双向竖井贯流泵进出水流道优化研究

双向竖井贯流泵进出水流道优化研究
谢荣盛;吴忠;何勇;汤方平;谢传流;涂恋恋
【摘要】基于RNGk-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用商用CFD软件对双向竖井贯流泵装置进行了三维流动数值仿真计算.对流道内的水力损失分析借鉴了微元法分析原理,通过对比分析分段水力损失可知:竖井作为进水流道时,其尾部汇合处水力损失较大,直管式出水流道在靠近导叶出口端水力损失较大,竖井作为出水流道在分叉处水力损失较大.通过调整竖井及直管式流道型线,有效减小水力损失,泵装置外特性有了较好的提升,最终完成水力性能优化设计.最终优化后的双向竖井贯流泵装置在叶片安放角为0°时数值计算结果正向运行效率最高达72.0％,反向为57.9％;模型试验结果正向运行效率最高达70.4％,反向为56.2％.
【期刊名称】《农业机械学报》
【年(卷),期】2015(046)010
【总页数】7页(P68-74)
【关键词】双向竖井贯流泵;水力损失;优化设计;数值模拟
【作者】谢荣盛;吴忠;何勇;汤方平;谢传流;涂恋恋
【作者单位】扬州大学水利与能源动力工程学院,扬州225009;江苏省水利工程建设局,南京210029;江苏省水利工程质量监督中心站,南京210029;扬州大学水利与能源动力工程学院,扬州225009;扬州大学水利与能源动力工程学院,扬州225009;扬州大学水利与能源动力工程学院,扬州225009
【正文语种】中文
【中图分类】TV131
对于低扬程双向泵站，需要保证泵装置的双向安全稳定运行且要保证一定的泵装置效率，同时需兼顾安装检修和建造成本的要求。

谢伟东等[1]、陈容新等[2]比较了几种不同的双向泵装置结构形式，得出在低扬程泵站工程中竖井双向贯流式机组具有结构简单、安装维修方便、安全可靠、装置运行效率高等优点。

陆林广等[3]指出流道对泵装置的影响作用。

成立等[4]通过RNG湍流模型成功预测了双向泵站的外特性。

张仁田[5]通过对双向泵装置的模拟研究得出进口流速均匀度与装置最优效率呈正相关关系。

仇宝云等[6]对无环量出口的出水流道水力损失进行了理论推导与优化。

刘军[7]、刘君等[8]比较得出前置竖井式贯流泵装置的装置效率高于后置竖井式贯流泵装置的装置效率。

陈松山等[9]指出适当降低nD值，能保证泵装置高效区运行。

徐磊等[10-11]分析了竖井贯流泵装置内部流态。

陈会向等[12]分析了模型泵不同装置、叶轮位置及导叶位置方案对双向竖井贯流泵装置的性能影响规律。

梁金栋等[13]指出了导叶出口剩余环量对出水流道的影响。

杨帆等[14]归纳分析了竖井型线的演变规律，并提出了泵装置多工况性能加权评价指标。

周伟[15]对双向开敞式出水锥管进行了优化设计。

在低扬程泵站中特别是扬程小于3 m的特低扬程泵站中泵装置的性能很大一部分取决于流道的水力损失。

对进出水流道的优化研究可以进一步减小水力损失，提高泵装置的整体运行效率。

本文从进出水流道的水力损失入手，通过对比分析主要水力损失发生的关键部位，调整流道结构型线，降低能耗，提高泵装置效率。

泵装置数值计算区域如图1所示，包括：进水段、进水流道、叶轮、导叶体、出水流道及出水段。

直接对原型泵装置进行模拟计算，泵装置长36 m，正向运行时竖井进口距叶轮中心19 m，叶轮直径D=2.65 m，额定转速n=125 r/min，水泵模型考虑了叶顶间隙的影响，设置间隙大小为3.3×10-4D。

正向运行时为后置导叶，反向运行时为前置导叶。

网格模型如图2所示，其中叶轮导叶网格在
TURBOGRID下生成，进出口延长段及进出水流道在ICEM中生成结构化网格，
不同方案网格节点及网格总数在1.4×106左右，网格质量均大于0.35。

泵装置数值模拟的控制方程为雷诺平均N-S方程，紊流模型采用RNG k-ε紊流模型，计算采用“Stage”交界面处理叶轮与进水流道、导叶体之间动静耦合流动的参数传递。

进出水流道混凝土表面的粗糙度取2.5 mm。

进口采用质量流入口，出口为平均静压出口，进出口延长段水平面用对称面设置。

3.1 优化思路与优化目标
因大多数工况下叶轮对进水流道内流态的影响不大，故对竖井贯流泵装置的数值优化采用先局部后整体的数值分析思路。

先独立地对进水流道进行数值优化计算，以优选的进水流道为基础进行泵装置的整体模拟，优选出出水流道。

然后以优选的出水流道为基础，进行反向的进水流道模拟，优选出适合双向运行的流道结构，完成双向竖井贯流泵的优化选型计算。

优化目标主要是设计流量工况下损失最小为原则，同时进水流道兼顾断面均匀度的要求。

水力损失的计算式为
断面均匀度为
式中Δh——水力损失 E1 、E2——断面进、出口处的总能量 P1 、P2——断面进、出口处的静压 Z1 、Z2——断面进、出口处的高度 u1 、u2——断面进、出口处
的平均速度ρ——水的密度 g——重力加速度V′zu——流道出口断面轴向流速分布面积加权均匀度
a——断面轴向流速平均值
vai——各计算单元的轴向速度
Aai——断面上的计算单元面积
A——断面总面积
断面均匀度采用了面积加权的计算方法，从而有效避免了因边界层网格面积过小引
起的断面均匀度计算失真。

3.2 正向运行竖井进水流道优化
竖井流道内部的水力损失主要是沿程损失，进入竖井前分成两股水流的局部水头损失，以及流过竖井在汇合处的局部损失。

且主要水力损失集中在汇合段。

在竖井尾部汇合处若断面过大，最终汇合到竖井出口处收缩损失会较大，对于反向运行时过大的扩散角也不利；断面过小，两股水流汇合后混合不充分，会影响竖井出口断面速度均匀分布，另一方面，断面减小引起的速度增加，也会增加水头损失。

在初步设计时重点以竖井收缩处断面面积不同设计了不同的方案，定为P1、P2、P3、P4、P5，各方案如表1所示，其中P0方案为原设计方案。

因进口流速的均匀度与装置最优效率有较好正相关关系，将竖井进水流道的出口断面取出，以水力损失和断面均匀度为优化目标，进行优化。

各方案的计算结果如图3所示。

可以看出不同方案下竖井进水流道内水力损失与流量的平方成正比，进水流道在不带泵运行下出口断面均匀度随流量不变。

借鉴微元法分块的思路，将竖井流道从进口到出口分段，如图4a所示，计算各分段的水力损失，在各对比方案中竖井前半部分不变，图4b仅显示出从竖井分叉处至叶轮中心断面的断面面积与各段的水力损失分布曲线，纵轴坐标零点为进水流道入口。

从图中可以发现竖井进水流道的损失集中表现在竖井汇合处(L=15 m)，优化设计方案中通过调整竖井流道外围型线和靠近竖井出口的收缩角度，找出合适的值。

原方案中竖井的断面面积收缩过慢，导致在靠近出口处收缩过急，是引起损失偏大的主要原因。

在竖井尾部汇合处，水流的收缩利于减小损失，但收缩过急，水流混合紊乱，对进口不利。

各设计方案中，水力损失越小断面均匀度越高，P3的损失最小，断面均匀度最好。

3.3 正向运行直管式出水流道优化
因出水流道受到旋转叶轮出口环量的影响，在对出水流道进行优化时必须考虑到此
部分对出水流道的影响作用。

P3是对比方案中水力损失最小的方案，以P3和原
出水流道为基础进行整体的泵装置计算，在得到导叶出口速度分布后对出水流道进行单独优化计算。

计算得到的导叶出口速度云图分布如图5所示。

由计算结果可知，在设计流量工况下，导叶出口的速度分布相对均匀，而远离设计工况下，速度分布极不均匀，特别是在小流量工况下，有明显的脱流存在，给出水流道的设计及优化带来较大的困难。

目前还没有能够对出水流道全工况下水力损失的直接计算，而测试因受环量的影响，导叶出口断面的动能远大于按平均速度计算出来的动能，测试结果未能很好地反映出水流道水力损失分布规律。

将导叶的出口速度取出计算，不仅可以比较真实地反映出水流道内部的流态，另一方面，因出水流道进口的速度分布得以固定，不受计算迭代过程叶轮性能波动干扰的影响，能增加求解精度，加快计算进度。

在原方案CP0的基础上，依次改变外缘轮廓从圆变方和断面扩散角度，设计4个
方案作为对比方案。

各方案如表2所示。

根据计算结果，选取进出口断面，计算不同流量工况不同方案的水力损失，如图6所示。

将出水流道分成8段，分别计算设计流量工况下各段的水力损失，如图7
所示。

从图7中可以看出。

因进出口的断面面积相同，流道整体扩散角度相同，总体表
现出的最小水力损失工况点相同，流道的最优环量在同一值附近。

在小流量工况下，因导叶出口的流态比较紊乱，进而引起整个流道内的流态紊乱，水力损失较大，随着流量的增加，导叶出口的流态逐渐平顺，直管式出水流道内的水力损失逐渐减小，但是随着流量的继续增加，流速增加，损失增加。

原方案因出水流道靠近进口断面的扩散角过大，脱流位置靠近流道进口断面，扩散的出水流道没能够引导水流平顺流出损失较大，经过逐步缩小扩散角，脱流位置向后移动。

从图7沿流线方向的长度为5 m的位置可以看见随着扩散角度的减小，
靠近出水流道进口断面附近的水力损失逐渐减小，各对比方案中分段的水力损失最大值点随着扩散角度的减小向出口方向移动。

CP3在L=6 m时，扩散较大导致在L=4～6 m区间脱流，影响了流道内的整体流态。

CP4通过缓慢扩散抑制水流在流道壁面的分离，起到了减小损失的效果。

当出水流道靠近进口侧的扩散角更小时，中部的扩散角度偏大，对流态不利，影响水流。

比较得出CP4为最优方案。

3.4 反向运行竖井出水流道优化
从正向运行直管式出水流道的优化可以发现，出水流道进口段的扩散角不宜过大。

在叶轮室出口环量的影响下，正向运行优化的竖井流道不一定适合反向运行工况。

以CP4为进水流道，P5为出水流道，改变叶轮旋转方向和进出口条件设置，进行竖井贯流泵装置的反向性能预测与优化。

在原P5的基础上，依次改变连接轴的扩散角度和竖井流道外轮廓，设计成不同的对比方案，如图8、表3所示。

根据模拟结果比较竖井流道作为双向流道时的出水流道性能，取进出口断面计算出水力损失，如表3所示。

因考虑支撑轴后进口处断面面积相对减小，取竖井入口断面及离竖井断面2 m处的断面求出相对扩散角。

根据计算结果可知，竖井作为出水流道水力损失远大于进水流道。

P6在P5的基础上将轴由直管连接改为渐扩，损失减小较为明显，这是因为从直轴到渐扩轴后，在竖井分叉处水流提前有向两边分叉的趋势，致使在竖井分叉口处的相对分岔角度减小了，从《流体阻力手册》中可知，一股水流分叉成两股水流的过程中，分叉角度越小水力损失越小。

P7重新优化了竖井流道外轮廓型线，整体过渡较为光顺，损失降到146 cm。

P8在P6的基础上将连接轴的扩散角度增大，减小因竖井外轮廓改变引起的扩散角度变大，P9在P8的基础上将竖井内侧与上下壁面的直角连接改为0.2 m×0.2 m倒角连接，损失降到137 cm，最终完成双向竖井流道的优
化设计工作。

为了便于分析竖井流道内的损失分布，将计算方案的竖井各分段水力损失取出，如图9所示。

从图中可以看出，竖井作为出水流道的主要损失集中在竖井分叉附近。

随着流量增加，叶轮室出口环量降低，竖井分叉处的损失逐渐减小，而在靠近出口处环量对流场的影响较低，随着速度增加损失逐渐增加。

因泵站双向运行时的设计扬程差别较大，反向运行时扬程较低，仅在直管段一侧配备导叶作为正向运行时的后导叶来回收环量提高效率。

泵站反向运行时，原先的后置导叶成为前置导叶，在叶轮反向旋转时起到预旋水流降低叶片扬程作用。

叶轮室出口的环量主要依靠竖井分叉处和竖井通道回收。

双向竖井贯流泵泵装置模型试验在高精度试验台上进行，现场测试照片如图10所示，试验方法按照SL140—2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》执行。

根据计算结果，在后处理中提取竖井贯流泵泵装置双向性能曲线，对比模型试验结果如图11所示。

通过优化后的竖井贯流泵泵装置正向运行计算工况点的最高效率由67.9%提升至72.0%，模型试验最高效率70.4%；反向运行计算工况点最高效率由49.5%提升
至57.9%，模型试验最高效率56.2%。

竖井前置工况下，导叶后置，可以有效地
回收一部分环量，泵装置整体效率较高；竖井后置工况，泵装置整体扬程较低，流道损失占的比重较大，进一步影响泵装置的整体性能。

(1) 对双向竖井贯流泵进出水流道进行了优化计算，通过泵装置的外特性与试验对比验证了方案的可行性。

给出了流道内各分段水力损失的分布，指出了给定速度进口断面条件下流道损失的关键因素为流道沿流线方向的扩散角度。

(2) 在低扬程泵站设计中，出水流道总扩散角度一定的条件下，靠近叶轮室部分扩散角度宜取小值。

因为此处的断面面积小，速度较大，在相同的损失系数下损失比重偏大，而取较小的扩散角度，可以减小扩散损失系数，水力损失相应减小。

如文
中正向运行时直管式出水流道靠近导叶部分扩散角仅为4.2°，反向运行竖井时出水流道靠近叶轮部分扩散角仅为3.1°。

(3) 竖井前置时可以为叶轮室提供较好的进水流态，竖井后置时，因水流在环量的作用下经过竖井时分叉成两股水流，水力损失较大。

竖井前置的水力性能明显优于竖井后置。

【相关文献】
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