电动机前置和电动机后置潜水贯流泵装置水力性能比较

陆伟刚，王东伟，施伟，刘军，徐磊

(1. 扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2. 南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏 南京 210019)

潜水贯流泵装置是一种卧式安装的新型机电一体化泵装置型式，采用潜水电动机，具有流道顺直、水力性能优异和结构简单、安装维护方便、土建投资省等突出优点，已开始在江苏、安徽、广东等地的低扬程泵站得到应用[1-2].该装置在水资源调配、城镇防洪、水环境改善和农业排灌等领域的应用前景十分广阔.

在立式潜水泵装置中，潜水电动机只能布置在水泵导叶体之后，如图1所示.当立式潜水泵装置由立式改为卧式安装时，潜水电动机也就顺理成章地布置在水泵导叶体之后(即电动机后置).目前应用的潜水贯流泵装置都习惯性地采用电动机后置方式.刘荣华[3]通过降低断面平均流速、改变电动机外壳形状等方法改善潜水贯流泵装置流态，减小了水力损失；夏臣智[4]发现潜水贯流泵装置进水流道纵向结构的不对称会影响进水流道内的水流流态.在潜水贯流泵的结构研究方面，方桂林等[1]从支撑结构、分段结构设计等方面对潜水贯流泵的结构设计进行分析；张爱霞[5]通过在潜水贯流泵上加装行星齿轮减速箱来减小电动机的尺寸；陈璐[6]指出可通过解决电动机散热和电动机绝缘问题、采用密封技术等措施来提高潜水贯流泵的可靠性.

目前，采用潜水贯流泵装置的低扬程泵站均为电动机后置方式，关于潜水贯流泵装置的研究也是针对电动机后置的型式.由于潜水贯流泵卧式安装提供了将潜水电动机布置在水泵叶轮室之前的可能(即电动机前置)，文中打破了潜水贯流泵装置电动机后置的习惯性思维，提出了潜水贯流泵装置电动机前置的新型式，以便使潜水贯流泵装置在低扬程和特低扬程泵站得到更多更好的应用.

图1 立式潜水泵装置示意图

Fig.1 Schematic sketch of vertical submersible pump device

1 某泵站潜水贯流泵装置设计参数

某大型低扬程泵站的最高、设计和最低扬程分别为4.55，2.02，1.00 m，采用6台潜水贯流泵装置，单泵设计流量为12.8 m3/s.该站选用南水北调水泵模型同台测试的TJ04-ZL-07水泵模型，水泵叶轮直径和转速分别为2.00 m和183.8 r/min.潜水贯流泵装置的主要控制尺寸如下：水泵叶轮中心高程为-2.05 m，进水流道进口的高度和宽度分别为2.79,5.00 m，出水流道出口的高度和宽度分别为3.10,5.00 m，电动机段长度为3.45 m，泵装置总长度为33.84 m；潜水电动机的直径为1.05 m，电动机段的外壳直径为2.50 m.

在主要控制尺寸相同的条件下，文中对该站电动机前置和电动机后置的潜水贯流泵装置分别进行了优化水力设计和数值模拟，并对这2种方案下潜水贯流泵装置的水力性能和结构特点进行了比较.

2 电动机前置泵装置数值计算

2.1 计算方案

根据该站拟定的叶轮中心高程、进水流道进口、出水流道进口等泵装置控制尺寸，对电动机前置潜水贯流泵装置的进、出水流道进行了优化水力设计研究.优化方案如图2所示.

2.2 泵装置流场计算数学模型

2.2.1 控制方程

潜水贯流泵装置内的水流流动属于不可压缩湍流流动，可用连续性方程和Navier-Stokes方程对湍流的运动进行描述.为求解泵装置三维流场，还需引入湍流模型以使方程组封闭.常用的湍流模型有S-A湍流模型、k-ε湍流模型和k-ω湍流模型等[7-11]，其中标准k-ε湍流模型应用最为广泛，且在水力机械流动模拟中具有良好的适用性[12].

图2 电动机前置的潜水贯流泵装置优化方案单线

2.2.2 流场计算区域

电动机前置的潜水贯流泵装置，其三维湍流流动数值计算区域由前池、进水流道、叶轮及叶轮室、导叶体、出水流道和出水池6个部分组成.采用Gambit软件对泵装置流场的数值模拟区域进行三维建模和网格剖分，其中，前池和出水池采用结构化网格，其余各部分均选用适应能力较好的非结构化网格.电动机前置的潜水贯流泵装置流场计算区域及网格剖分情况如图3所示.计算区域的网格总数为86.43万，其中，前池、进水流道、叶轮室、导叶体、出水流道和出水池的网格数分别为4.65万，16.37万，19.86万，10.13万，26.60万和8.82万.

图3 电动机前置的潜水贯流泵装置流场计算区域及网格

2.2.3 边界条件

计算流场进口的边界设置在前池中距进水流道进口足够远处，进口边界垂直于水流方向，可认为此处来流速度均匀分布，采用速度进口边界条件.计算流场出口的边界设置在出水池中距出水流道出口足够远处，出口边界垂直于水流方向，这里可采用自由出流边界条件.

对于泵装置计算流场中的水池底壁、流道边壁、叶轮室内壁、电动机外壁及支撑筋板等固壁，应用对数式固壁函数处理[13].水泵叶轮表面设置为转动壁面，且转动速度及方向与水泵叶轮的旋转速度及方向一致.

计算流场中的前池和出水池表面为自由水面，忽略水面的风所引起的切应力及与大气层的热交换.自由水面的速度和湍动能均视为对称平面处理[13].

2.3 数值计算结果

2.3.1 流场计算结果

电动机前置潜水贯流泵装置设计流量时的三维流场图如图4所示,图中v为流速.

图4 电动机前置的潜水贯流泵装置流场图

Fig.4 Flow fields of tubular pump device with motor front arrangement

从图中可以看到，进水流道进口至潜水电动机段进口之间的水流，在立面和平面方向均匀收缩、流线层次分明；水流由流道段过渡到电机段非常平顺，电动机段内虽有潜水电动机和支撑筋板等增大断面流速，阻碍水流流动，但优化水力设计方案加大了电动机段流道直径且此时水流已经完成了收缩流动，水流在潜水电动机段内流动平顺流畅，上下左右均基本对称，在绕过筋板后汇合；从电动机段流出的水流经出口曲线段的进一步调整，以基本垂直于流道出口断面的方向均匀流入叶轮室；在叶轮室内，水流在叶轮旋转运动的推动下获得扬程，同时也产生一定的周向速度，以较大的切向速度旋转进入导叶体；在导叶体内，水流在经流向调整并得到初步扩散后进入出水流道；从导叶体流出的水流仍具有较大的剩余环量，呈螺旋状进入出水流道.在旋转水流“贴壁效应”[14]的作用下，水流在出水流道内做边旋转、边扩散的运动直至出口；水流在平面和立面方向扩散平稳，整个流道内无旋涡等不良流态.

2.3.2 水力性能计算结果

选取运行工况范围内15个工况点，对电动机前置潜水贯流泵装置的能量性能进行计算.计算所得泵装置的扬程-流量曲线、效率-流量曲线如图5所示，图中H为扬程，η为效率，Q为流量.

图5 电动机前置的潜水贯流泵装置能量性能曲线

Fig.5 Energy performance curve of tubular pump device with motor front arrangement

3 电动机后置泵装置数值计算

3.1 计算方案

根据该站拟定的叶轮中心高程、进水流道进口、出水流道出口等泵装置主要控制尺寸，对电动机后置的潜水贯流泵装置进、出水流道进行了优化水力设计研究.图6为优化方案.

3.2 泵装置流场计算数学模型

3.2.1 控制方程

电动机后置潜水贯流泵装置的流场数值计算控制方程与电动机前置潜水贯流泵装置的相同.

3.2.2 流场计算区域

电动机后置潜水贯流泵装置的三维湍流流动数值计算的区域由前池、进水流道、叶轮及叶轮室、导叶体、出水流道和出水池6个部分组成.采用Gambit软件对数值模拟区域进行三维建模和网格剖分，其中，前池和出水池采用结构化网格，其余部分选用非结构化网格.经网格无关性分析，后置潜水贯流泵装置计算区域的网格总数为96.42万，其中，前池、进水流道、叶轮室、导叶体、出水流道和出水池的网格数分别为4.61万，14.28万，17.81万，18.74万，32.12万和8.86万.图7为电动机后置的潜水贯流泵装置流场计算区域及网格划分情况.

图6 电动机后置的潜水贯流泵装置优化方案单线图

图7 电动机后置的潜水贯流泵装置流场计算区域及网格

3.2.3 边界条件

电动机后置潜水贯流泵装置的流场数值计算的边界条件与电动机前置潜水贯流泵装置的相同.

3.3 数值计算结果

3.3.1 流场计算结果

图8为设计流量下，电动机后置潜水贯流泵装置的三维流场图.从图中可以看到，在进水流道内，水流在立面和平面方向收缩平缓均匀，流线层次分明，流速逐渐增大，水流以近乎垂直于叶轮室进口断面的方向均匀地进入叶轮室；叶轮室与导叶体内水流的流动情况与电动机前置潜水贯流泵装置相同；从导叶体流出的水流具有较大剩余环量，水流呈螺旋状进入出水流道(在电动机后置的情形下，旋转的水流需绕过潜水电动机).在此过程中，水流受到电动机及其支撑板的阻碍作用，在其两侧分别产生迎水面和背水面，导致电动机尾部产生偏流.顺水流方向，可观察到主流偏向流道扩散段右下区域，同时在流道扩散段左上区域产生旋涡.

图8 电动机后置的潜水贯流泵装置流场图

3.3.2 水力性能计算结果

选取运行工况范围内13个工况点，对后置潜水贯流泵装置进行了能量性能数值计算.计算所得H-Q,η-Q曲线如图9所示.

图9 电动机后置的潜水贯流泵装置能量性能曲线

Fig.9 Energy performance curve of tubular pump device with motor rear arrangement

4 不同电动机布置方式的综合比较

4.1 泵装置水力性能

根据电动机前置、后置潜水贯流泵装置的流场数值模拟及水力性能计算结果，分析得到：

1) 电动机前置方案进水流道内的水流收缩均匀、流线层次分明，无涡流或其他不良流态，水流以垂直于出口断面的方向流出流道，能够给水泵进口提供较好的来流条件.前置方案出水流道内的水流扩散平稳，无旋涡等不良流态，为保证机组稳定和高效运行提供了必要条件.

2) 电动机后置方案进水流道内的水力性能优异，能够给水泵进口提供较好的来流条件.但出水流道内的流态受水泵出口环量和电动机段的双重影响，水流的主流偏于扩散段右下区域，在电动机段后部的流道左上部区域存在旋涡，对水流运动的稳定性及流道水力性能存在不良影响.

表1 2种电动机布置方案潜水贯流泵装置设计工况水力性能主要参数的比较

Tab.1 Main parameters comparison of hydraulic performance between two types of submer-sible tubular pump device under the design condition

潜水电动机布置方式进水流道Δhi/mvu/%θ/(°)Δho/mΔht/mη/%电动机前置0.16497.9389.410.1340.29879.94电动机后置0.06198.6189.250.2920.35377.05

4.2 对水泵导叶体设计的影响

对于电动机前置的情况，直接采用水泵模型的原设计导叶体，无需修改即可保证水泵的水力性能.但在潜水电动机后置的条件下，由于潜水电动机的直径大于水泵导叶体轮毂直径，因此，为实现二者的平顺连接，须适当加大导叶体的扩散角[15].为此，各潜水泵生产厂家需根据潜水电动机的直径修改水泵模型的导叶体，但可能影响水泵模型的水力性能.

4.3 对潜水电动机密封的影响

潜水电动机密封是潜水电动机的关键部件，密封部件的可靠性和使用寿命与其所承受的压力关系极大[16].前置时，潜水电动机位于进水流道内，其所受压力较小；后置时，潜水电动机位于出水流道内，其所受压力较大.二者的差值即水泵的扬程.例如：该泵站在最大扬程工况下，出水流道内的压力比进水流道内的压力高出约45 kPa，电动机后置对电动机密封性能的要求要高很多.若电动机前置，则电动机密封的安全可靠性将大幅提高、使用寿命将大幅延长.

4.4 对泵装置支撑结构的影响

在潜水电动机前置的条件下，水泵轴有2个支撑点：一个在导叶轮毂体内，另一个位于电动机段内.水泵叶轮位于这2个支撑点之间，支撑结构合理.而在潜水电动机后置的条件下，水泵轴的2个支撑点分别在导叶体的轮毂体内和电动机段内，也即均在水泵叶轮之后，使水泵轴的支撑形成悬臂结构.为保证泵轴系统的稳定性，一般需要在叶轮室之前增设1个十字形撑架及轴承、轴封等部件，但同时也会对泵装置的性能产生一定的影响.

5 结 论

1) 电动机前置的潜水贯流泵装置将潜水电动机布置在进水流道内，不仅不影响水流的收缩流动，而且其电动机支撑板还能起到较好的整流作用.出水流道内无任何阻碍或影响水流的扩散运动，避免了出现偏流、旋涡等不良流态.

2) 电动机后置的潜水贯流泵装置将潜水电动机布置在出水流道内，当旋转的水流绕过潜水电动机时，水流受到电动机及其支撑板的阻碍，导致电动机尾部产生偏流和旋涡.

3) 与电动机后置相比，电动机前置的潜水贯流泵装置不仅水力性能优异，而且在装置结构方面也更具优势，预计将在低扬程和特低扬程泵站中得到更多更好的应用.