俞軍鋒,吳 強(qiáng),謝榮盛,包永權(quán)

(1.紹興市水利水電工程質(zhì)量安全管理中心，浙江 紹興 312000；2.紹興市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 浙江 紹興 312000；3.浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

葉片泵常用的調(diào)節(jié)方法有變角、變速與變徑調(diào)節(jié)。為了適應(yīng)工程上不同應(yīng)用條件，兼顧效率與經(jīng)濟(jì)的要求，工程上又以變角調(diào)節(jié)居多，如南水北調(diào)工程中部分泵站[1]，浙江杭州三堡泵站[2]等。軸流泵葉片以安放角度零度設(shè)計(jì)，理應(yīng)在設(shè)計(jì)狀態(tài)具有最好的性能，但是為了適應(yīng)不同工況的運(yùn)行要求，葉輪綜合特性測(cè)試時(shí)曲線上添加不同角度的性能。在對(duì)變角調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，袁堯[3]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泵葉片角度的調(diào)節(jié)范圍較小時(shí)，調(diào)節(jié)前后的葉輪葉片的進(jìn)出口速度幾乎不變，得出水泵的變角相似關(guān)系式。郭少昱[4]研究了導(dǎo)葉及葉片角度對(duì)軸流泵水力性能影響，提出了在一定的情況下通過(guò)調(diào)節(jié)角度，來(lái)提高水泵的效率，張文鵬[5]通過(guò)高精度試驗(yàn)臺(tái)獲取了軸流泵變角與變速的性能，并對(duì)比分析了變角與變速的特點(diǎn)。因葉片角度調(diào)節(jié)后與導(dǎo)葉有相互匹配的問(wèn)題，在泵裝置中進(jìn)出水流道也會(huì)受到相應(yīng)的影響，為了探討葉片在不同的安放角度下的水力性能，本文針對(duì)一大型斜式軸流泵裝置開(kāi)展了多角度下的性能仿真計(jì)算，通過(guò)分析各過(guò)流部件的水力損失，泵裝置的綜合特性曲線在葉片角度不同下的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型與邊界條件設(shè)置

1.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格

計(jì)算模型為某大型斜式軸流泵裝置，泵站采用了變角調(diào)節(jié)的方式來(lái)適應(yīng)不同運(yùn)行工況下的功能需求，泵裝置由進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉和出水流道組成，進(jìn)水流道過(guò)渡平順，在葉輪之前形成光滑的過(guò)渡角與葉輪室相連，葉輪導(dǎo)葉的中心軸線在同一軸線上保證泵站的運(yùn)行平穩(wěn)，出水流道進(jìn)口與導(dǎo)葉銜接，經(jīng)過(guò)彎角部分截面中心線法向方向偏向下，然后再經(jīng)過(guò)一個(gè)較小的彎角之后截面中心線法向方向與出口指向相同，泵裝置各部件的裝配圖(見(jiàn)圖1)。原型軸流泵葉輪直徑D0=3 800 mm，葉片數(shù)為3，為適應(yīng)葉輪在不同角度下的調(diào)節(jié)，葉輪室外緣和輪轂中心區(qū)域做成了球形，水泵轉(zhuǎn)速n=90 r/min，由電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)二級(jí)減速箱帶動(dòng)。進(jìn)出水流道用Pro/E軟件進(jìn)行幾何建模，根據(jù)控制截面進(jìn)行草繪和實(shí)體拉伸，利用邊界混合畫出流道的曲面部分。完成模型后轉(zhuǎn)換為通用的igs格式，導(dǎo)入到ANSYS-DM軟件中，經(jīng)過(guò)ICM完成網(wǎng)格劃分，并在拐角處網(wǎng)格局部進(jìn)行的加密處理，生成的四面體網(wǎng)格滿足質(zhì)量要求，葉輪導(dǎo)葉模型通過(guò)導(dǎo)入數(shù)據(jù)在Turbogrid中生成，最后生成的網(wǎng)格模型(見(jiàn)圖2)。

圖1 泵裝置裝配圖

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

1.2 計(jì)算前處理

為了便于比較分析，將原型尺寸經(jīng)過(guò)相似換算縮小到標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，以葉輪直徑300 mm為基準(zhǔn)，比尺為0.078 95，根據(jù)水泵運(yùn)行的第二相似率，保證揚(yáng)程不變，此時(shí)轉(zhuǎn)速為1 140 r/min，設(shè)計(jì)流量為Qd為311.6 kg/s。選取標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，雷諾時(shí)均N—S方程，采用速度—壓力耦合的方式進(jìn)行迭代求解，設(shè)置收斂精度為1e-5，最大迭代步長(zhǎng)為2 000。進(jìn)口依次選用流量為0.5Qd、0.6Qd、0.7Qd、0.8Qd、0.9Qd、Qd、1.1Qd、1.2Qd的工況進(jìn)行仿真計(jì)算，出口采用壓力出口，動(dòng)靜交接面采用周向平均的方法處理不同葉片位置對(duì)性能的影響。

1.3 數(shù)據(jù)處理

仿真是為了獲取不同角度下水力性能，包括流量揚(yáng)程特性、流量效率特性。實(shí)際運(yùn)行中往往是上下游水位決定了泵站的運(yùn)行流量，計(jì)算一般采取給定流量條件計(jì)算泵站在此條件下的輸水能力，通過(guò)計(jì)算進(jìn)出口截面的能量差來(lái)計(jì)算揚(yáng)程，通過(guò)迭代計(jì)算獲取泵裝置的揚(yáng)程，通過(guò)計(jì)算葉片的扭矩來(lái)獲得輸入功率，輸出功率與輸入功率即為泵裝置的水力效率。詳細(xì)的公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]關(guān)于水泵的能量特性中的描述。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 能量特性曲線

根據(jù)仿真結(jié)果提取軸流泵能量特性數(shù)據(jù)，本次共計(jì)算了5個(gè)角度8種不同工況下的水力特性，因結(jié)果文件較多，利用CFX-post的表格功能做成模塊，便于提取不同角度和不同流量工況的仿真結(jié)果。并以此為基礎(chǔ)繪圖3軸流泵的流量—效率曲線圖，圖4泵裝置的綜合性能曲線圖。

圖3 流量效率曲線

圖4 泵裝置的綜合性能曲線圖

由效率—流量曲線可直觀地看出，隨著葉片角度的增大，軸流泵效率曲線的峰值逐漸向大流量的工況下移動(dòng)。模型中葉片角度不超過(guò)+2°時(shí)，不同角度下裝置性能相差不大，而當(dāng)葉片角度超過(guò)+2°時(shí)，性能有了明顯的下降。軸流泵的效率在最優(yōu)工況點(diǎn)處往兩邊逐漸遞減，且往大流量方向降低更為明顯。

模擬計(jì)算結(jié)果中最高效率點(diǎn)出現(xiàn)在葉片安放角度為-2°時(shí)，其值為73.4%，在最高效率點(diǎn)上下兩側(cè)的等效率曲線有別于葉輪性能曲線的鴨蛋圖形狀，而是以一種近乎平行而略有上升的曲線表現(xiàn)出來(lái)，與參考文獻(xiàn)[5]中一致。說(shuō)明了在進(jìn)出水流道的影響下，泵裝置與葉輪的性能有了明顯的區(qū)別。最優(yōu)效率區(qū)域?qū)?yīng)的揚(yáng)程變化并不明顯。

葉片角度從4°向-4°調(diào)節(jié)時(shí)，泵裝置高效區(qū)偏向小流量工況，流量范圍變窄，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程范圍略有減小。當(dāng)葉片的安放角度減小時(shí)，在流量不同的情況下，相對(duì)于葉片的來(lái)流攻角變小了，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程減小，同時(shí)也偏離了設(shè)計(jì)點(diǎn)；當(dāng)流量減小，攻角增加時(shí)，對(duì)應(yīng)到原先最優(yōu)攻角附近時(shí)，也表現(xiàn)出揚(yáng)程和效率在不同角度下吻合，如計(jì)算工況下的高效區(qū)域幾乎在同一揚(yáng)程范圍內(nèi)。因工程中是由上下游水位和葉片安放的角度決定了泵站運(yùn)行工況，當(dāng)揚(yáng)程一定時(shí)，受限于葉片本身的性能，軸流泵僅能在一定的范圍內(nèi)高效運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)角度的方式只能有效改變泵站出流量，而不能有效提高泵站實(shí)際運(yùn)行效率，也不能起到有效擴(kuò)大泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍的目的。

2.2 過(guò)流部件的水力損失分布

在CFX-POST中利用表格功能將進(jìn)水流道、導(dǎo)葉及出水流道部件進(jìn)出口的水力損失取出，未分析葉片角度及工況對(duì)水力損失分布的影響規(guī)律，將不同工況及不同角度下模擬計(jì)算所得的結(jié)果整理成(見(jiàn)圖5)。

圖5 過(guò)流部件水力損失分布曲線

從圖5(a)中可知，當(dāng)流量一定時(shí)，調(diào)節(jié)葉片的安裝角度后，泵裝置的進(jìn)水流道的水力損失在同一流量下保持不變，葉輪對(duì)進(jìn)水流道的影響可以忽略不計(jì)，進(jìn)水流道的水力損失僅與流量大小相關(guān)，與前人研究現(xiàn)象基本一致，也說(shuō)明進(jìn)水流道的優(yōu)化主要考慮截面收縮過(guò)渡均勻性。

從圖5(b)中可知，出水流道的水力損失分布和進(jìn)水流道不同，受葉輪出口環(huán)量的影響比較明顯，表現(xiàn)出不僅僅與流量有關(guān)，也與流態(tài)相關(guān)，整體水力損失明顯要大于進(jìn)水流道。表現(xiàn)出先逐漸減小，達(dá)到低谷后又緩慢增大的趨勢(shì)，不同角度下最小水力損失出現(xiàn)在最優(yōu)效率對(duì)應(yīng)的流量點(diǎn)附近，與參考文獻(xiàn)[6]中結(jié)果一致。說(shuō)明了出水流道的設(shè)計(jì)時(shí)不僅僅要考慮流量的影響，也需要考慮導(dǎo)葉出口流態(tài)的影響。

從圖5(c)中可知，導(dǎo)葉體內(nèi)的水力損失總體和出水流道水力損失一致，但是略有區(qū)別。因?qū)~緊接葉輪之后，受環(huán)量的影響更為明顯，水力損失主要是受葉輪出口的環(huán)量影響，在經(jīng)過(guò)最優(yōu)效率點(diǎn)之后水力損失近乎平行，增加不多，與參考文獻(xiàn)[7]一致。通過(guò)對(duì)比分析不同角度下相同流量的水力損失分布，導(dǎo)葉體在小流量工況下的出水流道的水力損失的變化趨勢(shì)更明顯。從結(jié)構(gòu)上看，導(dǎo)葉體緊接葉輪之后，導(dǎo)葉設(shè)計(jì)是依據(jù)葉輪出口的水流，但是在不同工況下，葉輪出口的水流變化較大，固定導(dǎo)葉不能滿足多工況下的高效使用要求。

計(jì)算工況內(nèi)進(jìn)水流道流態(tài)未收到葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，故僅表現(xiàn)出與流量相關(guān)，同一流量下不同葉片安放角度的水力損失幾乎無(wú)差別；出水流道與導(dǎo)葉體內(nèi)的水力損失在同一流量下，隨著葉片角度的增加，葉輪出口的環(huán)量增加而逐漸增加，并且在小流量下表現(xiàn)的更為明顯。

3 結(jié) 論

對(duì)斜式軸流泵裝置進(jìn)行了多工況及多角度下的模擬仿真計(jì)算，獲得了多工況多角度下泵裝置的能量特性，同時(shí)獲取了各過(guò)流部件的水力特性。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)葉片安放角度小時(shí)，泵裝置過(guò)流部件的水力損失相應(yīng)的減小，平衡了裝置的性能，并未因葉輪的揚(yáng)程減小各角度下最優(yōu)效率性幅下降。各計(jì)算工況下進(jìn)水流道的水力損失不受葉輪影響，僅與流量相關(guān)；出水流道和導(dǎo)葉受葉輪的影響比較明顯，水力損失呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，導(dǎo)葉內(nèi)的損失主要呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，隨著流量增大經(jīng)過(guò)最高效率點(diǎn)之后略有上升。