陸偉剛，王東偉，施偉，劉軍，徐磊

(1. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019)

潛水貫流泵裝置是一種臥式安裝的新型機(jī)電一體化泵裝置型式，采用潛水電動(dòng)機(jī)，具有流道順直、水力性能優(yōu)異和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、土建投資省等突出優(yōu)點(diǎn)，已開始在江蘇、安徽、廣東等地的低揚(yáng)程泵站得到應(yīng)用[1-2].該裝置在水資源調(diào)配、城鎮(zhèn)防洪、水環(huán)境改善和農(nóng)業(yè)排灌等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊.

在立式潛水泵裝置中，潛水電動(dòng)機(jī)只能布置在水泵導(dǎo)葉體之后，如圖1所示.當(dāng)立式潛水泵裝置由立式改為臥式安裝時(shí)，潛水電動(dòng)機(jī)也就順理成章地布置在水泵導(dǎo)葉體之后(即電動(dòng)機(jī)后置).目前應(yīng)用的潛水貫流泵裝置都習(xí)慣性地采用電動(dòng)機(jī)后置方式.劉榮華[3]通過降低斷面平均流速、改變電動(dòng)機(jī)外殼形狀等方法改善潛水貫流泵裝置流態(tài)，減小了水力損失；夏臣智[4]發(fā)現(xiàn)潛水貫流泵裝置進(jìn)水流道縱向結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱會(huì)影響進(jìn)水流道內(nèi)的水流流態(tài).在潛水貫流泵的結(jié)構(gòu)研究方面，方桂林等[1]從支撐結(jié)構(gòu)、分段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面對(duì)潛水貫流泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析；張愛霞[5]通過在潛水貫流泵上加裝行星齒輪減速箱來減小電動(dòng)機(jī)的尺寸；陳璐[6]指出可通過解決電動(dòng)機(jī)散熱和電動(dòng)機(jī)絕緣問題、采用密封技術(shù)等措施來提高潛水貫流泵的可靠性.

目前，采用潛水貫流泵裝置的低揚(yáng)程泵站均為電動(dòng)機(jī)后置方式，關(guān)于潛水貫流泵裝置的研究也是針對(duì)電動(dòng)機(jī)后置的型式.由于潛水貫流泵臥式安裝提供了將潛水電動(dòng)機(jī)布置在水泵葉輪室之前的可能(即電動(dòng)機(jī)前置)，文中打破了潛水貫流泵裝置電動(dòng)機(jī)后置的習(xí)慣性思維，提出了潛水貫流泵裝置電動(dòng)機(jī)前置的新型式，以便使?jié)撍灹鞅醚b置在低揚(yáng)程和特低揚(yáng)程泵站得到更多更好的應(yīng)用.

圖1 立式潛水泵裝置示意圖

Fig.1 Schematic sketch of vertical submersible pump device

1 某泵站潛水貫流泵裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

某大型低揚(yáng)程泵站的最高、設(shè)計(jì)和最低揚(yáng)程分別為4.55，2.02，1.00 m，采用6臺(tái)潛水貫流泵裝置，單泵設(shè)計(jì)流量為12.8 m3/s.該站選用南水北調(diào)水泵模型同臺(tái)測(cè)試的TJ04-ZL-07水泵模型，水泵葉輪直徑和轉(zhuǎn)速分別為2.00 m和183.8 r/min.潛水貫流泵裝置的主要控制尺寸如下：水泵葉輪中心高程為-2.05 m，進(jìn)水流道進(jìn)口的高度和寬度分別為2.79,5.00 m，出水流道出口的高度和寬度分別為3.10,5.00 m，電動(dòng)機(jī)段長(zhǎng)度為3.45 m，泵裝置總長(zhǎng)度為33.84 m；潛水電動(dòng)機(jī)的直徑為1.05 m，電動(dòng)機(jī)段的外殼直徑為2.50 m.

在主要控制尺寸相同的條件下，文中對(duì)該站電動(dòng)機(jī)前置和電動(dòng)機(jī)后置的潛水貫流泵裝置分別進(jìn)行了優(yōu)化水力設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，并對(duì)這2種方案下潛水貫流泵裝置的水力性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了比較.

2 電動(dòng)機(jī)前置泵裝置數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算方案

根據(jù)該站擬定的葉輪中心高程、進(jìn)水流道進(jìn)口、出水流道進(jìn)口等泵裝置控制尺寸，對(duì)電動(dòng)機(jī)前置潛水貫流泵裝置的進(jìn)、出水流道進(jìn)行了優(yōu)化水力設(shè)計(jì)研究.優(yōu)化方案如圖2所示.

2.2 泵裝置流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型

2.2.1 控制方程

潛水貫流泵裝置內(nèi)的水流流動(dòng)屬于不可壓縮湍流流動(dòng)，可用連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程對(duì)湍流的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述.為求解泵裝置三維流場(chǎng)，還需引入湍流模型以使方程組封閉.常用的湍流模型有S-A湍流模型、k-ε湍流模型和k-ω湍流模型等[7-11]，其中標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型應(yīng)用最為廣泛，且在水力機(jī)械流動(dòng)模擬中具有良好的適用性[12].

圖2 電動(dòng)機(jī)前置的潛水貫流泵裝置優(yōu)化方案單線

2.2.2 流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域

電動(dòng)機(jī)前置的潛水貫流泵裝置，其三維湍流流動(dòng)數(shù)值計(jì)算區(qū)域由前池、進(jìn)水流道、葉輪及葉輪室、導(dǎo)葉體、出水流道和出水池6個(gè)部分組成.采用Gambit軟件對(duì)泵裝置流場(chǎng)的數(shù)值模擬區(qū)域進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格剖分，其中，前池和出水池采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余各部分均選用適應(yīng)能力較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.電動(dòng)機(jī)前置的潛水貫流泵裝置流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格剖分情況如圖3所示.計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)為86.43萬，其中，前池、進(jìn)水流道、葉輪室、導(dǎo)葉體、出水流道和出水池的網(wǎng)格數(shù)分別為4.65萬，16.37萬，19.86萬，10.13萬，26.60萬和8.82萬.

圖3 電動(dòng)機(jī)前置的潛水貫流泵裝置流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

2.2.3 邊界條件

計(jì)算流場(chǎng)進(jìn)口的邊界設(shè)置在前池中距進(jìn)水流道進(jìn)口足夠遠(yuǎn)處，進(jìn)口邊界垂直于水流方向，可認(rèn)為此處來流速度均勻分布，采用速度進(jìn)口邊界條件.計(jì)算流場(chǎng)出口的邊界設(shè)置在出水池中距出水流道出口足夠遠(yuǎn)處，出口邊界垂直于水流方向，這里可采用自由出流邊界條件.

對(duì)于泵裝置計(jì)算流場(chǎng)中的水池底壁、流道邊壁、葉輪室內(nèi)壁、電動(dòng)機(jī)外壁及支撐筋板等固壁，應(yīng)用對(duì)數(shù)式固壁函數(shù)處理[13].水泵葉輪表面設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)壁面，且轉(zhuǎn)動(dòng)速度及方向與水泵葉輪的旋轉(zhuǎn)速度及方向一致.

計(jì)算流場(chǎng)中的前池和出水池表面為自由水面，忽略水面的風(fēng)所引起的切應(yīng)力及與大氣層的熱交換.自由水面的速度和湍動(dòng)能均視為對(duì)稱平面處理[13].

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.3.1 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

電動(dòng)機(jī)前置潛水貫流泵裝置設(shè)計(jì)流量時(shí)的三維流場(chǎng)圖如圖4所示,圖中v為流速.

圖4 電動(dòng)機(jī)前置的潛水貫流泵裝置流場(chǎng)圖

Fig.4 Flow fields of tubular pump device with motor front arrangement

從圖中可以看到，進(jìn)水流道進(jìn)口至潛水電動(dòng)機(jī)段進(jìn)口之間的水流，在立面和平面方向均勻收縮、流線層次分明；水流由流道段過渡到電機(jī)段非常平順，電動(dòng)機(jī)段內(nèi)雖有潛水電動(dòng)機(jī)和支撐筋板等增大斷面流速，阻礙水流流動(dòng)，但優(yōu)化水力設(shè)計(jì)方案加大了電動(dòng)機(jī)段流道直徑且此時(shí)水流已經(jīng)完成了收縮流動(dòng)，水流在潛水電動(dòng)機(jī)段內(nèi)流動(dòng)平順流暢，上下左右均基本對(duì)稱，在繞過筋板后匯合；從電動(dòng)機(jī)段流出的水流經(jīng)出口曲線段的進(jìn)一步調(diào)整，以基本垂直于流道出口斷面的方向均勻流入葉輪室；在葉輪室內(nèi)，水流在葉輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)下獲得揚(yáng)程，同時(shí)也產(chǎn)生一定的周向速度，以較大的切向速度旋轉(zhuǎn)進(jìn)入導(dǎo)葉體；在導(dǎo)葉體內(nèi)，水流在經(jīng)流向調(diào)整并得到初步擴(kuò)散后進(jìn)入出水流道；從導(dǎo)葉體流出的水流仍具有較大的剩余環(huán)量，呈螺旋狀進(jìn)入出水流道.在旋轉(zhuǎn)水流“貼壁效應(yīng)”[14]的作用下，水流在出水流道內(nèi)做邊旋轉(zhuǎn)、邊擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)直至出口；水流在平面和立面方向擴(kuò)散平穩(wěn)，整個(gè)流道內(nèi)無旋渦等不良流態(tài).

2.3.2 水力性能計(jì)算結(jié)果

選取運(yùn)行工況范圍內(nèi)15個(gè)工況點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)前置潛水貫流泵裝置的能量性能進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算所得泵裝置的揚(yáng)程-流量曲線、效率-流量曲線如圖5所示，圖中H為揚(yáng)程，η為效率，Q為流量.

圖5 電動(dòng)機(jī)前置的潛水貫流泵裝置能量性能曲線

Fig.5 Energy performance curve of tubular pump device with motor front arrangement

3 電動(dòng)機(jī)后置泵裝置數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算方案

根據(jù)該站擬定的葉輪中心高程、進(jìn)水流道進(jìn)口、出水流道出口等泵裝置主要控制尺寸，對(duì)電動(dòng)機(jī)后置的潛水貫流泵裝置進(jìn)、出水流道進(jìn)行了優(yōu)化水力設(shè)計(jì)研究.圖6為優(yōu)化方案.

3.2 泵裝置流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型

3.2.1 控制方程

電動(dòng)機(jī)后置潛水貫流泵裝置的流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算控制方程與電動(dòng)機(jī)前置潛水貫流泵裝置的相同.

3.2.2 流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域

電動(dòng)機(jī)后置潛水貫流泵裝置的三維湍流流動(dòng)數(shù)值計(jì)算的區(qū)域由前池、進(jìn)水流道、葉輪及葉輪室、導(dǎo)葉體、出水流道和出水池6個(gè)部分組成.采用Gambit軟件對(duì)數(shù)值模擬區(qū)域進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格剖分，其中，前池和出水池采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析，后置潛水貫流泵裝置計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)為96.42萬，其中，前池、進(jìn)水流道、葉輪室、導(dǎo)葉體、出水流道和出水池的網(wǎng)格數(shù)分別為4.61萬，14.28萬，17.81萬，18.74萬，32.12萬和8.86萬.圖7為電動(dòng)機(jī)后置的潛水貫流泵裝置流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分情況.

圖6 電動(dòng)機(jī)后置的潛水貫流泵裝置優(yōu)化方案單線圖

圖7 電動(dòng)機(jī)后置的潛水貫流泵裝置流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

3.2.3 邊界條件

電動(dòng)機(jī)后置潛水貫流泵裝置的流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的邊界條件與電動(dòng)機(jī)前置潛水貫流泵裝置的相同.

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.3.1 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖8為設(shè)計(jì)流量下，電動(dòng)機(jī)后置潛水貫流泵裝置的三維流場(chǎng)圖.從圖中可以看到，在進(jìn)水流道內(nèi)，水流在立面和平面方向收縮平緩均勻，流線層次分明，流速逐漸增大，水流以近乎垂直于葉輪室進(jìn)口斷面的方向均勻地進(jìn)入葉輪室；葉輪室與導(dǎo)葉體內(nèi)水流的流動(dòng)情況與電動(dòng)機(jī)前置潛水貫流泵裝置相同；從導(dǎo)葉體流出的水流具有較大剩余環(huán)量，水流呈螺旋狀進(jìn)入出水流道(在電動(dòng)機(jī)后置的情形下，旋轉(zhuǎn)的水流需繞過潛水電動(dòng)機(jī)).在此過程中，水流受到電動(dòng)機(jī)及其支撐板的阻礙作用，在其兩側(cè)分別產(chǎn)生迎水面和背水面，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)尾部產(chǎn)生偏流.順?biāo)鞣较颍捎^察到主流偏向流道擴(kuò)散段右下區(qū)域，同時(shí)在流道擴(kuò)散段左上區(qū)域產(chǎn)生旋渦.

圖8 電動(dòng)機(jī)后置的潛水貫流泵裝置流場(chǎng)圖

3.3.2 水力性能計(jì)算結(jié)果

選取運(yùn)行工況范圍內(nèi)13個(gè)工況點(diǎn)，對(duì)后置潛水貫流泵裝置進(jìn)行了能量性能數(shù)值計(jì)算.計(jì)算所得H-Q,η-Q曲線如圖9所示.

圖9 電動(dòng)機(jī)后置的潛水貫流泵裝置能量性能曲線

Fig.9 Energy performance curve of tubular pump device with motor rear arrangement

4 不同電動(dòng)機(jī)布置方式的綜合比較

4.1 泵裝置水力性能

根據(jù)電動(dòng)機(jī)前置、后置潛水貫流泵裝置的流場(chǎng)數(shù)值模擬及水力性能計(jì)算結(jié)果，分析得到：

1) 電動(dòng)機(jī)前置方案進(jìn)水流道內(nèi)的水流收縮均勻、流線層次分明，無渦流或其他不良流態(tài)，水流以垂直于出口斷面的方向流出流道，能夠給水泵進(jìn)口提供較好的來流條件.前置方案出水流道內(nèi)的水流擴(kuò)散平穩(wěn)，無旋渦等不良流態(tài)，為保證機(jī)組穩(wěn)定和高效運(yùn)行提供了必要條件.

2) 電動(dòng)機(jī)后置方案進(jìn)水流道內(nèi)的水力性能優(yōu)異，能夠給水泵進(jìn)口提供較好的來流條件.但出水流道內(nèi)的流態(tài)受水泵出口環(huán)量和電動(dòng)機(jī)段的雙重影響，水流的主流偏于擴(kuò)散段右下區(qū)域，在電動(dòng)機(jī)段后部的流道左上部區(qū)域存在旋渦，對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性及流道水力性能存在不良影響.

表1 2種電動(dòng)機(jī)布置方案潛水貫流泵裝置設(shè)計(jì)工況水力性能主要參數(shù)的比較

Tab.1 Main parameters comparison of hydraulic performance between two types of submer-sible tubular pump device under the design condition

潛水電動(dòng)機(jī)布置方式進(jìn)水流道Δhi/mvu/%θ/(°)Δho/mΔht/mη/%電動(dòng)機(jī)前置0.16497.9389.410.1340.29879.94電動(dòng)機(jī)后置0.06198.6189.250.2920.35377.05

4.2 對(duì)水泵導(dǎo)葉體設(shè)計(jì)的影響

對(duì)于電動(dòng)機(jī)前置的情況，直接采用水泵模型的原設(shè)計(jì)導(dǎo)葉體，無需修改即可保證水泵的水力性能.但在潛水電動(dòng)機(jī)后置的條件下，由于潛水電動(dòng)機(jī)的直徑大于水泵導(dǎo)葉體輪轂直徑，因此，為實(shí)現(xiàn)二者的平順連接，須適當(dāng)加大導(dǎo)葉體的擴(kuò)散角[15].為此，各潛水泵生產(chǎn)廠家需根據(jù)潛水電動(dòng)機(jī)的直徑修改水泵模型的導(dǎo)葉體，但可能影響水泵模型的水力性能.

4.3 對(duì)潛水電動(dòng)機(jī)密封的影響

潛水電動(dòng)機(jī)密封是潛水電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，密封部件的可靠性和使用壽命與其所承受的壓力關(guān)系極大[16].前置時(shí)，潛水電動(dòng)機(jī)位于進(jìn)水流道內(nèi)，其所受壓力較小；后置時(shí)，潛水電動(dòng)機(jī)位于出水流道內(nèi)，其所受壓力較大.二者的差值即水泵的揚(yáng)程.例如：該泵站在最大揚(yáng)程工況下，出水流道內(nèi)的壓力比進(jìn)水流道內(nèi)的壓力高出約45 kPa，電動(dòng)機(jī)后置對(duì)電動(dòng)機(jī)密封性能的要求要高很多.若電動(dòng)機(jī)前置，則電動(dòng)機(jī)密封的安全可靠性將大幅提高、使用壽命將大幅延長(zhǎng).

4.4 對(duì)泵裝置支撐結(jié)構(gòu)的影響

在潛水電動(dòng)機(jī)前置的條件下，水泵軸有2個(gè)支撐點(diǎn)：一個(gè)在導(dǎo)葉輪轂體內(nèi)，另一個(gè)位于電動(dòng)機(jī)段內(nèi).水泵葉輪位于這2個(gè)支撐點(diǎn)之間，支撐結(jié)構(gòu)合理.而在潛水電動(dòng)機(jī)后置的條件下，水泵軸的2個(gè)支撐點(diǎn)分別在導(dǎo)葉體的輪轂體內(nèi)和電動(dòng)機(jī)段內(nèi)，也即均在水泵葉輪之后，使水泵軸的支撐形成懸臂結(jié)構(gòu).為保證泵軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般需要在葉輪室之前增設(shè)1個(gè)十字形撐架及軸承、軸封等部件，但同時(shí)也會(huì)對(duì)泵裝置的性能產(chǎn)生一定的影響.

5 結(jié) 論

1) 電動(dòng)機(jī)前置的潛水貫流泵裝置將潛水電動(dòng)機(jī)布置在進(jìn)水流道內(nèi)，不僅不影響水流的收縮流動(dòng)，而且其電動(dòng)機(jī)支撐板還能起到較好的整流作用.出水流道內(nèi)無任何阻礙或影響水流的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，避免了出現(xiàn)偏流、旋渦等不良流態(tài).

2) 電動(dòng)機(jī)后置的潛水貫流泵裝置將潛水電動(dòng)機(jī)布置在出水流道內(nèi)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的水流繞過潛水電動(dòng)機(jī)時(shí)，水流受到電動(dòng)機(jī)及其支撐板的阻礙，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)尾部產(chǎn)生偏流和旋渦.

3) 與電動(dòng)機(jī)后置相比，電動(dòng)機(jī)前置的潛水貫流泵裝置不僅水力性能優(yōu)異，而且在裝置結(jié)構(gòu)方面也更具優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)將在低揚(yáng)程和特低揚(yáng)程泵站中得到更多更好的應(yīng)用.