新型開敞式泵裝置模型試驗與內(nèi)流分析

馬曉忠，陳松山，睢 輝

(1. 江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤223100；2. 揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

1 概 述

新型開敞式泵裝置是采用鐘形進(jìn)水流道和有壓圬工式出水流道匹配組成的新型泵裝置形式。此類泵裝置無出水彎管，泵房無水泵層，水泵安裝在泵井中，導(dǎo)葉后喇叭管直接置于出水箱涵中。該形式泵站具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝檢修方便等優(yōu)點，近年來在我國低揚程排澇工程中得到了廣泛應(yīng)用。本文將結(jié)合某新型開敞式泵站，利用模型試驗和三維湍流數(shù)值模擬對其裝置性能以及內(nèi)部流動特性進(jìn)行分析。

某開敞式泵站安裝1750ZLBK11.8-2.6型軸流泵，配YL500-28/2150 500 kW異步電機。泵站設(shè)計揚程2.6 m，單泵流量10.0 m3/s，轉(zhuǎn)速212 r/min。泵裝置縱剖面如圖1所示。

圖1 泵裝置縱剖面Fig.1 Longitudinal section of pump set prototype

2 模型泵裝置試驗

2.1 模型設(shè)計

某開敞式泵裝置的水泵葉輪直徑Dp=1.75 m，模型水泵葉輪直徑Dm=300 mm，則幾何比尺λD=Dp/Dm=5.833。按照幾何相似和阻力相似，用鋼板焊接制作模型進(jìn)水流道和出水流道，在進(jìn)水流道導(dǎo)水錐和喇叭口，出水流道頂板和底板均黏貼紅絲線示蹤，并在模型進(jìn)、出水流道側(cè)壁開設(shè)流態(tài)觀測窗，模型試驗泵裝置見圖2。水泵模型選用的是ZM3.0-Y991。模型試驗準(zhǔn)則為歐拉相似準(zhǔn)則(Eu=idem)，即要求原型與模型nD相等，據(jù)此可得模型試驗轉(zhuǎn)速nm=(npDp)/Dm=1 236.5 r/min，其中原型泵轉(zhuǎn)速np=212 r/min。

圖2 模型試驗泵裝置Fig.2 Pump set for model test

2.2 模型試驗系統(tǒng)

模型試驗是在江蘇省水利動力工程重點實驗室高精度泵站試驗臺進(jìn)行，模型試驗系統(tǒng)如圖3所示。泵站試驗臺采用封閉循環(huán)系統(tǒng)，試驗臺由水力循環(huán)系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、動力及輔助系統(tǒng)組成。試驗臺水力系統(tǒng)主要包括100 m3貯水箱，25 m3真空(壓力)箱，25 m3壓力箱，移動式真空箱，DN500 mm回水管、75 m3水量調(diào)節(jié)水箱等。試驗臺主要工作參數(shù)：揚程：-1.0～16 m，流量：0.1～0.8 m3/s，轉(zhuǎn)矩：0～500 N·m，轉(zhuǎn)速：0～1 600 r/min。試驗臺可開展水泵及水泵裝置能量特性、汽蝕特性、飛逸特性試驗，水力機械水流脈動；水輪機工況試驗；水泵或水泵裝置過渡特性、內(nèi)特性試驗。

泵或泵裝置綜合系統(tǒng)誤差小于±0.318%，高于國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/DIS5198)、GB3216-2005國家標(biāo)準(zhǔn)A級精度和SL140-2006水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)A級精度。

圖3 模型試驗系統(tǒng)Fig.3 Model test system

2.3 測試方法

(1)流量(Q)。采用LDG-500型電磁流量計測量。測試中，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3216-2005和水利部行業(yè)規(guī)程SL 140-2006規(guī)定，從大流量到小流量依次測試15個以上的不同流量點。

(2)泵裝置揚程(H)。泵裝置揚程的進(jìn)口測壓斷面設(shè)置在移動式真空箱，出口測壓斷面設(shè)在壓力水箱，裝置揚程H于進(jìn)口測壓斷面和出口測壓斷面的總能頭差(即相應(yīng)于原型泵站的上下游水位差)，由EJA110A差壓變送器測得。

(3)軸功率(P)、轉(zhuǎn)速(n)。采用JN338-500A測功扭矩儀。采用591C直流調(diào)速器調(diào)節(jié)模型水泵試驗電機轉(zhuǎn)速。

(4)模型泵裝置效率(ηm)。模型泵裝置效率按下式計算：

(1)

式中：Q為模型流量，m3/s；H為模型泵裝置揚程，m；P為模型泵輸入軸功率，W；P0為空載功率，W。

(5)汽蝕余量測量(NPSHr)。汽蝕試驗保持流量不變，由真空泵抽真空，減低封閉循環(huán)系統(tǒng)壓力，使泵內(nèi)發(fā)生汽蝕。不同系統(tǒng)壓力下的汽蝕余量值由下式計算：

(2)

式中：NPSHr為臨界汽蝕余量，m；pr為裝置進(jìn)口測壓點的絕對壓強，由絕對壓力變送器測得，Pa；pv為試驗水溫下水的飽和蒸汽壓強，Pa；h為絕對壓力變送器高于泵葉片旋轉(zhuǎn)中心線與葉輪外殼交點的高度值，m。

(6)飛逸轉(zhuǎn)速測量。飛逸試驗水頭由輔助泵提供，脫開扭矩儀與電機之間的聯(lián)軸器，調(diào)整輔助泵的轉(zhuǎn)速，測得不同水頭下模型泵裝置反轉(zhuǎn)且輸出力矩為零時的轉(zhuǎn)速和流量。飛逸特性可用單位飛逸轉(zhuǎn)速和單位飛逸流量表示，按下式計算：

(3)

式中：n′1為單位飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；Q′1為單位飛逸流量，m3/s；Dm為模型泵葉輪直徑，m；Hm為上下游總水頭差，m。

2.4 模型試驗結(jié)果與分析

(1) 動力特性試驗。測試模型泵裝置5個不同葉片角度(±4°，±2°，0°)下的動力特性，各個葉片角下的測量工況點為25個。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對各工況點采樣10次并作幾何平均，以便消除水流脈動的影響。整理試驗結(jié)果得到的模型泵裝置綜合特性曲線如圖4所示。

圖4 模型泵裝置能量特性曲線Fig.4 Model pump set characteristic curves of energy

模型試驗結(jié)果表明，各葉片角度下最大效率隨葉片角度的減小而增大，葉片角度-4°的效率最高達(dá)74.40%，且在揚程1.86～3.8 m較大范圍內(nèi)的效率為69.35%～74.40%。

(2) 汽蝕特性試驗。按照汽蝕相似準(zhǔn)則確定汽蝕試驗轉(zhuǎn)速為1 236.5 r/min，即汽蝕余量原型與模型相等。試驗測試了3個不同葉片角度(±2°，0°)的模型泵裝置汽蝕特性。根據(jù)SL140-2006規(guī)范要求，取泵裝置效率下降1%作為汽蝕余量臨界點，汽蝕試驗結(jié)果如圖5所示。試驗結(jié)果表明，3個葉片角度下的臨界汽蝕余量均呈現(xiàn)隨流量增大先減小后增大，變化曲線為開口向上的有極小值曲線。臨界汽蝕余量在小流量時變化較緩，但大流量則相對較陡。

圖5 模型泵裝置汽蝕特性Fig.5 Model pump set cavitation characteristics

(3)飛逸特性試驗。根據(jù)某開敞式泵站實際運行可能運行角度，試驗測試了葉片角度-2°下泵裝置飛逸特性，測試結(jié)果如圖6所示。由式(3)計算單位轉(zhuǎn)速n′1和單位流量Q′1，平均后的單位飛逸轉(zhuǎn)速和單位流量分別為n′1=298.7 r/min、Q′1=2 384 L/s。

圖6 模型泵裝置飛逸特性曲線Fig.6 Model pump set runaway characteristic curves

3 泵裝置內(nèi)部流動特性數(shù)值分析

3.1 三維造型與網(wǎng)格剖分

為探求泵裝置整體內(nèi)流特性，數(shù)值模擬區(qū)域包括鐘形進(jìn)水流道、水泵轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉體和圬工式出水流道等所有過流部件。用NX軟件對進(jìn)水流道、出水流道和導(dǎo)葉體進(jìn)行三維實體造型，在STAR-CCM+軟件中網(wǎng)格劃分；水泵轉(zhuǎn)輪則是將輪轂和葉片截面尺寸參數(shù)導(dǎo)入Turbogrid軟件進(jìn)行實體造型和網(wǎng)格劃分；最后將4個區(qū)域網(wǎng)格導(dǎo)入CFX-Pre軟件中組裝成完整的模型泵裝置。各區(qū)域的實體造型與網(wǎng)格剖分如圖7所示。

圖7 三維造型與網(wǎng)格剖分Fig.7 Three-dimensional model and mesh grid

3.2 數(shù)值計算方法

利用CFX數(shù)模分析水泵裝置內(nèi)外特性。計算控制方程為連續(xù)性方程、基于雷諾時均RANS方程和RNGk-ε湍流模型。計算區(qū)域邊界包括設(shè)在前池的進(jìn)水邊界，并假設(shè)進(jìn)口斷面水流已充分發(fā)展為端流，流速垂直于進(jìn)口斷面，并依據(jù)流量給出不同進(jìn)口流速；出口邊界設(shè)在出水池，且假設(shè)測壓管靜壓相等；固體壁面無滑移，近壁面采用Scalable Wall Function；進(jìn)水流道與水泵轉(zhuǎn)輪以及水泵轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉體之間交界面設(shè)為凍結(jié)轉(zhuǎn)子(Frozen Rotor)；而導(dǎo)葉體與圬工出水流道交界面設(shè)為無相對運動(None)?？刂品匠虒α黜楇x散格式采用High resolution，計算收斂精度10-4。

3.3 計算結(jié)果與分析

(1)泵裝置外特性對比。在網(wǎng)格無關(guān)性檢驗基礎(chǔ)上，對葉片角0°度下的泵裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，將試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果繪于圖8。對比結(jié)果表明，設(shè)計點附近的流量揚程曲線吻合，但小流量試驗曲線較數(shù)值計算曲線高，大流量則與之相反。效率曲線較接近，相對誤差小于1.6%。因此，數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗結(jié)果較為一致。

圖8 泵裝置外特性曲線Fig.8 Pump characteristic curves

(2)泵裝置內(nèi)流特性。在驗證數(shù)值模擬可靠性基礎(chǔ)上，分析了13個計算工況點的內(nèi)部流動特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同流量下泵裝置內(nèi)部流態(tài)相似，為了節(jié)省篇幅，此僅給出流量為293.3 L/s的內(nèi)部流線圖(見圖9)。計算結(jié)果表明，鐘形進(jìn)水流道水流均勻漸縮地流動，未出現(xiàn)回流、漩渦等不良流態(tài)；但有壓圬工式出水流道內(nèi)流態(tài)比較紊亂，水流從倒置的喇叭管流出后形成兩股旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦流，螺旋地流出出水流道。此也印證了模型試驗中由有機玻璃觀測窗觀測到的出水流道底板兩邊紅絲線飄向中間，而頂板紅絲線則飄向兩邊現(xiàn)象。

圖9 泵裝置內(nèi)部流動特性Fig.9 Internal flow characteristics of the pump set

4 結(jié) 語

對新型開敞式泵裝置模型試驗和湍流數(shù)值模擬的結(jié)果分析，可得到以下幾點結(jié)論。

(1)新型開敞式泵裝置適用于裝置揚程在1.86～3.8 m的大型排澇泵站，其裝置效率位于69.35%～74.40%之間。

(2)3葉片角度下的汽蝕特性曲線規(guī)律相同，均為開口向上的有極值曲線，除葉片角度2°大流量時的臨界汽蝕余量較大外，其余工況汽蝕性能較好。

(3)試驗得到了新型開敞式泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速和單位流量為n′1=298.7 r/min、Q′1=2 384 L/s。

(4)泵裝置外特性數(shù)值計算結(jié)果和試驗結(jié)果相近。泵裝置進(jìn)水流道流態(tài)較好，但出水流道流態(tài)紊亂，存在兩股旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦流。

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