金海銀,張一祁,袁 堯,楊 帆*
(1.江陰市澄江水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站,江蘇 無錫 214400;2.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127;3.江蘇省水利科學(xué)研究院,南京 210000)
【研究意義】泵站在我國南水北調(diào)工程中發(fā)揮著重要的作用,具有排澇防洪,解決農(nóng)業(yè)用水問題等作用[1]。在沿江濱湖地區(qū),河道水位變化情況較為復(fù)雜,單向泵裝置無法滿足引排水雙向運(yùn)行功能的需要,雙向泵裝置不僅能滿足引排水雙向運(yùn)行的功能需要,而且最大程度降低土地資源使用的泵裝置結(jié)構(gòu)形式,其中箱涵式雙向泵裝置由于采用了閘站結(jié)合的布置形式,具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地小等優(yōu)點(diǎn),可降低工程投資,滿足我國沿江濱湖地區(qū)雙向抽水的需要,得到了廣泛的應(yīng)用[3]。
【研究進(jìn)展】箱涵式雙向進(jìn)水流道泵站是在總結(jié)雙向鐘形流道及開敞式進(jìn)水池研究成果基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種泵站結(jié)構(gòu)形式,針對(duì)箱涵式雙向立式軸流泵裝置,學(xué)者們已開展了相關(guān)的研究工作并取得了一系列研究成果,楊帆等[2-4]采用CFD 技術(shù)和高速攝影技術(shù)對(duì)箱涵式進(jìn)水流道的立式軸流泵裝置流道內(nèi)部附底渦流動(dòng)特征及其對(duì)泵裝置水動(dòng)力性能的影響進(jìn)行了分析,并結(jié)合物理模型試驗(yàn)的方法對(duì)箱涵式雙向立式軸流泵裝置的內(nèi)流場及脈動(dòng)特性進(jìn)行了分析。戴景等[5]采用數(shù)值模擬技術(shù)分析了不同工況時(shí)特低揚(yáng)程雙向泵裝置及過流部件在不同工況下的水動(dòng)力特性及泵裝置飛逸過渡過程中泵裝置內(nèi)、外流場特性的變化。王麗慧等[6]基于南水北調(diào)東線一期工程,分析了3 個(gè)典型工況下泵裝置流態(tài)和葉輪葉片表面的壓力分布情況,對(duì)泵裝置模型的能量性能進(jìn)行預(yù)測(cè),最終數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致,最大差值不超過2%。胡秋瑾等[7]對(duì)比了立式軸流泵裝置傳統(tǒng)選型方法、等揚(yáng)程加大流量的選型方法,運(yùn)用CFD軟件對(duì)ZM55、TJ04-ZL-24 二種模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證與比選。查智力[8]通過數(shù)值模擬方法,對(duì)帶有2 種不同結(jié)構(gòu)的環(huán)形虹吸出水室的泵裝置進(jìn)行對(duì)比分析。顧巍等[9]基于重整化群湍流模型應(yīng)用SIMPLEC 算法,模擬了不同型式的虹吸式出水流道軸流泵裝置內(nèi)流動(dòng)特性。定性地分析了幾種經(jīng)過型線優(yōu)化的虹吸式出水流道內(nèi)流場特征,定量地研究了多工況條件下虹吸式出水流道內(nèi)水力損失及特征斷面水流流態(tài)的差異。武蒙[10]采用CFD 與模型試驗(yàn)結(jié)合的方法,對(duì)典型箱涵式雙向模型泵裝置進(jìn)行分析,揭示泵裝置內(nèi)部流動(dòng)特性;在出水流道最優(yōu)尺寸下,分析了不同工況下直導(dǎo)葉與擴(kuò)散導(dǎo)葉對(duì)泵裝置效率的影響。陳佳[11]通過數(shù)值模擬方法,進(jìn)行了雙向立式軸流泵裝置內(nèi)流機(jī)理及流固耦合分析?!厩腥朦c(diǎn)】因泵裝置物理模型試驗(yàn)成本較高且周期長,利用物理模型試驗(yàn)評(píng)估泵裝置性能的研究相對(duì)較少,大多數(shù)學(xué)者采用了CFD 方法進(jìn)行泵裝置流場研究與分析?!緮M解決的關(guān)鍵問題】為確保泵站的高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行,以江蘇省江邊泵站的箱涵式雙向立式泵裝置為研究對(duì)象,采用了物理模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)泵裝置的性能進(jìn)行了測(cè)試與分析,獲取各工況時(shí)箱涵式雙向立式軸流泵裝置的能量性能、汽蝕特性、飛逸特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)及泵裝置內(nèi)流場特征數(shù)據(jù),以期為同類泵站的泵裝置結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。
江邊樞紐位于無錫江陰市申港鎮(zhèn)新溝河入江口,該樞紐工程由節(jié)制閘、泵站和船閘各1 座組成。樞紐主要承擔(dān)改善水環(huán)境、防洪、引水及航運(yùn)的任務(wù),是新溝河拓浚延伸工程通江口門的重要組成部分,也是該拓浚延伸工程中最大的單體工程(圖1)。
圖1 新溝河江邊樞紐工程Fig.1 Xingou river-side complex project
江邊樞紐泵站是兼排澇、引水功能的雙向泵站,泵站設(shè)計(jì)總流量120 m3/s,泵站采用4 臺(tái)立式軸流泵機(jī)組配開敞式進(jìn)、出水流道,配套異步電機(jī)功率2 000 kW,單機(jī)設(shè)計(jì)流量30 m3/s,葉輪直徑為3 150 mm。
泵站運(yùn)行水位組合及特性揚(yáng)程如表1所示,其中排澇和排水為正向,引水為反向,該泵站為排澇和排水為主。
表1 泵站運(yùn)行水位組合Table 1 Combined table of operating water level of pump station
原型泵葉輪直徑D=3.05 m,幾何比尺為1∶10,水力模型優(yōu)選南水北調(diào)同臺(tái)測(cè)試的TJ04-ZL-07 模型,轉(zhuǎn)輪直徑為330 mm,轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)為3,導(dǎo)葉體的葉片數(shù)為6,輪轂直徑為110 mm,轉(zhuǎn)輪及泵裝置的物理模型如圖2所示。
圖2 箱涵式雙向立式軸流泵裝置物理模型Fig.2 Physical model of Box-culvert Bi-directional vertical axial flow pump unit
箱涵式雙向立式泵裝置物理模型試驗(yàn)按照《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程(SL140-2006)》的規(guī)定要求進(jìn)行,試驗(yàn)內(nèi)容主要有:①5 個(gè)葉片安放角(-6°、-4°、-2°、0°、+2°)時(shí)箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型在正、反向運(yùn)行工況時(shí)能量性能試驗(yàn)。②4個(gè)葉片安放角(-4°、-2°、0°、+2°)時(shí)箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型的汽蝕性能試驗(yàn)。③2 個(gè)葉片安放角(-6°、+2°)時(shí)箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型正、反向飛逸特性試驗(yàn)。
高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)效率綜合不確定度優(yōu)于±0.36%,隨機(jī)不確定度在±0.1%以內(nèi),符合《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程(SL140—2006)》的精度要求,試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示,測(cè)量儀器設(shè)備均通過國家級(jí)計(jì)量認(rèn)證。為滿足泵裝置汽蝕試驗(yàn)的需要,該試驗(yàn)臺(tái)采用立式封閉循環(huán)結(jié)構(gòu)。管路直徑φ為250、350、500 mm。
圖3 試驗(yàn)臺(tái)立面布置Fig.3 Layout of test stand elevation
按照試驗(yàn)規(guī)程,測(cè)量模型泵裝置的軸轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)采用測(cè)功扭矩儀測(cè)量,在計(jì)算時(shí)扣除空載轉(zhuǎn)矩。計(jì)算式參照參考文獻(xiàn)[12-13],功率由式(1)計(jì)算:
式中:Pm為模型泵的功率(kw);nm為模型泵試驗(yàn)轉(zhuǎn)速(r/min);Mm為模型泵輸入轉(zhuǎn)矩(N·m);M0m為模型泵機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩(N·m)。
水泵裝置效率試驗(yàn)值按式(2)計(jì)算:
式中:η為原型泵效率;ρ為液體密度(kg/m3);H為揚(yáng)程(m);Q為流量(m3/s)。
汽蝕特性試驗(yàn)計(jì)算式參照參考文獻(xiàn)[12-13]由式(3)計(jì)算:
式中:NPSHav為泵裝置有效汽蝕余量(m);Pav為泵裝置進(jìn)水箱測(cè)壓點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng)Pa,由絕對(duì)壓力變送器測(cè)得;v為泵裝置進(jìn)水箱測(cè)壓斷面平均流速(m/s);Pv為試驗(yàn)水溫下水的飽和蒸汽壓強(qiáng)(Pa);h為絕對(duì)壓力變送器高于泵葉片旋轉(zhuǎn)中心線的高度(m)。
水泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速是指水泵在水輪機(jī)工況運(yùn)行狀態(tài),且輸出力矩近似為0時(shí)的轉(zhuǎn)速。計(jì)算式參照參考文獻(xiàn)[12-13],由式(4)、式(5)可得:
式中:n1'為單位轉(zhuǎn)速(r/min);Dm為模型泵葉輪直徑(mm);Hm為模型泵揚(yáng)程(m);Q1'為單位流量(m3/s);Qm為模型泵流量(m3/s)。
取出當(dāng)單位轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定時(shí)的數(shù)值作為單位飛逸轉(zhuǎn)速。原型泵不同揚(yáng)程點(diǎn)的實(shí)際飛逸轉(zhuǎn)速可由式(6)確定:
式中:nR,P為原型泵的實(shí)際飛逸轉(zhuǎn)速(r/min);HP為原型泵工作點(diǎn)的揚(yáng)程(m);DP為原型泵葉輪直徑(m)。
根據(jù)《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》(SL140—2006),流量、揚(yáng)程、軸功率和汽蝕余量采用下列相似換算公式:
原型水泵流量Q:
原型水泵揚(yáng)程H:
原型水泵軸功率P:
箱涵式雙向立式泵裝置模型的能量性能試驗(yàn)共測(cè)試了5 個(gè)葉片安放角(-6°、-4°、-2°、0°、+2°)時(shí)箱涵式雙向立式泵裝置的能量性能。同一轉(zhuǎn)速,相同工況下,6 個(gè)葉片安放角時(shí)箱涵式雙向立式軸流泵裝置的最優(yōu)工況性能參數(shù)如表2所示。根據(jù)雙向立式軸流泵裝置物理模型能量性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可得雙向立式軸流泵模型的綜合特性曲線,綜合特性曲線如圖4。
表2 箱涵式雙向立式軸流泵裝置最優(yōu)工況性能參數(shù)Table 2 Optimum operating condition performance parameters of box-culvert bidirectional vertical axial flow pump unit
圖4 雙向泵模型裝置綜合性能曲線Fig.4 Comprehensive performance curve of bi-directional model pump unit
在葉片安放角(-6°、-4°、-2°、0°、+2°)范圍內(nèi),泵裝置的最高效率達(dá)到71.19%,此時(shí)泵裝置揚(yáng)程為3.26 m,泵裝置的流量為253.18 L/s,葉片安放角度為-4°。在葉片安放角度-6°、-4°、-2°、0°和+2°時(shí)箱涵式雙向立式泵裝置的最高效率分別為70.88%、71.19%、70.48%、69.65%、65.58%。
采用等效率換算準(zhǔn)則,在排水工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.55 m 時(shí),箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型的流量為375.77 L/s,泵裝置效率為57.24%,對(duì)應(yīng)原型泵裝置流量為30.63 m3/s。在引水工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.75 m 時(shí),箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型的流量為375.77 L/s,泵裝置效率為60.77%;對(duì)應(yīng)原型泵裝置流量為30.11 m3/s,雙向運(yùn)行設(shè)計(jì)工況時(shí)泵裝置的流量均高于設(shè)計(jì)流量30 m3/s 的運(yùn)行要求,滿足設(shè)計(jì)要求。
泵裝置模型的汽蝕特性試驗(yàn)采用定流量的能量法,取泵裝置模型效率較其性能點(diǎn)效率下降1%的有效汽蝕余量作為臨界汽蝕余量(以葉輪中心為基準(zhǔn))。
選擇4 個(gè)葉片安放角(-4°、-2°、0°、+2°)的雙向立式軸流泵進(jìn)行運(yùn)行工況的汽蝕特性試驗(yàn),表3 為各葉片角模型裝置臨界汽蝕余量NPSHC(m)。
表3 各葉片角模型裝置臨界汽蝕余量NPSHCTable 3 Critical cavitation allowance NPSHC for vane angle model units
根據(jù)各葉片角度多工況點(diǎn)實(shí)際試驗(yàn),臨界汽蝕余量在高揚(yáng)程和低揚(yáng)程下運(yùn)行工況下數(shù)值稍高,但在所有運(yùn)行揚(yáng)程(1.75~3.95 m)范圍之內(nèi),臨界汽蝕余量最大不超過8 m,可滿足最低淹沒深度要求。
水泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速是指水泵在水輪機(jī)工況運(yùn)行狀態(tài),且輸出力矩近似為零時(shí)的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)前脫開扭矩儀與電機(jī)之間的聯(lián)軸器。飛逸特性試驗(yàn)的反向水頭由輔助水泵提供,通過調(diào)節(jié)輔助泵的轉(zhuǎn)速來改變反作用水頭。利用測(cè)功扭矩儀和電磁流量計(jì)測(cè)量不同水頭下水泵穩(wěn)定反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和倒泄流量。
試驗(yàn)測(cè)試了江邊樞紐泵站水泵裝置2 個(gè)葉片安放角(-6°、+2°)下的飛逸特性,需要注意的是,測(cè)定水泵飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件不包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子。各葉片角度下的單位飛逸轉(zhuǎn)速如表3。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理可得通原型水泵正向飛逸轉(zhuǎn)速特性曲線如圖5所示。
表4 各葉片安放角下的單位飛逸轉(zhuǎn)速Table 4 Unit runaway speed at each blade positioning angle
圖5 原型水泵正向飛逸轉(zhuǎn)速特性曲線Fig.5 Forward runaway characteristic curve of prototype pump
飛逸轉(zhuǎn)速隨揚(yáng)程的增加而增加;泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度增大而減小。水泵模型TJ04-ZL-07在葉片角-6°時(shí)單位飛逸轉(zhuǎn)速 304.47 r/min。最大揚(yáng)程Hsy=3.53 m 事故停機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速可達(dá)181.6 r/min,為額定轉(zhuǎn)速1.45 倍。
水力機(jī)械(包括模型水輪機(jī)和模型水泵)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量不確定度主要指模型效率的測(cè)量不確定度,依據(jù)規(guī)程[16]進(jìn)行不確定度分析計(jì)算,揚(yáng)程測(cè)量不確定度EH為±0.1%,流量測(cè)量不確定度EQ為±0.2%,軸功率測(cè)量不確定度ET為±0.14%,系統(tǒng)不確定度ES為±0.26%,效率試驗(yàn)隨機(jī)不確定度Er為±0.11%。
故本試驗(yàn)效率測(cè)試綜合不確定度為:
箱涵式雙向立式軸流泵裝置葉輪直徑3.15 m,葉輪的葉片數(shù)為3,葉片安放角為0°,額定轉(zhuǎn)速125 r/min,計(jì)算流量范圍18~39 m3/s。
圖6 泵裝置三維模型Fig.6 3-D model of pump unit
數(shù)值計(jì)算基于ANSYS CFX 軟件,選用RNGk-ε紊流模型,邊界條件設(shè)置及計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[4-7],本文不再贅述,對(duì)于進(jìn)水、出水流道進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分。
泵裝置總體網(wǎng)格單元數(shù)量分別取113 萬、161 萬、219 萬、259 萬、282 萬,隨著網(wǎng)格單元數(shù)量達(dá)到219萬后,再增加網(wǎng)格單元數(shù)量,泵裝置效率的絕對(duì)差值均在1%以內(nèi),可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格無關(guān)。
經(jīng)泵裝置網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性分析,以效率為判斷參數(shù),泵裝置計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格單元數(shù)共計(jì)3 046 835 個(gè),網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)1 279 676 個(gè),其中四面體網(wǎng)格單元數(shù)為2 278 663 個(gè),六面體網(wǎng)格單元數(shù)為768172 個(gè),葉輪與導(dǎo)葉體的網(wǎng)格分別如圖7(a)、圖7(b)所示。各物理量的殘差收斂精度均設(shè)置為1.0×10-5,且揚(yáng)程的變化趨于穩(wěn)定,即該工況下數(shù)值模擬結(jié)果滿足收斂要求。
圖7 葉輪與導(dǎo)葉體網(wǎng)格Fig.7 Grid Diagram of Impeller and Guide Vane
為進(jìn)一步提高箱涵式雙向立式軸流泵裝置的水力性能,分別對(duì)采用直導(dǎo)葉體和擴(kuò)散導(dǎo)葉體的泵裝置進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算并分析了其對(duì)泵裝置整體水力性能的影響,2 種導(dǎo)葉體的三維模型如圖8所示。
在葉片安放角0°時(shí)2 套箱涵式立式軸流泵裝置的流量-效率對(duì)比如圖9所示。在5 個(gè)特征工況時(shí),配擴(kuò)散導(dǎo)葉體的泵裝置效率高于配直導(dǎo)葉體的泵裝置效率。擴(kuò)散導(dǎo)葉體時(shí)燈泡貫流泵裝置常用的導(dǎo)葉體形式,與典型的軸流泵導(dǎo)葉體不同,其具有一定的擴(kuò)散角度,采用擴(kuò)散導(dǎo)葉既可較好地回收葉輪出口水流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能,同時(shí)也可回收水流的軸向水流動(dòng)能,將水流速度的動(dòng)能更大化地轉(zhuǎn)化為壓能,擴(kuò)散導(dǎo)葉體在箱涵式雙向立式軸流泵裝置中應(yīng)用可適當(dāng)提高泵裝置的水力性能。
圖9 不同導(dǎo)葉體的泵裝置流量-效率對(duì)比Fig.9 Flow-efficiency comparison diagram of pump units with different guide vanes
為進(jìn)一步分析箱涵式雙向流道的內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu),選取3 個(gè)特征工況(流量Q=18、30、39 m3/s),三維流線圖如圖10所示。
圖10 不同工況時(shí)泵裝置內(nèi)部流線Fig.10 Flow chart of pump unit under different operating conditions
進(jìn)水流道:各工況時(shí)雙向進(jìn)水流道內(nèi)流場的前部流線平順,在雙向進(jìn)水流道的盲端處,流速很小,表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)緩慢的回流區(qū)。雙向進(jìn)水流道可看作是后壁距很大的單向流道,因后壁距較大,故易形成死水區(qū)。遠(yuǎn)離壁面的水流從導(dǎo)水錐順?biāo)畟?cè)直接進(jìn)入葉輪室,靠近兩壁面?zhèn)鹊乃骼@過導(dǎo)水錐從導(dǎo)水錐逆水側(cè)進(jìn)入葉輪室,水流從四周進(jìn)入葉輪室。
出水流道:各工況時(shí)水流從出水喇叭管出來后從四周匯入雙向出水流道內(nèi)部,部分水流進(jìn)入出水流道的盲端形成回流區(qū),并繞過出水喇叭管進(jìn)入出水側(cè),部分水流直接進(jìn)入出水側(cè),水流呈螺旋狀。出水側(cè)的流態(tài)分布整體較為均勻,無漩渦、回流等不良流態(tài)。
1)在測(cè)試的葉片安放角度范圍內(nèi),泵裝置的最高效率達(dá)到71.19%,此時(shí)泵裝置揚(yáng)程為3.26 m,裝置內(nèi)的流量為253.18 L/s,葉片安放角度為-4°。在排水工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.55 m 時(shí),泵裝置效率達(dá)57.24%;對(duì)應(yīng)原型泵裝置流量為30.63 m3/s。在引水工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.75 m 時(shí),泵裝置效率達(dá)60.77%,此時(shí)葉片安放角為-6°;對(duì)應(yīng)原型泵裝置流量為30.11 m3/s。均高于設(shè)計(jì)流量30 m3/s 的運(yùn)行要求,滿足設(shè)計(jì)要求。
2)臨界汽蝕余量在高揚(yáng)程和低揚(yáng)程運(yùn)行工況下數(shù)值稍高,但在所有運(yùn)行揚(yáng)程(1.75~3.95 m)范圍之內(nèi),臨界汽蝕余量最大不超過8 m。飛逸轉(zhuǎn)速隨揚(yáng)程的增加而增加;泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度增大而減小。水泵模型TJ04-ZL-07 在葉片角-6°時(shí)單位飛逸轉(zhuǎn)速 304.47 r/min。最大揚(yáng)程Hsy=3.53 m 事故停機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速可達(dá)181.6 r/min,為額定轉(zhuǎn)速1.45 倍。
3)在設(shè)計(jì)流量(Q=30 m3/s)時(shí),采用擴(kuò)散導(dǎo)葉體的泵裝置效率高于直導(dǎo)葉的泵裝置。箱涵式雙向進(jìn)水流道的盲端處流速很小,為運(yùn)動(dòng)緩慢的回流區(qū);出水側(cè)的流態(tài)分布整體較為均勻,無不良流態(tài)出現(xiàn)。