水电站离心泵过流部件水力模型仿真分析与研究

2020-11-27刘磊

水电站机电技术 2020年11期

刘磊

（上海熊猫机械集团有限公司，上海 201704）

离心泵是水电站及水库取水泵站应用最广泛的一种设备，与人们的日常工作和生活息息相关。离心泵有闭式叶轮、半开式叶轮、开式叶轮三种结构，其中，闭式叶轮做功效率高、性能佳，能满足大多场合的需求。随着各国工业水平的不断发展，各行各业对离心泵的性能也有了更高的要求，主要表现在既要保证设计工况、又要考虑综合效率以及整体功率消耗等方面。本文利用UG软件建立了水电站离心泵的水力模型，并应用CFX软件进行水力模型的仿真分析，研究不同叶片出口直径和宽度下的离心泵的扬程、叶轮效率及总效率，通过仿真计算验证水力模型设计的合理性。

1 水电站离心泵的工作原理

水电站离心泵的组成主要有叶轮、叶片、泵体、泵轴及轴承。启动水泵前，应该向泵腔和吸水管注满水，将水泵里面的空气排除干净。打开启动开关后，通过泵轴带动离心泵叶轮旋转，水在受到叶轮旋转带来的离心力作用甩向泵体，最终经过排水管流到地面。此时在叶轮中心的进水口位置处于真空状态，这是因为水已经被抛到轮缘造成的。在大气压的作用下，吸水井中的水被迫进入滤水器、底阀、吸水管，最终到达水泵的叶轮中心[1]。

2 水力计算模型

2.1 三维物理模型

本文研究和分析的离心泵给定的参数如下：流量Q=34 m3/h，扬程H=22.8 m，转速n=2 900 r/min，效率η=77 %，输送介质为水。利用CFturbo和UG软件相互结合建立了叶轮水力模型、泵体水力模型及叶轮前后盖板水力模型，并对其进行整体配合，水电站卧式离心泵整体水力模型见图1所示。

图1 水电站离心泵水力三维模型

2.2 流体动力学控制方程

连续性方程、动量守恒方程和能量方程作为流体动力学三大基本控制方程，能够准确地表述任何类型的流体运动规律。在对水电站离心泵的研究分析中，水泵内的热交换可以忽略。

连续性方程也称质量守恒方程，可以表述为：控制体内部流体质量的增量等于流入与流出控制体的流体质量之差，在离心泵的分析研究中，定义液体为不可压缩流体，密度ρ为常量，其积分表达形式如下：

式中：u、v、w是速度在x、y、z三个方向上的分量。

动量方程也称运动方程，可以表述为：对于一个给定的流体系统，总流体的动量变化率等于作用于其上的合外力，其实质是牛顿第二定律，根据这一定律可导出流体体系在x、y、z三个方向上的运动方程的微分表达形式，工程中常用的Euler方程实质是动量方程在忽略粘性条件下的简化形式，可表述为：

2.3 水力模型网格划分

离心泵叶轮、泵体及叶轮前后盖板等过流部件的水力模型网格质量，对计算结果的精度和迭代的收敛速度都有直接的影响，为了提高仿真分析的准确性，本文利用ICEM软件进行网格划分。首先，将叶轮、泵体及前后盖板的水力模型分别导入到网格划分软件中，对叶轮和泵体的水力模型进行非结构化的四面体网格划分时，保证网格质量系数大于0.3。

3 水力仿真分析

3.1 仿真前处理及边界条件

水电站离心泵叶轮的数量会影响水泵的进水量和泵内的压力大小。由设计经验可知，叶轮增多会增大离心泵腔内压力，进而增大离心泵的扬程。但叶轮的进水截面将会减小，增大进水的阻力，从而减少了离心泵的流量。因此合理选择叶轮数量，是改善离心泵性能的关键。本文设计的水力模型选择了6个叶轮，将ICEM软件划分好的叶轮、泵体及前后盖板水力模型的网格，依次分别导入到CFX仿真软件中，然后检查水泵过流部件间的装配关系，是否存在间隙或干涉。

3.2 水力模型后处理分析

本文选取的水电站离心泵水力模型叶片出口直径分别为140 mm、142 mm，出口宽度分别为12 mm、14 mm，在仿真软件中对不同组合工况进行分析，计算离心泵水力模型中心截面的相对速度场分布情况。分析结果可知，在水泵叶轮进口端没有出现流体漩涡，水体流向基本沿着叶轮壁面流动，叶轮相对速度方向与叶轮旋转方向一致，速度沿叶轮径向呈现不断增大的趋势。

在CFX仿真软件后处理中，利用前处理中设置的水泵的扬程计算公式、叶轮效率及总效率计算公式，计算出不同工况下的数值大小，并对仿真计算的结果进行分析和研究，具体见表1所示。