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        大型灌排泵站改造應(yīng)用研究

        2020-06-15 05:53:22李端明肖若富溫鴻浦李彥迪
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2020年3期
        關(guān)鍵詞:離心泵脈動(dòng)葉輪

        李端明,張 印,肖若富,溫鴻浦,李彥迪

        (1.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心,北京 100054;2. 寧夏回族自治區(qū)固海揚(yáng)水管理處,寧夏 中寧 755100;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083;4.寧夏回族自治區(qū)水利廳灌排中心,銀川 751000)

        0 引 言

        泵站工程是利用水泵機(jī)組及其配套建筑物將電能轉(zhuǎn)化為水能進(jìn)行灌排或者供水的綜合性提水工程[1]。灌溉泵站是提水對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉的泵站,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民增收和區(qū)域環(huán)境改善的重要基礎(chǔ)設(shè)施。新中國(guó)成立60多年來(lái),我國(guó)機(jī)電灌排事業(yè)獲得了迅猛發(fā)展,泵站比較集中的省份及地區(qū),已初步形成了以大型泵站為骨干的抗旱灌溉、抗洪除澇及跨流域調(diào)水工程體系,及以中小型泵站為主導(dǎo)地位的地區(qū)性灌溉和除澇工程網(wǎng)絡(luò)。目前全國(guó)機(jī)電灌溉排水面積約4 267 萬(wàn)hm2,有力地提高了各地抗御自然災(zāi)害的能力,對(duì)保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),保障國(guó)家糧食安全等起到了關(guān)鍵性的作用[2]。

        雙吸離心泵流量大、揚(yáng)程高,廣泛應(yīng)用于大型調(diào)水工程、農(nóng)田灌溉和城鎮(zhèn)供水等重要領(lǐng)域。如南水北調(diào)中線工程惠南莊泵站安裝了8臺(tái)國(guó)內(nèi)單機(jī)功率最大的雙吸離心泵,單機(jī)設(shè)計(jì)流量10 m3/s、設(shè)計(jì)揚(yáng)程58.2 m、功率7500 kW,泵站總裝機(jī)功率達(dá)到6 萬(wàn)kW,由于泵站流量變幅10~60 m3/s、揚(yáng)程范圍0~58.2 m,且年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),運(yùn)行工況復(fù)雜,對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的要求非常高[3]。在大型灌溉排泵站方面,據(jù)水利部統(tǒng)計(jì),我國(guó)共有大型灌溉排水泵站450處,裝機(jī)功率563.57 萬(wàn)kW,設(shè)計(jì)流量35 885 m3/s,共安裝水泵機(jī)組24 540 臺(tái)套,在大型灌溉泵站中,75%以上的泵型為雙吸離心泵[4]。在這些大型泵站中,大型雙吸離心泵為農(nóng)業(yè)灌溉和飲水工程發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)大型雙吸離心泵的需求將會(huì)越來(lái)越大[5,6]。隨著在建和新建大型泵站中水泵單機(jī)功率的不斷提升,雙吸離心泵應(yīng)用面臨的能耗過(guò)高和運(yùn)行穩(wěn)定性問題將更加突出。針對(duì)這一問題,本文結(jié)合寧夏白府都泵站更新改造工程,研究葉片載荷分布對(duì)雙吸離心泵水力性能的影響,通過(guò)控制葉片載荷來(lái)提高雙吸離心泵的效率和穩(wěn)定運(yùn)行性,具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

        1 研究對(duì)象及存在的問題分析

        1.1 單級(jí)雙吸離心泵基本參數(shù)

        白府都泵站屬于寧夏固海揚(yáng)水工程的梯級(jí)提水泵站的其中一級(jí),始建于1984年,控灌面積3 734 hm2,泵站總揚(yáng)程48.8 m,設(shè)計(jì)流量10.04 m3/s,采用3工1備的運(yùn)行方式,為更好地提高該泵站雙吸離心泵的運(yùn)行穩(wěn)定性,并降低其能耗。本文以白府都泵站所使用的HS600-500-650A型單級(jí)雙吸離心泵為研究對(duì)象進(jìn)行改進(jìn),該泵的主要參數(shù)如表1所示。

        表1 HS600-500-650A型單級(jí)雙吸離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)

        1.2 數(shù)值計(jì)算模型及方法

        根據(jù)HS600-500-650A單級(jí)雙吸離心泵的水力圖尺寸,建立三維模型,如圖1所示。

        圖1 流體域三維圖

        在該模型中,利用ICEM CFD軟件對(duì)于進(jìn)水流道(包含延伸段)、葉輪、出水流道(包含延伸段)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。全流道的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 096 833,總單元數(shù)為5 725 942。各個(gè)流體域的網(wǎng)格、節(jié)點(diǎn)數(shù)如表2所示。網(wǎng)格如圖2所示。

        表2 各個(gè)流體域參數(shù)

        圖2 流道網(wǎng)格

        采用ANSYS CFX軟件對(duì)HS600-500-650A單級(jí)雙吸離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬,選用SST湍流模型,在參數(shù)設(shè)置中流動(dòng)介質(zhì)為水,溫度22 ℃,參考?jí)毫? atm,轉(zhuǎn)速為990 r/min,計(jì)算步數(shù)為1 000步,收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-5。

        對(duì)于邊界條件的設(shè)定:①進(jìn)口邊界條件:將吸水延伸段進(jìn)口設(shè)置為進(jìn)口邊界,給定各工況的質(zhì)量流量;②出口邊界條件:將蝸殼出口延伸段出口設(shè)置為出口邊界,給定出口靜壓為0;③其他邊界條件:其余所有壁面都采用無(wú)滑移邊界條件。對(duì)于交界面的設(shè)置,將進(jìn)水流道出口和葉輪進(jìn)口、葉輪出口和出水流道進(jìn)口設(shè)置為固定-旋轉(zhuǎn)交界面,將進(jìn)水流道進(jìn)口和進(jìn)口延伸段出口處、出水流道出口和出口延伸段進(jìn)口處設(shè)置為固定交界面。

        1.3 外特性分析

        對(duì)表3中的情況下進(jìn)行模擬計(jì)算,分別計(jì)算出各工況下的揚(yáng)程、效率并做出相應(yīng)的水力特性曲線,如圖3。揚(yáng)程曲線在設(shè)計(jì)工況和小流量工況下誤差較小,其中,設(shè)計(jì)工況下,泵揚(yáng)程的計(jì)算值為47.97 m,略高于試驗(yàn)值,模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。比較效率對(duì)比圖,可以看到效率曲線在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果整體上趨勢(shì)一致。其中,在設(shè)計(jì)工況下,模擬結(jié)果與效率實(shí)驗(yàn)值誤差為0.73%,模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。因此,從總體上來(lái)說(shuō),該泵的CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,其計(jì)算結(jié)果可以作為我們優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)判方法。

        表3 模擬計(jì)算時(shí)的工況

        圖3 HS600-500-650A水力特性曲線

        1.4 內(nèi)部流動(dòng)分析

        葉輪流場(chǎng)分布結(jié)果如圖4所示,在這里取了0.2Q,0.4Q,0.6Q,0.8Q,1.0Q,1.2Q,1.4Q工況進(jìn)行分析??梢悦黠@看出,小流量工況下,葉輪出口處的流動(dòng)及其不均勻,輪轂隔板兩側(cè)的水流在這里易發(fā)生相互碰撞。

        圖4 葉輪流場(chǎng)分布

        2 改進(jìn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

        2.1 改進(jìn)方案

        針對(duì)上述問題,本文采用葉片交替加載技術(shù)設(shè)計(jì)理論對(duì)HS600-500-650A型號(hào)的雙吸離心泵葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該技術(shù)采用前后蓋板交替加載的載荷分布方式,結(jié)合雙側(cè)葉片出口邊傾斜呈“V”字型,并均勻交錯(cuò)雙側(cè)葉輪的方法對(duì)葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中優(yōu)化后的葉輪在原始葉輪的基礎(chǔ)上運(yùn)用葉片交替加載技術(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì),在后蓋板位置增加8 mm厚度的隔板,再均勻交錯(cuò)布置兩側(cè)葉輪。優(yōu)化前后葉輪對(duì)比如圖5所示。

        圖5 優(yōu)化前后葉輪的結(jié)構(gòu)三維圖

        2.2 改進(jìn)效果分析

        通過(guò)CFD模擬計(jì)算分別計(jì)算出各工況下的揚(yáng)程、效率并做出相應(yīng)的外特性曲線,如圖6所示。

        圖6 重新設(shè)計(jì)葉輪后的外特性曲線與原始葉輪比較

        通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),新的模型流量-揚(yáng)程曲線與原始模型基本吻合,而新模型的流量-效率曲線得到明顯改善,在小流量工況和大流量工況,其效率值均有明顯提升,在設(shè)計(jì)流量下,效率值提高2.1%,高效區(qū)大約拓寬20%左右。該水泵模型通過(guò)運(yùn)用交替加載設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)葉輪,水泵外特性得到明顯優(yōu)化。

        采用交替加載技術(shù)后,在原始葉輪模型的出口處產(chǎn)生隔板,消除了水流在匯集到出口時(shí)的產(chǎn)生的撞擊,從而流態(tài)的得到改善,以小流量工況下最為顯著。

        圖7為HS600-500-650A的設(shè)計(jì)工況下葉輪改進(jìn)前后出口處的流速分布云圖,葉輪旋轉(zhuǎn)方向如箭頭所示??梢钥闯觯瑑蓚?cè)葉輪經(jīng)過(guò)交錯(cuò)布置后出口的流態(tài)均勻性得到明顯提高,在原始方案中,呈現(xiàn)出明顯的“射流-尾跡”區(qū)域,射流的高速區(qū)位于葉片的工作面,尾跡靠近相鄰葉片的背面,高速區(qū)過(guò)于集中,速度梯度大。改進(jìn)后的葉輪出口流速分布均勻,流速在18.4 m/s以上的區(qū)域占出口面積的大部分,速度梯度小。由此可以證明,前蓋板前加載,后蓋板后加載的混合加載方式能夠改善葉輪出口的“射流-尾跡”現(xiàn)象。

        對(duì)于HS600-500-650A的葉片壓力分布,可以看到,原始的葉片雖然沒有形成比較明顯的進(jìn)口低壓區(qū),但是壓力梯度變化不均勻,從進(jìn)口到出口的等壓線均呈現(xiàn)出不同程度的彎曲,而改進(jìn)后的葉片壓力梯度變化均勻。總結(jié)發(fā)現(xiàn),改進(jìn)后的葉片壓力分布較為均勻,這種葉片的混合加載形式能夠有效避免因葉片前部過(guò)載或者后部過(guò)載造成的前后做功不均的弊端,從而改善了雙吸離心泵的效率和壓力脈動(dòng)的水平。

        圖7 HS600-500-650A葉輪出口流速分布

        圖8 HS600-500-650A葉片工作面壓力分布圖

        圖9為原始方案和改進(jìn)后方案的葉片前后蓋板工作面和背面的壓力分布圖,原始方案的后蓋板工作面受力處處都高于前蓋板的工作面受力,改進(jìn)后方案的前后蓋板壓力曲線吻合度較高。說(shuō)明改進(jìn)后的葉片不僅消除了原始葉片中沿流線方向上的載荷不均,也同時(shí)消除了原始葉片中前后蓋板的受力不均。

        圖9 HS600-500-650A的葉片壓力分布

        2.3 優(yōu)化前后壓力脈動(dòng)對(duì)比分析

        為進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化前后的內(nèi)部流態(tài),對(duì)模型進(jìn)行壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)。壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在進(jìn)水流道、葉輪和出水流到上。如圖10所示,進(jìn)水流道的進(jìn)水口處上下各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)SUC4、SUC5,進(jìn)水流道最高點(diǎn)設(shè)置測(cè)點(diǎn)SUC1,進(jìn)水流道出口設(shè)置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)SUC2、SUC3;葉輪葉片流道進(jìn)口,葉片流道中間和葉片流道出口各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),為IPM1、IPM2、IPM3;出水流道的隔舌處,設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)VOL1,沿出水流道外壁,隔90°設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),為VOL2、VOL3、VOL4、VOL5,出水流道出口處上下各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),VOL6、VOL7。

        圖10 測(cè)點(diǎn)位置

        針對(duì)設(shè)計(jì)流量Q進(jìn)行非定常壓力脈動(dòng)計(jì)算的對(duì)比分析。非定常壓力脈動(dòng)計(jì)算中以定常計(jì)算結(jié)果為初始條件,計(jì)算10個(gè)轉(zhuǎn)輪周期,每個(gè)周期計(jì)算180個(gè)時(shí)間步長(zhǎng),同時(shí)監(jiān)測(cè)壓力隨時(shí)間的變化。

        將數(shù)值模擬計(jì)算得到的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值進(jìn)行無(wú)量綱化處理,無(wú)量綱壓力系數(shù)Cp的定義如下:

        (1)

        式中:P為各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值;Pref為參考位置壓力值,采用進(jìn)水流道進(jìn)水口的壓力值;ρ為水的密度;vref為參考位置速度,即進(jìn)水流道進(jìn)水口的速度值。

        如圖11至圖14所示,為該型號(hào)雙吸離心泵改進(jìn)前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖和頻譜圖。通過(guò)HS600-500-650A雙吸離心泵的主要參數(shù)得知,該雙吸離心泵的轉(zhuǎn)速為990 r/min,轉(zhuǎn)頻為16.5 Hz,葉頻為99 Hz。

        圖11 流量為1.0 Q時(shí),測(cè)點(diǎn)SUC1的時(shí)域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

        圖12 流量為1.0 Q時(shí),測(cè)點(diǎn)SUC4的時(shí)域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

        圖14 流量為1.0 Q時(shí),測(cè)點(diǎn)VOL3的時(shí)域圖、頻域圖(HS600-500-650A)

        從表4可以看出,吸水室最高點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值由原泵的1.452 m下降了0.707 m,降低幅度為48.6%,吸水室進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)幅值由原泵的1.447 m下降了0.940 m,降低幅度為65.0%左右,蝸殼隔舌處的壓力脈動(dòng)幅值由原泵的2.451 m下降了1.509 m,降低幅度為61.6%,蝸殼最高點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值由原泵的1.606 m下降了1.090 m,降低幅度為67.8%。同時(shí)從頻譜圖中可以看出,原始方案葉輪的條件下,各個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)其主頻均為99 Hz,即葉片通過(guò)頻率;改進(jìn)后,葉輪的通過(guò)頻率(99 Hz)幅值大幅下降,蝸殼內(nèi)的主頻由原來(lái)的99 Hz改變?yōu)?倍葉頻(198 Hz),其幅值也遠(yuǎn)低于原葉輪主頻的幅值。

        表4 改進(jìn)前后各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值對(duì)比

        3 結(jié) 論

        本文以寧夏回族自治區(qū)固海揚(yáng)水工程白府都泵站更新改造工程的HS600-500-650A雙吸離心泵為研究對(duì)象,研究葉片載荷分布對(duì)雙吸離心泵水力性能的影響,通過(guò)控制葉片載荷來(lái)提高雙吸離心泵的效率和穩(wěn)定運(yùn)行性。結(jié)果表明相對(duì)于傳統(tǒng)的雙吸式離心泵,采用交替加載與V形交錯(cuò)技術(shù)設(shè)計(jì)得到的雙吸離心泵最明顯的優(yōu)勢(shì)是其具有高效區(qū)寬,壓力脈動(dòng)低的優(yōu)點(diǎn)。由于灌溉泵站的雙吸泵普遍偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行,因此具有高效區(qū)寬和低壓力脈動(dòng)特性的雙吸離心泵可以明顯地提高灌溉泵站的裝置效率和機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文豐富了單機(jī)雙吸離心泵的改造設(shè)計(jì)方法,對(duì)未來(lái)泵站雙吸離心泵改造具有一定的借鑒意義。

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