顧梅芳，楊曉紅，孫鋒明，陳新華

(1.江陰市重點(diǎn)水利工程建設(shè)管理處，江蘇 無(wú)錫 214431；2.江陰市水利工程公司，江蘇 無(wú)錫 214431;3.江陰市璜土水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 無(wú)錫 214431；4.江陰市南閘水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 無(wú)錫 214431)

在大型泵站設(shè)計(jì)中，按照第二相似律選擇合適的水泵，水泵在設(shè)計(jì)工況下的效率、流量均在模型試驗(yàn)中得到保證。在泵站建成之初，流道表面用模板保證尺寸結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也能保證壁面光滑，葉輪和導(dǎo)葉往往由車床加工，通過(guò)噴漆處理，防止葉片及導(dǎo)葉表面銹蝕。而在使用過(guò)程中，由于輸運(yùn)介質(zhì)中雜質(zhì)對(duì)壁面的磨損，噴漆脫落引起表面銹蝕，或者直接是雜質(zhì)對(duì)壁面的撞擊、沉淀在壁面上，或者氣蝕作用對(duì)葉片的磨損，都會(huì)引起壁面粗糙度的變化，從而引起泵站水力性能的惡化，大幅削弱泵站在使用中應(yīng)有的功能[1- 3]。為了探討粗糙度對(duì)水力性能的影響，朱紅耕[4]、李龍[5]等人研究了軸流泵的水力性能隨著粗糙度的變化關(guān)系，高軍甲[6]認(rèn)為對(duì)輸油離心泵葉輪進(jìn)行電解拋光后，大幅降低粗糙度，效率提高了5%，馮建軍[7]、王川[8]等也進(jìn)行過(guò)類似的研究得到相應(yīng)的結(jié)論。M.W.Jessica[9]討論了壁面粗糙度對(duì)軸功率的影響。BAI Tao等人[10]研究了表面粗糙度對(duì)渦輪機(jī)葉片空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響。付飛[11]系統(tǒng)總結(jié)了近年來(lái)關(guān)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械在表面粗糙度取得的研究進(jìn)展。

采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試的方法，相關(guān)學(xué)者基于粗糙度對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能的研究取得了一些成果[12- 20]，而軸流泵站特別是低揚(yáng)程泵站中，進(jìn)出水管道及導(dǎo)葉對(duì)水力性能有著較大的影響，目前各分塊部件的粗糙度對(duì)軸流泵站水力性能的影響作用尚不明顯。本文通過(guò)對(duì)軸流泵的不同部件設(shè)置不同的粗糙度，借助大型商業(yè)軟件探討粗糙度對(duì)軸流泵水力性能的影響規(guī)律，對(duì)低揚(yáng)程的軸流泵站檢修維護(hù)及日常管理具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分

1.1 幾何模型與網(wǎng)格

泵段的幾何模型如圖1所示，包括了進(jìn)口延長(zhǎng)段，葉輪室，導(dǎo)葉室，60度彎管，出口延長(zhǎng)段。其中葉輪直徑為300mm，葉片數(shù)為4，輪轂比為0.4，導(dǎo)葉葉片數(shù)為5。整個(gè)模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示。葉輪和導(dǎo)葉均在TUBGRID中利用塊結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成，其余在ICEM中生成。進(jìn)口段網(wǎng)格總數(shù)為25萬(wàn)，葉輪室網(wǎng)格總數(shù)為39萬(wàn)，導(dǎo)葉室網(wǎng)格為40萬(wàn)，60度彎頭及出口延長(zhǎng)段網(wǎng)格總數(shù)為42萬(wàn)，總共網(wǎng)格為146萬(wàn)，滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。

圖1 計(jì)算域模型

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

1.2 邊界條件設(shè)置

本文采用有限體積的方法，基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，雷諾時(shí)均N-S方程模擬內(nèi)部流場(chǎng)。流量進(jìn)口設(shè)置為350L/s，出口設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，葉輪轉(zhuǎn)速為1450rpm，采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子的方法處理旋轉(zhuǎn)葉輪與進(jìn)水管道與導(dǎo)葉之間的交界面，收斂殘差值設(shè)置為105，最大迭代步長(zhǎng)為1000步。各壁面的粗糙度設(shè)置成變量，利用中心組合方法探討不同粗糙度對(duì)軸流泵的水力性能影響。

2 DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮不同部件不同粗糙度對(duì)軸流泵水力性能的影響，將軸流泵的粗糙度按部件分為4部分，分別為進(jìn)口段、葉輪室段、導(dǎo)葉段和出水彎管段。在ANSYS平臺(tái)進(jìn)行中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中中心組合示意圖如圖3所示。

圖3 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖

本文為4因子5水平，試驗(yàn)表格見(jiàn)表1。其中fblade為葉輪室的粗糙度，fdy為導(dǎo)葉的粗糙度，fin為進(jìn)口直管段的粗糙度，fout為出口彎頭及延長(zhǎng)段的粗糙度，單位為mm。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

不同方案模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，依次考慮各部件粗糙度對(duì)軸流泵的揚(yáng)程、效率及軸功率影響大小整理成如圖4所示的主效應(yīng)圖。

從圖4可知，葉片表面的粗糙度對(duì)軸流泵水力性能的影響最為顯著。其中對(duì)揚(yáng)程和效率均為降低作用，而對(duì)軸功率卻是增加效應(yīng)。葉片對(duì)軸流泵的性能起到了決定性的作用，雖然其表面面積在整個(gè)計(jì)算域中比重不大，但是其為軸流泵中最核心的部件，主要的能量轉(zhuǎn)化在這里完成。從主效應(yīng)圖中也可以看到其在軸流泵的核心地位。

表1 各過(guò)流部件粗糙度的中心組合設(shè)計(jì) 單位：mm

表2 各方案下模擬計(jì)算結(jié)果

圖4 各部件對(duì)軸流泵水力性能的影響主效應(yīng)圖

導(dǎo)葉壁面粗糙度除了對(duì)軸功率基本無(wú)影響之外，其余均和葉輪的趨勢(shì)相同，但是影響效果遠(yuǎn)小于葉輪室?？紤]導(dǎo)葉室過(guò)流面積的因素，對(duì)軸流泵的影響仍要大于出水流道。模擬中對(duì)揚(yáng)程的影響：葉輪室壁面粗糙度計(jì)算結(jié)果為-0.265，導(dǎo)葉壁面粗糙度為-0.065，進(jìn)口直管段壁面粗糙度為-0.037，出口直管段壁面粗糙度為-0.057。對(duì)效率的影響：葉輪室壁面粗糙度計(jì)算結(jié)果為-0.283，導(dǎo)葉壁面粗糙度為-0.045，進(jìn)口直管段壁面粗糙度為-0.041，出口直管段壁面粗糙度為-0.051，葉輪室壁面粗糙度對(duì)軸功率的影響系數(shù)為0.099。

3.2 響應(yīng)曲面

從主效應(yīng)中可以得出對(duì)軸流泵性能影響較大的是葉輪室與導(dǎo)葉室壁面粗糙度，為了更進(jìn)一步分析其對(duì)軸流泵揚(yáng)程及效率的影響，將葉片及導(dǎo)葉壁面的粗糙度對(duì)揚(yáng)程和效率的相應(yīng)曲面圖進(jìn)行整理，如圖5所示。

圖5 葉輪室及導(dǎo)葉室壁面粗糙度對(duì)水力性能的響應(yīng)曲面圖

4 結(jié)語(yǔ)

因軸流泵各過(guò)流部件表面的粗糙度對(duì)水力性能影響不同，必要時(shí)可采取不同的加工方法。對(duì)于大型重要的泵站，建議葉片表面選擇五軸聯(lián)動(dòng)車床精加工保證較高的水力性能，葉片本身選擇不易生銹的不銹鋼或者耐腐蝕的材料，而進(jìn)出水流道對(duì)水力性能的影響較小，可適當(dāng)降低加工要求，對(duì)水力性能也不會(huì)有太大的影響。

本文得到的主要結(jié)論為葉輪壁面粗糙對(duì)水力性能影響最大，對(duì)揚(yáng)程的影響系數(shù)為-0.26，對(duì)效率的影響系數(shù)為-0.28，對(duì)軸功率的影響系數(shù)為0.1。