基于CFD的主轴密封泵板装置结构优化设计

牧振伟，贵辛未*，夏庆成，张治山

(1. 新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052; 2. 新疆天富能源股份有限公司红山嘴水电厂，新疆 石河子 832000)

水轮机长时间处于运转状态，由于磨损、物料冲刷、腐蚀等导致主轴密封泄漏，泄漏水进入油盆严重影响机组运行.近年来中高水头电站水轮机主轴密封常采用非接触密封结构[1]，泵板装置是其关键部件之一，可显著降低主轴密封压力，同时增大止漏环压力，从而减少泄漏量.泵板装置在对主轴密封工作性能有显著改善，使得电站检修大大减轻了作业量.

泵板装置在顶盖取水技术方面应用也较为广泛，国内诸多电站通过在转轮上冠增设泵板装置以达到顶盖取水技术需求[2].杨二豪等[3]以黄登水电站为例研究了泵板装置泵叶角度对顶盖取水压力影响规律，提出顶盖取水技术对该装置的依赖性以及优化可行性.唐聪[4]以古里电站对反常减压板(类似泵盖)减压效果进行了数值计算，表明减压板位置对减小轴向水推力有显著影响.张惟斌等[5]以渔子溪水电站顶盖取水技术为例，建立了基于响应面近似的泵板装置泵叶优化模型，同时提出泵板装置的存在可使得主轴密封处于无水状态，从而延长主轴密封使用寿命.以上对泵板装置的研究多以顶盖取水需求为主，且泵板装置结构改进单一.应进一步研究泵板装置对主轴密封工作性能影响，对泵叶角度和泵盖高度进行联合改进.

现阶段主轴密封泵板装置设计暂无统一的理论依据和数学模型，主要依赖工作实际经验和部分推论.主轴密封泵板装置由于密封间隙的存在，如果采用物理模型试验进行研究，则成本较大，而利用可靠的数学模型进行数值计算大大节约成本.文中以新疆红山嘴一级水电站4号机泵板装置结构图建立合理的数学模型，应用计算流体动力学软件进行数值模拟，研究泵板装置内泄漏水特性，从而为中高水头混流式水轮机主轴密封改造和优化设计提供一定的理论依据.

1 计算模型

1.1 工作原理

泵板装置主要包括动泵叶、泵盖、止水环等部件.由于存在上冠间隙，水泄漏不可避免.水轮机正常运行时，泵板装置随转轮以同一转速旋转，由于离心作用泵盖下腔距离主轴中心越近压力越小，泵盖上腔较多泄漏水和主轴密封已存在极少量泄漏水会被吸入下腔内，经泵盖下腔泵叶加压后泄漏水从泵盖排出.泵板装置工作原理与离心泵[6-8]相比最大区别是进口较小导致运行工况长期处于小流量区域，水力效率低，其具体工作原理如图1所示.

图1 工作原理Fig.1 Working principle

1.2 试验方案

结构改进方案以现阶段电站泵板装置参数(径向泵叶、泵盖高度比HP=0.135 9)为基础，对泵叶角度和泵盖高度在可调整范围内进行改进，即相对转轮逆时针方向旋转泵叶斜置30°和45°、泵盖高度以5mm间隔进行插值，建立试验模型22个，工况共计198种.

为使研究更具普适性，将该装置结构参数化处理，定义泵盖高度比HP=h/H(h为泵盖与顶盖之间距离，H为顶盖与上冠最低端距离，HP=0.054 3，0.081 5，0.108 7，0.135 9，0.163 1，0.190 2，0.217 4).试验方案分为4类，分别为无泵板装置、辐射径向泵叶、泵叶斜置30°、泵叶斜置45°.

1.3 网格划分

不同计算域均利用ICEM软件对其进行六面体结构化网格划分.由于泵板装置为环形腔，为避免“O”型网格关联，利用2D转3D块形成方法，形成了0.8以上的高质量网格.试验模型的1.5 mm密封间隙需要局部加密处理，与其周围网格以biGeometric方式1.3比例进行光滑过渡.所有试验模型网格数量均在220万左右.在正式计算前对网格进行网格无关性检验，泵盖进出口压力指标变化范围均在2%以内，满足网格无关性要求.

1.4 边界条件

根据水电站实测数据，以红山嘴一级水电站水轮机在额定水头104 m和额定转速375 r/min下100%出力为计算工况，对计算域各边界条件进行设置.

1.4.1 进口边界

由泵板装置工作原理[9-10]可知，计算域进口可分为上冠间隙进口和主轴密封下侧进口.上冠间隙进口采用总压进口，流体方向采用圆柱坐标系，其总压结合水头、水轮机效率以及伯努利方程可求得为1.077 5 MPa.泄漏水在进入上冠间隙前具有圆周速度vu和轴向速度vz，其具体值可根据顶盖供水技术经验[11-12]选取.在该工况下,vu为定值28 m/s，vz表示泄漏量多少与密封结构之间的关系，vz取9个不同泄漏量(15，17，19，21，23，25，27，29，31 m/s).vu和vz组合值已包含该转速下所有泄漏量值，水轮机稳定运行时主轴密封下侧无水，因此主轴密封下侧进口设流量Q=0.

由于转轮进口前无导叶区流道很短[13-14]，故忽略此处水力损失，转轮上冠间隙进口总压e1可由转轮利用的有效水头求得(单位水体在转轮进出口的能量差)，即

e1=ηH+e2，

(1)

式中：e1为上冠间隙进口总压；e2为转轮出口单位水体能量头；η为水力效率；H为工作水头.

2000年，在ARL的支持下，依据LibQUAL+TM指标对12所大学图书馆进行了服务质量实验，取得了较为理想的结果，但是却也存在些问题。由于图书馆的服务本身就是复杂的，在对其进行评价是，其评价指标难免会出现指标重复、重要方面遗漏等问题。为了更加全面的对图书馆进行评级，LibQUAL+TM指标在2001年甚至扩展到5个层面56个问题。在之后几年的研究与实践中，删减重复、无意义指标，增加有用的指标，在2004年形成了服务影响、信息控制和图书馆环境3个层面，22个具体指标的稳定体系，见表1。

e2可由转轮出口断面与尾水断面建立伯努利方程求得，即

(2)

式中：pT，ZT，vT分别为尾水面大气压、尾水管断面位置势能及断面流速；ΔH2-T为转轮出口断面到尾水断面的水力损失，因式(1)中有效水头已考虑水轮机水力损失，故此处Δh2-T可忽略为0.

将式(1)代入式(2)，即可确定转轮上冠流道进口总压为

(3)

1.4.2 出口边界

出口采用质量流量边界条件.由进出口质量守恒定律可知，出口流量Qm由进口决定，即

(4)

式中：ρ为水的密度；Fin为间隙的过流断面面积.

1.4.3 其他边界

壁面设为无滑移壁面，粗糙度为0.004 mm.旋转壁面设置与转轮相同的转速.泵盖下腔计算域相对上腔和低压腔为旋转，因此采用冰冻转子法[15-17]进行动静耦合.收敛残差设置为0.000 01，同时监控进出口压力差波动情况，将压力差不再变化作为计算收敛标准.

1.5 数值计算

采用SSTk-ω湍流模型进行数值计算[18].在对所有工况计算前，进行可靠性验证.对现阶段红山嘴一级水电站4号机已改造泵板装置建立数学模型，设置上述边界条件数值模拟并与现场实测数据进行对比，以顶盖排水管和上冠间隙进口压力为指标，发现计算结果与电站实测数据吻合良好，相对误差为2.04%，符合计算可靠性要求，在此基础上对各试验方案进行数值计算.

2 计算结果及分析

2.1 流动特性分析

试验工况较多，同一试验模型不同流量下泄漏水流动特性基本相似，本研究重点探究不同泵板结构对泄漏水流动的影响，因此取典型工况在相同泄漏量(vz=23 m/s)下的二维流线图进行分析，如图2所示，流线图选取截面为上冠流道辐射径向方向.由图2可以看出：在顶盖与转轮上冠空腔内是否增设泵板装置对泄漏水流动特性有明显差异；转轮上冠与顶盖之间无泵板装置时，泄漏水在流道中部位置存在大量回流区域，整个上冠腔体以一较大旋涡为主，这是因为当泄漏水从上冠间隙流入，出口仅有顶盖出口，处于空腔内部的流体受空间影响出现逆压力梯度，从而出现回流(见图2a)；泵盖高度比较小时，无论泵叶径向还是斜置布置，泵盖下腔流动特性并未发生明显变化，均以2个旋涡为主(见图2b-d)；随着泵盖高度比增大，下腔体泄漏水流动特性仍变化不明显，但泵盖上腔体出现了回流现象且泵叶斜置45°的结构更显著，在壁面边界交汇处，受无滑移壁面边界层的影响，出现逆压力梯度导致了回流(见图2e-g)；对不同模型进行对比分析，泵盖高度较泵叶角度变化对泄漏水流态影响更大.

图2 不同试验模型二维流线图及径向泵叶表面压力分布Fig.2 Contours of two-dimensional streamline and pressure of different test models

由图2还可以看出，以泵盖高度比0.217 4的径向泵叶为例，泵叶表面压力随叶片半径增大逐渐增大，变化范围从泵叶内边缘303.0 kPa至泵叶外边缘376.0 kPa(见图2h).当泵叶斜置30°或45°且泵盖高度比为0.217 4时，表面压力分布趋势与辐射径向泵叶相同，内外边缘压差均在73.0 kPa左右.

2.2 泵盖下腔进出口压差分析

泵板装置工作原理与离心泵类似，通过对泵叶表面压力分析可知，若泵盖下腔进出口压差越大，即扬程越大，越有利于泄漏水的排除.因此将泵盖下腔进出口压差作为研究指标，分析泵板装置水力效率提高可行性.设泵盖下腔进出口压力分别为p0,p1，压力差即Δp′=p1-p0.

对4类试验方案各个工况的Δp′进行统计分析，得到泵盖下腔进出口压差变化特性曲线，如图3所示.

图3 泵盖下腔进出口压差变化特性曲线Fig.3 Pressure difference curve between inlet and outlet of impeller shroud

由图3可以看出：当泵盖高度比一定(HP=0.135 9)时，不同泵叶角度对泵盖下腔进出口压力差有明显差异，在该高度比下，泵叶斜置30°或45°时的压差均小于辐射径向泵叶压差，这表明在该高度比下泵改变叶角度不利于泵盖下腔扬程提高(见图3a)；对比3种不同角度泵叶，当高度比HP=0.054 3时，泵腔进出口压力差均随上冠间隙泄漏量的增大而急剧下降，这是因为泵盖向上移动过程中导致泵盖上腔容积减小过大，对来自上冠间隙泄漏水阻力变大，导致泵盖下腔进口基本处于无水状态，泵叶离心作用大大削弱(见图3b-d).为避免该现象，工程实际中泵盖上移调整时不易太高，高度比HP=0.054 3可作为泵盖调整上限参考值，另外泵盖调整以不得改变泵盖进口密封长度为下限标准，此时高度比HP=0.217 4.

因此，本研究基于高度比范围(0.054 30.135 9时，压差Δp′随上冠间隙泄漏量增大呈上升趋势，高度比HP<0.135 9时，结果相反，这说明即使高度比一样，泵盖下腔抽送能力与上冠间隙泄漏量并非线性关系.

以下研究“最不利高度比”.由上面分析可知，不同角度泵叶同一泄漏量下，泵盖上下移动时其进出口压差△p′变化具有一定规律性，为便于表达，取3个不同泄漏量(vz=15，23，31 m/s)，对各方案建立泵盖进出口压差进行对比分析，如图4所示.

图4 泵盖下腔进出口压差对比分析图Fig.4 Comparison of pressure difference between inlet and outlet of impeller shroud

由图4可以看出：无论泵叶斜置与否，泵盖进出口压差Δp′均随泵盖高度比HP的增大呈先下降后上升趋势，压差Δp′最小对应的泵盖高度比均为0.135 9，这说明在泵盖可调整范围内，当泵盖高度比在0.135 9左右时，压差Δp′最小，该高度比对泵盖下腔抽送能力的提高最不利，会降低泵盖下腔扬程效率，因此须避免；当泵盖高度比小于最不利高度比时，即泵盖下腔体积变大，泵叶同时变大致使泵腔抽送能力提高，说明改变泵叶高度对泵盖下腔抽送能力提高的可行性；当泵盖高度比大于最不利高度比时，由于泵盖上腔增大导致较多泄漏水可进入泵盖下腔，出口压力增大导致压差变大；对比方案二和方案三、四，泵盖高度比的改变对泵盖进出口压差Δp′增大更显著，这也证实了泵叶角度改变对该装置水力效率提高效果并不理想.

2.3 主轴密封真空高度分析

通过对泵板装置进出口压力差分析可得，为增大扬程，提高其工作效率，泵盖在可调节范围内从“最不利高度比0.135 9”附近上下移动均可达到目的.为进一步研究改进模型对主轴密封工作性能影响，将主轴密封腔体下侧真空度作为指标进行分析.

主轴密封真空度Δp″与上冠间隙进口压力联系密切，为准确表征Δp″变化规律，采用相对值表示，即Δp″=p′-p″，其中p′，p″分别为上冠间隙进口和主轴密封下侧处绝对压力.Δp″值越大表征主轴密封真空度越大，对主轴密封工作环境越有利.

泵叶斜置和减小泵盖高度比均可达到主轴密封腔体降压目的，为进一步探究主轴密封降压最佳结构方案，需对所有试验模型全工况进行对比分析.图5为各试验方案在同一泄漏量(取vz=15，23，31 m/s)下主轴密封相对真空度对比图.

图5 主轴密封相对真空度对比Fig.5 Comparison of relative vacuum degree in shaft seal

由图5可知，在一定泄漏量下，泵叶斜置45°且泵盖高度比较小的联合结构对主轴密封处减压效果最佳.泵板装置对主轴密封漏水改善具有较大意义，其改进结构对主轴密封性能的提高为研究重点，但同时也需兼顾水力效率问题.若将泵叶斜置45°、泵盖高度比HP=0.054 3改进结构作为最佳方案，对主轴密封真空度提高有较大改善，但其水力效率会大大降低.若将泵叶斜置45°、泵盖高度比HP=0.0815为最佳方案，不仅主轴密封性能得到改善且泵板装置水力效率相对较高，该改进结构较现运行结构(径向泵叶、泵盖高度比HP=0.135 9)主轴密封真空度可提高60.9%.

对4类试验方案各个工况Δp″进行统计分析，得到主轴密封真空度变化特性曲线，如图6所示.由图6a可知，泵板装置的存在对降低主轴密封压力效果显著，且泵叶斜置30°或45°均比辐射径向泵叶效果更明显，这说明通过改变泵叶角度来提高主轴密封真空度是可行的.由图6b-d可知，泵叶角度一定时，在各个不同泄漏量下，主轴密封下侧真空度Δp″均随着泵盖高度比的减小呈增大趋势，即泵盖高度比越小对降低主轴密封压力更有利.

图6 主轴密封相对真空度变化特性曲线Fig.6 Relative vacuum degree curves in shaft seal

通过对22种泵板装置改进模型进行数值计算分析可知，实际工程中为提高主轴密封真空度可采取合理的泵板装置来实现，即斜置泵叶和小高度比泵盖结构.另外泵盖结构的调节需避免“最不利高度比”来增大泵板装置水力效率.

3 结 论

1) 针对新疆红山嘴电站主轴密封泵板装置改造问题，泵盖在可调整范围内(0.054 3≤HP≤0.217 4)对泵腔扬程而言存在“最不利高度比0.135 9”，实际工程需避免.

2) 泵盖高度较泵叶角度改变对泵盖下腔扬程提高更为显著，表明改变泵板装置结构提高水力效率具有可行性.

3) 提高主轴密封真空度对泵板装置具有依赖性，泵叶及泵盖联合改进结构对主轴密封降压更有利.

4) 为满足新疆红山嘴电站主轴密封工作性能且考虑泵板装置水力效率，泵叶斜置45°、高度比HP=0.081 5为最佳改进方案.