陳小云

（深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司,廣東 深圳 518020）

0 引言

隨著我國(guó)水利建設(shè)的大力發(fā)展,水泵裝置應(yīng)用越來(lái)越多,針對(duì)水泵的設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)工況和動(dòng)力特性,許多研究人員進(jìn)行了一系列研究。

陳政[1]依托引江濟(jì)淮工程,通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值手段相結(jié)合的方式,對(duì)流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。閆宇等[2]針對(duì)低揚(yáng)程大流量泵裝置模型,對(duì)水壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行了總結(jié),并提出了一種新的水壓力脈動(dòng)相對(duì)值計(jì)算方法。劉健峰等[3]以龍昆溝北雨水排澇泵站為例,通過(guò)模型試驗(yàn)手段分析了全貫流泵裝置的水力性能。江宇航[4]通過(guò)CFD 軟件對(duì)立式軸流泵裝置進(jìn)行了仿真模擬,并根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值仿真結(jié)果的可靠性。劉軍等[5]依托南水北調(diào)東線二期工程,對(duì)大型低揚(yáng)程泵裝置的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化。徐逍帆等[6]通過(guò)損耗分離法對(duì)全貫流泵效率進(jìn)行了計(jì)算,并通過(guò)MATLAB 進(jìn)行了計(jì)算結(jié)果的擬合驗(yàn)證。

本文通過(guò)數(shù)值模擬手段結(jié)合模型試驗(yàn),對(duì)水泵裝置在飛逸過(guò)渡過(guò)程中的水動(dòng)力特性進(jìn)行了詳細(xì)探究?；谀Ｐ驮囼?yàn)結(jié)果,對(duì)數(shù)值模擬的有效性和合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。并根據(jù)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后的數(shù)值模型,進(jìn)一步對(duì)水泵裝置的水壓力脈動(dòng)和偏流特性進(jìn)行了分析。

1 泵裝置模型試驗(yàn)

通過(guò)開(kāi)封儀表電磁流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)誤差為±0.20%。通過(guò)智能壓差變送器對(duì)揚(yáng)程進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)誤差為±0.08%。通過(guò)TQ-600 型傳感器對(duì)扭矩進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)誤差為±0.07%。

圖1 展示了模型試驗(yàn)中不同安放角工況下正反轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速變化情況。從圖1中可以看出,同一葉片安放角工況下,正轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速要遠(yuǎn)大于反轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速。以葉片安放角0°為例,正轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速約為584.2 r/min,反轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速為290.3 r/min,是其兩倍之多。不同葉片安放角對(duì)比,隨著葉片安放角的增大,從-5°增加到5°,飛逸轉(zhuǎn)速均呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)。

圖1 模型試驗(yàn)中水泵葉輪輪片不同安放角工況下正反轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速

通過(guò)下式對(duì)飛逸轉(zhuǎn)速nf進(jìn)行計(jì)算：

式中：N0為單位飛逸轉(zhuǎn)速；H為水頭高度；D為葉輪直徑。

根據(jù)圖1 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,由圖1 可知,葉片安放角為0°工況時(shí),正轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速為584.2 r/min,Hj為3.33 m,因此飛逸轉(zhuǎn)速為394.3 r/min,此數(shù)值約為該水泵額定轉(zhuǎn)速的2.8 倍。

2 數(shù)值模型建立

2.1 計(jì)算模型

為進(jìn)一步分析水泵裝置飛逸過(guò)渡過(guò)程中的水動(dòng)力特性,本文建立了水泵數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。根據(jù)工程實(shí)際情況,模型水泵葉輪直徑設(shè)為2700 mm,額定轉(zhuǎn)速設(shè)為141 r/min。設(shè)計(jì)流量為22.5 m3/s,設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.33 m。計(jì)算模型由6 部分組成,分別為進(jìn)水流道、進(jìn)水池、導(dǎo)葉、葉輪、出水池和出水流道。水泵裝置數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 泵裝置數(shù)值模型

2.2 網(wǎng)格劃分

為在保證計(jì)算精度的前提下兼顧計(jì)算效率,對(duì)泵裝置數(shù)值模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分優(yōu)化。對(duì)導(dǎo)葉區(qū)域進(jìn)行了局部的網(wǎng)格加密處理,共劃分出387512 個(gè)計(jì)算網(wǎng)格。

2.3 正轉(zhuǎn)飛逸過(guò)渡過(guò)程計(jì)算方法

在完整過(guò)渡過(guò)程中,考慮到水泵葉輪轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變化,且該變化不易控制,但各時(shí)間步單獨(dú)來(lái)看,其轉(zhuǎn)速與泵裝置內(nèi)特性相關(guān),故將水泵葉輪力矩平衡方程進(jìn)行引入,以此對(duì)各時(shí)間步葉輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。水泵葉輪力矩平衡方程如下：

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量總和,kg·m2；為水泵裝置葉輪的角速度,rad/s；M0為電動(dòng)機(jī)的電磁力矩；M1為各時(shí)間步水泵葉輪的阻力矩；M2為軸承摩擦力矩；M3為風(fēng)阻力矩,N·m。

2.4 邊界條件和前處理

邊界條件設(shè)置方面,根據(jù)以往學(xué)者的研究成果和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),將泵裝置的進(jìn)出口邊界均設(shè)為了壓強(qiáng)邊界,其壓強(qiáng)值大小根據(jù)運(yùn)行水位進(jìn)行換算。根據(jù)上述水泵葉輪力矩平衡對(duì)各時(shí)間步的轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí),水頭工況為-3.33 m。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 機(jī)組外特性分析

圖3 展示了水泵裝置在正傳飛逸過(guò)渡過(guò)程中轉(zhuǎn)速與流量隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出,隨著時(shí)間的增加,轉(zhuǎn)速持續(xù)降低,約在30 s 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定狀態(tài)后轉(zhuǎn)速達(dá)到了385 r/min。與模型試驗(yàn)相比,相對(duì)誤差為2.81%,體現(xiàn)出了本文數(shù)值模擬的有效性和可靠性,表明通過(guò)上述模型可較為準(zhǔn)確地反映水泵裝置在飛逸過(guò)渡過(guò)程中的內(nèi)外特性。與轉(zhuǎn)速相比,流量時(shí)程曲線變化規(guī)律恰好相反,隨著時(shí)間的增加而增大,約在30 s 后達(dá)到穩(wěn)定值,穩(wěn)定后流量約為46.2 m3/s。

圖3 轉(zhuǎn)速與流量時(shí)程曲線

圖4 展示了水泵裝置在正傳飛逸過(guò)渡過(guò)程中扭矩和軸向力的時(shí)程變化曲線。從圖中可以看出,隨著時(shí)間步的堆積,扭矩呈現(xiàn)出先急速大幅增加后緩慢減小的變化趨勢(shì)。尤其是在泵裝置達(dá)到飛逸工況后,扭矩值大小基本在0 附近波動(dòng),這也符合飛逸過(guò)渡過(guò)程的定義。軸向力方面,隨著時(shí)間步的增加,表現(xiàn)出了與扭矩完全相反的變化趨勢(shì),即先大幅減小后緩慢增加的變化趨勢(shì)。進(jìn)入飛逸工況后,軸向力大小在75 kN 左右徘徊波動(dòng)。這表明,泵裝置持續(xù)在進(jìn)入飛逸工況和退出飛逸工況間持續(xù)循環(huán)。

圖4 扭矩和軸向力時(shí)程曲線

3.2 內(nèi)部流動(dòng)特性

在正轉(zhuǎn)飛逸過(guò)渡過(guò)程中,主要區(qū)別發(fā)生在出水流道的內(nèi)部流動(dòng)特性,進(jìn)水流道內(nèi)的內(nèi)部流動(dòng)隨時(shí)間步的變化較小。數(shù)值結(jié)果顯示,隨著葉輪轉(zhuǎn)速的提升,出水流道內(nèi)出現(xiàn)了較為顯著的不對(duì)稱流動(dòng)情況,且該情況隨著葉輪轉(zhuǎn)速的提升而愈發(fā)顯著。由于中隔板將出水流道進(jìn)行了分割,使其成為對(duì)稱的兩個(gè)部分,兩部分流量出現(xiàn)了明顯的差異。

對(duì)出水流道兩側(cè)斷面的流量變化情況進(jìn)行了對(duì)比。圖5展示了出水流道中左側(cè)斷面與右側(cè)斷面的流量比值隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出,在水泵葉輪運(yùn)行初期,兩側(cè)斷面流量基本一致,右側(cè)斷面流量略大于左側(cè)斷面。隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加,兩斷面大小關(guān)系發(fā)生逆轉(zhuǎn),流量比持續(xù)增加,直至30 s 后達(dá)到穩(wěn)定,流量比穩(wěn)定在3.2 左右,表明左側(cè)斷面流量遠(yuǎn)大于右側(cè)斷面流量,體現(xiàn)出了明顯的偏流特性,此狀況持續(xù)到飛逸過(guò)渡過(guò)程結(jié)束。

圖5 兩側(cè)斷面流量比

3.3 水壓脈動(dòng)特性

此外,本文研究了偏流特性對(duì)出水流道內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定性的影響情況,布置有6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)于出水流道內(nèi)。其中,P1 和P2 測(cè)點(diǎn)位于導(dǎo)葉出口斷面處,P3、P4 測(cè)點(diǎn)位于出水流道中部同一斷面處,P5 和P6 測(cè)點(diǎn)位于中隔板兩側(cè)的同一斷面處。

圖6 展示了出水流道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水壓脈動(dòng)隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出,同一時(shí)間段內(nèi),出水流道內(nèi)的壓強(qiáng)脈動(dòng)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置有明顯的關(guān)聯(lián)。其中P1 和P2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)較為接近,兩者水壓脈動(dòng)最低,其次為P3 和P4 監(jiān)測(cè)點(diǎn),水壓脈動(dòng)最大的為P5 和P6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)。這也表明,流量和流速越大,其水壓脈動(dòng)越低,而該規(guī)律由于有著中隔板的存在導(dǎo)致本次試驗(yàn)中更為明顯。此外,從圖6 中也可以看出,出現(xiàn)了明顯的偏流和偏壓現(xiàn)象。即同一監(jiān)測(cè)斷面內(nèi),左側(cè)測(cè)點(diǎn)的水壓脈動(dòng)普遍大于右側(cè)測(cè)點(diǎn)。

圖6 出水流道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水壓脈動(dòng)時(shí)程曲線

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水壓脈動(dòng)隨時(shí)間步的增加變化趨勢(shì)基本一致,在葉輪工作前期,壓強(qiáng)值呈現(xiàn)大幅下降趨勢(shì),隨著葉輪轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增長(zhǎng),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)相對(duì)保持穩(wěn)定,以較低的變化速度呈現(xiàn)緩慢下降態(tài)勢(shì),此狀態(tài)一直持續(xù)到葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到正轉(zhuǎn)飛逸轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

為研究水泵裝置在飛逸過(guò)渡過(guò)程中的水動(dòng)力特性,本文開(kāi)展了模型試驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬。通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性和合理性,并就機(jī)組外特性和偏流特性進(jìn)行了分析。得出主要結(jié)論如下：

（1）同一葉片安放角工況下,正轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速要遠(yuǎn)大于反轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速。不同葉片安放角對(duì)比,隨著葉片安放角的增大,從-5°增加到5°,飛逸轉(zhuǎn)速均呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)。

（2）葉片安放角為0°工況時(shí),正轉(zhuǎn)單位飛逸轉(zhuǎn)速為584.2 r/min,揚(yáng)程為-3.33 m,飛逸轉(zhuǎn)速為394.3 r/min,此數(shù)值約為該水泵額定轉(zhuǎn)速的2.8 倍。

（3）與模型試驗(yàn)相比,數(shù)值模擬的相對(duì)誤差僅為2.81%,體現(xiàn)出了本文數(shù)值模擬的有效性和可靠性,表明通過(guò)上述模型可較為準(zhǔn)確地反映水泵裝置在飛逸過(guò)渡過(guò)程中的內(nèi)外特性。

（4）在葉輪工作前期,壓強(qiáng)值呈現(xiàn)大幅下降趨勢(shì),隨著葉輪轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增長(zhǎng),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)相對(duì)保持穩(wěn)定,以較低的變化速度呈現(xiàn)緩慢下降態(tài)勢(shì)。