肘型进水、屈膝式出水流道在轴流泵站的应用研究_李帅.pdf

2023 年第 2 期肘型进水、屈膝式出水流道在轴流泵站的应用研究李帅董美玉(上海凯泉泵业(集团)有限公司，上海202211)摘要:对国内 2.3 m 口径某大型轴流机组泵站装置进行了设计优化及应用研究。泵站装置由进水池、进水流道、轴流泵、出水流道、出水池组成，同时对肘型进水流道、屈膝式出水流道进行了着重研究。运用 CFD 数值模拟分析技术进行设计优化，确定了最优的设计方案，保证装置高效率及可靠、稳定运行。关键词:轴流泵装置肘型进水屈膝式出水CFD 数值模拟中图分类号:TH312文献标识码:A国内大型立式轴流泵机组，根据实际应用工况，通常会配有不同形式的进出水流道，进水流道通常分为肘型进水流道、簸箕型进水流道、开敞式进水流道、钟型进水流道;出水流道通常分为开敞式出水流道、虹吸式出水流道、平直出水流道、屈膝式出水流道。轴流泵站工程主要关注两点，一是整个泵站机组(从进水前池到出水池)的装置效率;二是整个装置的流态，尤其是进水流道、出水流道的流态。由肘型进水流道、水泵、屈膝式出水流道组成的装置，流态好、水力损失小、水流通过能力强，不会出现脱流现象。屈膝式出水流道在停机断流状态下可靠性更好，整个泵站装置效率比其他结构形式的水泵机组装置效率更高。以笔者公司中标的 2.3 m 口径大型立式轴流泵站项目为依托，着重选取了肘型进水流道、屈膝式出水流道进行研究，通过数值模拟分析，对泵站装置进行了优化。1主要技术参数泵站工程建设的目标是:外河按 20 年一遇标准防御洪水，城区按 20 年一遇最大 6 小时暴雨、6小时内排至不淹重要建筑物高程(最高蓄涝水位)的标准治涝，通过新建防洪堤以及新建泵站，改扩建排水渠，解决洪水侵袭和片区内涝问题，保证人民及财产安全，为城区提供安全的生产、生活环境，促进区域经济发展。泵站设计流量为 60 m3/s，采用 3 台 2300ZLQ型全调节立式轴流泵，水泵单泵设计流量为20 m3/s，设计净扬程为 4.04 m，大泵叶轮直径为 2300 mm，设计转速为 166.7 r/min，配套同步电动机功率为1600 kW。泵站规划设计参数表如表 1 所示。泵站纵剖面如图 1 所示。表 1泵站规划设计参数表项目参数设计排涝流量/(m3/s)60内水位最高水位/m35.00(黄海高程，下同)最高运行水位/m32.00设计运行水位/m31.50最低运行水位/m30.70外水位防洪水位/m37.13最高运行水位/m36.71设计运行水位/m35.54最低运行水位/m30.90最大净扬程/m6.01设计净扬程/m4.04最小净扬程/m0012023 年第 2 期图 1泵站纵剖面图2方案说明根据泵站设计技术参数，水力模型初步选用南水北调模型库备选 TJ04 ZL 02 号模型，模型叶轮直径为 300 mm，叶片数为 4 片，导叶数为 7 片。为了优化泵站进水流道、出水流道，保证泵站安全可靠运行的同时提高泵站装置效率，研究设计了三种方案的肘型进水流道和三种屈膝式出水流道，并进行了 CFD 数值模拟分析。3进水流道 CFD 数模优化研究3.1肘型进水流道水力优化设计方案因肘型进水流道相对比较成熟，在参考国内外最新文献资料、国内已建大型泵站成功案例及笔者公司开展系列化泵站研究成果的基础上进行肘型进水流道设计，方案如图 2 所示1。3.2进水流道三维造型及计算区域说明利用三维软件绘制进水流道(包含进水池、去除导水帽)的三维造型(见图3)。采用 ICEM 软件进行网格划分，采用非结构化四面体网格进行网格划分和网格无关性检查，最终确定总网格数约为220 万，网格质量优良，满足 CFD 分析要求，可以进行下一步数值模拟。3.3进水流道数值计算结果与分析3.3.1进水流道的水力损失特性进水流道计算了 5 个流量，分别是 0.8Q、0.9Q、1.0Q、1.1Q、1.2Q。采用面积加权平均法计算肘型进水流道的进口、出口断面，得到进水流道水力损失 h，如表 2 所示。从表中可以看出，每个方案的水力损失都很小，随着过流流量的增大，水力损失增大，经对比可以看出，同流量下方案一的水力损失更小，最小值为 4.47 cm，最大值为 9.92 cm，设计流量时，水力损失为 6.93 cm。3.3.2进水流道评判函数值2 进水流道作为引流的作用，流道好坏的评判依据为:水泵进口的流速分布均匀性;水泵进口速度矢量与水泵进口断面的垂直性。为了量化上述两个评判标准，通常采用流速分布均匀度 Vu和流速加权平均角度 来判定，Vu和 的具体定义为:Vu=max1 1?ua(uai?ua)2m100%(1)=maxuai 90 arctan(uti/uai)uai(2)式中，m 为进口断面的单元总数;uai为进口断面第 i 个单元的轴向流速;uti为进口断面上第 i 个单元的切向流速;?ua为进口断面的平均轴向流速。112023 年第 2 期图 2肘型进水流道方案图 3进水流道三维造型图表 2进水流道水力损失特性数据表方案一方案二方案三流量/(m3/s)水力损失/cm水力损失/cm水力损失/cm16.004.474.604.6718.005.645.805.8820.006.937.137.2422.008.368.608.7324.009.9210.2110.36当 Vu=100%(截面流速完全一致)、=90时(垂直进入水泵)，流道最优。提取结果文件水泵进口断面三个方向的速度数据，根据上述公式计算得到水泵进口断面的流速分布均匀度 Vu和流速加权平均角 数据，如表 3 所示。从表中可以看出，流速均匀度和平均入流角随着流量的增大而增大，方案一的流速均匀度和平均入流角最大，最大值为 97.76%，入流角为 87.73，三个方案的 Vu和 相差很小，均能满足水泵吸水要求。3.3.3进水流道内部流动特性沿进水流道中线截取纵剖面，绘制速度云图、速度等值线图及进水流道流线图，如图4 图6 所示。综合水力损失、流速均匀度、平均入流角、纵剖面速度云图、泵入口处速度云图、三维流线图等因素，采用进水流道方案一作为最终方案。表 3水泵进口断面的流速分布均匀度 Vu和流速加权平均角 数据表方案一方案二方案三流量/(m3/s)Vu/%/()Vu/%/()Vu/%/()16.0097.7187.7297.6187.6897.6087.6718.0097.7287.7297.6387.6897.6287.6720.0097.7487.7297.6487.6997.6387.6722.0097.7587.7397.6687.6997.6487.6724.0097.7687.7397.6787.6997.6587.68212023 年第 2 期图 4流道纵剖面速度云图图 5泵入口处断面速度等值线图图 6进水流道流线图4出水流道 CFD 数模优化研究4.1出水流道水力优化设计方案依托笔者公司已有的屈膝式出水流道设计经验，结合国内最新出水流道研究成果，针对屈膝式出水流道共设计了三种方案，如图 7 所示3。4.2出水流道三维造型利用三维软件绘制出水流道(包含进水延长段、出水池、闸门槽、去掉导水帽、转轴)的三维造型(见图8)。采用 ICEM 软件进行网格划分，采用非结构化四面体网格进行网格划分和网格无关性检查，最终确定总网格数约为 220 万，网格质量优图 7屈膝式出水流道方案良，满足 CFD 分析要求，可以进行下一步数值模拟。4.3出水流道数值计算结果与分析4.3.1出水流道的水力损失特性出水流道计算了5 个流量，分别是0.8Q、0.9Q、312023 年第 2 期图 8出水流道三维图1.0Q、1.1Q、1.2Q。采用面积加权平均法计算屈膝式出水流道的进口、出口断面，得到出水流道水力损失 h，如表 4 所示。从表 4 中可以看出，随着过流流量的增大，水力损失增大，经对比可以看出，方案一的出水流道水力损失较其他方案都小，水力损失最小为13.01 cm，最大为27.63 cm。4.3.2出水流道内部流动特性沿出水流道中线截取纵剖面，绘制速度云图、速度矢量图和出水流道三维流线图，如图 9 图 11表 4出水流道水力损失特性数据表方案一方案二方案三流量/(m3/s)水力损失 h/cm水力损失 h/cm 水力损失 h/cm16.0013.0116.1918.1718.0016.1820.1623.0120.0019.6724.4827.1222.0023.4929.3033.5124.0027.6334.4838.71图 9出水流道纵剖面速度云图图 10出水流道纵剖面速度矢量图图 11出水流道三维流线图所示。综合水力损失、纵剖面速度云图、纵剖面速度矢量图、三维流线图等因素，采用出水流道方案一作为最终方案。5泵装置特性预测5.1TJ04-ZL-02 水力模型三维造型和网格划分工程选用 TJ04 ZL 02 水力模型，叶轮直径Dm=300 mm，按 照 叶 轮 直 径 几 何 比(D/Dm=7.667)放大，采用 Turbogrid 进行叶轮和导叶段结构化网格划分，水泵的三维造型如图 12 所示4。图 12TJ04 ZL 02 水力模型三维造型412023 年第 2 期5.2泵装置三维造型将进水流道方案一、出水流道方案一与 TJ04 ZL 02 轴流泵网格分别导入 CFX Pre 软件中装配成水泵装置三维模型，如图 13 所示。整体泵装置网格数约 1046 万，经网格无关性检查，网格质量优良，满足 CFD 分析要求，可以进行下一步数值模拟。5.3泵装置计算结果水泵装置能量特性计算公式如式(3)式(5)所示:H=Pout Ping(3)P=T2n60(4)=gQHP(5)利用 CFX post 软件提取水泵装置进口、出口总压 Pin、Pout，利用式(3)计算得到水泵装置净扬程;提取水泵转动部件的力矩 T，本次泵站设计转速为 n=166.7 r/min，利用式(4)计算得到水泵轴功率;利用式(5)计算得到水泵装置效率，计算结果如表 5 和图 14 所示，泵装置三维流线图如图15 所示。图 13TJ04 ZL 02 水力模型泵装置造型表 5泵装置能量特性表流量 Q/(m3/s)净扬程 H/m功率 P/kW水泵装置效率/%166.441368.7873.86185.771296.3778.53204.861190.4380.02223.151014.5066.94241.02755.8831.77图 14泵装置能量特性图图 15泵装置三维流线图6数值分析结果(1)由进水流道 CFD 数值计算结果可知:随着流量的增加，进水流道的水力损失逐渐增大，流速均匀度和平均入流角逐渐增大;进水流道方案一的水力损失较低，设计流量下损失为 6.93 cm;方案一的流速均匀度和平均入流角较高，设计流量下分别为 97.74%和 87.72，能够很好地满足水泵吸水要求;三个方案的三维流线图均较光滑，未出现旋涡及回流。综上所述，采用方案一作为最终的方案。(2)由出水流道 CFD 数值计算结果可知:随着流量的增加，出水流道的水力损失逐渐增大，方案一的水力损失较其他方案小，设计流量下水力损失为 19.67 cm，最大水力损失为 27.63 cm，最小水力损失为 13.01 cm;方案三的水力损失最大，设计流量下水力损失为 27.12 cm;方案二和方案四水力损失接近，均为 24 cm 左右;方案三的出水流道底部出现低速区，其他三个方案均未出现低速区，不推荐方案三;方案一的三维流线图未出现回流及旋涡，流线平滑光顺。综上所述，采用方案一512023 年第 2 期作为最终方案。(3)由泵装置数值计算结果来看:TJ04 ZL02 水力模型与进水流道方案一、出水流道方案一匹配较好，能够满足设计要求。叶片角度为 0时，扬程随着流量的增大而减小，Q=16 m3/s 时，扬程最大为 6.44 m，Q=24 m3/s 时，扬程最小为1.02 m;设计流量 Q=20 m3/s 时，扬程为 4.86 m，大于设计净扬程 4.04 m。功率随着流量的增大而减小，Q=16 m3/s 时，功率最大为 1368.78 kW，小于招标要求的 1600 kW。效率随着流量的增大先增大后减小，在设计流量 Q=20 m3/s 时，效率最大为 80.02%。综上所述，TJ04 ZL 02 水力模型在叶片角度为 0时能够满足泵站设计要求。7结语经过数值模拟分析结果可知，进水流道、出水流道的优化空间较大，在以后的工程中，应针对实际工况单独设计进出水流道，通过数值模拟分析对比优化，确定最佳技术方案。同时在无法进行真机试验的情况下，需进行装置模型试验验证设计的合理性、匹配性、适用性。肘型进水流道、水泵、屈膝式出水流道的立式轴流泵机组装置水力损失小、装置效率高、流态好、未出现脱流现象，可在大中型立式轴流泵站中推广应用。参考文献 1 陆林广泵站进水流道优化设计 M 北京:中国水利水电出版社，1997 2 王东进，王玉心平面 S 型轴伸贯流泵装置分析 J 水泵技术，2021(5):7 12 3 关醒凡现代泵技术手册 M 北京:中国宇航出版社，2011 4 关醒凡大中型低扬程泵选型手册 M 北京:机械工业出版社，2019(本文编辑陈丽霞)(收稿日期2022 12 15)(上接第 9 页)表着优化前后面平均磨损率以及优化前后最大磨损率之间的对比。从中也可以看出，在相同粒径与质量浓度保持一致的情况下，叶轮的最大累加磨损量与面平均磨损量有明显的降低，说明通过改变叶片之间的出口角度对降低磨损量起到了一定的作用。6结论基于 DPM 模型对离心泵水力模型进行磨损模拟，通过模拟结果分析在不同颗粒粒径、质量浓度下离心泵过流部件的磨损，得出以下结论:(1)颗粒质量浓度保持不变时，当粒径从0.025 mm 增加到 2 mm 时，叶片工作面尾缘磨损程度加剧，背面磨损程度降低，前盖板靠近背面一侧磨损减弱，靠近工作面一侧磨损加剧。(2)颗粒粒径保持不变时，随着颗粒质量浓度的逐渐增大，离心泵过流部件上的磨损位置不变，磨损量增加。(3)与叶轮发生反弹并在流道内与叶轮发生二次碰撞，一部分沿着叶片工作面流出。(4)颗粒质量浓度与颗粒直径不变的情况下，通过优化叶片的出口角度，可以适当降低整体的磨损率，达到优化作用。参考文献 1 黄凯，刘栋，尤保健，等颗粒浓度对离心泵性能及磨损影响的研究 J 流体机械，2022，50(2):35 42 2 曾小东，李昳离心泵性能及其内部固液两相流动规律研究C 第 11 届全国水力机械及其系统学术年会论文集北京，2018 3 刘娟，许洪元，唐澍，等离心泵内固体颗粒运动规律与磨损的数值模拟 J 农业机械学报，2008，39(6):54 59 4 宋龙波，滕爽，曹骞，等大尺寸固体颗粒对固液两相流输送泵叶轮的磨损 J 排灌机械工程学报，2021，39(10):987 993，1000 5 董文龙，李昳离心泵内大颗粒下运动特性数值模拟与磨损分析 J 机电工程，2015，32(3):324 327(本文编辑陈丽霞)(收稿日期2022 11 30)61