立式轴流泵装置流道内流分析及性能预测

王 强，林智康，袁 尧，陈玉龙，杨 帆

（1.常州市水利规划设计院，江苏 常州 213002；2. 扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；3. 江苏省水利科学研究院，南京 210000；4. 常州市水利建设投资开发有限公司，江苏 常州 213000）

立式轴流泵站机组具有扬程低、流量大、运行稳定、可靠性高、投资省和安装检修方便等优点，其被广泛运用于农业灌溉、城市排涝及调水工程中[1]。针对轴流泵站机组水力特性和结构性能的研究，国内外学者已开展了大量的研究工作并取得了不少的研究成果：许哲等[2]研究了泵装置在正反向飞逸过渡过程的差异性,采用流体体积函数法分析上下游水气两相分布,利用力矩平衡方程推导叶轮实时转速,并结合熵产理论进行分析；Li等[3]采用熵产理论探究了叶根间隙对轴流泵装置机械耗散的影响；Yang等[4]结合物理模型试验和数值模拟研究了虹吸出水流道驼峰段流场和压力波动的变化规律；金海银等[5]探究了箱涵式双向立式泵装置性能与导叶体对泵装置效率的影响。随着工程技术人员和科研人员对泵站装置内部流动认识的加深，泵装置流道内部流动的分析应考虑泵与流道内流的相互作用，尤其是导叶体出口剩余环量对出水流道内流场的影响[6-8]，学者们对泵装置流道的研究更多地基于泵装置全流道而非以往采用独立的方法开展研究，研究方法主要为模型试验和数值模拟，如：戴景等[9]采用数值模拟对刘老涧抽水站原型泵装置水泵工况与水轮机工况进行了全流场数值模拟以研究带有簸箕型流道的大型具有反向发电功能泵站的水力性能；胡文竹等[10]采用数值模拟方法分析斜式轴流泵装置流道内部的流动特性；李超[11]对立式轴流泵装置的内流特性进行分析并对泵装置结构进行优化；刘超等[12]通过CFD软件对设导流墩的双向流道泵装置内部流动进行数值模拟，获得泵装置内部的三维流动速度场，并预测了泵装置的性能。参考以往学者的研究经验，文章以魏村水利枢纽扩容改建工程的单向立式轴流泵站为研究对象，采用数值模拟技术对立式轴流泵装置全流道进行三维数值计算，探究泵装置进出水流道的内部流动规律并预测泵装置的能量性能，以期对采用相似结构的泵装置的稳定运行与结构优化提供一定的参考。

1 工程概况

魏村水利枢纽是国家治太骨干工程湖西引排的主要工程之一，在区域乃至流域防洪、排涝、灌溉、航运及水环境保护等方面发挥了重要作用，工程引水灌溉0.93万hm2，排涝面积133 km2。该水利枢纽扩容改建工程由船闸、节制闸和泵站组成，泵站和节制闸采用闸站结合布置形式。泵站为大（2）型泵站，设计排水流量为160 m3/s，设计引水流量为60 m3/s，采用5台套立式轴流泵机组，配2600kW立式同步电机，总装机容量13000 kW，叶轮直径为3100 mm，转速为125 r/min，叶片角度采用液压全调节方式，采3台机组为双向立式轴流泵机组，2台机组为单向立式轴流泵机组。泵站运行水位，见表1，其中泵装置扬程已考虑了拦污栅及门槽水力损失0.2m、流道出口水位雍高及过栅水力损失0.1m。魏村水利枢纽扩容改建工程的单向立式轴流泵装置的泵房剖面示意图，泵房剖面图,见图1。

图1 泵房剖面图

表1 泵站运行水位

2 计算模型及边界条件

2.1 泵装置模型与网格剖分

立式轴流泵装置计算域包括箱涵式进水流道、叶轮、导叶体、蜗壳式出水流道、进水流道的延伸段和出水流道的延伸段共6个部分，三维模型，见图1。叶轮名义直径为3150 mm，叶片安放角为0°，转速为125 r/min，叶轮叶片数为3，导叶体的叶片数为6。箱涵式进水流道的导流锥进口面直径为1.355D（其中，D为叶轮名义直径），进口面宽度为2.903D、进口面高度为1.387D，流道长度为6.317D；蜗壳式出水流道的导流锥出口面直径为1.935D、出水喇叭管出口面直径为2.032D、出口面宽度为2.903D、出口面高度为1.419D，流道长度为8.482D。根据各计算域的结构复杂程度，叶轮、导叶体、箱涵式进水流道和蜗壳式出水流道采用非结构化网格，前池和出水池采用结构化网格剖分，参考文献[7]的研究方法并经网格数量无关性分析，立式轴流泵装置的网格数量为297万。

2.2 控制方程与边界条件

当流体经过旋转机械中进行能量转换时，必须遵循相应的物理规律，这些物理规律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。由于文章的研究对象为立式轴流泵装置，工作介质为水，可以采用不可压缩假设，认为水为不可压缩流体。在对立式轴流泵装置进行数值模拟时，由于忽略流体中的热交换，故在三维流动数值计算仅考虑质量守恒定律与动量守恒定律。泵装置内水流流动为三维湍流流动，该流动可用连续性方程和N-S方程对湍流的瞬时运行进行表述，考虑湍流流动的脉动特性，目前在泵装置内流计算中广泛采用了时均法，即把湍流运行当作是时间平均流动和瞬时脉动流动的叠加。为了使方程组封闭，采用标准k-ε湍流模型，该模型计算效率高的同时有良好的精度，在大量的研究和工程实际中广泛使用[12-13]。立式轴流泵装置的进口采用速度进口边界条件，设置于进水流道的延伸段进口面；出口采用自由出流边界条件，设置于出水流道的延伸段出口面；叶轮、导叶体、箱涵式进水流道、蜗壳式出水流道、进水延伸段和出水延伸段的边壁均设置为无滑移壁面；进水延伸段及出水延伸段的表面为自由液面，忽略水面的风所引起的切应力及其与大气层的热交换，采用对称平面处理。立式轴流泵装置的箱涵式进水流道的雷诺数为1.513×107，蜗壳式出水流道的雷诺数为1.373×107，表明该泵装置的进出水流道内的水流均处于阻力平方区。计算工况：设计扬程4.71m，流量为32m3/s；最高扬程5.25m，流量为29.7 m3/s。

3 结果分析

箱涵式进水流道的流场，见图2，其中流道横剖面的位置为0.5倍流道进口高度，竖剖面的位置为流道喇叭管中心。箱涵式进水流道内部水流流动可分为2个阶段：①在流道内从四周向喇叭管的汇集流动阶段；②水流进入喇叭管后的流场调整阶段。在汇集流动阶段，一部分水流从喇叭管前直接进入喇叭管，一部分水流绕至两侧进入喇叭管，还有一部分水流绕至蜗壳后部进入喇叭管；箱涵式进水流道后壁空间很大，在后壁处存在大范围的滞水区；水流从四面汇集进入喇叭管后流场得到进一步调整，在喇叭管出口处水流趋向于均匀分布和垂直于出口断面。进水流道的流态总体上符合收缩均匀、转向有序的基本要求。采用流速分布均匀度和速度加权平均角反应水流的均匀程度以及水流方向与出口断面的垂直程度，其计算式如下：

图2 箱涵式进水流道的流场图

轴向流速分布均匀度[11]：

式（1）和式（2）中：Vau为轴向流速分布均匀度；θ为速度加权平均角；uai为断面各单元的轴向速度；ua为断面的平均轴向速度；uti为断面各节点的横向速度，Ai为流场数值计算时该断面所划分的网格单元面积。

在设计扬程工况时，箱涵式进水流道出口面的轴向流速分布均匀度为95.04%，速度加权平均角为87.27°，流道水力损失为0.219m。

为更好地说明蜗壳式出水流道的流场特征，沿流道的横向和纵向共截取6个不同位置的特征剖面，各特征剖面的位置，蜗牛式出水流道各剖面位置示意图，见图3。其中横剖面（上）、横剖面（中）、横剖面（下）为横断面，以出水流道底部为基准面，各断面距基准面的距离分别为：横剖面（下）为0.182D、横剖面（中）为0.627D横剖面（上）为1.077D；断面4-4、断面5-5和断面6-6为纵断面，以出水流道水平中心线为基准，各断面距基准面的距离分别为：纵剖面（左）为1.01D、纵剖面（中）为0.0D，纵剖面（右）为-1.01D，各蜗壳式出水流道流场，见图4。蜗壳式出水流道的内部水流受导叶体出口剩余环量的影响明显，水流呈螺旋状进入蜗壳式出水流道，水流在出水喇叭管与出水导水锥构成的通道内边旋转边向四周扩散，流出喇叭管与导水锥构成的通道的水流向四周成辐射状急剧转向并扩散，一部分水流向后壁流动，一部分水流向左右两侧壁流动，受后壁和侧壁的阻挡影响，水流在立面上形成旋涡，后壁和两侧壁的水流在落到流道下半部以后转向流道出口流动，还有一部分水流直接向流道出口流动，水流经直线段调整后流向出水池。蜗壳式出水流道的内部流态满足稳定、高效运行的要求，水力性能较好。在设计扬程工况时，蜗壳式出水流道的水力损失为0.564m。

图3 蜗壳式出水流道各剖面位置示意图

在轴流泵装置全流道数值计算的基础上，采用文献[14]中的方法对泵装置的能量性能进行预测，在设计扬程4.71m时，泵装置流量为32m3/s，效率为72.5%；在最高扬程5.25m时，泵装置流量为29.7m3/s，效率为71.3%。

4 结 论

1）箱涵式进水流道的流态总体上符合收缩均匀、转向有序的基本要求，在设计扬程工况时，箱涵式进水流道出口面的轴向流速分布均匀度为95.04%，速度加权平均角为87.27°，流道水力损失为0.219m。蜗壳式出水流道的内部流态满足稳定、高效运行的要求，水力性能较好，在设计扬程工况时，蜗壳式出水流道的水力损失为0.564m。

2）基于泵装置全流道的三维数值计算结果，在设计扬程4.71m时，泵装置流量为32m3/s，装置效率为72.5%；在最高扬程5.25m时，泵装置流量为29.7m3/s，效率为71.3%。