(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200; 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210001)

1 研究背景

導(dǎo)葉是水力機(jī)械中為了改變水流流態(tài)而采用的重要整流裝置。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中可以加進(jìn)口導(dǎo)葉以改善轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處流體的流態(tài)；或者加出口導(dǎo)葉以回收動能、變動能為壓能，改善出口處流體的流態(tài)。通過改變流體的流態(tài)以提高裝置的整體效率。后置導(dǎo)葉可以回收轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動能，減少出口速度環(huán)量，將水流圓周速度動能轉(zhuǎn)化為軸向動能和位能，被廣泛地應(yīng)用在軸流式水力機(jī)械中[1]。

在國外，Durmus Kaya通過實(shí)驗(yàn)研究了軸流泵的導(dǎo)葉、有無導(dǎo)葉對軸流泵裝置性能的影響，以及導(dǎo)葉對泵效率的影響[2]。研究結(jié)果表明：引入導(dǎo)葉雖然增加了流道的水力損失，但是從總體上卻提高了泵的效率。湯方平對軸流泵后置導(dǎo)葉回收能量進(jìn)行了分析[3-4]，結(jié)果表明：導(dǎo)葉不會影響葉輪的性能，對泵裝置性能的影響取決于導(dǎo)葉自身的能量回收能力和葉型摩擦損失，對于比轉(zhuǎn)數(shù)在500～1600的軸流泵，導(dǎo)葉的葉型產(chǎn)生的摩擦損失相差不大，但是進(jìn)出水道中的水力損失卻隨著比轉(zhuǎn)數(shù)的增大而增加，從而會影響到泵裝置的效率，而導(dǎo)葉的回收能量也跟比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)。胡建對加后置導(dǎo)葉的軸流泵進(jìn)行了水動力研究[5]，結(jié)果表明：導(dǎo)葉的數(shù)目與軸流泵的比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，對于高比轉(zhuǎn)數(shù)泵，取導(dǎo)葉葉片數(shù)應(yīng)較少，一般而言，取導(dǎo)葉數(shù)比葉片數(shù)多1片或少1片。李忠對設(shè)計(jì)模型軸流泵在無導(dǎo)葉和有導(dǎo)葉時(shí)的外特性進(jìn)行了測試[6]，運(yùn)用球形五孔探針對導(dǎo)葉進(jìn)出口流場進(jìn)行測量，從而揭示了導(dǎo)葉對軸流泵性能影響的規(guī)律。湯方平通過模型試驗(yàn)并配合CFD分析的方法，研究了擴(kuò)散導(dǎo)葉對貫流泵性能的影響[7]，結(jié)果表明：采用現(xiàn)有設(shè)計(jì)普通導(dǎo)葉的方法來設(shè)計(jì)擴(kuò)散導(dǎo)葉，必然會存在脫離現(xiàn)象，因?yàn)閷?dǎo)葉葉柵本身為擴(kuò)散葉柵，而擴(kuò)散導(dǎo)葉本身又是一個擴(kuò)散非常大的擴(kuò)散管。李龍?jiān)诓煌闹睂?dǎo)葉情況下，應(yīng)用全流場三維紊流數(shù)值模擬方法，探討了導(dǎo)葉型式對泵站性能的影響，并與彎導(dǎo)葉進(jìn)行了比較[8]，結(jié)果顯示：導(dǎo)葉對改進(jìn)流道內(nèi)的流態(tài)有明顯的效果，可以消除流道內(nèi)的反向流動，使流動變化均勻；后置彎導(dǎo)葉對泵站正、反向運(yùn)行性能反應(yīng)敏感，采用直導(dǎo)葉的泵站正、反向運(yùn)行性能較為接近，對泵站性能影響較小。仇寶云采用5孔探針測試流場的方法，對100ZLB-3型的軸流泵進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)[9-11]，結(jié)果表明：水泵出水環(huán)量對出水流道的水力損失具有很大的影響。劉軍研究認(rèn)為，南水北調(diào)東線工程在江蘇境內(nèi)就以泵站為核心，將泵站的可靠性放在首位[12]。陸林廣等人應(yīng)用水泵裝置三維湍流數(shù)值模擬的方法，研究了南水北調(diào)工程中某站前置、后置燈泡貫流泵裝置兩個不同方案的流態(tài)，揭示了前置和后置燈泡貫流泵裝置的基本流動屬性[13]。金燕[14]、魯俊[15]等人借助于計(jì)算流體力學(xué)方法，采用RNG k-ε模型對貫流泵裝置及貫流泵站水流流態(tài)進(jìn)行了研究，并將研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相比，獲得了比較準(zhǔn)確的結(jié)果。R.T.Johnston[16]和Yousef Yassi[17]研究了前置導(dǎo)葉對泵裝置中水流流態(tài)的影響。A.Thakker[18]和T. Setoguchi[19]分別對沖擊式透平和威爾斯透平的導(dǎo)葉形狀進(jìn)行了研究，研究結(jié)果均認(rèn)為，與傳統(tǒng)的二維導(dǎo)葉相比，三維導(dǎo)葉能改善裝置內(nèi)部的流態(tài)，提高裝置的總體效率。

本文主要對大型貫流泵裝置加后置導(dǎo)葉的情況進(jìn)行了深入研究。在初步設(shè)計(jì)后置導(dǎo)葉的基礎(chǔ)之上，通過開展數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究了有無后置導(dǎo)葉對大型貫流泵裝置水力特性的影響，并深入研究了后置導(dǎo)葉的個數(shù)以及安裝位置對大型貫流泵裝置水力特性的影響。研究結(jié)果可為實(shí)際應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。

2 后置導(dǎo)葉的初步設(shè)計(jì)

大型貫流泵裝置一般都裝有后置導(dǎo)葉，其目的是減少和消除水流的速度環(huán)量，將旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為壓能。本文結(jié)合南水北調(diào)東線工程淮安三站大型貫流泵裝置，對后置導(dǎo)葉進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括進(jìn)出口安放角的計(jì)算、葉柵稠密度的確定以及導(dǎo)葉高度的確定等。

2.1 導(dǎo)葉葉片進(jìn)出口安放角的計(jì)算

圖1為導(dǎo)葉進(jìn)口、出口速度三角形。

由圖1(a)中的進(jìn)口速度三角形，得

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，vm3為導(dǎo)葉進(jìn)口軸面速度(下標(biāo)3表示導(dǎo)葉進(jìn)口處的物理量)，m/s；ψ3為導(dǎo)葉進(jìn)口排擠系數(shù)；vu3為導(dǎo)葉進(jìn)口的圓周速度分量，m/s；Q為體積流量，m3/s；D3為計(jì)算流面的進(jìn)口直徑，m；su3為導(dǎo)葉進(jìn)口圓周方向厚度，m；s3為計(jì)算流面導(dǎo)葉進(jìn)口的流面的厚度，m；α3為導(dǎo)葉進(jìn)口安放角；α4為葉片出口角，考慮到有限葉片數(shù)的影響應(yīng)小于90°，為了保證水流沿法向出口，目前一般80°～90°之間取α4的值[20]。

圖1 導(dǎo)葉進(jìn)、出口速度三角形Fig.1 The triangle of guide blade inlet and outlet velocity

2.2 確定葉柵稠密度

葉柵稠密度l/t和相鄰葉片間道的擴(kuò)散角有關(guān)。葉柵中，兩葉片間的進(jìn)口寬度為ttanα3，出口寬度為l，流道長度近似等于t。由此，流道的擴(kuò)散角為

(5)

擴(kuò)散角一般為6°～10°。通常先參考有關(guān)資料選擇l/t，然后校核擴(kuò)散角在合適的范圍內(nèi)即可。

2.3 導(dǎo)葉高度

當(dāng)導(dǎo)葉出口角為任意角α4時(shí)：

(6)

當(dāng)α4=90°時(shí)，有

(7)

設(shè)計(jì)時(shí),一般先畫軸面投影，定出e=(0.3～0.4)D，計(jì)算l值，然后再校核擴(kuò)散角。

3 后置導(dǎo)葉對泵裝置水力性能的影響

本文對大型貫流泵裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對其水力特性進(jìn)行了研究。采用RNGk-ε湍流模型，進(jìn)口條件是進(jìn)口均勻來流速度，出口條件為自由出流。通過對不同流量工況進(jìn)行研究，充分考慮到過流情況，對不用導(dǎo)葉情況進(jìn)行了深入研究，主要是研究其內(nèi)部流態(tài)，并對轉(zhuǎn)輪出口處與出流場道出口水流進(jìn)行比較。

3.1 不加導(dǎo)葉時(shí)貫流泵出水流道流態(tài)分析

由圖2～5可以看出，無導(dǎo)葉時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口燈泡體水平段以及燈泡體段出口段中的水流壓力和速度的分布情況是：不加導(dǎo)葉時(shí)的分布狀況受到轉(zhuǎn)輪的影響并不均勻，同時(shí)，導(dǎo)葉出口處圓周方向速度的分量較大，而且具有較大的徑向速度。在燈泡體的進(jìn)出口處均有較大的速度環(huán)量，可以看出在流道的出口處也具有較大的速度環(huán)量。

圖2 預(yù)設(shè)導(dǎo)葉體段進(jìn)出口的壓力分布狀況Fig.2 Pressure distribution of inlet and outlet without guide vane

圖3 預(yù)設(shè)導(dǎo)葉體段進(jìn)出口的速度分布狀況Fig.3 Velocity distribution of inlet and outlet without guide vane

圖4 預(yù)設(shè)導(dǎo)葉體段進(jìn)出口軸向速度分布狀況Fig.4 Axial velocity distribution of inlet and outlet without guide vane

從圖3～5可以看出，出口速度及軸向、徑向分量受到了轉(zhuǎn)輪的影響；圖6是動能分布的示意圖，動能分布也受到了轉(zhuǎn)輪的影響；通過對動能的積分發(fā)現(xiàn)，圓周方向的動能占到了約1/3，動能損失明顯，水力損失較大。

圖5 預(yù)設(shè)導(dǎo)葉體段進(jìn)出口徑向速度分布狀況Fig.5 Radial velocity distribution of inlet and outlet without guide vane

圖6 預(yù)設(shè)導(dǎo)葉體段進(jìn)出口的動能分布Fig.6 Kinetic energy distribution of inlet and outlet without guide vane

從圖7和圖8可以看出，無導(dǎo)葉時(shí)，貫流泵轉(zhuǎn)輪出口處具有明顯的圓周速度分布，同時(shí)，在燈泡體周圍存在著明顯的漩渦和脫流現(xiàn)象，流態(tài)差，水力損失較大，效率明顯較低。

研究表明，在沒有加后置導(dǎo)葉的大型貫流泵裝置的出水流道中，流態(tài)較差對環(huán)量動能的轉(zhuǎn)化非常小。但是從出水流道的水力損失來看，流道的水力摩擦損失較小，過流能力較大。在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，由加導(dǎo)葉而減小的水力損失約占總揚(yáng)程的13.16%，有效地回收了環(huán)量和擴(kuò)散能量。

3.2 有導(dǎo)葉時(shí)貫流泵出水流道中的流態(tài)

通過對導(dǎo)葉體段進(jìn)行數(shù)值模擬(圖9)，得出了5個有導(dǎo)葉時(shí)泵的內(nèi)部流動情況，詳見圖10～13。由圖10～13可以看出，導(dǎo)葉出口處的壓力減小了，流速增加了，其主要原因是加裝導(dǎo)葉以后，導(dǎo)葉對水流的過流能力產(chǎn)生了影響，過流能力減少了。上述圖中的數(shù)值反映出導(dǎo)葉出口段的軸向速度得到了明顯增加，徑向和圓周方向的速度則明顯地減小了。導(dǎo)葉減小并消除了泵轉(zhuǎn)輪出口水流的速度環(huán)量和徑向速度。

圖7 無導(dǎo)葉時(shí)預(yù)設(shè)導(dǎo)葉進(jìn)口口處的流速矢量(m/s)Fig.7 Velocity vector diagram at the inlet without guide vane

圖8 無導(dǎo)葉時(shí)預(yù)設(shè)導(dǎo)葉體段的流線圖Fig.8 Flow diagram of preset guide vane segment without guide vane

從圖14中可以看出,泵的動能分布受到導(dǎo)葉體的影響，導(dǎo)葉末端動能有所減少，但導(dǎo)葉段出口處的圓周方向動能很小且接近0，有效地減少了泵出口環(huán)量的能量，同時(shí)也有效地回收了出口速度環(huán)量。

圖15～16是速度矢量分布和導(dǎo)葉體段的流線示意圖。從圖中可以看出，導(dǎo)葉體段的水流流線分布均勻，且出口處的圓周速度明顯沿軸向運(yùn)動。水力性能獲得較好的改善，發(fā)揮了導(dǎo)葉使水流沿軸向運(yùn)動的作用。

圖9 導(dǎo)葉體段的三維圖Fig.9 Three-dimensional diagram of guide vane segment

圖10 導(dǎo)葉體段進(jìn)出口的壓力分布狀況Fig.10 Pressure distribution of inlet and outlet

圖11 導(dǎo)葉體段進(jìn)出口的速度分布狀況Fig.11 Velocity distribution of inlet and outlet

從上述研究可以得出：導(dǎo)葉對泵裝置水力性能的影響較大，后置導(dǎo)葉可以減少水流的出口環(huán)量能量，從而減少泵裝置的水力損失，有效地改變泵出口至流道出口段的水力性能。對加導(dǎo)葉和不加導(dǎo)葉的貫流泵裝置進(jìn)行了比較分析，結(jié)果表明：加裝導(dǎo)葉后水流流態(tài)得到了明顯改善，水力特性變好；導(dǎo)葉對泵轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的速度環(huán)量進(jìn)行回收，從而提高了泵裝置效率。

圖12 導(dǎo)葉體段進(jìn)出口的軸向速度分布狀況Fig.12 Axial velocity distribution of inlet and outlet

圖13 導(dǎo)葉體段進(jìn)出口的徑向速度分布狀況Fig.13 Radial velocity distribution of inlet and outlet

圖14 導(dǎo)葉體段進(jìn)出口的動能分布狀況Fig.14 Kinetic energy distribution of inlet and outlet

4 后置導(dǎo)葉葉片數(shù)對裝置水力特性的影響

在導(dǎo)葉數(shù)略多于葉輪數(shù)時(shí)，泵的效率最高。但是從導(dǎo)葉對流態(tài)的改變程度來看，導(dǎo)葉數(shù)越多水流流態(tài)會越好，水流環(huán)量受到的影響會減少。然而導(dǎo)葉數(shù)多了以后會增加水流流動阻力損失。本文對不同導(dǎo)葉數(shù)通過數(shù)值模擬進(jìn)行深入研究。圖17是不同導(dǎo)葉數(shù)的三維圖。計(jì)算部位包括了導(dǎo)葉體段、轉(zhuǎn)輪處、燈泡體段及出水流道。采用RNG k-ε湍流模型，進(jìn)口條件是均勻來流的速度進(jìn)口，出口條件為自由出流。

圖15 導(dǎo)葉進(jìn)口處的流速矢量圖(m/s)Fig.15 Velocity vector at guide vane inlet

圖16 導(dǎo)葉體段的流線圖Fig.16 Flow diagram of guide vane segment

圖17 不同的導(dǎo)葉數(shù)的模型Fig.23 Model diagram of different guide vane numbers

(1) 壓力分布與導(dǎo)葉數(shù)的關(guān)系。壓力反映了泵的出口能量，同時(shí)出口壓力穩(wěn)定則表明泵工作穩(wěn)定。圖18反映了導(dǎo)葉出口處的壓力分布狀況，從圖18中可以看出，當(dāng)葉片數(shù)量增加，出口處的壓力也會有所增加，這樣可以提高泵出口處的壓力，從而使出口處的位能增加，達(dá)到回收動能的目的。隨著導(dǎo)葉數(shù)量的增加，壓力分布越來越明顯地受到導(dǎo)葉的影響，導(dǎo)葉對水力特性影響明顯。

圖18 不同導(dǎo)葉數(shù)時(shí)導(dǎo)葉出口處的總壓分布狀況(Pa)Fig.18 The total pressure distribution at outlet of vane

(2) 水流的跡線反映了水流的流態(tài)，跡線均勻表明水流流態(tài)好，泵裝置的水力特性好。從數(shù)值模擬的跡線結(jié)果可以看出，隨著導(dǎo)葉數(shù)量的增加，水流更平緩。從圖19中的流線圖可以看出隨著導(dǎo)葉數(shù)的增加，流線更加的均勻，可見導(dǎo)葉可以明顯地改善出口的流態(tài)，導(dǎo)葉數(shù)越多流態(tài)越好。

5 后置導(dǎo)葉安裝位置對泵裝置水力性能的影響

圖20是兩種導(dǎo)葉安裝方式的立體圖。以淮安三站大型泵站的貫流泵裝置為原型，考慮到水流間的相互作用，建立了包括泵轉(zhuǎn)輪段、導(dǎo)葉體段、燈泡體段及出水流道在內(nèi)的數(shù)理模型，用于對內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，主要研究導(dǎo)葉體段的水流流動情況。進(jìn)口邊界條件采用均勻來流的進(jìn)口速度，假定進(jìn)口速度在軸向均勻分布、無旋，其值由流量和進(jìn)口過流面積確定，并給定湍動能和湍流耗散率值。出口邊界條件指定為自由出流條件，認(rèn)為泵裝置內(nèi)部水流流動在出口部分己達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)；壁面采用0.05 mm的糙度；轉(zhuǎn)輪處與導(dǎo)葉段分界處采用滑移網(wǎng)格的方法。對轉(zhuǎn)動部分采用多參考系研究水流的轉(zhuǎn)動情況。

對兩種導(dǎo)葉安裝方式下的導(dǎo)葉體段的水流流態(tài)進(jìn)行研究，得出了較為合理的安裝方法。在大型貫流泵裝置中，一般安裝的是擴(kuò)散導(dǎo)葉，擴(kuò)散段水流復(fù)雜，若讓水流在水平軸處獲得改善了水力性能會好些，但從穩(wěn)定性來說增加了主軸的長度，會對泵裝置穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。

通過對兩種導(dǎo)葉的安裝方式在設(shè)計(jì)工況下水流的流動情況進(jìn)行了研究，圖21是模擬出來的導(dǎo)葉體段水流流線圖。從圖21(a)可以看出，當(dāng)后置導(dǎo)葉安裝在直軸處時(shí)水流到擴(kuò)散段后變差，水流會有互相干擾情況。從圖21(b)可以看出，安裝在擴(kuò)散段時(shí)導(dǎo)葉流線平緩，水流均勻，水流流動情況更好。從中可得出水流通過加在擴(kuò)散段的導(dǎo)葉時(shí)水流的流態(tài)較好。

圖22是導(dǎo)葉體段進(jìn)出口處的流速分布圖的模擬結(jié)果，反映了導(dǎo)葉體段出口動能和動能回收情況。從圖22(a)中可以看出，導(dǎo)葉安裝在直軸處的流速分布較差，不利于對動能的回收。從圖22(b)可以看出，擴(kuò)散導(dǎo)葉導(dǎo)葉體段出口水流速度大小分布均勻，反映了動能分布均勻，能量回收較好。

圖23是模擬得出的導(dǎo)葉體段進(jìn)出口處的軸向流速分布圖，反映了導(dǎo)葉對流態(tài)的改善情況，理想的導(dǎo)葉出口處水流應(yīng)完全沿軸向流動。從圖23(b)可以看出，當(dāng)導(dǎo)葉安裝在擴(kuò)散段時(shí)軸向流速分布明顯受到導(dǎo)葉影響，導(dǎo)葉后端流速較小，而圖23(a)表明，導(dǎo)葉安裝在直軸上時(shí)，水流流動分布不均勻，受導(dǎo)葉影響不明顯，而且水流流態(tài)較差。

圖19 不同導(dǎo)葉數(shù)時(shí)導(dǎo)葉處的粒子軌跡分布狀況Fig.19 Particle trajectory map at guide vane

在大型貫流泵裝置中安裝的是擴(kuò)散導(dǎo)葉，其擴(kuò)散段水流復(fù)雜，若讓水流在水平軸處獲得改善，則水力性能會好些。從前面的分析來看，除了導(dǎo)葉安裝在直軸上的流速矢量分布好些以外，其他均是在擴(kuò)散段安裝導(dǎo)葉的效果好。從水力性能來看，擴(kuò)散導(dǎo)葉對水流的改善比水平軸處安裝導(dǎo)葉要好些。同時(shí)從穩(wěn)定性來說，增加了主軸長度會對泵裝置穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。同時(shí)后置擴(kuò)散導(dǎo)葉起著對燈泡體支撐的作用。安裝在擴(kuò)散段的導(dǎo)葉對泵裝置水力性能的改善較好，因此綜合考慮在擴(kuò)散段安裝導(dǎo)葉。

圖20 導(dǎo)葉的安裝位置圖Fig.20 Installation location of guide vane

圖21 導(dǎo)葉體段的流線圖Fig.21 Flow diagram of guide vane segment

圖23 導(dǎo)葉體段出口處的軸向速度分布圖(m/s)Fig.23 Axial velocity distribution at the outlet

6 結(jié) 論

(1) 在沒加后置導(dǎo)葉的大型貫流泵裝置的出水流道中，流態(tài)較差，對環(huán)量動能的轉(zhuǎn)化非常小。但從出水流道的水力損失來看，流道的水力摩擦損失較小，過流能力較大。在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，由加導(dǎo)葉而減小的水力損失約占總揚(yáng)程的13.16%，它有效地回收了環(huán)量和擴(kuò)散能量。

(2) 通過加后置擴(kuò)散導(dǎo)葉可使水流盡能多地沿軸向運(yùn)動，水流流態(tài)得到明顯改善，消除速度環(huán)量，同時(shí)也可減少從轉(zhuǎn)輪出口到燈泡體擴(kuò)散所帶走的能量，導(dǎo)葉對泵轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生速度環(huán)量回收，后置導(dǎo)葉可使泵裝置的效率獲得5%左右的提高。

(3) 隨著導(dǎo)葉數(shù)的增加，分布情況越來越明顯地受到導(dǎo)葉的影響，導(dǎo)葉對水力特性影響明顯，同時(shí)速度分布更均勻，流線也更加的均勻，可見導(dǎo)葉可以明顯地改善出口的流態(tài)，導(dǎo)葉數(shù)越多流態(tài)越好。針對具有3個葉片的轉(zhuǎn)輪，配置5個后置導(dǎo)葉時(shí)水力損失較小。

(4) 從水力性能來看，在擴(kuò)散段安裝導(dǎo)葉對水流的改善比在水平軸處安裝導(dǎo)葉效果會好些。同時(shí)從穩(wěn)定性來說，增加了主軸長度會對泵裝置穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。安裝在擴(kuò)散段的導(dǎo)葉對泵裝置的水力性能的改善效果較好，經(jīng)綜合考慮，選擇在擴(kuò)散段安裝導(dǎo)葉。