立式轴流泵装置进口导水锥支架对马鞍区性能影响研究

渠浩，陈晔，汤方平*，张文鹏，刘海宇，柏周，孙壮壮

▪灌溉水源与输配水系统▪

立式轴流泵装置进口导水锥支架对马鞍区性能影响研究

渠浩1，陈晔2，汤方平1*，张文鹏1，刘海宇1，柏周1，孙壮壮1

（1.扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225000；2.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215000）

【】研究进口导水锥支架对“马鞍区”和设计流量工况下立式轴流泵装置水力性能以及水泵内部流场的影响。基于RANS方程和 SST-湍流模型进行三维计算，选择立式轴流泵装置进行有无进口导水锥支架方案的对比分析，通过模型试验验证了数值计算的可靠性。小流量工况下，无进口导水锥支架方案立式轴流泵装置进水流道出口出现流动回流，形成大范围回流漩涡，造成进水流道堵塞，引起大量低频压力脉动，并产生能量损失，致使扬程突降，出现马鞍区。有进口导水锥支架方案可以有效抑制回流漩涡的范围和强度，降低低频压力脉动，提高泵装置稳定性。马鞍区最低点扬程上升5.5%，明显消除马鞍形。设计流量工况，进口导水锥支架的设置增加了叶片做功能力，抵消了支架的部分水力损失，使得扬程下降较小，约1.3%，内流场较为均匀。进口导水锥支架在工程应用中具备改善立式轴流泵装置马鞍区的巨大潜力。

马鞍区；立式轴流泵装置；数值模拟；模型试验

0 引 言

【研究意义】立式轴流泵装置技术成熟、运行维护方便。目前，被广泛应用于农田灌溉工程、调水工程、防洪排涝工程、市政供水工程、化学工业、船舶工业等各个领域[1-3]。立式轴流泵在小流量工况产生的马鞍区[4-5]意味着水泵运行存在着严重的不稳定性[6-7]，水泵运行存在安全风险，严重制约了水泵的运行范围[8-10]。进口导水锥支架具有结构简单，方便施工等特点，可以显著提高施工效率，对轴流泵使用过程中检修叶轮也可以起到辅助作用。马鞍区的存在对泵装置稳定运行产生较大影响，进口导水锥支架对马鞍区不良特性起到了改善作用。

国内外学者持续开展了对马鞍区工况的各种研究。【研究进展】成立等[11]认为旋转失速和进水流道条件恶化是造成轴流泵进入不稳定区的重要内因。杨华等[12]发现小流量工况下，进水流道出口的回流导致了水泵运行的不稳定，水力特性下降。刘君等[13]研究发现在叶轮进、出口轮毂产生二次回流是造成轴流泵效率下降和运行不稳定的直接原因。何乃昌等[14]发现马鞍区压力脉动时域内规律性比设计工况低，压力脉动波动幅度较设计工况下明显增大。张睿等[15]进行数值模拟表明辐条控制技术可以减小进水流道出口前的压力降，从而提高轴流泵扬程。削弱了进水流道出口主流区的漩涡流动，提高了水泵运行稳定性。杨华等[16]提出进水流道出口挡板的设置可以减小叶片吸力面静压，从而提高水泵扬程。阻断进水流道出口回流的连续性，有效抑制了回流的发展。冯建军等[17]利用在进水管壁开槽提高叶轮背面的压力，进而提高了轴流泵扬程。改善了进水流道出口的水流冲角，抑制了回流和通道涡的产生。程千等[18]在回流区设置导叶打破连续的回流涡，减小能量损失，提高扬程。【切入点】进口导水锥支架的结构形式与进口挡板形式相近，其特点为使用挡板作为支架，将导水锥固定在进水流道出口处，使导水锥与叶轮脱离。目前，在工程中的应用主要局限于考虑安装、维修便利，但由于担心对叶轮进口水流造成阻碍作用，使用存在较大的争议。本文在分析现有的改善马鞍区措施的基础上，研究和探索进口导水锥支架对马鞍区和设计流量工况的影响。

【拟解决的关键问题】本文探究进口导水锥支架对轴流泵装置马鞍区不良水流的抑制机理，并分析进口导水锥支架对设计流量工况影响程度。采用有无进口导水锥支架的轴流泵装置模型，通过数值模拟计算，分析二者外特性特征和内流场变化，为进口导水锥支架在工程上的应用提供理论依据。

1 进口导水锥支架概况

进口导水锥支架是指将导水锥与叶轮脱离并使用挡板支架固定在进水流道出口的导水锥形式，工程图如图1所示。

图1 进口导水锥支架

2 数值模拟

2.1 计算模型

本文选取立式轴流泵装置为研究对象，计算模型由肘形进水流道，进口导水锥支架，叶轮，导叶，虹吸出水流道组成。叶轮直径=300 mm，叶轮叶片数为4，导叶叶片数为7，设计转速为1 322 r/min。进口导水锥支架挡板数为5，单个挡板厚度为4 mm，挡板长度为0.6倍导水锥长半径。模型如图2所示。

1.肘形进水流道；2.虹吸出水流道；3.进口导水锥支架；4.叶轮；5.导叶

2.2 数值计算与网格划分

采用ANSYS CFX 计算软件对立式轴流泵装置模型内部三维流场进行求解计算。计算模型选择雷诺时均N-S方程和能够较好适应逆梯度变化并且对壁面流动分离预测较为准确的SST-湍流模型[19-20]。模型条件设置为：介质为25 ℃水，模型进口为总压（100 KPa），模型出口给定质量流量，固壁面边界均为水力光滑的无滑移边界，叶轮体定义为旋转域，其余部分均为固定域，叶轮与进水流道、叶轮与导叶的交界面为动静交界面且采用Frozen-rotor交界面进行数据传递。在进行非定常数值模拟计算中，非定常模拟计算以定常计算的收敛结果为基础进行计算，时间步长设置为3.782 15×10-4s，对应设计转速叶轮旋转3°。

叶轮和导叶采用ANSYS TurbGrid进行网格划分，进水流道、导水锥和出水流道均采用ICEM进行结构化网格划分。为减小网格数对计算结果的影响，对计算域不同节点数量的网格进行网格无关性分析。部分计算结果如图3所示，网格的增加会导致效率和扬程变化，当网格数增加到一定数量（本文为414万）后，计算扬程和效率在极小范围内进行波动，基本趋于稳定，故认为网格数达到414万满足网格无关性要求。

图3 网格无关性分析

3 结果与分析

3.1 数值模拟的可靠性分析

立式轴流泵装置模型试验在高精度水力机械试验台上进行。试验台水力封闭循环系统的总长度为60 m，电磁流量计的前后10倍直管段为直径0.4 m的管道，其余管道直径均为0.5 m，试验系统水体积为50 m3，效率测试系统综合误差为±0.39%，满足国家现有标准GB/T18149—2000和中华人民共和国水利部行业标准SL140—2006精度要求，仪器设备均通过国家计量认证。图4为泵装置试验模型。表1为试验值与模拟值。由表1可知，扬程模拟值与试验值整体趋势一致，结果吻合较好，二者最大误差不超过5%，验证了CFX数值模拟的可靠性。

图4 泵装置试验模型

表1 立式轴流泵装置扬程误差分析

3.2 进口导水锥支架对立式轴流泵水力性能的影响

图5为采用进口导水锥支架和无进口导水锥支架的立式轴流泵水力性能对比结果。

由图5可知，无进口导水锥支架的立式轴流泵装置在流量减小到临界失速（=0.62des）时，随流量减小而上升的扬程曲线突然出现下降，在=0.56des达到最小值，与临界失速工况扬程相比约下降2.6%，立式轴流泵出现明显马鞍区。使用进口导水锥支架的泵装置，在小流量工况下未出现扬程骤降的现象，扬程曲线随流量的减小呈单调递增，马鞍区明显消除。设计流量工况设置进口导水锥支架的扬程曲线出现轻微下降，未出现明显偏离，故进口导水锥支架对设计流量工况下扬程曲线影响较小。

对图5的效率曲线进行分析，在小流量工况下，进口导水锥支架效率与无进口导水锥支架基本一致，设计流量工况效率则出现进口导水锥支架方案略低于无进口导水锥支架方案。出现这种情况的主要原因在于设置进口导水锥支架的泵装置与无进口导水锥支架的泵装置相比，加设支架导致轴功率增加。

图5 立式轴流泵水力性能对比

3.3 立式轴流泵叶轮流速分析

3.3.1 轴面速度和周向速度分析

取进水流道出口，叶片进口，叶片出口3个断面，进行同一工况（0.56des、des）下采用无进口导水锥支架（方案1）和有进口导水锥支架（方案2）的轴面速度和周向速度对比，分析进口导水锥支架对叶轮来流速度的影响。图6为叶轮轴面速度分布，图8为叶轮周向速度分布。相对叶高表示从轮毂到轮缘的无量纲距离，0为轮毂，1为轮缘；轴面速度进口到出口方向为正；周向速度速度沿Theta增大方向为负（Theta是遵循右手法则围绕旋转轴测量的角坐标）。

图6 叶轮轴面速度分布

由图6可知，在不同流量工况下，进水流道出口、叶片进口、叶片出口轴面速度分布规律基本相同，从轮毂到轮缘轴面速度分布为先增大后减小。小流量工况下，进水流道出口、叶片进口轴面速度在靠近轮缘一侧减小至负值，导致水流在管壁附近出现回流。叶片出口轴面速度则在临近轮毂处出现负值，说明水流在轮毂附近出现回流。由图7可知，小流量工况，进水流道出口周向速度在靠近轮缘一侧出现大幅度增加，叶片进口周向速度在轮毂侧出现较大数值的同时靠近轮缘一侧出现较大数值，其余均趋于0。叶片出口周向速度随断面半径先增加后减小再增大。综合分析，进水流道出口轴面速度减小至负值，周向速度增加，导致进口冲角增加，进而形成回流漩涡，造成进口流道堵塞。叶片进口轴面速度轮毂到轮缘先增加后减小至负值，周向速度在靠近轮毂和轮缘处均有增加，表明水流在轮毂附近流入，在轮缘附近流出，出现脱流。叶片出口轴面速度因水黏滞力作用在临近轮毂处出现负值，周向速度较小，出现回流。

对比可得，在小流量工况下，进水流道出口轴面速度更加均匀，在靠近轮缘处轴面速度明显增加，负值消失，进水流道出口周向速度减小，回流得到明显抑制。叶片进口轴面速度更加均匀，在靠近轮缘处轴面速度增加，但负值并未消失，周向速度减少较小，脱流得到改善但没有完全抑制。叶片出口轴面速度和周向速度，特别是轮毂附近，虽然产生变化，但回流状态没有改变。设计流量工况，进口导水锥支架对叶轮内轴面速度影响较小。进水流道出口、叶片进口周向速度出现减小，改变了入流角。叶片出口周向速度出现轻微下降。总体影响较小，水流均匀。

图7 叶轮周向速度分布

3.3.2 速度液流角分析

取进水流道出口，叶片进口，叶片出口3个断面，进行同一工况（0.56des、des）下无进口导水锥支架（方案1）和有进口导水锥支架（方案2）的速度液流角对比，从来流速度液流角角度分析进口导水锥支架对叶轮水流的影响。图8为叶轮速度液流角分布；相对叶高表示从轮毂到轮缘的无量纲距离，0为轮毂，1为轮缘；速度液流角为水流速度与周向速度的夹角，范围是-180°至+180°，以周向速度方向为0°，从进口到出口方向为正。

由图8可知，在小流量工况下，进水流道出口、叶片进口在靠近轮缘处速度液流角减小至负值，表明水流在轮缘处出现回流；叶片出口则是在靠近轮毂处速度液流角为负值，说明水流在轮毂处出现回流。在设计流量工况下，进水流道出口、叶片进口速度液流角基本在90°附近，水流前进方向均匀，叶片进口在轮毂和轮缘受叶片和叶顶间隙影响角度分别增加和减小，叶片出口经叶片旋转作用速度液流角整体增加。

采用进口导水锥支架方案，在小流量工况下，进水流道出口速度液流角更加均匀，在靠近轮缘处速度液流角增加，负值消失，回流得到改善；叶片进口速度液流角同样变得均匀，在轮缘处速度液流角虽然有所增加，但依然处于负值的状态，回流有所削弱，但依旧存在；叶片出口速度液流角的变化表明进口导水锥支架对于叶片出口轮毂处的回流基本上没有起到改善作用。设计流量工况下叶轮内的速度液流角略有减小，水流方向出现轻微变化，总体影响较小。

图8 速度液流角分布

3.4 叶轮叶片表面压力

图9为无进口导水锥支架（方案1）和有进口导水锥支架（方案2）的立式轴流泵装置在同一工况（0.56des、des）不同叶高下叶轮叶片表面压力沿弦向分布。相对弦长表示无量纲弦长，叶片的进口为0，叶片的出口为1。

由图9可知，在马鞍区工况，0.1叶高下，有进口导水锥支架与无进口导水锥支架相比，叶片压力面表面压力，除出口附近，整体上升，叶片吸力面整体变化不大。0.5叶高下，有进口导水锥支架与无进口导水锥支架相比，叶片压力面表面压力，除出口附近，整体上升，叶片吸力面压力进口附近减小，其他位置变化较小。0.9叶高下，进口导水锥支架与无进口导水锥支架相比，叶片压力面表面压力，除出口附近，有所上升，特别是叶片进口附近上升幅度较大，叶片吸力面进口附近压力降低，其他部分增加较小。在设计流量工况，有进口导水锥支架方案的叶片压力面表面压力增加，吸力面二者趋势基本相同。

有进口导水锥支架方案，在马鞍区工况叶片压力面、吸力面压差增加明显，叶片做功能力得到大幅提高，最终使得轴流泵装置扬程上升。在设计流量工况叶片表面压力变化较小，压差出现一定程度增加，叶片做功能力得到提高，但提升幅度较小。

图9 叶片表面压力分布

3.5 立式轴流泵CFD内流分析

为了进一步研究进口导水锥支架对立式轴流泵装置叶轮及其进口流场的影响，在马鞍区工况（0.56des）和设计流量工况（des）分别选取2个断面进行无进口导水锥支架（方案1）和有进口导水锥支架（方案2）的立式轴流泵流线分布的对比分析，如图10所示。

图10 叶轮及进口流线分布

分析图10可得，采用无进口导水锥支架的立式轴流泵装置与采用进口导水锥支架的立式轴流泵装置相比，在设计流量工况下叶轮及其进口流态基本没有变化，进口导水锥支架的挡板出口侧出现轻微径向流线，但仅局限于挡板边缘，未对流道产生影响。

采用无进口导水锥支架的泵装置在小流量工况下产生流动分离，在进水流道出口靠近轮缘处出现脱流回流，形成漩涡，接着向上游延伸形成2次漩涡，最终堵塞流道。叶片出口靠近轮毂处出现回流漩涡。

采用进口导水锥支架则有效阻断了进水流道出口回流向上游的延伸，连续受到抑制，上游2次漩涡被明显消除，进水流道出口流道的堵塞程度得到减小，主流得到扩大。进口导水锥支架对于叶片出口轮毂处的回流漩涡没有起到改善作用。

3.6 立式轴流泵装置压力脉动特性分析

在马鞍区工况运行，由于立式轴流泵装置内部产生的回流和漩涡导致强烈震动，压力脉动产生剧烈变化，对泵装置稳定运行带来不良后果。对立式轴流泵装置模型进行压力脉动模拟计算，进水流道出口，叶片进口，叶片出口3个断面分别沿径向从轮缘到轮毂依次设置3个监控点（P1、P2、P3）。对比分析无进口导水锥支架（方案1）和有进口导水锥支架（方案2）在des和0.56des工况下的压力脉动信号。

将模拟计算得到的监控点压力脉动信号数据进行傅里叶变换，得到压力脉动频域图，其中为频率与叶轮转频的比值。由图11可知，在des工况下，进水流道出口、叶片进口所采集的压力脉动的主频率均为叶轮转频的4倍，即主频率为叶轮通过频率，说明在设计流量工况下，压力脉动主要由叶轮转动频率所影响[21]。叶片出口则因水流流态较为复杂，在轮缘处以0.5倍的叶轮转频为主频率。设置进口导水锥支架使得所有监控点的压力脉动主频均为4倍叶轮转频，同时叶片出口的低频压力脉动幅值得到减小，但是，受到加设支架所产生的动静干涉影响，使得除叶片出口以外的主频的压力脉动幅值出现增加。由图12可知，0.56des工况，因流道内出现的大量回流漩涡，导致产生大量低频脉动。加设进口导水锥支架，进水流道出口、叶片进口的低频压力脉动幅值均得到减弱，但同样因为动静干涉问题出现4倍转频的压力脉动幅值出现轻微增加。叶片出口的低频脉动没有明显消除。

图11 设计流量工况压力脉动频域分布

图12小流量工况压力脉动频域分布

4 讨 论

本文通过非定常计算对比分析有无进口导水锥支架的轴流泵装置在小流量工况和设计流量工况的水力性能和内部流场。研究表明，进口导水锥支架的设置有效提高了小流量工况的扬程，避免了马鞍区的出现，这与杨华等[16]研究结果类似。同时，支架不可避免地对轴流泵设计流量工况的效率产生了影响，高效区整体效率出现了1%左右的下降。针对进口导水锥支架对内部流场的影响进行了相关分析。研究发现马鞍区进水流道出口轴面速度负值消失，冲角减小，回流得到削弱。叶片脱流向上游发展产生的二次漩涡被明显抑制，进口流道条件得到了明显改善。叶片进口的回流得到减弱但没有消失。进口导水锥支架对叶片出口的水流状态影响较小，改善效果不明显。设计流量工况的水流依旧保持了较均匀的水流，内部流场均匀稳定。进一步对比叶片表面压力，我们可以得到0.56des工况下，进口导水锥支架导致叶轮叶片压力面表面压力增加，使得叶片压力面和吸力面压差增大，叶片做功能力增加，扬程上升，对消除扬程曲线“马鞍区”起到了积极的作用。在设计流量工况下，采用进口导水锥支架的泵装置叶片做功能力小幅上升，减小了泵装置加设支架产生的水力损失影响。压力脉动是能够反应水流紊流的重要指标，因此对泵装置叶轮附近进行了压力脉动监控。结果表明进口导水锥支架的设置有效地削弱了小流量工况叶片脱流及上游二次漩涡所产生的压力脉动，但支架与叶轮的动静干涉作用导致了叶频压力脉动幅值增高。设计流量工况叶频压力脉动幅值同样出现了轻微增加，但叶片出口的低频脉动得到抑制。

本文通过数值模拟，得到了进口导水锥支架的设置对于轴流泵不同流量工况的影响，特别是对于马鞍区所带来的改善作用。在工程应用中，设计流量工况的水泵运行状态非常重要，因此，如何兼顾马鞍区与设计流量工况还有待研究。

5 结 论

1）数值模拟与物理模型试验的外特性曲线趋势基本一致，数值模拟结果合理可靠，可为相关研究提供参考。

2）进口导水锥支架对立式轴流泵马鞍区具有一定的改善作用，提高了扬程，马鞍区最低点扬程上升5.5%，减弱了泵装置的振动。

3）进口导水锥支架对立式轴流泵设计流量工况产生了不利影响，扬程和效率有一定程度的降低。

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The Impact of the Inlet Water Guide Cone Bracket on Function of the Saddle Zone in Vertical Axial Flow Pump

QU Hao1, CHEN Ye2, TANG Fangping1*, ZHANG Wenpeng1, LIU Haiyu1, BAI Zhou1, SUN Zhuangzhuang1

(1. School of Hydraulic Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225000, China 2. Taihu Lake Water Conservancy Design and Research Institute in Jiangsu Provinces, Suzhou 215000,China)

【】The purpose of this paper is to study the influence of the impeller guide cone bracket on hydraulic performance of the saddle zone in vertical axial flow pump, as well as the associated water flow field in it in order to help pump design.【】The analysis was based on numerical modelling; three-dimensional turbulent flow in the pump was simulated based on the RANS equation and the SST-turbulence model; we compared the results obtained with and without the guide cone bracket to demonstrate the importance of the device. Accuracy and reliability of the simulated results were verified against experimental data.【】When water flow rate is slow, pump without the bracket could result in backflow at the outlet of the inlet passage, forming a large backflow vortex. This could block the inlet passage, cause a large low-frequency pressure pulsation and energy loss, leading to a sudden pressure drop in the saddle zone as a result. The bracket can effectively restrain the scope and strength of the vortex, reducing the low frequency pressure pulsation and improving stability of the pump. It also increases the lift at the lowest point in the saddle zone by 5.5%, and reduces the shadow of the saddle. In the meantime, the bracket increases working capacity of the blade, partly offsets the hydraulic loss, reduces the head drop by 1.3%, and improve the uniformity of internal flow.【】Adding a guide cone bracket at the inlet of vertical axial flow pump can improve the performance of its saddle zone and has potential applications.

saddle zone; vertical axial pump; numerical simulation; model test

TH312

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020694

1672 - 3317（2021）07 - 0097 - 08

渠浩, 陈晔, 汤方平, 等.立式轴流泵装置进口导水锥支架对马鞍区性能影响研究[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(7): 97-104.

QU Hao, CHEN Ye, TANG Fangping, et al.The Impact of the Inlet Water Guide Cone Bracket on Function of the Saddle Zone in Vertical Axial Flow Pump[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 97-104.

2020-12-15

国家自然科学基金项目（51376155）；江苏省自然科学基金项目（BK20190914）；江苏省高校自然科学研究项目（19KJB570002）；扬州市自然科学基金项目（YZ2018103）；江苏省水利科技项目（2017031）；江苏省高校优势学科建设项目（PAPD）

渠浩（1997-），男。硕士研究生，主要从事轴流泵装置理论研究。E-mail:1312646343@qq.com

汤方平（1964-），男。教授，博士生导师，主要从事流体机械设计、复杂工程系统科学优化设计等研究。E-mail:tangfp@yzu.edu.cn

责任编辑：韩 洋