)間。

水泵效率為有效功率與軸功率的百分比，計(jì)算公式為

(1)

式中Ne——水泵的有效功率，kW

Q——水泵的流量，L/s

H——水泵的揚(yáng)程，m

P——水泵的軸功率，kW

ρ——水的密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

泵裝置揚(yáng)程1.5～1.6 m時(shí)，流量為220～236 L/s，最高效率達(dá)到77%左右，能夠滿足工程的實(shí)際需要。將葉片角-2°的泵裝置性能預(yù)測(cè)結(jié)果列出并與相應(yīng)葉片角的試驗(yàn)結(jié)果比較，如圖10所示。計(jì)算的揚(yáng)程-流量曲線的斜率偏小，在最高效率點(diǎn)附近計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近，在小流量工況計(jì)算揚(yáng)程偏小，流量越小差異越大；而在大流量工況則相反，計(jì)算揚(yáng)程偏大。主要因?yàn)榉窃O(shè)計(jì)工況下的泵裝置內(nèi)流動(dòng)存在較大的脫流和旋渦，與設(shè)定的流動(dòng)邊界條件相差較多。泵裝置的性能預(yù)測(cè)可用于泵裝置最優(yōu)工況性能的參考，實(shí)際性能則必須經(jīng)過模型試驗(yàn)或原型試驗(yàn)來確定。從最高效率點(diǎn)預(yù)測(cè)性能看，平面S軸伸泵裝置的能效指標(biāo)較高，能夠滿足實(shí)際工程的需要。

圖10 泵裝置性能預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)比較Fig.10 Results of pump performance prediction and experiment

2 模型泵裝置試驗(yàn)

2.1 模型泵試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證數(shù)值模擬優(yōu)化方案結(jié)果，獲取平面S形軸伸泵裝置的性能，在江蘇省水利動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模型試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)通過國家計(jì)量認(rèn)證，每2年復(fù)檢一次，試驗(yàn)綜合精度達(dá)到0.29%。根據(jù)泵站水位及特征揚(yáng)程，選擇ZM25A模型泵。根據(jù)幾何比尺λD=4.5的比尺縮小組成模型泵裝置。葉頂間隙控制在0.15 mm以內(nèi)。葉輪室開有觀察窗，便于觀測(cè)葉片處的水流形態(tài)。模型泵裝置如圖11所示。

模型試驗(yàn)測(cè)試了泵裝置能量性能、汽蝕性能和飛逸特性。

圖11 模型泵裝置照片F(xiàn)ig.11 Model pump system photo1.觀察窗 2.進(jìn)水流道 3.導(dǎo)葉 4.彎管 5.出水流道 6.葉輪 7.電動(dòng)機(jī)

2.2 模型試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1性能試驗(yàn)

圖12 黃金壩軸伸泵裝置性能曲線Fig.12 Gold-Dam shaft-extension pump performance curves

模型試驗(yàn)測(cè)試了5個(gè)葉片安放角度(-6°、-4°、-2°、0°、2°)的性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理得到泵裝置通用性能曲線，圖12a為模型泵裝置通用性能曲線，圖12b為原型泵裝置通用性能曲線。各角度最優(yōu)工況參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在葉片角度-4°、-2°、0°和2°，揚(yáng)程1.74 m時(shí)，模型試驗(yàn)最高泵裝置效率為77.10%～78.35%。最高效率出現(xiàn)在葉片角2°，為78.35%，相應(yīng)的流量為244.21 L/s，揚(yáng)程2.003 m，在葉片角0°、-2°、-4°的最高效率均超過了77%。在設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.05 m，設(shè)計(jì)流量222 L/s，葉片角-4°時(shí)即可以滿足要求，對(duì)于此類特低揚(yáng)程的泵站，其裝置效率已經(jīng)達(dá)到較高水平。經(jīng)過綜合比較，確定采用葉片安裝角為-2°，揚(yáng)程1.05 m，流量232 L/s，泵裝置效率為68%，對(duì)應(yīng)原型泵裝置流量為5 m3/s。

表2 模型泵裝置性能試驗(yàn)最優(yōu)效率數(shù)據(jù)Tab.2 The best efficiency data of model pump performance

2.2.2汽蝕特性

模型泵裝置的汽蝕試驗(yàn)采用定流量的能量法，取水泵效率較其性能點(diǎn)低1%的汽蝕余量作為臨界汽蝕余量(以葉輪中心為基準(zhǔn))。測(cè)試了3個(gè)葉片角度不同流量點(diǎn)的汽蝕試驗(yàn)性能，圖13為汽蝕試驗(yàn)曲線。最高揚(yáng)程1.65 m以下的各運(yùn)行工況的泵裝置汽蝕余量均在5.0 m以下，高效點(diǎn)泵裝置汽蝕余量為3.0 m以下，按照不同葉片角度最高效率點(diǎn)汽蝕余量計(jì)算，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)1 300以上，表明泵裝置汽蝕性能優(yōu)異。

圖13 黃金壩泵裝置模型汽蝕曲線Fig.13 Cavitation curves of model pump

2.3 工程應(yīng)用

高效平面S形軸伸泵裝置在揚(yáng)州市引水工程——黃金壩泵站成功應(yīng)用。黃金壩泵站安裝4臺(tái)平面S形軸伸泵裝置。圖14為黃金壩泵站內(nèi)部布置。

該工程已于2015年投入運(yùn)行，經(jīng)泵站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，原型平面S形軸伸泵裝置的水力性能與模型試驗(yàn)的結(jié)果基本一致，泵站運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)噪聲小。

圖14 黃金壩閘站工程泵房?jī)?nèi)部布置Fig.14 Internal layout of Gold-Dam pump house

3 結(jié)論

(1)基于S形下臥式軸伸泵裝置提出了平面S形軸伸泵裝置設(shè)計(jì)方案。采用CFD軟件對(duì)平面S形軸伸泵裝置進(jìn)行了內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示不同工況下的泵裝置內(nèi)部流態(tài)較平順，設(shè)計(jì)工況下流速分布均勻；預(yù)測(cè)了泵裝置性能，預(yù)測(cè)性能在設(shè)計(jì)工況與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。

(2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，黃金壩泵裝置最高效率點(diǎn)出現(xiàn)在2°，該角度下最高裝置效率為78.35%。在設(shè)計(jì)運(yùn)行工況，葉片角-2°的性能即可滿足運(yùn)行要求，揚(yáng)程H=1.05 m時(shí)，流量為Q=232 L/s，效率為68%；葉片角-2°最高效率點(diǎn)出現(xiàn)在Q=213.79 L/s，揚(yáng)程H=1.74 m；效率為77.1%。泵裝置最高運(yùn)行揚(yáng)程大于3 m，滿足泵站最高揚(yáng)程1.65 m的運(yùn)行要求。

(3)泵裝置的汽蝕性能優(yōu)異，在4個(gè)葉片角度下，最高揚(yáng)程1.65 m以下的各運(yùn)行工況的泵裝置汽蝕余量均在5.0 m以下，高效率點(diǎn)泵裝置汽蝕余量為3.0 m以下，滿足水泵運(yùn)行要求。

(4)泵裝置在揚(yáng)州市引水工程——黃金壩泵站應(yīng)用，泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，高效平面S形軸伸泵原型裝置的水力性能與模型裝置試驗(yàn)性能的結(jié)果基本一致，泵站運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)噪聲小。

1 LIU Chao. The developments of axial flow pump system researches in China [C]∥ASME 2016 Fluids Engineering Division Summer Meeting, 2016,1:FEDSM2016-7621.

2 ZHU Jinmu, ZENG Fanchun. Experimental study on two-way flow passages in pumping system[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2008,22(10)： 1966-1970.

3 劉超, 周慶連, 錢均, 等. 雙向流道立軸潛水泵系統(tǒng)流動(dòng)特性研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016,47(10):59-65，58.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20161008&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.10.008.

LIU Chao，ZHOU Qinglian，QIAN Jun， et al. Flow characteristics of two-way passage vertical submersible pump system[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(10):59-65，58. (in Chinese)

4 張仁田,鄧東升,朱紅耕, 等. 不同型式燈泡貫流泵的技術(shù)特點(diǎn)[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2008, 6(6):6-9,15.

ZHANG Rentian, DENG Dongsheng, ZHU Honggeng, et al. Technical features of two bulb tubular pumps[J]. South-to-North Water Diversion and Water Science & Technology, 2008, 6(6):6-9,15. (in Chinese)

5 成立, 劉超, 周濟(jì)人. 基于RNG湍流模型的雙向泵站出水流道流動(dòng)計(jì)算[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2004, 15(1):109-112.

CHENG Li, LIU Chao, ZHOU Jiren. Numerical simulation of flow in the outlet passages of reversible pumping station by RNG turbulent model with wall function law[J]. Advances in Water Science, 2004, 15(1):109-112. (in Chinese)

6 劉超,金燕. 雙向流道泵裝置內(nèi)三維流動(dòng)數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011, 42(9):74-78.

LIU Chao，JIN Yan. Numerical simulation on three dimensional flow in two-way reversible pumping system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011, 42(9):74-78. (in Chinese)

7 劉超, 周濟(jì)人, 湯方平, 等. 低揚(yáng)程雙向流道泵裝置研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2001,32(1):49-51.

LIU Chao，ZHOU Jiren，TANG Fangping, et al. Study on a low-lift and two-way pumping system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2001, 32(1):49-51. (in Chinese)

8 湯方平,劉超,謝偉東, 等. 雙向潛水貫流泵裝置水力模型研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2004, 35(5):74-77.

TANG Fangping, LIU Chao, XIE Weidong, et al. Experimental studies on hydraulic models for a reversible, tubular, and submersible axial-flow pump installation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2004, 35(5):74-77. (in Chinese)

9 鄭源, 張德虎, 廖銳, 等. 豎井貫流泵能量特性試驗(yàn)研究[J]. 排灌機(jī)械, 2003,21(3):31-34.

ZHENG Yuan, ZHANG Dehu, LIAO Rui, et al. Experimental study on equipment energy characteristic for shaft tubular pump[J]. Drainage and Irrigation Machinery, 2003, 21(3):31-34. (in Chinese)

10 關(guān)醒凡,趙艷, 商明華. 邳州泵站貫流泵裝模型試驗(yàn)研究[J]. 水泵技術(shù), 2011(4):9-13.

GUAN Xingfan, ZHAO Yan, SHANG Minghua. Model test for tubular pump system of pizhou pumping station[J]. Pump Technology, 2011(4):9-13. (in Chinese)

11 顏紅勤. 梅梁湖泵站豎井貫流泵裝置主要參數(shù)的確定[J]. 水利水電科技進(jìn)展, 2005(6):91-94.

YAN Hongqin. Determination of main parameters for shaft tubular pumping system[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources,2005(6):91-94. (in Chinese)

12 馮旭松,關(guān)醒凡,井書光, 等. 南水北調(diào)東線燈泡貫流泵水力模型及裝置研究開發(fā)與應(yīng)用[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2009, 7(6):32-35.

FENG Xusong, GUAN Xingfan, JING Shuguang, et al. Development and application on hydraulic model and equipment of bulb tubular pumps in the eastern route of the South-to-North Water Transfer Project[J]. South-to-North Water Diversion and Water Science & Technology, 2009, 7(6):32-35. (in Chinese)

13 莫為澤,楊榮娣,張海平. 后置燈泡式貫流泵裝置水力模型成果簡(jiǎn)介[J]. 水泵技術(shù), 2005(5):13-14.

MO Weize, YANG Rongdi, ZHANG Haiping. The rear light bulb tubular pump hydraulic model results[J]. Pump Technology,2005(5):13-14. (in Chinese)

14 謝榮盛，湯方平，劉超. 豎井與軸伸貫流泵裝置水力特性比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(13):24-30.

XIE Rongsheng, TANG Fangping, LIU Chao. Comparison of hydraulic performance between vertical shaft and shaft extension tubular pumping system[J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(13):24-30. (in Chinese)

15 石麗建, 劉新泉, 湯方平, 等. 雙向豎井貫流泵裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016, 47(12):86-91,138.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20161212&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.12.012.

SHI Lijian，LIU Xinquan，TANG Fangping，et al. Design optimization and experimental analysis of bidirectional shaft tubular pump device[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(12):86-91,138. (in Chinese)

16 KAYA D. Experimental study on regaining the tangential velocity energy of axial flow pump[J]. Energy Conversion & Management, 2003, 44:1817-1829.

17 KIM H J, PARK S W, RHEE D S. Numerical analysis of the effects of anti-vortex device height on hydraulic performance of pump sump [J]. KSCE Journal of Civil Engineering, 2016,21(4):1484-1492.

18 CHOI J W, CHOI Y D, KIM C G，et al. Flow uniformity in a multi-intake pump sump model[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2010, 24(7): 1389-1400.

19 仇寶云,林海江,黃季艷，等. 大型立式軸流泵葉片進(jìn)口流場(chǎng)及其對(duì)水泵影響研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2005, 41(4):28-34.

QIU Baoyun, LIN Haijiang, HUANG Jiyan, et al. Study on flow field in blade inlet of large vertical axial flow pump and its influence on pump[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005, 41(4):28-34. (in Chinese)

20 燕浩, 劉梅清, 梁興, 等. 進(jìn)水均勻性對(duì)大型軸流泵裝置空化特性的影響[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014,42(10):108-112,118.

YAN Hao, LIU Meiqing, LIANG Xing, et al. Influence on cavitation characteristics of large axia-flow,pumping unit by uniformity of conduit inflow [J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2014,42(10):108-112, 118. (in Chinese)

21 劉超，梁豪杰，金燕, 等. 立式軸流泵進(jìn)水流場(chǎng)的 PIV 測(cè)量[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(8):33-41.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150806&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.08.006.

LIU Chao, LIANG Haojie, JIN Yan, et al. Flow field of an axial-flow pumpintake by PIV measurements[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(8):33-41. (in Chinese)

22 湯方平,袁家博,周濟(jì)人. 進(jìn)水流道對(duì)泵性能的影響[J]. 水泵技術(shù), 1994(4):20-21.

TANG Fangping, YUAN Jiabo, ZHOU Jiren. The influence of inlet passage on the pump performance[J]. Pump Technology,1994(4):20-21. (in Chinese)

23 楊帆, 劉超, 湯方平, 等. 大型立式軸流泵裝置流道內(nèi)部流動(dòng)特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011, 42(5):39-43,55.

YANG Fan, LIU Chao，TANG Fangping， et al. Characteristics of flow in large vertical axial flow pumping system [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(5): 39-43,55. (in Chinese)

24 楊榮娣,莫為澤,張海平. 30°斜軸伸泵裝置水力模型的開發(fā)及其應(yīng)用研究[J]. 水泵技術(shù), 1997(2): 3-7．

YANG Rongdi, MO Weize, ZHANG Haiping. Hydraulic model study and application of 30° slating axial pump set[J]. Pump Technology，1997(2): 3-7．(in Chinese)

25 陳松山, 周正富, 何鐘寧, 等. 30°斜式進(jìn)水流道數(shù)模分析與泵裝置特性試驗(yàn)研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào),2012,31(3):204-208,216.

CHEN Songshan, ZHOU Zhengfu, HE Zhongning,et al. Numerical simulation of flows in 30° slanting inlet duct and model test of pump set[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2012,31(3):204-208,216. (in Chinese)

26 楊帆, 劉超, 湯方平, 等. 斜軸伸泵裝置水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012, 48(18):152-159.

YANG Fan, LIU Chao, TANG Fangping, et al. Numerical simulation on the hydraulic performance and model test of slanted axial pumping system[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2012，48(18):152-159. (in Chinese)

27 李龍, 王澤. 軸伸式貫流泵裝置全流場(chǎng)三維湍流數(shù)值模擬[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43(10):62-66.

LI Long,WANG Ze. Numerical simulation of 3D viscous flow in tubular pumping station on dual-directional operation[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(10):62-66. (in Chinese)

28 湯方平,劉超,王國強(qiáng), 等. 平面S形流道雙向軸流泵裝置水力模型研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2003, 34(6):50-53.

TANG Fangping, LIU Chao, WANG Guoqiang, et al. Study on a reversible axial-flow pump installation with S-shaped conduit[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2003,34(6):50-53. (in Chinese)

29 古智生. 全貫流潛水電泵的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 水利水電技術(shù), 2010,41(12):54-57.

GU Zhisheng. Development and application of a new type submersible tubular pump[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2010, 41(12):54-57. (in Chinese)

30 劉超, 楊帆, 楊華,等. 新型高效 S 形軸伸貫流泵裝置模型研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2013,32(5): 251-260.

LIU Chao, YANG Fan, YANG Hua, et al. Experimental study on new high efficiency S-shaped shaft extension tubular pump system[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2013,32(5):251-260. (in Chinese)

31 陸林廣, 梁金棟, 陳阿萍，等. 臥式前軸伸泵裝置流道三維流動(dòng)及水力損失[J]. 排灌機(jī)械,2009,27(1):47-50.

LU Linguang, LIANG Jindong, CHEN Aping, et al. 3D turbulent flow and hydraulic loss for pump system with horizontal forward-extension shaft[J]. Drainage and Irrigation Machinery, 2009, 27(1):47-50. (in Chinese)

32 楊帆, 劉超, 湯方平. 等. S 形貫流泵裝置多工況過流部件水力性能分析[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014,45(5):71-77.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140511&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.05.011.

YANG Fan, LIU Chao, TANG Fangping, et al. Hydraulic performance analysis of flow passage components in S-shaped shaft extension tubular pumping system under multi-conditions[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(5):71-77. (in Chinese)