戴 景1，戴啟璠，鄭 源3，陳 超4，王宏圖，周玥濤，許 鋒

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200； 3.河海大學(xué) 創(chuàng)新研究院，江蘇 南京 210098； 4.國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

1 研究背景

飛逸轉(zhuǎn)速對于水輪機(jī)而言，是一項(xiàng)重要的技術(shù)參數(shù)，對于泵而言同樣存在飛逸轉(zhuǎn)速的問題，而且對于大型泵站機(jī)組而言，確定飛逸轉(zhuǎn)速對后續(xù)的設(shè)計(jì)十分必要。學(xué)者們目前對飛逸的研究主要集中在模型試驗(yàn)上[1-3]，即通過模型試驗(yàn)獲得機(jī)組在不同角度下的單位飛逸轉(zhuǎn)速，然后換算至原型，得出原型機(jī)組在不同特征水位下的飛逸轉(zhuǎn)速[4-6]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們應(yīng)用CFD技術(shù)，對機(jī)組的飛逸過渡過程展開了研究[7-10]，研究主要集中在外特性與內(nèi)流場上，YIN[10]等利用滑移網(wǎng)格的方法，得到了水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過渡過程葉輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。周大慶[12]等通過在Fluent中使用網(wǎng)格重構(gòu)的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，分析了軸流泵在停機(jī)時(shí)變換葉片安放角的過渡過程。羅興綺[13]等利用CFX與Fortran相結(jié)合的數(shù)值模擬方法，計(jì)算并分析了燈泡貫流式水輪機(jī)飛逸過渡過程水力性能的演化，并對尾水管的壓力脈動(dòng)做了深入分析。WU[14]等采用DES與滑移網(wǎng)格技術(shù)，計(jì)算并分析了混流泵出口閥瞬間開啟的三維過渡過程。周大慶[15]等在對軸流泵斷電過渡過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)采用S-A湍流模型，分析了葉輪采用變旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法與滑移網(wǎng)格方法對飛逸轉(zhuǎn)速的影響。但目前對飛逸過渡過程中的泵裝置水動(dòng)力特性變化方面的研究較少。本文以引江濟(jì)淮工程派河口泵站立式軸流泵裝置為研究對象，通過三維數(shù)值計(jì)算的研究方法，對泵裝置在飛逸過渡過程中的水動(dòng)力特性展開了研究，并將研究結(jié)果與模型試驗(yàn)得到的飛逸轉(zhuǎn)速值進(jìn)行對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。本文研究成果可為今后大型立式泵站的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 泵站概況

本文研究對象引江濟(jì)淮工程派河口泵站為堤身式泵站，設(shè)計(jì)裝機(jī)9臺(tái)(其中備用1臺(tái))，水泵為3100ZLQ-85型立式全調(diào)節(jié)軸流泵，配套電機(jī)為TL2800-44/4250立式同步電機(jī)，單機(jī)功率為2 800 kW，總裝機(jī)容量為25 200 kW。派河口泵站特征參數(shù)如表1所示。

表1 泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)特征參數(shù)

3 模型泵裝置飛逸試驗(yàn)

3.1 模型裝置制作與試驗(yàn)條件

原型泵裝置水泵葉輪直徑為3.1 m，模型葉輪直徑Dm=0.30 m，模型比為Dr=Dn/Dm=3.1/0.3=10.33。根據(jù)等nD值換算，模型試驗(yàn)時(shí)水泵葉輪轉(zhuǎn)速為1 409.47 r/min。全部過流部件幾何相似，尺寸按同一模型比確定。模型泵裝置由進(jìn)水流道、水泵葉輪、后導(dǎo)葉和出水流道裝配而成。安放在試驗(yàn)臺(tái)上的模型泵裝置如圖1所示。

圖1 模型泵裝置制作及系統(tǒng)安裝

3.2 飛逸特性試驗(yàn)

飛逸特性試驗(yàn)是測定模型泵在反轉(zhuǎn)(水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向)且軸扭矩為0時(shí)的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)時(shí)，采取輔助泵反向供水，將電機(jī)反轉(zhuǎn)，測量軸扭矩為0時(shí)的飛逸轉(zhuǎn)速值，并計(jì)算出單位飛逸轉(zhuǎn)速[10-11]。單位飛逸轉(zhuǎn)速可用飛逸轉(zhuǎn)速公式算出，計(jì)算公式如下：

(1)

式中,N0為單位飛逸轉(zhuǎn)速，r/min；D為葉輪名義直徑，m；H為模型試驗(yàn)水頭，m；nf為模型試驗(yàn)時(shí)泵裝置的飛逸轉(zhuǎn)速，r/min。對模型泵裝置葉片安放角-6°與+4°，分別進(jìn)行了飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，其在不同葉片安放角時(shí)的單位飛逸轉(zhuǎn)速如圖2所示。

圖2 模型泵裝置的飛逸轉(zhuǎn)速

Hj=5.30 m(最大)時(shí)，nf=226.27 r/min，為水泵額定轉(zhuǎn)速的1.66倍。

Hj=4.80 m(設(shè)計(jì)/平均)時(shí)，nf=215.33 r/min，為水泵額定轉(zhuǎn)速的1.58倍。

4 數(shù)值計(jì)算方法

4.1 計(jì)算模型

該泵站葉輪葉片數(shù)為3片，導(dǎo)葉葉片數(shù)為5片，葉輪直徑為3 100 mm，額定轉(zhuǎn)速為136.4 r/min。圖3為泵裝置的三維圖。

圖3 立式軸流泵裝置三維圖

4.2 三維建模與網(wǎng)格劃分

對于進(jìn)水、出水流道，在Creo3.0中進(jìn)行三維建模。對于進(jìn)水、出水流道，在ICEM-CFD中進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分[12-13]。對于葉輪與導(dǎo)葉，則均在ANSYS-TurboGrid中進(jìn)行三維建模與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)為9 117 300。葉輪與導(dǎo)葉三維圖如圖4所示。

圖4 水力模型三維圖

4.3 轉(zhuǎn)速控制方程

引入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械力矩平衡方程式來定量地描述葉輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械力矩平衡方程式為[14-15]：

(2)

式中,J為機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ω為水泵葉輪的角速度，rad/s；M0為電動(dòng)機(jī)的電磁力矩，N·m；M1為水泵的水阻力矩，N·m；M2為軸承摩擦力矩，N·m；M3為風(fēng)阻力矩，N·m。

4.4 邊界條件與前處理設(shè)置

數(shù)值計(jì)算時(shí)，考慮到重力加速度，其值為-9.81 m/s2，方向沿Z軸豎直向下。湍流模型為S-A，離散格式為PISO，時(shí)間步長設(shè)置為0.001s[16-17]。機(jī)組飛逸過渡過程三維數(shù)值計(jì)算在Fluent 16.0中進(jìn)行，水泵葉輪轉(zhuǎn)速由UDF控制，根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械力矩平衡方程計(jì)算得到每一個(gè)時(shí)間步的轉(zhuǎn)速。

5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

5.1 飛逸過渡過程機(jī)組外特性分析

圖5為飛逸過渡過程機(jī)組的外特性曲線。由圖5(a)可以發(fā)現(xiàn)：泵裝置在4.8 m時(shí)，其飛逸轉(zhuǎn)速約為218.99 r/min，與模型試驗(yàn)換算至原型的值215.33 r/min之間的相對誤差為1.69%，這就說明數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測泵裝置的三維過渡過程。由圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)：水泵葉輪葉片的軸向力與扭矩之間在數(shù)值上呈現(xiàn)出明顯的“對稱”關(guān)系，扭矩隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，直至接近飛逸工況時(shí)，扭矩值出現(xiàn)明顯的周期性振蕩。值得注意的是，扭矩值在4 s左右時(shí)出現(xiàn)了最大值，這就意味著：如果將泵裝置反向發(fā)電，此時(shí)將會(huì)是機(jī)組出力最大的時(shí)候。對應(yīng)圖5(a)同樣可以發(fā)現(xiàn)：4 s時(shí)，水泵葉輪的轉(zhuǎn)速約為70.30 r/min，為額定轉(zhuǎn)速的0.52倍，這也為泵站反向發(fā)電時(shí)機(jī)組的最大出力對應(yīng)的轉(zhuǎn)速提供了相應(yīng)的借鑒與參考，同時(shí)也與文獻(xiàn)[15]中的記載是一致的。由圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)：飛逸過渡過程中，水泵葉輪最大軸向力為225.93 kN，軸向力方向與重力方向相反，由于水泵葉輪自重為342.12 kN，因此重力與軸向力的合力方向依然為豎直向下。也就是說，在整個(gè)飛逸過渡過程中，水泵機(jī)組不會(huì)發(fā)生“抬機(jī)”事故。

圖5 飛逸過渡過程機(jī)組外特性

5.2 飛逸過渡過程水泵葉輪葉片工作面壓強(qiáng)分布

圖6為飛逸過渡過程中水泵葉輪葉片工作面的壓強(qiáng)云圖。

圖6 葉片工作面壓強(qiáng)云圖

由圖6可以看出，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速較低時(shí),水泵葉輪葉片工作面的壓強(qiáng)分布較為均勻，從進(jìn)口到出口呈現(xiàn)出有規(guī)律的逐漸增加的變化趨勢，未見明顯的局部高壓區(qū)。隨著水泵葉輪轉(zhuǎn)速的不斷增加，葉片工作面的壓強(qiáng)逐漸增加，同時(shí)進(jìn)水邊的壓強(qiáng)值在不斷降低，在葉片出水邊的外緣處開始出現(xiàn)局部高壓區(qū)；隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，直至泵裝置進(jìn)入該工況下的飛逸工況時(shí)，葉輪葉片的進(jìn)水邊外緣處可以明顯觀測到出現(xiàn)了局部低壓區(qū)，且局部低壓區(qū)的壓強(qiáng)值明顯偏低，水泵葉輪葉片在此處極有可能發(fā)生空化、脫流等不良流態(tài)，危害泵裝置的安全穩(wěn)定[18]。

5.3 飛逸過渡過程水輪葉輪內(nèi)部流動(dòng)分析

截流線在葉片上的相對位置如圖7所示。圖8為飛逸過渡過程中水泵葉輪葉道內(nèi)部壓強(qiáng)的分布云圖。在相同時(shí)刻時(shí)，水泵葉輪葉片外緣工作面與背面的壓差明顯要高于葉片輪轂側(cè)工作面與背面的壓差。這種情況在高轉(zhuǎn)速時(shí)更為明顯，尤其值得注意的是：在葉片進(jìn)水邊的外緣側(cè)出現(xiàn)了局部低壓區(qū)，低壓區(qū)的壓強(qiáng)值隨著轉(zhuǎn)速的增加在不斷下降，而水泵葉輪葉片在此處更易出現(xiàn)空化、脫流等不良流態(tài)。水泵葉輪葉片的葉道內(nèi)并未出現(xiàn)明顯的團(tuán)狀局部高壓區(qū)或局部低壓區(qū)，說明在整個(gè)飛逸過渡過程中，水泵葉輪葉道內(nèi)并未出現(xiàn)明顯的脫流等不良的流態(tài)。

圖7 葉片表面流線位置

5.4 飛逸過渡過程肘形流道內(nèi)渦帶演化

圖9為泵裝置飛逸過渡過程中肘形流道內(nèi)渦帶演化圖。由圖9可以看出，水泵葉輪轉(zhuǎn)速較低，肘形流道內(nèi)并未出現(xiàn)明顯的渦帶，只在葉輪出口外緣由水流的圓周速度引起了部分零散的旋渦。隨著水泵葉輪轉(zhuǎn)速的不斷增加，零散的旋渦在某種內(nèi)聚力的作用下開始向?qū)F處匯聚。圖9中，t=4.20 s時(shí)，可以明顯觀測到零散的旋渦在導(dǎo)水錐處開始匯聚，并且與旋轉(zhuǎn)方向一致，呈相互糾纏狀，葉輪外緣處的旋渦則明顯減少。隨著水泵葉輪轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，零散的旋渦最終融合為一條渦帶，且呈明顯的螺旋狀；隨著水泵葉輪轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加至飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)，渦帶的螺旋扭曲程度進(jìn)一步加劇，這也從側(cè)面反映了飛逸工況時(shí)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的問題[19-20]。

圖8 不同時(shí)刻水泵葉輪葉道壓強(qiáng)分布云圖

圖9 飛逸過渡過程中肘形流道內(nèi)渦帶演化

6 結(jié) 論

(1) 數(shù)值模擬的飛逸轉(zhuǎn)速值略高于模型試驗(yàn)換算至原型的值，這主要是由于數(shù)值計(jì)算時(shí)僅僅只考慮了軸向力引起的摩擦力，忽略了徑向力與電機(jī)風(fēng)阻力等的影響。數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)換算至原型的值之間的相對誤差為1.69%。數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確預(yù)測泵裝置的飛逸過渡過程。

(2) 飛逸過渡過程中，水泵葉輪最大的軸向力為225.93 kN，軸向力方向與重力方向相反，小于水泵葉輪自重342.12 kN，整個(gè)飛逸過渡過程中水泵機(jī)組不會(huì)發(fā)生“抬機(jī)”事故。

(3) 隨著轉(zhuǎn)速的增加，由于相對入流角的變化使得葉輪內(nèi)部流動(dòng)明顯發(fā)生了變化，達(dá)到飛逸工況時(shí)，在葉片背面存在著較大范圍的局部低壓區(qū)，這將對泵裝置的穩(wěn)定性帶來一定的影響。

(4) 飛逸過渡過程中，隨著水泵葉輪反向轉(zhuǎn)速的不斷增加，肘形流道內(nèi)出現(xiàn)渦帶，渦帶的形態(tài)隨著轉(zhuǎn)速的增加開始呈現(xiàn)出螺旋狀，當(dāng)機(jī)組進(jìn)入飛逸工況后，肘形流道內(nèi)的渦帶呈現(xiàn)出高度螺旋狀。