立式轴流泵装置流道内流分析及性能预测_王强.pdf

1 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）立式轴流泵装置流道内流分析及性能预测王 强1，林智康2，袁 尧3，陈玉龙4，杨 帆2（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）文章编号:1007-7596（2022）12-0001-04Internal Flow Analysis and Performance Prediction of Vertical Internal Flow Analysis and Performance Prediction of Vertical Axial Flow Pump DeviceAxial Flow Pump DeviceWANG Qiang1;LIN Zhi-kang2;YUAN Yao3;CHEN Yu-long4;and YANG Fan2(1.Changzhou Water Resources Planning and Design Institute,Changzhou 213002,China;2.College of Hydraulic Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China;3.Jiangsu Provincial Water Conservancy Science Research Institute,Nanjing 210000,China;4.Changzhou Urban Water Conservancy Construction Investment and Development Co.,Ltd.,Changzhou 213000,China)Abstract:In order to clarify the internal flow law and energy performance of the vertical axial flow pump device,taking the one-way pump unit of Weicun Hub Expension and Reconstrucution Project as an example,the numerical simulation technology was used to calculate the whole flow channel of the pump device,and the internal flow characteristics of the inlet and outlet flow channel at the design head of 4.71m were analyzed.The results show that the uniformity of axial velocity distribution on the outlet surface of the box culvert inlet is 95.04%,the weighted average angle of velocity is 87.27,and the hydraulic loss of the flow channel is 0.219m at the design head.The hydraulic loss of volute outlet is 0.564m;the internal flow pattern of the inlet and outlet channel is good,which meets the requirements of efficient and stable operation of the pump device.The axial flow pump device 摘 要：为明确立式轴流泵装置流道内部流动规律及泵装置的能量性能，以魏村水利枢纽扩容改建泵站工程的单向立式泵站为研究对象，采用数值模拟技术对该单向泵装置全流道进行计算，分析了设计扬程4.71m时箱涵式进水流道和蜗壳式出水流道的内流特征。结果表明：在设计扬程时，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；蜗壳式出水流道的水力损失为 0.564m；进出水流道内部流态整体较好，满足泵装置高效稳定运行的要求。该立式轴流泵装置水力性能较好，其流道几何尺寸可为同类泵站设计提供参考。关键词：立式轴流泵；泵装置；流道；数值模拟；性能预测中图分类号：TV675 文献标识码：A 收稿日期 2022-11-27 基金项目 江苏省高校自然科学研究重大项目（20KJA570001），扬州市科技计划项目（2022192），江苏省水利科学研究院自主科研项目（2021）作者简介 王强（1972-），男，江苏常州人，高级工程师，硕士，主要从事泵站工程的设计与规划；林智康（1999-），男，江苏扬州人，硕士；袁尧（1985-），男，江苏泰兴人，高级工程师；陈玉龙（1988-），男，江苏泰州人，高级工程师。通讯作者 杨帆（1985-），男，江苏宿迁人，博士，教授，硕士生导师，主要从事泵站工程的科研。科技成果DOI:10.14122/ki.hskj.2022.12.001 2 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）has good hydraulic performance,and its channel geometry can provide reference for the design of similar pumping stations.Key words:vertical axial flow pump;pump device;flow channel;numerical simulation;performance prediction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 泵站运行水位运行工况水位组合/m水位差/m泵装置扬程/m内河侧长江侧排水设计工况1.165.574.414.71最大工况0.625.574.955.25引水设计工况2.430.012.422.72最大工况3.88-0.234.114.412 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 3 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）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-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