焦海峰 陳正國(guó) 王 文 陳松山

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,揚(yáng)州 225100; 2.荊州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,荊州 434000;3.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院,揚(yáng)州 225100)

0 引言

全貫流泵[1-2]作為一種利用濕定子型潛水電機(jī)技術(shù)的新型水泵,將電機(jī)與葉輪外緣整合為一體,不需要通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng),具有結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),因此比較適合中、小型泵站。在全貫流泵運(yùn)行過(guò)程中,由于停電等突發(fā)事故,在停機(jī)時(shí)泵裝置內(nèi)部截流裝置未能成功運(yùn)行,因此在水壓的作用下水流發(fā)生倒流,全貫流泵的轉(zhuǎn)動(dòng)部件在倒流的沖擊下反向旋轉(zhuǎn),逐漸進(jìn)入飛逸工況[3-4]。在事故停機(jī)過(guò)程中,由于泵內(nèi)的水流較為紊亂,各過(guò)流部件以及電機(jī)容易損壞,因此有必要對(duì)全貫流泵在事故停機(jī)過(guò)程中的瞬態(tài)特性進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全貫流泵的相關(guān)研究大多集中在正常運(yùn)行工況。文獻(xiàn)[5]基于熵產(chǎn)理論對(duì)全貫流泵的能量特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)回流間隙會(huì)導(dǎo)致泵裝置產(chǎn)生額外的水頭損失,電機(jī)運(yùn)行需要更多的軸功率,繼而引起裝置性能的下降。文獻(xiàn)[6-7]發(fā)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子間隙尺寸對(duì)全貫流泵的性能影響較大,間隙尺寸的增大不僅會(huì)造成裝置性能的下降,還會(huì)對(duì)裝置的內(nèi)部流場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。文獻(xiàn)[8]研究發(fā)現(xiàn)間隙的角度會(huì)對(duì)全貫流泵的性能產(chǎn)生較大的影響,當(dāng)間隙角度與主流方向一致時(shí),葉輪內(nèi)的整體流態(tài)較好。

目前,與停機(jī)過(guò)渡過(guò)程[9-11]有關(guān)的研究主要集中在軸流泵、離心泵以及軸流式水輪機(jī)等流體機(jī)械上。文獻(xiàn)[12]研究了復(fù)合離心泵的停機(jī)特性,發(fā)現(xiàn)泵裝置在正常運(yùn)行時(shí)的流量越大,葉輪轉(zhuǎn)速的下降速度越快,停機(jī)速度也越快。文獻(xiàn)[13]對(duì)抽水蓄能電站的水泵工況下的停機(jī)過(guò)程進(jìn)行模擬,研究發(fā)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)影響葉輪與導(dǎo)葉之間的壓力,活動(dòng)導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律會(huì)影響蝸殼和尾水管進(jìn)口的壓力。文獻(xiàn)[14]對(duì)燈泡貫流泵機(jī)組的停機(jī)過(guò)程進(jìn)行了模擬,結(jié)果顯示:停機(jī)速度越快,流量降到零時(shí)的轉(zhuǎn)速越低,裝置內(nèi)的壓力增幅越大。為縮短機(jī)組低速運(yùn)作時(shí)間,可采用分段減速的方式來(lái)停機(jī)。

為了研究全貫流泵的停機(jī)特性,本文對(duì)泵裝置的停機(jī)過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬,先分析停機(jī)過(guò)程中流量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、軸向力和徑向力等外特性參數(shù)的變化規(guī)律和特征,然后從內(nèi)流場(chǎng)、渦以及熵產(chǎn)等方面進(jìn)行深入分析,探討停機(jī)過(guò)程中間隙回流渦的演變規(guī)律以及渦與熵產(chǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系。由于全貫流泵模型的尺寸較小,電機(jī)轉(zhuǎn)子的加工與安裝難以實(shí)現(xiàn),因此本文仍將采用傳動(dòng)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)葉輪。

1 數(shù)值模擬

1.1 控制方程

全貫流泵在停機(jī)過(guò)程中的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為

divu=0

(1)

(2)

式中u——速度矢量

ρ——流體密度,kg/m3

p——壓力,Pa

F——單位流體上的體積力,N/m3

μ——流體動(dòng)力粘度,Pa·s

數(shù)值模擬計(jì)算采用SSTk-ω湍流模型[15-16],該湍流模型由MENTER[17]設(shè)計(jì)。在修正了渦粘系數(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合了逆壓邊界層中湍流剪切力的傳輸效應(yīng)。因此SSTk-ω湍流模型適合用于各種壓力梯度下的邊界層問(wèn)題的計(jì)算。SSTk-ω湍流模型中涉及的渦粘系數(shù)vt、輸運(yùn)方程k方程以及ω方程的公式分別為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中ui、uj——速度分量

Ω——渦量,s-1

τij——黏性剪切力,Pa

F1、F2——混合函數(shù)

a1——系數(shù)xj——坐標(biāo)

β、β′、γ、σk、σω、σω2——封閉常數(shù)

k——湍流動(dòng)能

ω——單位湍動(dòng)能耗散率

t——時(shí)間,s

水泵機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)力矩、泵機(jī)組阻力力矩和慣性力矩共同組成泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣性平衡方程[18]

MJ=MD-MW-MZ-MR-MF-MO

(7)

式中MJ——慣性力矩,N·m

MD——電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)力矩,N·m

MW——水泵的水力矩,N·m

MZ——推力軸承摩擦力矩,N·m

MR——徑向軸承摩擦力矩,N·m

MF——電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇損失力矩,N·m

MO——推力頭和滑轉(zhuǎn)子受到的油粘滯阻力力矩,N·m

水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件慣性力矩公式為

(8)

式中J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2

JG——水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,經(jīng)計(jì)算約為0.2 kg·m2

ω*——葉輪瞬時(shí)角速度,rad/s

n——葉輪瞬時(shí)轉(zhuǎn)速,r/min

當(dāng)電機(jī)突然斷電后,電機(jī)的力矩變?yōu)榱?此時(shí)在水流阻力矩的作用下,水泵轉(zhuǎn)輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速逐漸下降并開(kāi)始反轉(zhuǎn)。停機(jī)過(guò)程中忽略風(fēng)扇阻力、粘油阻力和摩擦阻力,則慣性力矩公式變?yōu)?/p>

(9)

每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的角速度可以迭代計(jì)算,公式為

(10)

式中 Δt——時(shí)間步長(zhǎng),s

1.2 計(jì)算模型與網(wǎng)格

全貫流泵裝置的計(jì)算模型由葉輪、定轉(zhuǎn)子間隙、進(jìn)口導(dǎo)葉、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉出口擴(kuò)散段以及進(jìn)、出水流道7部分構(gòu)成。其中葉輪和導(dǎo)葉采用SZM35水力模型,葉輪葉片數(shù)為4。葉輪輪轂直徑D1均為120 mm,葉輪輪緣直徑D2為300 mm,定轉(zhuǎn)子間隙dc為1 mm。導(dǎo)葉片數(shù)為6,采用擴(kuò)散導(dǎo)葉型式。進(jìn)口導(dǎo)葉片數(shù)為5,采用直導(dǎo)葉型式。正常運(yùn)行時(shí)水泵的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n為1 421 r/min,設(shè)計(jì)流量Qd為297.3 L/s。圖1為全貫流泵葉輪的三維模型。

圖1 全貫流泵葉輪三維模型

由于網(wǎng)格類(lèi)型和數(shù)量會(huì)影響數(shù)值模擬的精度和計(jì)算量,因此泵裝置的各部分均劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,且對(duì)全貫流泵裝置模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析,如圖2所示。可以看出,在設(shè)計(jì)工況下,當(dāng)泵裝置總網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)6.91×106時(shí),網(wǎng)格數(shù)量的增加對(duì)揚(yáng)程的影響很小,最終選取總網(wǎng)格數(shù)量為6.91×106。全貫流泵裝置三維模型及各部分網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

圖3 全貫流泵裝置計(jì)算模型與各部分網(wǎng)格

1.3 停機(jī)過(guò)程算法實(shí)現(xiàn)

在泵站停機(jī)過(guò)渡過(guò)程中,水泵葉輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是研究停機(jī)過(guò)渡過(guò)程關(guān)鍵的參數(shù)。為了實(shí)時(shí)讀取和更新葉輪的轉(zhuǎn)速,通過(guò)添加用戶(hù)自定義程序UDF對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。其中UDF采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě),通過(guò)編譯的方式加載到Fluent中,根據(jù)力矩平衡方程對(duì)整個(gè)停機(jī)過(guò)程的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行控制和計(jì)算。在停機(jī)過(guò)程計(jì)算之前需要將穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為初始流場(chǎng),根據(jù)前一時(shí)間步長(zhǎng)的數(shù)據(jù)計(jì)算得到下一時(shí)間步長(zhǎng)的葉輪數(shù)據(jù)。在每一時(shí)間步長(zhǎng)結(jié)束后導(dǎo)出流量、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸向力、徑向力、壓力以及間隙回流流量等外特性參數(shù),其計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 停機(jī)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算流程圖

1.4 邊界條件和計(jì)算設(shè)置

全貫流泵的停機(jī)過(guò)程采用Fluent軟件進(jìn)行模擬,采用SIMPLE算法。裝置進(jìn)口設(shè)置為靜壓,出口設(shè)置為總壓。葉輪域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域,其他部位設(shè)置為靜止域。固體壁面包括葉片表面、輪轂表面、輪緣表面、定轉(zhuǎn)子間隙壁面以及進(jìn)出水流道的壁面等。邊界采用滿(mǎn)足粘性流體的無(wú)滑移條件。對(duì)全貫流泵的停機(jī)模擬,設(shè)置上下游水頭差Δh為1.2 m。由于計(jì)算資源與計(jì)算準(zhǔn)確度的限制,在模型泵轉(zhuǎn)速為1 421 r/min的情況下,時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.02 s,每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)最大迭代步數(shù)為20步,計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為16 s。

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)介紹

全貫流泵裝置的模型試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,試驗(yàn)系統(tǒng)三維圖如圖5所示。試驗(yàn)分為外特性試驗(yàn)和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)兩部分,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n為1 421 r/min。全貫流泵裝置實(shí)體模型與數(shù)值計(jì)算模型的尺寸一致,各部件均經(jīng)過(guò)精加工。壓力脈動(dòng)傳感器M1、M2和M3分別布置在進(jìn)口導(dǎo)葉進(jìn)口、葉輪進(jìn)口和葉輪出口,采樣頻率為1 kHz,采樣時(shí)間為20 s。全貫流泵的葉輪和導(dǎo)葉采用SZM35水力模型,其中葉輪葉片數(shù)為4片,采用黃銅材料加工而成,導(dǎo)葉葉片數(shù)為6片,采用擴(kuò)散葉片型式。進(jìn)口導(dǎo)葉葉片數(shù)為5片,采用直葉片型式。進(jìn)口導(dǎo)葉和導(dǎo)葉均采用厚度為5 mm的不銹鋼材料加工成型。轉(zhuǎn)子采用塑鋼材料加工并安裝在葉輪的外緣。全貫流泵裝置實(shí)物及壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

2.2 數(shù)值模擬準(zhǔn)確性驗(yàn)證

引入無(wú)量綱參數(shù)揚(yáng)程系數(shù)Hc和流量系數(shù)Qc將全貫流泵裝置試驗(yàn)與模擬的揚(yáng)程曲線進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算公式為

(11)

(12)

式中Hd——設(shè)計(jì)揚(yáng)程,m

Q——流量,kg/s

從圖7可知,全貫流泵裝置數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)的揚(yáng)程曲線在設(shè)計(jì)工況和大流量工況下吻合較好,在小流量下偏差較大但不超過(guò)3%,這說(shuō)明全貫流泵計(jì)算模型的精度達(dá)到要求。

圖7 外特性試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果

引入無(wú)量綱參數(shù)壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp

(13)

u——葉輪出口圓周速度,m/s

將葉輪進(jìn)口M2的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn),葉輪進(jìn)口測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主頻率為94.73 Hz,該頻率為1倍的葉輪通過(guò)頻率。壓力脈動(dòng)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在主頻幅值上存在較小的偏差,因此認(rèn)為雙向全貫流泵裝置的瞬態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果是可信的。

圖8 葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 外特性

全貫流泵在停機(jī)過(guò)程中各外特性參數(shù)隨時(shí)間的變化如圖9所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),全貫流泵在停機(jī)過(guò)程中,泵的轉(zhuǎn)速和流量逐漸由正變?yōu)樨?fù),轉(zhuǎn)矩逐漸降為零。全貫流泵停機(jī)歷時(shí)約為7.478 s,在此期間泵裝置先后歷經(jīng)水泵工況、制動(dòng)工況、水輪機(jī)工況以及飛逸工況。全貫流泵停機(jī)過(guò)程中在水泵工況、制動(dòng)工況、水輪機(jī)工況歷時(shí)分別為2.178、0.387、4.913 s,其中制動(dòng)工況歷時(shí)占整個(gè)停機(jī)過(guò)程的比值最小。工況變換的3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)t1、t2和t3分別為2.178、2.565、7.478 s。在整個(gè)停機(jī)過(guò)程中,全貫流泵停機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)速的下降率為180%。

圖9 全貫流泵在停機(jī)過(guò)程中各外特性參數(shù)的變化

在t=0.5 s時(shí),水泵電機(jī)突然斷電,電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)力矩MD為零,在水阻力矩和軸承摩擦力矩等的作用下,水泵的轉(zhuǎn)速迅速下降,流量和葉輪力矩也迅速下降,該過(guò)程一直持續(xù)到t1時(shí)刻流量降為0 kg/s時(shí)結(jié)束。在上下游壓差的作用下,水泵的轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降,水流開(kāi)始倒流,反向流量逐漸增大,葉輪扭矩逐漸增大,直到轉(zhuǎn)速下降為0 r/min時(shí)(t2時(shí)刻)達(dá)到峰值。當(dāng)反向流量進(jìn)一步增大時(shí),葉輪開(kāi)始反向旋轉(zhuǎn),泵裝置進(jìn)入制動(dòng)工況。隨著轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步減小,葉輪反向轉(zhuǎn)速的增大率逐漸減小,直至轉(zhuǎn)矩降低為零,葉輪的反向轉(zhuǎn)速和流量達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定,泵裝置進(jìn)入飛逸工況。全貫流泵的飛逸轉(zhuǎn)速約為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的84%,飛逸流量為設(shè)計(jì)流量的1.17倍。

圖10為全貫流泵在停機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)子徑向力Fr與軸向力Fa隨時(shí)間的變化。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在水泵工況軸向力Fa急劇降低,在制動(dòng)工況軸向力有小幅度增大,隨后在水輪機(jī)工況軸向力逐漸降低,直至進(jìn)入飛逸工況軸向力趨于穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子徑向力在水泵工況逐漸減小,在制動(dòng)工況基本沒(méi)有變化,然而當(dāng)裝置進(jìn)入水輪機(jī)工況后轉(zhuǎn)子徑向力突然增大,直至進(jìn)入水輪機(jī)工況趨于穩(wěn)定。全貫流泵的轉(zhuǎn)子徑向力在5.69 s時(shí)達(dá)到最大值。

圖10 停機(jī)過(guò)程中軸向力與徑向力的變化

由于全貫流泵的定轉(zhuǎn)子中間存在間隙,因此在壓差的作用下該間隙內(nèi)會(huì)存在間隙回流。停機(jī)過(guò)程中全貫流泵內(nèi)的間隙回流流量Qc,如圖11所示。可以發(fā)現(xiàn),在全貫流泵停機(jī)過(guò)程中,間隙回流流量在水泵工況下迅速減小,在制動(dòng)工況有小幅度的增大,最后在水輪機(jī)工況又迅速降低并穩(wěn)定在最小值(約0.1 kg/s)。

圖11 停機(jī)過(guò)程中間隙回流流量Qc的變化

為了分析停機(jī)過(guò)程中裝置內(nèi)部壓力脈動(dòng)的變化,沿軸向?qū)ρb置內(nèi)部14個(gè)壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)系數(shù)最大的絕對(duì)值進(jìn)行分析,如圖12所示。其中葉輪進(jìn)口測(cè)點(diǎn)P6以及出口測(cè)點(diǎn)P7隨時(shí)間的變化如圖13所示。從圖12可以看出,越靠近葉輪,全貫流泵裝置內(nèi)部的壓力脈動(dòng)越強(qiáng)。全貫流泵葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)幅值最大,約為葉輪出口的2倍。從圖13 可以看出,在停機(jī)過(guò)程中,全貫流泵葉輪進(jìn)出口的壓力脈動(dòng)均先減小后增大,在制動(dòng)工況達(dá)到最大值后,在水輪機(jī)工況迅速減小,直至進(jìn)入飛逸工況趨于穩(wěn)定。

圖12 泵裝置內(nèi)壓力脈動(dòng)最大值隨軸向位置的分布

圖13 停機(jī)過(guò)程中葉輪進(jìn)、出口的壓力脈動(dòng)變化

3.2 內(nèi)流場(chǎng)

全貫流泵停機(jī)過(guò)程中,由于葉輪出口壓力始終大于葉輪進(jìn)口,因此間隙回流始終存在,且其流量隨著時(shí)間的增大越來(lái)越小。為了方便分析間隙回流對(duì)全貫流泵內(nèi)部流態(tài)的影響,全貫流泵停機(jī)各時(shí)刻葉輪與定轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)(圖14,圖中LE、TE分別表示葉片前緣、后緣)的壓力分布與流線圖如圖15所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在正常運(yùn)行工況,全貫流泵葉輪內(nèi)的流態(tài)較為平順,葉輪進(jìn)口處由于受到間隙回流的影響,在靠近輪緣區(qū)域出現(xiàn)一個(gè)小型旋渦,旋渦區(qū)域壓力較低。當(dāng)t=0.8 s時(shí),此時(shí)泵裝置進(jìn)入水泵工況,由于間隙回流流量的減小,葉輪進(jìn)口旋渦和低壓區(qū)的范圍較正常工況有所減小。當(dāng)泵裝置進(jìn)入制動(dòng)工況后,葉輪內(nèi)的壓力減小,水流開(kāi)始倒流,葉輪在主水流的作用下轉(zhuǎn)速逐漸減低,葉輪內(nèi)的流態(tài)變得非常紊亂。由于制動(dòng)工況下間隙回流流量有短暫的增大,因此葉輪進(jìn)口回流與旋渦的區(qū)域達(dá)到最大,葉輪出口也出現(xiàn)了大面積的偏流。在t=2.2 s時(shí)刻,全貫流泵葉輪進(jìn)口旋渦向葉輪進(jìn)口的方向轉(zhuǎn)移,且旋渦的范圍有所增大。與此同時(shí),由于主流與間隙回流的相互作用,在間隙出口與葉輪之間也出現(xiàn)了一個(gè)旋渦。最后進(jìn)入水輪機(jī)工況和飛逸工況,全貫流泵的倒流流量增大,全貫流泵葉輪進(jìn)口靠近輪緣區(qū)域仍存在旋渦和偏流等不良流態(tài),但由于間隙回流流量的進(jìn)一步減小,葉輪進(jìn)口旋渦基本消失,只存在局部偏流,整體流態(tài)相對(duì)制動(dòng)工況有所改善。整體來(lái)看,全貫流泵在停機(jī)過(guò)程中間隙回流渦逐漸向葉輪進(jìn)口側(cè)轉(zhuǎn)移,且該旋渦的范圍呈現(xiàn)先減小后增大再減小的區(qū)域,其中制動(dòng)工況下葉輪內(nèi)的流態(tài)最差。

圖14 全貫流泵泵段參數(shù)示意圖

3.3 渦識(shí)別

從壓力場(chǎng)和流線圖的分析中發(fā)現(xiàn)間隙回流會(huì)導(dǎo)致葉輪進(jìn)出口產(chǎn)生不同程度的旋渦,因此為了更深入地分析停機(jī)過(guò)程中全貫流泵內(nèi)渦的變化,基于Omega渦流識(shí)別方法[19-21]全貫流泵在停機(jī)各時(shí)刻泵段內(nèi)的渦分布如圖16所示。

圖16 停機(jī)各時(shí)刻泵段內(nèi)的渦流分布

從圖16可以發(fā)現(xiàn),在全貫流泵停機(jī)過(guò)程中,間隙回流始終會(huì)導(dǎo)致葉輪進(jìn)口產(chǎn)生回流旋渦,該回流旋渦發(fā)生在間隙出口與葉片吸力面交界處。當(dāng)進(jìn)入水泵工況后,進(jìn)口回流旋渦隨著間隙回流流量的減小而減小。當(dāng)進(jìn)入制動(dòng)工況,葉輪進(jìn)口出現(xiàn)兩個(gè)回流旋渦且尺寸較其他工況大,這與圖15的結(jié)果一致;由于此工況下水流剛開(kāi)始倒流,水流流態(tài)十分紊亂,進(jìn)口導(dǎo)葉片表面也存在旋渦。除此之外,當(dāng)泵裝置進(jìn)入制動(dòng)工況后(t=2.2 s),由于主流開(kāi)始倒流,間隙出口與葉輪壓力面交界處也產(chǎn)生旋渦,且該旋渦尺寸在停機(jī)過(guò)程中逐漸增大。

3.4 熵產(chǎn)

由于全貫流泵停機(jī)過(guò)程中葉輪等部件內(nèi)始終存在著旋渦、回流和流動(dòng)分離等不良流態(tài),因此裝置內(nèi)部無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生著能量損失,裝置中的熵增量總是大于零。為系統(tǒng)分析裝置內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)域,將能量損失可視化,對(duì)泵裝置內(nèi)部的熵產(chǎn)[22-24]進(jìn)行計(jì)算。由于水的比熱容較大,計(jì)算忽略了能量轉(zhuǎn)化引起的熵產(chǎn)。圖17為停機(jī)過(guò)程中泵裝置各部分的熵產(chǎn)隨時(shí)間的變化。

圖17 全貫流泵停機(jī)過(guò)程中泵裝置各部分的熵產(chǎn)變化

從圖17可以發(fā)現(xiàn),在停機(jī)過(guò)程中,全貫流泵各部件的熵產(chǎn)變化趨勢(shì)相同。隨著工況的變化先減小后增大,最后在飛逸工況保持穩(wěn)定,其中制動(dòng)工況下的熵產(chǎn)最小。在停機(jī)過(guò)程中,裝置內(nèi)部的熵產(chǎn)主要集中在以葉輪為首的下游域,其中在正常工況、水泵工況和制動(dòng)工況下,熵產(chǎn)主要集中在出水流道、葉輪和導(dǎo)葉;而在水輪機(jī)工況和飛逸工況下,由于水流倒流,熵產(chǎn)主要集中在進(jìn)水流道、葉輪和進(jìn)口導(dǎo)葉。由于電機(jī)斷電后葉輪做功能力急劇下降,葉輪的轉(zhuǎn)速和流量迅速降低,水流在流經(jīng)葉輪之后出現(xiàn)旋渦、回流和流動(dòng)分離等不良流態(tài),因此葉輪內(nèi)的速度梯度較大,繼而導(dǎo)致葉輪內(nèi)的熵產(chǎn)始終較大。在水輪機(jī)工況,隨著反向流量的增大,各過(guò)流部件內(nèi)的熵產(chǎn)也增大。直到進(jìn)入飛逸工況,泵的轉(zhuǎn)速和流量達(dá)到反向最大值,泵裝置內(nèi)的熵產(chǎn)也趨于穩(wěn)定。由于飛逸轉(zhuǎn)速小于正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速,因此飛逸工況下泵裝置內(nèi)的熵產(chǎn)也小于正常運(yùn)行工況。

由于全貫流泵內(nèi)的水力損失主要集中在葉輪、導(dǎo)葉與進(jìn)口導(dǎo)葉內(nèi),因此泵段在葉片高度Span值為0.97下(圖18)的熵產(chǎn)率云圖如圖19所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在停機(jī)過(guò)程中,全貫流泵內(nèi)的高熵產(chǎn)率區(qū)域主要集中在葉輪、導(dǎo)葉以及進(jìn)口導(dǎo)葉葉片的表面,這是由于水流在流動(dòng)時(shí)與葉片激烈沖撞,在葉片表面產(chǎn)生流動(dòng)分離和旋渦等不良流態(tài),高速水流與低速水流之間發(fā)生劇烈的能量交換。

圖18 葉片高度示意圖

圖19 停機(jī)各時(shí)刻泵段內(nèi)部的熵產(chǎn)率分布

整體來(lái)看,隨著停機(jī)過(guò)程的發(fā)展,水流開(kāi)始倒流,泵裝置內(nèi)的高熵產(chǎn)區(qū)域逐漸向進(jìn)口導(dǎo)葉的方向轉(zhuǎn)移,高熵產(chǎn)區(qū)域的范圍先減小后增大。從圖19a可以看出,在水泵工況下高熵產(chǎn)率區(qū)域主要集中在葉輪葉片吸力面以及葉輪與導(dǎo)葉之間的無(wú)葉區(qū),高熵產(chǎn)率區(qū)域起始于葉輪吸力面與間隙回流出口交界處。圖19b、19c為泵裝置停機(jī)0.8 s和1.4 s時(shí)的熵產(chǎn)率分布,葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)高熵產(chǎn)率的分布與水泵正常運(yùn)行時(shí)一致,但由于轉(zhuǎn)速的降低,高熵產(chǎn)率的范圍也有所減小。圖19d為泵裝置進(jìn)入制動(dòng)工況,此時(shí)水流開(kāi)始出現(xiàn)倒流,在葉輪、導(dǎo)葉和進(jìn)口導(dǎo)葉葉片的表面存在著明顯的流動(dòng)分離,泵內(nèi)的高熵產(chǎn)率區(qū)域轉(zhuǎn)移到葉片壓力面,由于此時(shí)流量較小,高熵產(chǎn)率范

圍較水泵工況有所減小。圖19e為泵裝置進(jìn)入水輪機(jī)工況,隨著倒流流量的進(jìn)一步增大,葉輪葉片壓力面的流動(dòng)分離加劇,水流速度梯度增大,高熵產(chǎn)率范圍開(kāi)始增大,直至進(jìn)入飛逸工況趨于穩(wěn)定。

泵段內(nèi)高熵產(chǎn)率區(qū)域的位置和范圍與圖16中旋渦出現(xiàn)的位置和尺寸相對(duì)應(yīng),這表明旋渦與脫流等不良流態(tài)是導(dǎo)致全貫流泵段內(nèi)部熵產(chǎn)率較高的主要原因,也說(shuō)明通過(guò)數(shù)值模擬的方法來(lái)對(duì)全貫流泵的停機(jī)性能進(jìn)行分析是可行的。

4 結(jié)論

(1)全貫流泵在停機(jī)過(guò)程中先后歷經(jīng)水泵工況、制動(dòng)工況、水輪機(jī)工況以及飛逸工況,其中制動(dòng)工況所用時(shí)間占整個(gè)停機(jī)過(guò)程比值最小。飛逸轉(zhuǎn)速約為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的84%,飛逸流量為設(shè)計(jì)流量的1.17倍。在停機(jī)過(guò)程中,軸向力在停機(jī)過(guò)程中呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);轉(zhuǎn)子徑向力在停機(jī)過(guò)程中呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì);間隙回流在停機(jī)過(guò)程中流向不變,始終從葉輪出口流向葉輪進(jìn)口,且其流量逐漸減小;全貫流泵葉輪進(jìn)、出口的壓力脈動(dòng)均先減小后增大,在制動(dòng)工況達(dá)到最大值后,在水輪機(jī)工況迅速減小,直至進(jìn)入飛逸工況趨于穩(wěn)定。距葉輪越近,壓力脈動(dòng)越強(qiáng),全貫流泵葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)幅值最大,約為葉輪出口的2倍。

(2)由于受到間隙回流的影響,在葉輪進(jìn)口靠近輪緣區(qū)域存在一個(gè)小型旋渦。在停機(jī)過(guò)程中,葉輪進(jìn)口旋渦的尺寸在水泵工況逐漸減小,直至進(jìn)入制動(dòng)工況開(kāi)始增大,最后在水輪機(jī)工況和飛逸工況又逐漸減小;葉輪進(jìn)口旋渦的位置隨著主流方向的改變,逐漸由間隙出口與葉輪之間轉(zhuǎn)移到葉輪與進(jìn)口導(dǎo)葉之間。

(3)隨著停機(jī)過(guò)程的發(fā)展,泵裝置內(nèi)的熵產(chǎn)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),高熵產(chǎn)區(qū)域逐漸向進(jìn)口導(dǎo)葉的方向轉(zhuǎn)移。在停機(jī)過(guò)程中,全貫流泵內(nèi)部的熵產(chǎn)主要集中在以葉輪為首的下游域。在水泵工況下的高熵產(chǎn)率區(qū)域主要集中在葉輪吸力面以及葉輪與導(dǎo)葉之間的無(wú)葉區(qū),高熵產(chǎn)率區(qū)域起始于葉輪吸力面與間隙回流出口交界處。全貫流泵葉輪內(nèi)高熵產(chǎn)率區(qū)域的位置和范圍與旋渦出現(xiàn)的位置和尺寸存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,這表明旋渦與脫流等不良流態(tài)是導(dǎo)致全貫流泵裝置過(guò)流部件處?kù)禺a(chǎn)率較大的主要原因之一。