大型灌排泵站改造应用研究

李端明，张 印，肖若富，温鸿浦，李彦迪

(1.中国灌溉排水发展中心，北京 100054；2. 宁夏回族自治区固海扬水管理处，宁夏 中宁 755100；3.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；4.宁夏回族自治区水利厅灌排中心，银川 751000)

0 引 言

泵站工程是利用水泵机组及其配套建筑物将电能转化为水能进行灌排或者供水的综合性提水工程[1]。灌溉泵站是提水对农田进行灌溉的泵站，是农业生产、农民增收和区域环境改善的重要基础设施。新中国成立60多年来，我国机电灌排事业获得了迅猛发展，泵站比较集中的省份及地区，已初步形成了以大型泵站为骨干的抗旱灌溉、抗洪除涝及跨流域调水工程体系，及以中小型泵站为主导地位的地区性灌溉和除涝工程网络。目前全国机电灌溉排水面积约4 267 万hm2，有力地提高了各地抗御自然灾害的能力，对保证农业稳产高产，保障国家粮食安全等起到了关键性的作用[2]。

双吸离心泵流量大、扬程高，广泛应用于大型调水工程、农田灌溉和城镇供水等重要领域。如南水北调中线工程惠南庄泵站安装了8台国内单机功率最大的双吸离心泵，单机设计流量10 m3/s、设计扬程58.2 m、功率7500 kW，泵站总装机功率达到6 万kW，由于泵站流量变幅10～60 m3/s、扬程范围0～58.2 m，且年运行时间长，运行工况复杂，对机组运行稳定性的要求非常高[3]。在大型灌溉排泵站方面，据水利部统计，我国共有大型灌溉排水泵站450处，装机功率563.57 万kW，设计流量35 885 m3/s，共安装水泵机组24 540 台套，在大型灌溉泵站中，75%以上的泵型为双吸离心泵[4]。在这些大型泵站中，大型双吸离心泵为农业灌溉和饮水工程发挥了关键作用。

随着我国经济的快速发展，对大型双吸离心泵的需求将会越来越大[5,6]。随着在建和新建大型泵站中水泵单机功率的不断提升，双吸离心泵应用面临的能耗过高和运行稳定性问题将更加突出。针对这一问题，本文结合宁夏白府都泵站更新改造工程，研究叶片载荷分布对双吸离心泵水力性能的影响，通过控制叶片载荷来提高双吸离心泵的效率和稳定运行性，具有重要的经济和社会效益。

1 研究对象及存在的问题分析

1.1 单级双吸离心泵基本参数

白府都泵站属于宁夏固海扬水工程的梯级提水泵站的其中一级，始建于1984年，控灌面积3 734 hm2，泵站总扬程48.8 m，设计流量10.04 m3/s，采用3工1备的运行方式，为更好地提高该泵站双吸离心泵的运行稳定性，并降低其能耗。本文以白府都泵站所使用的HS600-500-650A型单级双吸离心泵为研究对象进行改进，该泵的主要参数如表1所示。

表1 HS600-500-650A型单级双吸离心泵设计参数

1.2 数值计算模型及方法

根据HS600-500-650A单级双吸离心泵的水力图尺寸，建立三维模型，如图1所示。

图1 流体域三维图

在该模型中，利用ICEM CFD软件对于进水流道(包含延伸段)、叶轮、出水流道(包含延伸段)进行网格划分，其均采用非结构化网格。全流道的网格节点总数为1 096 833，总单元数为5 725 942。各个流体域的网格、节点数如表2所示。网格如图2所示。

表2 各个流体域参数

图2 流道网格

采用ANSYS CFX软件对HS600-500-650A单级双吸离心泵进行数值模拟，选用SST湍流模型，在参数设置中流动介质为水，温度22 ℃，参考压力为1 atm，转速为990 r/min，计算步数为1 000步，收敛标准为1×10-5。

对于边界条件的设定：①进口边界条件：将吸水延伸段进口设置为进口边界，给定各工况的质量流量；②出口边界条件：将蜗壳出口延伸段出口设置为出口边界，给定出口静压为0；③其他边界条件：其余所有壁面都采用无滑移边界条件。对于交界面的设置，将进水流道出口和叶轮进口、叶轮出口和出水流道进口设置为固定-旋转交界面，将进水流道进口和进口延伸段出口处、出水流道出口和出口延伸段进口处设置为固定交界面。

1.3 外特性分析

对表3中的情况下进行模拟计算，分别计算出各工况下的扬程、效率并做出相应的水力特性曲线，如图3。扬程曲线在设计工况和小流量工况下误差较小，其中，设计工况下，泵扬程的计算值为47.97 m，略高于试验值，模拟结果较为准确。比较效率对比图，可以看到效率曲线在实验结果和模拟结果整体上趋势一致。其中，在设计工况下，模拟结果与效率实验值误差为0.73%，模拟结果较为准确。因此，从总体上来说，该泵的CFD计算结果与试验结果吻合良好，其计算结果可以作为我们优化设计的评判方法。

表3 模拟计算时的工况

图3 HS600-500-650A水力特性曲线

1.4 内部流动分析

叶轮流场分布结果如图4所示，在这里取了0.2Q，0.4Q，0.6Q，0.8Q，1.0Q，1.2Q，1.4Q工况进行分析。可以明显看出，小流量工况下，叶轮出口处的流动及其不均匀，轮毂隔板两侧的水流在这里易发生相互碰撞。

图4 叶轮流场分布

2 改进设计及结果分析

2.1 改进方案

针对上述问题，本文采用叶片交替加载技术设计理论对HS600-500-650A型号的双吸离心泵叶轮进行优化设计。该技术采用前后盖板交替加载的载荷分布方式，结合双侧叶片出口边倾斜呈“V”字型，并均匀交错双侧叶轮的方法对叶轮进行优化设计。其中优化后的叶轮在原始叶轮的基础上运用叶片交替加载技术进行再设计，在后盖板位置增加8 mm厚度的隔板，再均匀交错布置两侧叶轮。优化前后叶轮对比如图5所示。

图5 优化前后叶轮的结构三维图

2.2 改进效果分析

通过CFD模拟计算分别计算出各工况下的扬程、效率并做出相应的外特性曲线，如图6所示。

图6 重新设计叶轮后的外特性曲线与原始叶轮比较

通过对比发现，新的模型流量-扬程曲线与原始模型基本吻合，而新模型的流量-效率曲线得到明显改善，在小流量工况和大流量工况，其效率值均有明显提升，在设计流量下，效率值提高2.1%，高效区大约拓宽20%左右。该水泵模型通过运用交替加载设计方法重新设计叶轮，水泵外特性得到明显优化。

采用交替加载技术后，在原始叶轮模型的出口处产生隔板，消除了水流在汇集到出口时的产生的撞击，从而流态的得到改善，以小流量工况下最为显著。

图7为HS600-500-650A的设计工况下叶轮改进前后出口处的流速分布云图，叶轮旋转方向如箭头所示。可以看出，两侧叶轮经过交错布置后出口的流态均匀性得到明显提高，在原始方案中，呈现出明显的“射流-尾迹”区域，射流的高速区位于叶片的工作面，尾迹靠近相邻叶片的背面，高速区过于集中，速度梯度大。改进后的叶轮出口流速分布均匀，流速在18.4 m/s以上的区域占出口面积的大部分，速度梯度小。由此可以证明，前盖板前加载，后盖板后加载的混合加载方式能够改善叶轮出口的“射流-尾迹”现象。

对于HS600-500-650A的叶片压力分布，可以看到，原始的叶片虽然没有形成比较明显的进口低压区，但是压力梯度变化不均匀，从进口到出口的等压线均呈现出不同程度的弯曲，而改进后的叶片压力梯度变化均匀。总结发现，改进后的叶片压力分布较为均匀，这种叶片的混合加载形式能够有效避免因叶片前部过载或者后部过载造成的前后做功不均的弊端，从而改善了双吸离心泵的效率和压力脉动的水平。

图7 HS600-500-650A叶轮出口流速分布

图8 HS600-500-650A叶片工作面压力分布图

图9为原始方案和改进后方案的叶片前后盖板工作面和背面的压力分布图，原始方案的后盖板工作面受力处处都高于前盖板的工作面受力，改进后方案的前后盖板压力曲线吻合度较高。说明改进后的叶片不仅消除了原始叶片中沿流线方向上的载荷不均，也同时消除了原始叶片中前后盖板的受力不均。

图9 HS600-500-650A的叶片压力分布

2.3 优化前后压力脉动对比分析

为进一步研究优化前后的内部流态，对模型进行压力脉动监测。压力脉动测点设置在进水流道、叶轮和出水流到上。如图10所示，进水流道的进水口处上下各设置一个测点SUC4、SUC5，进水流道最高点设置测点SUC1，进水流道出口设置两个测点SUC2、SUC3；叶轮叶片流道进口，叶片流道中间和叶片流道出口各设置一个测点，为IPM1、IPM2、IPM3；出水流道的隔舌处，设置一个测点VOL1，沿出水流道外壁，隔90°设置一个测点，为VOL2、VOL3、VOL4、VOL5，出水流道出口处上下各设置一个测点，VOL6、VOL7。

图10 测点位置

针对设计流量Q进行非定常压力脉动计算的对比分析。非定常压力脉动计算中以定常计算结果为初始条件，计算10个转轮周期，每个周期计算180个时间步长，同时监测压力随时间的变化。

将数值模拟计算得到的各个监测点压力值进行无量纲化处理，无量纲压力系数Cp的定义如下：

(1)

式中：P为各个监测点压力值；Pref为参考位置压力值，采用进水流道进水口的压力值；ρ为水的密度；vref为参考位置速度，即进水流道进水口的速度值。

如图11至图14所示，为该型号双吸离心泵改进前后各监测点的时域图和频谱图。通过HS600-500-650A双吸离心泵的主要参数得知，该双吸离心泵的转速为990 r/min，转频为16.5 Hz，叶频为99 Hz。

图11 流量为1.0 Q时，测点SUC1的时域图、频域图(HS600-500-650A)

图12 流量为1.0 Q时，测点SUC4的时域图、频域图(HS600-500-650A)

图14 流量为1.0 Q时，测点VOL3的时域图、频域图(HS600-500-650A)

从表4可以看出，吸水室最高点压力脉动幅值由原泵的1.452 m下降了0.707 m，降低幅度为48.6%，吸水室进口处的压力脉动幅值由原泵的1.447 m下降了0.940 m，降低幅度为65.0%左右，蜗壳隔舌处的压力脉动幅值由原泵的2.451 m下降了1.509 m，降低幅度为61.6%，蜗壳最高点的压力脉动幅值由原泵的1.606 m下降了1.090 m，降低幅度为67.8%。同时从频谱图中可以看出，原始方案叶轮的条件下，各个测点的压力脉动其主频均为99 Hz，即叶片通过频率；改进后，叶轮的通过频率(99 Hz)幅值大幅下降，蜗壳内的主频由原来的99 Hz改变为2倍叶频(198 Hz)，其幅值也远低于原叶轮主频的幅值。

表4 改进前后各测点压力脉动峰峰值对比

3 结 论

本文以宁夏回族自治区固海扬水工程白府都泵站更新改造工程的HS600-500-650A双吸离心泵为研究对象，研究叶片载荷分布对双吸离心泵水力性能的影响，通过控制叶片载荷来提高双吸离心泵的效率和稳定运行性。结果表明相对于传统的双吸式离心泵，采用交替加载与V形交错技术设计得到的双吸离心泵最明显的优势是其具有高效区宽，压力脉动低的优点。由于灌溉泵站的双吸泵普遍偏离设计点运行，因此具有高效区宽和低压力脉动特性的双吸离心泵可以明显地提高灌溉泵站的装置效率和机组运行的稳定性。本文丰富了单机双吸离心泵的改造设计方法，对未来泵站双吸离心泵改造具有一定的借鉴意义。

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