汪雨露，李偉*，胡敬寧，葉曉琰，耿浩涵，王行元

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 江蘇大學(xué)鎮(zhèn)江流體工程裝備技術(shù)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009； 3. 中船重工集團(tuán)有限公司第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650101)

海水淡化高壓泵是反滲透海水淡化系統(tǒng)的核心動(dòng)力組件，在萬噸級(jí)反滲透海水淡化工程中，高壓泵的能耗約占高壓給水系統(tǒng)能耗的80%，占整個(gè)淡化系統(tǒng)能耗的40%～50%[1-2]，因此提高高壓泵的效率對(duì)降低反滲透系統(tǒng)的能耗至關(guān)重要.

SANDERSJ等[3]在實(shí)驗(yàn)室研制出海水淡化膜，這是反滲透海水淡化的基礎(chǔ).1992年，華中科技大學(xué)自主研制出國內(nèi)第一臺(tái)海水淡化單柱塞泵和油水分離式海水淡化高壓泵[4-5]，之后國內(nèi)陸續(xù)研制出全海水潤滑的高壓泵[6].然而，這些泵的結(jié)構(gòu)與性能均不適用于大型海水淡化工程.在國家“十一五”和“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，中國成功研制了系列海水淡化高壓泵產(chǎn)品并于部分海水淡化工程上取得應(yīng)用[7-8].2009年，江蘇大學(xué)研制出日產(chǎn)淡水10000t的海水淡化高壓多級(jí)泵，泵性能達(dá)到世界同期先進(jìn)水平[9].目前中國海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但在大型海水淡化工程上中國自主研制的高壓泵還缺乏示范性應(yīng)用，關(guān)鍵問題在于自主高壓泵的能耗指標(biāo)限制了推廣應(yīng)用，因此加快高壓泵的設(shè)計(jì)研發(fā)仍是刻不容緩.反滲透海水淡化的操作壓力隨四季水溫變化而改變，夏季操作壓力約為5.5 MPa，冬季約為6.2 MPa，高壓泵一般采用變頻調(diào)速的方式調(diào)控操作壓力，并保證日常產(chǎn)水量[10].考慮到夏季和冬季海水溫差較大，操作壓力大小也有較大差異，因此保持高壓泵在一個(gè)大的流量范圍內(nèi)有一個(gè)高效率區(qū)很重要.葉輪和導(dǎo)葉是高壓泵的重要過流部件，兩者的水力性能及其匹配特性對(duì)泵的性能具有很大影響，因此在設(shè)計(jì)葉輪、導(dǎo)葉時(shí)要考慮其流場(chǎng)的匹配銜接，力求中間流場(chǎng)平滑通順.

文中以研制一臺(tái)日產(chǎn)淡水15 000 t的反滲透海水淡化工程用的高性能高壓泵為目標(biāo)，通過對(duì)9組水力模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)合外特性對(duì)比和內(nèi)部流動(dòng)狀況進(jìn)行水力優(yōu)選，選擇一組性能最佳的水力模型加工成實(shí)體泵進(jìn)行試驗(yàn)研究.

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

所選擇的高壓泵是一種軸向吸入節(jié)段式多級(jí)泵結(jié)構(gòu)，以該泵的單級(jí)作為水力優(yōu)化及試驗(yàn)研究對(duì)象.單級(jí)泵設(shè)計(jì)性能參數(shù)分別為流量Qd=650 m3/h，揚(yáng)程H=205 m，轉(zhuǎn)速n=2 980 r/min，效率η=82%.圖1為該單級(jí)泵二維圖，其主要過流部件包括進(jìn)口段、出口段、葉輪、導(dǎo)葉、前后泵腔等.

圖1 單級(jí)泵二維圖Fig.1 Cross-sectional drawing of single stage pump

參考泵設(shè)計(jì)手冊(cè)，結(jié)合速度系數(shù)法、相似換算法以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)了3組葉輪和導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，組合得到9組方案，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS CFX進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和優(yōu)秀水力模型的篩選.所設(shè)計(jì)的3組葉輪均采用閉式結(jié)構(gòu)，其三維實(shí)體及水體造型如圖2所示.表1為3組葉輪的主要幾何參數(shù)，表中D1為葉輪進(jìn)口直徑，D2葉輪出口直徑，Dh葉輪輪轂直徑，b2為葉片出口寬度，β2為葉片出口安放角，φ為葉片包角，Zi為葉片數(shù).

圖2 葉輪三維圖Fig.2 3D model of impeller

表1 葉輪主要幾何參數(shù)Tab.1 Impeller geometrical parameters

采用徑向?qū)~，由于模型泵為單級(jí)，來自正導(dǎo)葉的流體直接流至出口段，故導(dǎo)葉僅有正導(dǎo)葉，無反導(dǎo)葉.圖3為導(dǎo)葉的三維實(shí)體及水體造型，其幾何參數(shù)如表2所示，表中D3為正導(dǎo)葉基圓直徑，b3為正導(dǎo)葉軸向進(jìn)口寬度，α3為正導(dǎo)葉進(jìn)口安放角，a3為正導(dǎo)葉平面進(jìn)口寬度，b4為正導(dǎo)葉軸向出口寬度，a4為正導(dǎo)葉平面出口寬度，D4為正導(dǎo)葉出口直徑，Zg為正導(dǎo)葉葉片數(shù).

圖3 導(dǎo)葉三維圖Fig.3 3D model of radial diffuser

表2 導(dǎo)葉主要幾何參數(shù)Tab.2 Diffuser geometrical parameters

3組葉輪和導(dǎo)葉分別兩兩組合，共組成9種方案，方案一到九組合分別為葉輪1+導(dǎo)葉1，葉輪1+導(dǎo)葉2，葉輪1+導(dǎo)葉3，葉輪2+導(dǎo)葉1，葉輪2+導(dǎo)葉2，葉輪2+導(dǎo)葉3，葉輪3+導(dǎo)葉1，葉輪3+導(dǎo)葉2，葉輪3+導(dǎo)葉3.

1.2 網(wǎng)格劃分和湍流模型

1.2.1 網(wǎng)格劃分

圖4為單級(jí)模型泵流體計(jì)算域.

圖4 單級(jí)模型泵流體計(jì)算域Fig.4 Fluid computational domain of single-stage model pump

采用ICEM軟件對(duì)全流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分.對(duì)葉輪、導(dǎo)葉水體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分并局部網(wǎng)格加密處理，將Y+值控制在100內(nèi).泵腔及進(jìn)出口延長段均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上.進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)總網(wǎng)格數(shù)約為310萬時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量較好，此時(shí)高壓泵揚(yáng)程和效率變化均小于2%.因此，最終選擇計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量約為315萬.

1.2.2 湍流模型

目前，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在離心泵模擬中應(yīng)用較多，其數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好[11-12].該模型是在雷諾時(shí)均N-S方程的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)能耗散率的方程與連續(xù)性方程、動(dòng)量方程組成控制方程組.胡敬寧等[13]基于數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型適用于萬噸級(jí)海水淡化高壓泵的數(shù)值計(jì)算.文中應(yīng)用該湍流模型研究不同工況下高壓泵內(nèi)部定常流動(dòng)狀況.在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，定義湍流黏性系數(shù)為

(1)

式中：μt為湍動(dòng)黏度；ρ為流體密度；Cμ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Cμ=0.09；k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率.

湍動(dòng)能k和湍能耗散率ε的約束方程分別為

(2)

(3)

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；C1和C2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C1=1.44，C2=1.92；σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，σk=1.0，σε=1.3.

1.2.3 邊界條件設(shè)置

應(yīng)用ANSYS CFX軟件，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和雷諾時(shí)均N-S方程作為基本控制方程進(jìn)行流場(chǎng)的定常計(jì)算.

采用多重坐標(biāo)系算法，將計(jì)算域劃分為靜止域與旋轉(zhuǎn)域，旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間的交界面設(shè)置為Frozen Rotor，靜止域與靜止域間通過滑移面連接.采用壓力進(jìn)口及質(zhì)量流量出口邊界條件設(shè)置.時(shí)間步長選擇Physical Timescale，設(shè)為0.0032 s，最大迭代步數(shù)設(shè)置為1 500 次.殘差收斂精度設(shè)置為10-5，一般殘差小于10-5即可認(rèn)為計(jì)算收斂.

2 計(jì)算結(jié)果及分析

考慮高壓泵變工況運(yùn)行時(shí)對(duì)揚(yáng)程和效率均有較高要求，不同的葉輪和導(dǎo)葉組合，以及葉輪和導(dǎo)葉某一參數(shù)的改變，對(duì)泵的性能均有很大的影響.在ANSYS CFX軟件中分別計(jì)算9種方案在不同工況時(shí)的流動(dòng)情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制外特性曲線，如圖5所示.

圖5 9組方案的外特性曲線Fig.5 Performance curves of 9 schemes

由圖5可以看出：方案一、二、七、八、九的效率在達(dá)到額定工況前隨著流量的增大而增大，并在額定工況處效率較高，其后效率隨流量增大而急劇降低，在1.4Qd處效率降到50.0%左右，整體效率過低；方案三、四、五、六高效區(qū)寬且集中在大流量處，方案四、五、六揚(yáng)程較設(shè)計(jì)要求偏低，方案六揚(yáng)程曲線出現(xiàn)駝峰，實(shí)際運(yùn)行中會(huì)造成較大能量損失；方案三整體揚(yáng)程較高，高效區(qū)最寬廣，無駝峰現(xiàn)象，在1.0Qd工況時(shí)揚(yáng)程為211.2 m，此時(shí)效率為83.4%，隨著流量的繼續(xù)增大，效率在1.2Qd工況時(shí)達(dá)到最大值85.0%，在1.4Qd工況時(shí)，對(duì)應(yīng)效率為80.0%，對(duì)應(yīng)揚(yáng)程為158.0 m，綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他方案.

選取方案一、二、三，研究同一葉輪搭配3種不同的導(dǎo)葉時(shí)對(duì)泵性能的影響，如圖6所示.

圖6 3種方案泵性能對(duì)比Fig.6 Comparison of performances of 3 schemes

由圖6可以看出：方案一和方案二的區(qū)別在于方案一采用的是7葉片導(dǎo)葉，方案二采用的是9葉片導(dǎo)葉，對(duì)比可知，7葉片導(dǎo)葉泵揚(yáng)程和效率均高于9葉片導(dǎo)葉；從額定流量到大流量，方案一的揚(yáng)程和效率均比方案二的高一些，其原因在于增大葉片數(shù)后，減少了過流面積，增大了葉片的摩擦損失，造成較大的能量損失，導(dǎo)致泵揚(yáng)程性能曲線出現(xiàn)駝峰和效率的降低；相比方案一和方案二，方案三的水力性能明顯優(yōu)于該二者，且方案三的高效區(qū)寬廣，效率在大流量處下降緩慢，這是由于方案三導(dǎo)葉軸向出口寬度、導(dǎo)葉平面出口寬度和導(dǎo)葉出口直徑發(fā)生了變化，導(dǎo)葉軸向出口寬度和平面出口寬度的減小使導(dǎo)葉喉部面積的增大，在大流量工況下，導(dǎo)葉入口喉部面積的增大，增強(qiáng)了液體的過流面積，水力沖擊、旋渦回流等損失減小，并且導(dǎo)葉出口直徑的增大也增大了出口過流面積，減小了水力損失，從而使最高效率點(diǎn)向大流量偏移，并且揚(yáng)程曲線也較為平坦，避免了駝峰的出現(xiàn).

對(duì)比分析該3種方案可知，泵的性能受多種參數(shù)綜合作用的影響，因此，研究各參數(shù)及其綜合作用對(duì)泵性能的影響十分重要.在保持葉輪幾何參數(shù)不變的情況下，改變導(dǎo)葉的葉片數(shù)對(duì)泵的性能產(chǎn)生一定影響，增大導(dǎo)葉入口喉部面積，造成過流面積的增大，可使泵的高效區(qū)向大流量處偏移.設(shè)計(jì)葉輪和導(dǎo)葉時(shí)，必須考慮到葉輪、導(dǎo)葉過渡處流場(chǎng)的平穩(wěn)通順，良好的匹配銜接可以減少水力沖擊等損失.

3 內(nèi)部流動(dòng)分析

3.1 葉片靜壓分布

圖7為不同工況下葉片靜壓分布云圖，可以看出：葉片的壓力從進(jìn)口到出口逐漸增大，這是由于葉片旋轉(zhuǎn)做功導(dǎo)致從葉輪進(jìn)口到出口液體流速逐漸增大的緣故；在小流量工況下，葉片工作面的葉頂位置處壓力較高，中間區(qū)域壓力較低；隨著流量的增大，葉片頂部高壓、中部低壓現(xiàn)象消失，壓力沿徑向均勻增大，因此，在葉輪的頂部特別是出口處，葉片經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重磨損；在額定流量條件下，葉片背面仍有低壓區(qū)；當(dāng)流量增大時(shí)，低壓區(qū)消失，但入口壓力分布仍不均勻，這是因?yàn)槿~片是雙螺旋曲線，進(jìn)口側(cè)傾斜于工作面，葉片進(jìn)口部分扭曲嚴(yán)重；從進(jìn)口部分到出口，扭曲幅度逐漸減小，背面沖擊損失較大，因此進(jìn)口部分區(qū)域出現(xiàn)低壓，壓力分布不均的現(xiàn)象.

圖7 不同工況下葉片靜壓分布云圖Fig.7 Static pressure contours on blades at different flow rates

3.2 葉輪、導(dǎo)葉內(nèi)速度分布

圖8為不同工況下葉輪、導(dǎo)葉速度分布云圖，可以看出：高壓泵內(nèi)部速度場(chǎng)分布基本一致，葉輪旋轉(zhuǎn)做功，液流速度從葉輪進(jìn)口到出口不斷增大；葉輪內(nèi)液流相對(duì)速度分層明顯，且各流道速度分布均勻，流速在葉輪出口處達(dá)到最大值；液流進(jìn)入導(dǎo)葉后，由于導(dǎo)葉的擴(kuò)散作用，流速逐漸降低；液流經(jīng)過導(dǎo)葉擴(kuò)散作用后，流入出口段，在導(dǎo)葉與出口段相交處，由于流道突然變窄，液流匯聚在一起，造成較大的液流激振，此時(shí)液流流動(dòng)混亂，流速分布不均勻；隨著流量的增大，液流的速度有所增大，在1.0Qd和1.2Qd工況時(shí)葉輪內(nèi)的液流變得均勻，液流激振減小，此時(shí)對(duì)應(yīng)的泵的效率也較高；在1.4Qd工況時(shí)，液流流速繼續(xù)增大，造成葉輪內(nèi)液流脫流損失、沖擊損失、旋渦損失等進(jìn)一步加大，此時(shí)泵的揚(yáng)程和效率均有所下降.

圖8 不同工況下葉輪、導(dǎo)葉速度分布云圖Fig.8 Velocity contours in impeller and diffuser at different flow rates

3.3 葉輪、導(dǎo)葉內(nèi)流線分布

圖9為葉輪、導(dǎo)葉中截面處的流線分布云圖，可以看出：在0.8Qd小流量工況下，導(dǎo)葉流道形成了一些明顯的旋渦結(jié)構(gòu)，堵塞了大部分導(dǎo)葉流道，使得導(dǎo)葉進(jìn)口過流面積減小，排擠系數(shù)變大，產(chǎn)生較大能量損失，并且導(dǎo)葉葉片輪緣處形成明顯的泄漏渦；隨著流量增大，輪緣泄漏流逐漸減小，泄漏渦的結(jié)構(gòu)也逐漸減少，動(dòng)靜干涉效應(yīng)相對(duì)減弱，在1.0Qd和1.2Qd工況時(shí)導(dǎo)葉進(jìn)口處流場(chǎng)較為均勻，此時(shí)液流經(jīng)導(dǎo)葉流出至出口段時(shí)，過渡平穩(wěn)，旋渦結(jié)構(gòu)較少，能量損失較少，相應(yīng)的高壓泵的揚(yáng)程和效率均較高，說明高壓泵在大流量工況下運(yùn)行平穩(wěn)，而在小流量工況運(yùn)行時(shí)，泵內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，各種旋渦回流、泄漏流的出現(xiàn)造成了流動(dòng)的不穩(wěn)定，效率偏低，能量損失較大.

因此，為了降低高壓泵的能耗及保障運(yùn)行的穩(wěn)定性，高壓泵應(yīng)在最優(yōu)運(yùn)行區(qū)域高效穩(wěn)定運(yùn)行，避免在小流量工況下工作.

圖9 不同工況下葉輪、導(dǎo)葉流線分布云圖Fig.9 Streamline distribution of impeller and diffuser under different flow rates

4 水力模型外特性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

進(jìn)行高壓泵的外特性試驗(yàn)，搭建其試驗(yàn)臺(tái),該試驗(yàn)臺(tái)主要由模型泵、電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)液罐、真空泵、測(cè)速儀、進(jìn)出口閥、流量計(jì)等組成，如圖10所示.

圖10 試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.10 Schematic of test rig

4.2 外特性對(duì)比

根據(jù)方案三制造模型泵樣機(jī)，進(jìn)行外特性試驗(yàn).試驗(yàn)在轉(zhuǎn)速為2 980 r/min下進(jìn)行.繪制數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)的外特性曲線如圖11所示，由圖可以看出：外特性的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，相比試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值計(jì)算得到的揚(yáng)程、效率和功率值均偏高，這是由于計(jì)算時(shí)忽略了葉輪進(jìn)口、葉輪與導(dǎo)葉之間間隙的泄漏，但二者的相對(duì)誤差較?。辉?.0Qd工況時(shí)，數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)的揚(yáng)程和效率的誤差分別為2.52%和2.96%，在1.2Qd工況時(shí)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)的揚(yáng)程和效率的誤差分別為6.93%和4.16%，均在工程允許范圍內(nèi)，這說明該數(shù)值計(jì)算方法是正確的.

圖11 模型泵試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的外特性曲線Fig.11 Performance comparison between simulation and test

試驗(yàn)結(jié)果表明：該模型泵在流量Q=600 m3/h處，效率達(dá)到80.36%，此時(shí)揚(yáng)程為211.13 m；隨著流量的增大，效率繼續(xù)增大，在設(shè)計(jì)工況下，效率為81.65%，揚(yáng)程為206.00 m,在Q=782 m3/h處，效率達(dá)到最大值，為82.43%，此時(shí)揚(yáng)程為182.78 m;隨著流量繼續(xù)增大至Q=840 m3/h，此時(shí)揚(yáng)程為169.10 m，效率仍能達(dá)到80.05%，滿足高效區(qū)寬廣的要求，所以該高壓泵性能達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求.

5 結(jié) 論

1) 共設(shè)計(jì)了9種水力模型，通過數(shù)值計(jì)算優(yōu)選了一組最佳水力模型加工實(shí)體泵進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的正確性.在設(shè)計(jì)工況Qd=650 m3/h時(shí)，該泵的試驗(yàn)揚(yáng)程為206.00 m，效率為81.65%；在大流量工況Q=782 m3/h時(shí)，揚(yáng)程為182.78 m，效率為82.43%，高效區(qū)寬廣，滿足設(shè)計(jì)要求.

2) 葉輪、導(dǎo)葉不同的匹配方案對(duì)泵性能有很大的影響.保證葉輪出口、導(dǎo)葉進(jìn)口處流場(chǎng)合適的匹配銜接，對(duì)提高泵的性能有重要意義.在葉輪參數(shù)不變的情況下，增大導(dǎo)葉的進(jìn)口喉部面積，泵的最高效率點(diǎn)將向大流量區(qū)偏移.在高壓泵運(yùn)行過程中，小流量工況下受葉輪進(jìn)口輪緣泄漏流以及葉輪和導(dǎo)葉動(dòng)靜干涉的影響，在導(dǎo)葉進(jìn)口處形成旋渦，造成能量損失.隨著流量增大，輪緣泄漏流逐漸減少，動(dòng)靜干涉效應(yīng)相對(duì)減弱，導(dǎo)葉進(jìn)口處流場(chǎng)較為均勻，此時(shí)高壓泵整體運(yùn)行穩(wěn)定.因此高壓泵應(yīng)避免在小流量工況下運(yùn)行.