隔墩对潜水轴流泵装置水力性能及压力脉动的影响

2019-02-26杨晓春杨春霞

治淮 2019年1期

杨晓春张春杨春霞

（1.安徽省水利水电勘测设计院合肥 230088 2.南京市滁河河道管理处南京 210048 3.河海大学能源与电气学院南京 210098）

1 引言

水泵的能量特性、汽蚀状态以及泵装置的效率与进水流道的水力性能密切相关。国内的学者针对进水流道对水泵装置的性能影响已经开展了大量的研究。但是关于进水流道内部隔墩对潜水泵内部压力脉动的研究较少。本文将通过对某潜水轴流泵装置的进水流道有无隔墩进行三维流场计算，研究隔墩对泵装置水力性能以及压力脉动的影响，为水泵进水流道的优化设计提供一定的参考。

2 模型建立与计算方法

2.1 三维模型的建立

本文以1600ZQ-125大型潜水轴流泵装置为研究对象，该水泵的主要设计参数为：设计流量Qr=7.81m3/s，转速为295r/min，水泵设计净扬程为2.75m，最高净扬程为4.36m，最低净扬程为0m，最低水泵扬程为1.66m。利用三维建模软件NX UG8.0建立了水泵装置模型，其计算域包括：弯肘形进水流道、叶轮体、导叶体以及蜗壳形出水流道。为了分析进水流道内部隔墩对潜水轴流泵内部流态的影响，在进水流道内部增设了隔墩。

为了更好地获取泵内各处压力脉动信息，在叶轮的进、出口部位以及导叶体出口共3个截面上均匀设置了若干监测点。叶轮进口处由轮毂至轮缘处分别为P1-P4；叶轮出口处由轮毂至轮缘分别为P5-P8；导叶体出口处由轮毂至轮缘分别为G1-G4；当各个监测点的压力呈现出周期性变化时，开始输出各监测点压力脉动时域信息。

在计算域部分采用ANSYS前处理软件ICEM进行了网格划分，由于该轴流泵模型较为复杂，因此在网格划分时，采用了适用性较强的非结构化网格。通过网格无关性验证之后，确定进水流道的网格数为15万左右，整个水泵装置的网格数为172万左右，且网格质量均控制在0.2以上。

2.2 边界条件及计算方法

进口边界条件设置为流量进口，出口设置为自由出流，壁面设置为无滑移壁面，不考虑壁面粗糙度对流场的影响。湍流模型选用RNG k-ε模型，计算精度设置为10-4。对水泵装置进行定常数值模拟时，叶轮区域采用旋转坐标参考系，其他过流区域采用静止坐标系。

3 计算结果与分析

为了分析进水流道隔墩对水力性能的影响，在数值计算时，选取了3个工况点，其中，1为最大扬程工况，2为设计扬程工况，3为最小扬程工况。其隔墩设置情况见表1。

3.1 进水流道出口断面的轴向速度分布均匀度

进水流道的设计应为叶轮提供均匀的流速分布和压力分布进水条件。进水流道的出口就是叶轮室的进口，其轴向速度分布均匀度Vzu反映了进水流道的设计质量，Vzu越接近100%，表明进水流道的出口水流的轴向流速分布越均匀，水力性能越好。其计算公式如下：

表1 数值计算工况点表

图1 轴向速度分布均匀度与工况点关系图

式中：

Vzu—流道出口断面轴向流速分布均匀度，%；

uai—流道出口断面各计算单元的轴向速度，m/s；

n—出口断面上的计算单元个数。

肘形进水流道出口断面的轴向速度分布均匀度与各工况点关系曲线如图1所示。随着流量的增加，肘形进水流道出口断面的速度分布均匀度逐渐提高，增设隔墩并未影响轴向速度分布均匀度的规律性。设置有隔墩时，各工况下的轴向速度分布均匀度与不设隔墩相比均有所提高。说明在进水流道内部设置隔墩，能够有效地改善叶轮进口部分的速度分布的均匀度，使得水流更均匀地流入叶轮体。

3.2 进水流道出口断面的速度加权平均角

若进水流道出口有横向流速存在，将会改变水泵设计进水条件，影响水泵的能量特性，为此引入速度加权平均角度来衡量。值越接近90°，出口水流越接近垂直于出口断面，叶轮室的进水条件越好。其计算公式如下：

式中：

vai—流道出口断面各计算单元的轴向速度，m/s；

vti—流道出口断面各计算单元的横向速度，m/s。

不同工况时，肘形进水流道出口断面的速度加权平均角随着流量的增加而提高，并且有无隔墩时分布规律相同。在增设隔墩时，速度加权平均角比未设隔墩时，更加接近90°，说明增设隔墩后叶轮室的进水条件较好（见图2）。

图2 速度加权平均角与工况点关系图

表2 弯肘形进水流道水力损失表

3.3 进水流道的水力损失

增设隔墩能有效地提高水流的分布状态，改善叶轮进口处的进水条件，但隔墩的存在会对进水流道的水力损失产生影响。

对弯肘形进水流道的进、出口断面采用质量流量加权平均法计算该断面的总能量，按公式（3）计算得到肘形进水流道的水力损失Δh，见表2。

式中：下标1、2—流道进口和出口；

Ai—各微元的面积，m2；

vai—垂直与断面的流速，m/s；

ρ—水体密度，kg/m3。

由表2可见，在有隔墩和无隔墩时，进水流道的水力损失都随着扬程的减小（流量的增加）而增大，主要原因是随着流量的增加，水流通过既定断面的流速增加，从而导致水力损失增加。

流道的水力损失直接影响到水泵装置效率，是评价进、出水流道的一个重要的经济指标，以流道阻力系数S作为比较的依据，计算公式为：

式中：S—流道阻力系数，s2/m5；

Δh—流道的水头损失，m；

Q —流道的过流流量，m3/s。

由表3可见，随着扬程的降低（流量的提高），水力损失系数增大。增加隔墩后，流道阻力系数显著增大，将会影响水泵装置的效率。

从计算结果可以看出，在增设隔墩之后，进水流道内部的水力损失明显增加，且增加幅度大，说明在进水流道内加设隔墩会影响水泵内部的损失。进水流道水力损失的增加主要是由于隔墩的存在减小了过流面积，使得水流流速增加所引起的。

3.4 非定常压力脉动特性

3.4.1 进水流道无隔墩

设计工况下叶轮进口处，压力脉动幅值沿着轮毂到轮缘逐步递增。压力脉动主频为3倍的转频，即为叶片通过频率。说明叶轮进口前压力脉动主要受到转动叶轮的影响。

叶轮出口处的压力脉动幅值沿着轮毂到轮缘逐步递减。压力脉动的主频为3倍的转频，约为14.75Hz，即为叶片通过频率。说明叶轮出口前压力脉动主要受到转动叶轮的影响。

表3 弯肘形进水流道阻力系数表

导叶体出口处压力脉动幅值沿着轮毂到轮缘逐步递增。压力脉动主频为一低频。说明导叶体出口处压力脉动主要受到低频压力脉动的影响。

3.4.2 进水流道设有隔墩

进水流道设有隔墩时，设计工况下叶轮进口处压力脉动呈现出规律的周期性波动。压力脉动幅值沿着轮毂到轮缘逐步递增。压力脉动主频为3倍的转频，即为叶片通过频率。说明叶轮进口前压力脉动主要受到转动叶轮的影响。

叶轮出口处的压力脉动幅值沿着轮毂到轮缘逐步递减。压力脉动的主频为3倍的转频，即为叶片通过频率。说明叶轮出口前压力脉动主要受到转动叶轮的影响。

导叶体出口处压力脉动幅值沿着轮毂到轮缘逐步递增。压力脉动主频为一低频。说明导叶体出口处压力脉动主要受到低频压力脉动的影响。

增设隔墩前后，叶轮进口处的压力脉动遵循着类似的规律，从轮毂到轮缘的方向上，压力脉动逐渐增加，但在靠近轮毂处的监测点P1处设置隔墩时，压力脉动幅值有所降低。在叶轮出口处，不同监测点的压力脉动规律和幅值均有着相似的变化规律。在增设隔墩后，导叶体出口处，靠近轮缘处的监测点G5处的主频由原来的低频转化为叶片通过频率，使该水泵在导叶段出口处主要受到了叶轮的影响。