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        不同導(dǎo)葉高度對(duì)水泵性能影響研究

        2023-11-16 01:38:02劉德民何海平李國(guó)鳳
        水電站機(jī)電技術(shù) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:駝峰導(dǎo)葉揚(yáng)程

        耿 博,劉德民,何海平,朱 強(qiáng),李國(guó)鳳

        (東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司,四川 德陽(yáng) 618000)

        0 引言

        近年來(lái),水資源時(shí)空分布不均、水旱災(zāi)害頻發(fā)、水環(huán)境嚴(yán)重污染以及水生態(tài)系統(tǒng)退化等問(wèn)題日益突出,尤其是水資源時(shí)空分布不均以及水旱災(zāi)害頻發(fā)已升級(jí)為嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題[1],為了保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào),建立合理的水資源調(diào)配及高效利用體系迫在眉睫,大型立式離心泵功率較大能耗極高,尤其是在長(zhǎng)距離調(diào)水及灌排工程中,機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),因此不符合節(jié)能低碳的戰(zhàn)略目標(biāo)。此外,該類泵對(duì)性能指標(biāo)要求較高,運(yùn)行的工況范圍要求較廣[2-7],由于該類泵水力部件較復(fù)雜且各部件間的匹配性不夠高,因此在多工況下的水力性能參數(shù)尚有較大提升空間,尤其是研究如何在設(shè)計(jì)工況下提升泵的水力效率將對(duì)節(jié)能低碳工作具有重要意義[8-14]。

        作者在對(duì)某泵站開(kāi)發(fā)過(guò)程中,進(jìn)行了不同導(dǎo)葉高度對(duì)水泵性能的影響研究,導(dǎo)葉高度為水泵設(shè)計(jì)中極為重要的一項(xiàng)參數(shù),因此對(duì)其進(jìn)行研究具有非常重要的意義。

        1 數(shù)值計(jì)算模型

        1.1 計(jì)算物理模型

        東方電機(jī)為水源泵站開(kāi)發(fā)的物理模型包括4 部分:泵殼、固定導(dǎo)葉、葉輪、進(jìn)水管。針對(duì)不同固定導(dǎo)葉高度的研究,只需進(jìn)行導(dǎo)葉與葉輪之間的相關(guān)研究,所建物理模型如圖1 所示,導(dǎo)葉數(shù)量為13 個(gè),葉輪數(shù)量為9 個(gè)。

        圖1 研究對(duì)象物理模型

        針對(duì)研究對(duì)象均具有周期性特點(diǎn),在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)采用單流道方式對(duì)其進(jìn)行研究,所建計(jì)算模型如圖2 所示。

        圖2 CFD 計(jì)算模型圖

        1.2 湍流模型及邊界條件設(shè)置

        數(shù)值模擬計(jì)算需選取合適的湍流模型,湍流模型是使控制方程封閉可解的一組代數(shù)方程或微分方程。綜合考慮現(xiàn)有湍流模型的應(yīng)用情況和數(shù)值計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求,應(yīng)用比較多的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε、k-ω 和SST 模型。本文采用SST 模型,其對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)具有較準(zhǔn)確的分析計(jì)算模式。

        邊界條件設(shè)置:

        (1)出口邊界條件給定為相應(yīng)工況下的質(zhì)量流量;

        (2)進(jìn)口邊界條件給定為平均靜壓為0;

        (3)固壁設(shè)定為無(wú)滑移邊界;

        (4)旋轉(zhuǎn)域(葉輪)與固定域(導(dǎo)葉以及進(jìn)水管)之間的交界面,在計(jì)算中采用Stage Interface 模型(也叫Mixing Plane 模型)。

        2 設(shè)計(jì)方案及結(jié)果討論

        2.1 設(shè)計(jì)方案

        本次設(shè)計(jì)3 種導(dǎo)葉高度方案,以方案B 為基礎(chǔ),A 方案導(dǎo)葉高度減小10 mm,C 方案導(dǎo)葉高度增加10 mm。

        表1 導(dǎo)葉高度方案設(shè)計(jì)表

        2.2 結(jié)果討論

        通過(guò)CFD 計(jì)算,得到了不同導(dǎo)葉高度對(duì)泵效率的影響,從圖3 可以看出,隨導(dǎo)葉高度增加,最優(yōu)效率點(diǎn)向大流量進(jìn)行移動(dòng),且小流量效率逐漸降低,大流量效率逐漸升高。

        圖3 效率變化圖

        圖4為流量揚(yáng)程曲線隨不同導(dǎo)葉高度變化情況,從圖中得到,隨著導(dǎo)葉高度增加,流量揚(yáng)程曲線的斜率逐漸變小,趨于平緩,且隨著導(dǎo)葉高度增加,駝峰性能在逐漸變差,駝峰低點(diǎn)掉的更深,駝峰出現(xiàn)的位置更早,箭頭指向位置為駝峰低點(diǎn),曲率發(fā)生變化位置為駝峰開(kāi)始出現(xiàn)位置,駝峰低點(diǎn)越低,曲率變化出現(xiàn)位置越早,駝峰性能越差。

        圖4 揚(yáng)程變化圖

        圖5為空化性能NPSH 曲線圖,從圖中得到,隨著導(dǎo)葉高度增加,整體空化性能變化較小,在大流量和小流量區(qū)間內(nèi),出現(xiàn)差距,是由于揚(yáng)程-流量曲線變化引起的,NPSH=空化系數(shù)×揚(yáng)程;導(dǎo)葉高度越高,揚(yáng)程-流量曲線越平緩,泵站運(yùn)行所需范圍會(huì)越大,空化系數(shù)變大,相對(duì)空化性能會(huì)變差。

        圖5 NPSH 變化圖

        2.3 模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

        本文對(duì)于不同高度的導(dǎo)葉進(jìn)行了模型試驗(yàn)驗(yàn)證,采用方案A 和方案C 進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖6 所示。結(jié)果表明:導(dǎo)葉高度增加,最優(yōu)效率位置向大流量移動(dòng),小流量效率會(huì)降低,大流量效率增加;流量-揚(yáng)程曲線斜率會(huì)變緩,駝峰深度會(huì)增加,駝峰位置會(huì)提前出現(xiàn),對(duì)空化影響不大。

        圖6 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證圖

        2.4 流場(chǎng)特征

        圖7中列舉了3 種方案最優(yōu)工況葉片和導(dǎo)葉的壓力云圖、流線圖。從圖7 中得到,3 種方案壓力分布比較均勻,壓力梯度變化較為平緩,沒(méi)有出現(xiàn)極端壓力變化情況。

        圖7 導(dǎo)葉及葉片壓力云圖

        圖8為導(dǎo)葉及葉片流線圖,得到流體從進(jìn)口到出口,整個(gè)流道內(nèi)流動(dòng)較為平順,速度分布均勻、壓力分布均勻、變化梯度合理,沒(méi)有明顯的漩渦及脫流現(xiàn)象,流線與葉片貼合度較好。

        圖8 導(dǎo)葉及葉片俯視流線圖

        3 結(jié)論

        本文通過(guò)CFD 和模型試驗(yàn)相結(jié)合技術(shù)手段對(duì)大泵不同導(dǎo)葉高度變化對(duì)其性能影響進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論:

        (1)隨導(dǎo)葉高度增加,大泵最優(yōu)效率位置向大流量移動(dòng),小流量效率會(huì)降低,大流量效率增加。

        (2)隨導(dǎo)葉高度增加,流量-揚(yáng)程曲線斜率會(huì)變緩,駝峰深度會(huì)增加,駝峰位置會(huì)提前出現(xiàn)。

        (3)隨導(dǎo)葉高度增加,整體空化性能變化較小,由于揚(yáng)程-流量曲線變緩,泵站運(yùn)行所需范圍會(huì)變大,相對(duì)空化性能會(huì)變差。

        (4)從速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分析,不同導(dǎo)葉高度對(duì)最優(yōu)工況流體流動(dòng)影響較小。

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