变工况反渗透海水淡化水力涡轮泵设计开发

刘思晗 汪程鹏 黄云飞 王生辉 王海涛 刘 军

（1.自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所；2.山东双轮股份有限公司）

水力涡轮泵是20 世纪80 年代初期出现的一种将液力透平与泵耦合设计出的能量回收装置，在海水淡化行业中应用最为广泛。 水力涡轮泵利用反渗透膜元件的高压浓盐水驱动液力透平，将高压浓盐水的余压能转化为机械能，同轴传递到泵端，驱动泵旋转对进料海水加压，从而降低海水增压的能耗，达到节能的目的［1～3］。

一级增压、段间增压、二级增压是水力涡轮泵应用于反渗透海水淡化系统的最典型的几种工艺。 不同工艺对水力涡轮泵技术参数的要求也不相同， 往往需要系列化的水力涡轮泵与之匹配。 水力涡轮泵的主要技术参数有泵扬程、泵流量、透平水头、透平流量、流量比（影响反渗透系统回收率）和能量回收效率，因此设计开发具有可变技术参数的水力涡轮泵对降低装置开发成本具有重要意义。

常见的水力涡轮泵产品包括美国ERI 公司和FEDCO 公司生产的系列化透平式能量回收装置，在全球范围内有着广泛的工程应用，但是对于工况复杂多变的反渗透海水淡化系统，其工况调节机制仍存在较大的提升空间。 现有技术对工况的调节方式主要包括针阀调节和旁路调节，两者的原理都是通过改变介质在蜗壳内的流程，进而改变水头和流量来达到工况调节的目的，但这样调节能力有限且导致装置结构更为复杂，非额定工况下的能量回收效率无法得到保证［4～7］。

自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所经过长时间研究，开发出变工况海水淡化水力涡轮泵，不仅比上述产品具有更好的工况调节能力， 适应海水淡化系统对不同回收率的变化要求，同时还拓宽了在较大工况范围内的水力高效区。 在此，笔者介绍变工况水力涡轮泵的结构设计方案，并通过计算流体力学仿真结果验证所设计的活动导叶对工况调节的有效性。

1 活动导叶模块设计

变工况水力涡轮泵透平侧采用活动导叶模块与蜗壳模块相配合的方式，活动导叶及其零部件结构如图1 所示，其中活动导叶为一体化成型的独立构件，包含轴、旋转导叶前座与后座。 导叶的轴穿过前盖板的通孔与驱动齿轮通过键相连接，导叶前座抵在前盖板通孔的台阶上，后座插进后盖板的导叶插槽中。 该模块作为水力涡轮泵插装式结构的一部分，安装在变工况水力涡轮泵内部。

图1 活动导叶及其零部件结构

活动导叶前、后座凸台结构（图1）的设计形式，将有效抑制流经活动导叶的介质向模块前后盖板外侧渗漏，同时该形式还方便活动导叶的旋转调节。 在调节方式上，驱动齿轮受外力作用即可驱动导叶发生角度偏转，从而实现流量的调节功能。

2 整机结构设计

图2 为变工况一体机样机外观与装配效果图，样机材料为2205 不锈钢，装置外壳设计有筋板和底侧开螺纹孔的板式底座， 以加强结构强度、方便整机固定。4 个进出口均设计有拷贝林接头，方便管路的连接与组装。

图2 变工况一体机样机外观与装配效果图

蜗壳与旋转导叶两大过流部件的配合是实现水力涡轮泵工况调节的主要方式。 结构上，蜗壳与导叶均采用插装式的模块化设计，因此方便在不更换装置外壳、盖板等部件的条件下进行整套水力构件的替换。 安装方式上，首先将插装式透平蜗壳模块通过定位销安装于装置外壳上，然后安装活动导叶模块并同样用销固定位置。

变工况水力涡轮泵设计过程中的核心问题是活动导叶的驱动方式设计。 透平侧盖板设计一个具有允许活动导叶轴穿出的通孔，并压紧蜗壳与组装完成的活动导叶模块，然后通过螺栓与装置外壳连接。 活动导叶轴穿过透平盖板的通孔，与驱动齿轮通过键相连接。 与驱动齿轮配合的中心齿轮设计成套筒状，外圈有与驱动齿轮啮合的齿，需要对旋转导叶进行角度调节时，手持中心齿轮的筒壁旋转即可通过传动的方式带动驱动齿轮旋转完成旋转导叶的调节。 另外，在透平出口外侧管壁上开有螺纹，调节完成后，中心齿轮端盖通过螺纹连接压紧中心齿轮使之固定，至此便完成了一次导叶角度调节。 直至下一次调节时，重新旋开齿轮端盖，转动中心齿轮，改变透平水力工况达到目标值后， 再将中心齿轮端盖压紧。

由于透平侧盖板设计有通孔， 容易发生泄漏，因此在活动导叶模块前盖板外侧设计两道密封沟槽（前盖板通孔内外圈各一道）。 整机结构如图3 所示，沟槽内加设密封圈，一方面可以防止透平叶轮叶顶间隙以及蜗壳、活动导叶模块连接处的流体向前盖板通孔处泄漏，另一方面可以为透平盖板提供螺栓连接的预紧力反作用力，并维持透平盖板与蜗壳、活动导叶模块之间的弹性接触。

图3 变工况水力涡轮泵结构设计图

上述设计即为变工况水力涡轮泵区别于常规水力涡轮泵的设计开发内容。

与常规水力涡轮泵相同的是，整个转子系统泵轮与透平轮采用分体设计，两者插装并用螺母拧紧连接， 透平侧端面轴承与泵侧滑动轴承，包括中心轴承皆为水润滑耐磨材料或者由耐磨材料包覆金属材料制成，共同为转子系统提供轴向和径向的约束。 此外，设置连通管使泵侧进口和端面轴承与透平之间的间隙相连通，保证两者的压力相同，压力作用于透平轮可以抵消部分轴向力，方便透平轮与端面轴承之间形成水膜，以利于为两者的直接接触摩擦提供海水介质的润滑。

3 流动设计与仿真分析

水力涡轮泵应用于反渗透海水淡化系统时，高压浓水进入透平端进口后依次流经导流块、蜗壳、活动导叶、透平叶轮和出口。 介质的流动特征决定了活动导叶需设计成具有图4 所示的型线特征，其迎水方向的导叶进口厚度小，随即逐渐增厚，因此可以将水流以最低的流动损失进行切分， 转化为多段流动以固定方向冲击透平叶轮，产生轴功。 活动导叶在不同角度下呈现的状态也可以从图4 中看出，随着角度的增加，导叶间过流面积增大。

图4 透平端介质流动方向

变工况水力涡轮泵对工况的调节机理为：对于海水淡化系统，当流入透平进口的总能量发生改变时，通常反映为流量的增大或减小，调节导叶的开度以调节进入叶轮的流量，同时由于伯努利原理，在等高流动时，活动导叶开度减小，导叶前后压差升高，反之开度增大，压差降低。 但对于特定规格的变工况水力涡轮泵，需要保持在一导叶开度对应一最佳效率工况的状态。 笔者以图5所示的水力涡轮泵透平流体计算域水力模型为例，借助CFD 仿真技术来预测所设计活动导叶对工况调节的效果。

图5 不同导叶开度下的流体计算域水力模型

图5 包含6 种导叶开度下的蜗壳、导叶和叶轮水体域结构，在仿真时进出口均加设直管延长段。 分别在不同导叶开度下以压力进口5.5MPa、出口20 ～60m3/h 流量为边界条件，设置转速22 000r/min，由模拟结果获得透平流量-效率、流量-扭矩、流量-水头的关系曲线（图6）［8］。

图6 透平水力性能特性曲线

从图6a 可以看出， 不同导叶开度下的透平存在各自的效率曲线，且曲线基本随导叶开度的增加向大流量工况偏移。 活动导叶的加设和合理调节，使透平在相当大流量范围内保证较高的能量回收效率，如图阴影区即为可以预测的水力涡轮泵全导叶开度工况下的整机效率覆盖范围，相比单一导叶开度来说，可有效拓宽涡轮泵水力高效区。

从图6b、c 可以看出， 在活动导叶开度不断调节的过程中，扭矩、水头对应流量的关系可被阴影区域所覆盖。 因此相比单一工况固定导叶开度， 活动导叶可实现特性曲线向特性面的延伸，实现多流量、多水头工况的覆盖式调节，在极大拓宽水力涡轮泵工况范围的同时还能适应不同反渗透海水淡化系统对回收率的调节。

4 结束语

笔者将活动导叶机构创新性地加入到海水淡化水力涡轮泵，并公开了变工况水力涡轮泵具体的结构设计方案，旨在为反渗透海水淡化系统多变的工况环境配套技术性能优良、工况调节范围广泛的水力涡轮泵能量回收一体化装置。 通过CFD 仿真技术预测，验证了该变工况海水淡化水力涡轮泵在工况调节方面的技术优势， 在0～25°的活动导叶开度调节范围内将实现多流量、多水头工况的覆盖式调节。 装置应用于反渗透海水淡化系统工程中，不仅可以有效节约反渗透所需的能耗，还可以在保证高效率的同时应对产水量和回收率的变化及反渗透压力变化等多种工况变化。