陳 洋

（1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司上海分公司，上海 200439；2.上海寶山人力資源有限公司，上海 201900）

0 引 言

立式潛水泵是一體式泵組，它具有泵組結(jié)構(gòu)緊湊，土建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便和運(yùn)行噪音小等特點(diǎn)［1］。目前，中小型的立式潛水泵機(jī)組在市政工程和水利行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，但大型機(jī)組使用較少。

常規(guī)大型泵選型一般根據(jù)泵相似定律，采用等揚(yáng)程方法或參考比轉(zhuǎn)速接近的水力模型，將模型泵段參數(shù)或泵裝置參數(shù)的特性換算成實(shí)型泵參數(shù)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)常規(guī)大型水泵的選型研究已開(kāi)展較多，謝傳流等［2］以立式軸流泵模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了軸流泵葉輪的選型方法；張中東等［3］針對(duì)黃金峽大型單級(jí)單吸離心泵機(jī)組選型詳細(xì)論證了水泵機(jī)組性能參數(shù)的確定方法及其影響因素；一些水利工作者對(duì)南水北調(diào)工程及一些大中型的立式軸流泵、燈泡貫流泵、豎井貫流泵、虹吸式出水豎井貫流泵等泵裝置進(jìn)行了選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［4-9］。這些選型及裝置研究均針對(duì)的是已有的成熟泵段的水力模型。另有部分學(xué)者針對(duì)燈泡貫流泵和潛水貫流泵機(jī)組性能開(kāi)展過(guò)一些研究，如梁豪杰等［10］對(duì)低比轉(zhuǎn)速燈泡貫流泵進(jìn)行模型優(yōu)化并試驗(yàn)驗(yàn)證；趙文龍等［11］運(yùn)用CFD 數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)了適用于7～10 m 高揚(yáng)程的定槳式燈泡貫流泵；劉浩然等［12］對(duì)低揚(yáng)程燈泡貫流泵水力特性及內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；施偉等［13］采用CFD 技術(shù)研究不同工況下某南水北調(diào)泵站后置燈泡貫流泵葉輪導(dǎo)葉壓力脈動(dòng)規(guī)律；戴景等［14］以南水北調(diào)東線淮安三站后置燈泡貫流泵裝置為研究對(duì)象，計(jì)算并分析了不同的前導(dǎo)葉體葉片位置對(duì)進(jìn)水流道水力性能以及泵裝置能量特性的影響；張仁田等［15］對(duì)南水北調(diào)東線一期工程中4種不同結(jié)構(gòu)型式的燈泡貫流泵的主要特點(diǎn)進(jìn)行了定性和定量分析；夏臣智等［16］采用CFD 方法研究潛水貫流泵裝置不同過(guò)流部件形式對(duì)水力性能的影響，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；楊帆等［17］分析了潛水貫流泵燈泡體段對(duì)泵裝置正反向運(yùn)行的影響；陸偉剛等［18］提出了電動(dòng)機(jī)前置的新型潛水貫流泵裝置型式。以上這些研究對(duì)象均為臥式機(jī)組結(jié)構(gòu)型式，立式與臥式機(jī)組安裝結(jié)構(gòu)相似但又不盡相同，盛建萍等［19］采用CFD技術(shù)與優(yōu)化算法相結(jié)合的方法對(duì)立式潛水軸流泵葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；陳斌等［20］基于輪轂比對(duì)立式潛水軸流泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；另有針對(duì)深井潛水泵、小型潛水泵的數(shù)值模擬、測(cè)試和壓力脈動(dòng)研究［21-23］。然而目前針對(duì)大功率立式潛水泵的研究并不多見(jiàn)。隨著社會(huì)進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)規(guī)模的發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門對(duì)使用潛水泵的功率、流量和揚(yáng)程都提出大型化的迫切要求。

1 研究對(duì)象

根據(jù)調(diào)研，部分大型立式潛水泵業(yè)績(jī)?nèi)绫?所示。立式潛水電機(jī)功率1 200 kW 的應(yīng)用實(shí)例極少，目前最大應(yīng)用實(shí)例為2013年投入使用的安徽梅隴三站，其水泵口徑1 800 mm，葉輪直徑為1 650 mm，功率850 kW。

表1 國(guó)內(nèi)部分大型立式潛水泵業(yè)績(jī)（10 kV）Tab.1 Performance of some large vertical submersible pumps in China（10 kV）

由于受空化性能限制（nD值）［24］，當(dāng)潛水泵大型化后，水泵轉(zhuǎn)速降低，使得直連電機(jī)尺寸偏大，即使配備行星齒輪減速器，電機(jī)的體積仍然較大，這會(huì)影響泵裝置內(nèi)部流態(tài)，降低機(jī)組的運(yùn)行效率，甚至增加振動(dòng)，帶來(lái)破壞性影響。本文以安徽某大型立式潛水泵站為例對(duì)水泵選型參數(shù)、導(dǎo)葉匹配CFD 計(jì)算及裝置模型試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行相關(guān)研究分析。泵站規(guī)模66 m3/s，采用6臺(tái)立式潛水混流泵機(jī)組，單泵流量11.00 m3/s，運(yùn)行凈揚(yáng)程2.7～9.5 m，水泵葉輪直徑1 870 mm，水泵轉(zhuǎn)速210 r/min，電機(jī)功率1 250 kW。

圖2 原型水泵裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of prototype pump device

2 立式潛水泵選型及導(dǎo)葉匹配計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)選型

泵段與泵裝置參數(shù)存在一定的數(shù)理關(guān)系，但由于未有此規(guī)模的大型立式潛水泵類似裝置的測(cè)試數(shù)據(jù)。選型水力模型采用泵段模型，安徽目前應(yīng)用最大的立式潛水泵泵站是梅龍三站，采用的水泵水力模型為350HDB-50A，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行檢驗(yàn)。另外，從南水北調(diào)天津同臺(tái)測(cè)試的模型中優(yōu)選TJ11-HL-04 和TJ11-HL-05 水力模型分別進(jìn)行換算。這3 個(gè)水力模型的選型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)，3 個(gè)水力模型均能滿足泵站高效、穩(wěn)定的運(yùn)行要求。在平均揚(yáng)程和最低揚(yáng)程工況下，TJ11-HL-05 水力模型效率較其余兩個(gè)模型略低；在設(shè)計(jì)揚(yáng)程和最大揚(yáng)程工況下，3 個(gè)水力模型水泵效率相當(dāng)；350HDB-50A 轉(zhuǎn)輪直徑較大，整體經(jīng)濟(jì)性略差。經(jīng)綜合考慮，采用TJ11-HL-04 模型較合適。采用TJ11-HL-04 泵段模型換算的原型泵性能曲線如圖3所示。

表2 選型參數(shù)比較表Tab.2 Comparison table of selection parameters

圖3 原型泵段預(yù)想綜合特性曲線Fig.3 Comprehensive characteristic curve of prototype pump section

2.2 潛水泵導(dǎo)葉匹配

2.2.1 立式潛水泵水力模型的特點(diǎn)及導(dǎo)葉匹配

設(shè)計(jì)選型的水力模型為泵段模型，葉輪和導(dǎo)葉共同決定了泵段的基本性能參數(shù)。導(dǎo)葉的作用主要是消除葉輪出口旋轉(zhuǎn)的速度環(huán)量，將速度能轉(zhuǎn)換為壓力能。而大型立式潛水泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與常規(guī)立式泵存在顯著差異，如圖4所示，常規(guī)優(yōu)秀的泵段水力模型由于導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)形式與潛水泵結(jié)構(gòu)上不匹配，直連傳動(dòng)的潛水泵電機(jī)的體積或減速傳動(dòng)的行星齒輪箱的尺寸均較常規(guī)泵段水力模型的導(dǎo)葉內(nèi)筒體大。常規(guī)泵段的水力模型結(jié)構(gòu)上不適合直接應(yīng)用于大型立式潛水泵機(jī)組。目前，大型潛水混流泵泵站也未有成熟水力模型可供選型使用，因此本文匹配了針對(duì)該大型立式潛水泵的水力模型。在選取目標(biāo)葉輪和給定的控制尺寸約束條件下，重新匹配導(dǎo)葉。導(dǎo)葉數(shù)量、進(jìn)口角、出口角、高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇參照TJ11-HL-04 模型導(dǎo)葉，型線利用Bladegen 軟件參數(shù)化建模［25］，根據(jù)特征工況點(diǎn)進(jìn)行CFD計(jì)算。計(jì)算過(guò)程暫不計(jì)葉輪葉頂間隙和表面粗糙度的影響。

圖4 常規(guī)混流泵與潛水混流泵泵段結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.4 Structure comparison between mixed flow pump and submersible mixed flow pump

2.2.2 CFD計(jì)算分析

根據(jù)CFD 計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得到各流量工況下的泵裝置性能如圖5所示。設(shè)計(jì)工況點(diǎn)流量11.08 m3/s，裝置揚(yáng)程7.5 m，裝置效率約76.6%。流量13 m3/s 時(shí)，裝置揚(yáng)程6.5 m，裝置效率最高約80.1%。

圖5 CFD計(jì)算的泵裝置性能曲線Fig.5 Performance curve of pump device calculated by CFD

如圖6所示，分別展示了設(shè)計(jì)流量（11 m3/s）和大流量工況（14 m3/s）不同的葉高截面葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)的流線分布?？梢?jiàn)，葉輪和導(dǎo)葉在偏大流量工況，各個(gè)截面上的流線分布比較平順，未見(jiàn)明顯的分離漩渦，說(shuō)明本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉與選擇的葉輪較為匹配。

圖6 葉輪和導(dǎo)葉葉高截面空間流線圖Fig.6 Space streamline diagram of high section of impeller and guide vane

圖7、8 分別截取了導(dǎo)葉出口端位置、XY中間截面位置的壓力分布圖?？梢?jiàn)，隨著流量增加，導(dǎo)葉出口端面壓力逐漸降低。葉輪及導(dǎo)葉附近壓力變化較大，在進(jìn)出口區(qū)域壓力波動(dòng)較小，并且在葉輪進(jìn)口區(qū)域出現(xiàn)了明顯的低壓區(qū)，對(duì)可能發(fā)生空化的風(fēng)險(xiǎn)有待進(jìn)一步分析。依此導(dǎo)葉水力模型進(jìn)行泵裝置模型試驗(yàn)。

圖7 不同工況下靠近導(dǎo)葉出口XZ截面壓力分布云圖Fig.7 Pressure distribution nephogram of XZ section near guide vane outlet under different working conditions

圖8 不同工況下XY截面壓力分布云圖Fig.8 Pressure distribution nephogram of XY section under different working conditions

3 裝置模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

水泵裝置模型在河海大學(xué)水力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。水泵裝置模型包括進(jìn)水流道、導(dǎo)葉及葉輪段和出水流道。模型水泵葉輪直徑320 mm，模型水泵與實(shí)型水泵流道尺寸完全相似。泵裝置模型如圖9所示。模型試驗(yàn)采用等揚(yáng)程方法進(jìn)行，原、模型nD值相等。

圖9 水泵裝置模型Fig.9 Pump device model

3.1 常規(guī)水力模型選型換算與模型試驗(yàn)的比較

分別對(duì)水泵裝置模型進(jìn)行了5 個(gè)葉片角度下的能量試驗(yàn)，結(jié)果與TJ11-HL-04 泵段設(shè)計(jì)選型曲線做比較，如圖10所示。根據(jù)以往近似規(guī)模裝置型式進(jìn)出水流道損失約0.65 m，裝置流道效率約91%，TJ11-HL-04 泵段選型設(shè)計(jì)工況點(diǎn)水泵效率86%，換算裝置效率約78.26%，由圖10可見(jiàn)，所有葉片角對(duì)應(yīng)特征工況點(diǎn)，裝置模型試驗(yàn)流量較TJ11-HL-04 泵段設(shè)計(jì)選型工況點(diǎn)小，且高揚(yáng)程區(qū)域流量偏差較大。裝置模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)裝置效率約75.6%，比設(shè)計(jì)選型預(yù)測(cè)效率低2.66%，這主要是由于潛水泵導(dǎo)葉體較常規(guī)泵擴(kuò)散角度變大，小流量時(shí)導(dǎo)葉出口區(qū)域水流約束性較大流量時(shí)弱，出現(xiàn)低速回流影響了過(guò)流能力和效率。根據(jù)裝置模型試驗(yàn)結(jié)果，最高揚(yáng)程最大軸功率1 071 kW，與設(shè)計(jì)選型1 094 kW 接近，以上說(shuō)明采用常規(guī)泵段進(jìn)行潛水泵的選型換算方法可行，實(shí)際流量偏小約5.8%。

圖1 立式潛水泵示意圖Fig.1 Schematic diagram of vertical submersible pump

圖10 模型試驗(yàn)換算實(shí)型泵裝置與設(shè)計(jì)選型水泵性能比較圖Fig.10 Performance comparison chart of model test conversion real pump device and design selection pump

3.2 裝置CFD計(jì)算與模型試驗(yàn)的比較

如圖11所示，對(duì)特征工況點(diǎn)的CFD數(shù)值模擬結(jié)果與裝置模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，CFD 計(jì)算預(yù)測(cè)的流量揚(yáng)程效率變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果一致。整體上相同揚(yáng)程下，CFD 計(jì)算流量較裝置模型試驗(yàn)大近2 個(gè)葉片角度，最高效率高約3.5%。這主要是由于計(jì)算未考慮葉輪葉頂間隙和表面粗糙度的影響，葉頂間隙的存在對(duì)大流量工況（1.27 倍設(shè)計(jì)流量）下流量的影響大于小流量工況（0.78 倍設(shè)計(jì)流量）。與文章《葉頂間隙對(duì)低比轉(zhuǎn)速混流泵性能及內(nèi)部流場(chǎng)影響的數(shù)值研究》［26］提出的差異結(jié)論基本一致。

圖11 模型試驗(yàn)換算實(shí)型泵裝置與其CFD計(jì)算性能比較圖Fig.11 Model test conversion of real pump device and CFD calculation performance comparison chart

4 立式潛水泵模型試驗(yàn)設(shè)想

4.1 問(wèn)題的提出

中小型潛水泵機(jī)組一般較為廣泛地采用原型泵在開(kāi)敞式試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行真機(jī)性能測(cè)試。當(dāng)潛水泵大型化后，開(kāi)展真機(jī)試驗(yàn)困難。不同泵站的裝置形式、性能參數(shù)的測(cè)試誤差將放大，因此不宜再采用原型泵在開(kāi)敞式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。而大型泵站在設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中若沒(méi)有可信的性能預(yù)期作為保證，將在一定程度上制約了立式潛水泵向大型化方向的發(fā)展。

目前常規(guī)大、中型軸、混流泵采用模型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，再根據(jù)相似換算運(yùn)用于實(shí)際過(guò)程，實(shí)踐證明這條路線盡管存在相似換算比尺效應(yīng)，但總體誤差基本可控。具有經(jīng)濟(jì)、高效、可信、可重復(fù)驗(yàn)證和廣泛應(yīng)用推廣價(jià)值，且該方法在水利行業(yè)已經(jīng)得到廣泛實(shí)踐應(yīng)用。多年的實(shí)踐積累表明，大中型軸混流泵已有較完整的規(guī)范給出了的泵段模型和裝置模型的定義，形成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)，并在此標(biāo)準(zhǔn)下開(kāi)發(fā)了完整的優(yōu)秀的水力模型庫(kù)，可供設(shè)計(jì)單位根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行選擇。

然而，針對(duì)潛水泵領(lǐng)域，大型立式潛水泵結(jié)構(gòu)上具有顯著特點(diǎn)，目前還未能形成統(tǒng)一的泵段模型、裝置模型和模型試驗(yàn)的概念和標(biāo)準(zhǔn)，而已有的水泵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由于未能考慮潛水電機(jī)的影響，不完全適合直接應(yīng)用于潛水混流泵的水力模型開(kāi)發(fā)和模型試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，十分缺乏廣泛認(rèn)可的潛水泵水力模型可供大型泵站選擇應(yīng)用。

圖12 立式軸流泵段和泵裝置示意圖Fig.12 Diagram of vertical axial flow pump section and pump device

4.2 概念的提出及試驗(yàn)設(shè)想

在《SL-140-2006 水泵模型及裝置模型試驗(yàn)規(guī)程》中，給出了立式機(jī)組的泵段和泵裝置示意圖。由于試驗(yàn)測(cè)量性能時(shí)需要在泵段進(jìn)出口給出足夠長(zhǎng)度的直管段，顯然直接在泵段進(jìn)出口測(cè)量泵段的性能是不合適的。規(guī)程指出，對(duì)于軸流泵、導(dǎo)葉混流泵的模型驗(yàn)收試驗(yàn)，應(yīng)以裝置模型試驗(yàn)為主。

為了開(kāi)發(fā)潛水混流泵水力模型，同時(shí)考慮到模型試驗(yàn)的可行性及向大型機(jī)組相似換算應(yīng)用的可比性，本文構(gòu)思的潛水泵模型泵段區(qū)域如圖13所示。其中，保證模型泵葉輪外徑320 mm，葉輪旋轉(zhuǎn)速度為1 450 r/min。為了模擬潛水電機(jī)，比照電機(jī)尺寸建立電機(jī)假體，這樣實(shí)際模型實(shí)驗(yàn)時(shí)可以將電機(jī)和扭矩儀裝在外面，并考慮了電機(jī)對(duì)泵性能的影響。同時(shí)，為了保證測(cè)量位置具有足夠長(zhǎng)的直管段，暫定義圖13所示（A-B）位置為模型泵的泵段，具體位置和型式有待結(jié)合模型試驗(yàn)商討確定。

圖13 立式潛水泵泵段模型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)想示意圖Fig.13 Schematic diagram for standardization of vertical submersible pump model test

本文嘗試提出潛水泵段模型和裝置模型的概念，有望形成適合大型立式潛水泵水力模型，并經(jīng)模型試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。為今后大型潛水混流泵站的水力模型開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)提供借鑒。

5 結(jié) 論

（1）國(guó)內(nèi)暫無(wú)系列針對(duì)立式潛水軸混流泵的水力模型。利用常規(guī)的大型泵站水力模型對(duì)立式潛水泵選型計(jì)算可行，但泵段模型葉輪和導(dǎo)葉共同決定了泵段的基本性能參數(shù)。立式潛水泵的導(dǎo)葉須匹配機(jī)組結(jié)構(gòu)，實(shí)際流量偏小約5.8%，裝置效率低約2.66%。

（2）對(duì)特征工況點(diǎn)的CFD 數(shù)值模擬結(jié)果與裝置模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，預(yù)測(cè)的流量揚(yáng)程效率變化趨勢(shì)是準(zhǔn)確的，由于計(jì)算未考慮葉輪葉頂間隙和表面粗糙度的影響，流量較裝置模型試驗(yàn)大約2 個(gè)葉片角度，最高效率高約3.5%。并且計(jì)算對(duì)大流量工況（1.27 倍設(shè)計(jì)流量）下流量的偏差大于小流量工況（0.78倍設(shè)計(jì)流量）。

（3）大型立式潛水泵結(jié)構(gòu)上具有顯著特點(diǎn)，目前還未有針對(duì)立式潛水泵統(tǒng)一的泵段模型、裝置模型和模型試驗(yàn)的概念和標(biāo)準(zhǔn)，本文提出了標(biāo)準(zhǔn)化立式潛水泵模型試驗(yàn)的設(shè)想，為立式潛水泵提供了大型化發(fā)展的思路。