陈会城

（1.上海凯泉泵业（集团）有限公司,上海 201804；2.深圳市水利土木建筑工程有限公司,广东 深圳 518040）

1 引言

近年来,随着湖泊湿地生态保护治理的发展,双向轴流泵的应用越来越多,而针对双向轴流泵的力学特性和参数优化研究也是相关领域研究的重点。

为研究双向轴流泵的导叶设计参数对轴流泵双向运行性能的影响,本文基于有限元软件中的k-ε湍流模型,对双轴流泵进行了仿真模拟。对比不同导叶出口安放角工况下轴流泵双向运行时的外特性、水力损失和压力脉动的差异。

2 数值模型

2.1 几何参数

表1 展示了双向轴流泵的主要设计参数。在设计中,Q反取0.5Q正。根据表1 参数,通过有限元数值软件建立双向轴流泵叶轮和导叶的模型,并完成水力设计,并建立进、出水管道模型。为保证安全稳定运行,消除轴流泵装置噪音、振动等不利因素的影响,需满足叶轮叶片与导叶叶片数应互质要求。为了保证液体从水管流出时良好的出流条件和水力性能,模型在建立时,对进、出口段的管道尺寸进行了延长,即L进=5.12D2,L出=4.77D2。

表1 双向轴流泵主要设计参数

2.2 网格划分

网格划分方面,为了在保证计算精度的前提下兼顾计算效率,在划分网格时对叶轮和导叶进出口区域进行了局部网格加密处理。此外,进行了网格无关性验证,图1 展示了验证结果。从图1 中可以看出,网格数大于450 万之后,其效率变化呈现稳定趋势。因此,本模型最终划分出计算域总网格数量482 万,包括进水管道30 万,出水管道45 万,导叶部分224 万,叶轮部分183 万。

图1 网格无关性检验

2.3 计算方法与边界条件

通过有限元分析软件,利用k-ε湍流模型进行定常和非定常的模拟。边界条件方面,进口边界设为总压进口,出口边界设为质量流出口,固体壁面设为无滑移边界条件。单元、节点、模块之间设置接触模型。总计算步数为3000 步,残差精度小于10-5。

非定常模拟计算方面,其初始值为定常计算结果,总时间步长设为叶轮旋转的5 个周期,每旋转3°设为一个时间步长。在本研究中,模型转速设为1200 r/min,因此计算总部长为0.252 s,单个时间步长为4.2×10-4s。

2.4 监测点设置

为对双向轴流泵内流体情况更好地了解,设有3 个监测点于泵内同一径向断面上。监测点布置情况示意图见图2。其中,P1监测点设在叶轮进口断面处,P2监测点设在导叶进口和叶轮出口断面处,P3监测点设在导叶出口断面处。

图2 监测点位置示意图

3 结果分析与讨论

3.1 外特性

图3 展示了不同导叶出口角工况下正向运行时的外特性曲线。从图中可以看出,各工况下扬程随着流量大小先增加后减小。在流量较小时,β=90°时扬程最高,出口角越小,扬程越大,扬程峰值为5.12 m；随着流量的增加,各工况下扬程大小关系逐渐发生逆转,在流量超过1.0Qd后,出口角β越大,扬程越小,出口角β与扬程呈现负相关关系。就轴流泵效率而言,整体上出口角β与流泵效率呈现负相关,β=70°时,效率达到最大,为72.6%。各工况相比,效率最大差值为1.2%,扬程最大差值为0.08 m。可以发现,双向轴流泵在正向运行时性能受导叶出口的安放角影响较为明显。流量较大时,可以选择增大导叶出口安放角来提高泵的扬程和效率。最佳流量为0.9Qd,这表明,在轴流泵正向运行时高效区偏向于小流量工况。

图3 正向运行时外特性曲线

图4 反向运行时外特性曲线

图3 展示了导叶不同出口角工况下反向运行时的外特性曲线。从图中可以看出,随着流量的增加,各工况下双向轴流泵扬程大小呈现单调下降的趋势,流量越大,扬程越小,流量与扬程呈现负相关趋势。同一流量时,各工况下扬程大小关系未呈现出较为明显的趋势,大致呈现出导叶出口安放角越大扬程越高的规律,相较于正向运行时其差异较小。就轴流泵工作效率而言,导叶出口安放角β=90°时,其轴流泵工作效率最高,达到了50.8%。各工况相比,效率最大差值为1.2%,扬程最大差值为0.5 m。与正向运行相比,同一流量下,反向运行扬程更高,但在流量较小时运营效率不如正向运行。反向运行时最佳流量为1.2Qd。

综上所述,考虑到轴流泵为双向轴流泵,可以双向运行,因此建议导叶出口安放角取80°较为合理。

3.2 水力损失

图5 展示了轴流泵正向运行时不同导叶出口安放角工况下的水力损失曲线。从图中可以看出,各导叶出口安放角工况下,水力损失随着流量的增加呈现出先减小后增加的趋势,最小值出现在0.9Qd附近,不同流量下水力损失差异较大。各工况相比,在小流量工况下,基本呈现出了随着导叶出口安放角增加水力损失增大的一般性规律,导叶出口安放角与水力损失呈现正相关关系。而在大流量工况下则恰恰相反,增加导叶出口安放角水力损失反而降低,两者呈现负相关关系。故而,在正常设计工况下,正向运行时对导叶出口安放角适当减小可以减少部分水力损失。

图5 正向运行时水力损失曲线

图6 展示了轴流泵反向运行时不同导叶出口安放角工况下的水力损失曲线。从图中可以看出,各工况下,轴流泵工作时的水力损失随着流量的增加而单调下降,呈现出随着流量增加水力损失减小的一般性规律,流量与水力损失为负相关关系,且随着流量的增加,曲线逐渐变缓,降低速率下降。各工况下,流量较小时,水力损失与导叶出口安放角呈现负相关关系,导叶出口安放角越大,水力损失越小,而在流量较大时,接近于一致。

图6 反向运行时水力损失曲线

综上所述,建议折中取导叶出口安放角,以减小双向轴流泵在双向运行时的水力损失。

3.3 压力脉动分析

考虑到篇幅限制,对导叶出口安放角β分别在70°、80°和90°时设计工况下的计算结果进行压力脉动分析。

图7 展示了双向轴流泵在正向运行时三个监测点在不同导叶出口安放角工况下的压力脉动时程曲线。从图7（a）中可以看出,P1监测点即叶片进口前,各不同导叶出口安放角工况下压力脉动幅值的差异比较小。在P2监测点,即叶片出口与导叶进口处,压力值相较于P1监测点有所提高,且各工况下差异较为明显,在导叶出口安放角β=90°时其压力脉动幅值最大,在β=80°时,压力脉动幅值最小。在P3监测点处,即导叶出口段,各导叶出口安放角工况下压力脉动幅值也有较为明显的差异,数值较P2监测点有所下降,在导叶出口安放角β=70°时其压力脉动幅值最大,在β=90°时,压力脉动幅值最小,呈现出随着导叶出口安放角增大压力脉动减小的变化趋势。因此,在实际轴流泵工作时,通过导叶出口安放角的改变,可以对正向运行时双向轴流泵内部压力脉动进行调节,选取合适的导叶出口角,以减小流泵内压力脉动幅值。

图7 正向运行时压力脉动时域图

图8 展示了双向轴流泵在反向运行时三个监测点在不同导叶出口安放角工况下的压力脉动时程曲线。从图8（a）中可以看出,P1监测点即叶片进口前,各不同导叶出口安放角工况下压力脉动幅值的差异比较小,呈现出与正向运行时相似规律。从图8（b）中可以看出,在P2监测点,即叶片出口与导叶进口处,压力值相较于P1监测点有所降低,且各工况下差异较为明显,在导叶出口安放角β=80°时其压力脉动幅值最大,在β=90°时,压力脉动幅值最小,与正向运行时呈现的规律截然相反。在P3监测点处,即导叶出口段,各导叶出口安放角工况下压力脉动幅值也有较为明显的差异,数值较P2监测点有所上升,但低于P1监测点压力脉动幅值,不同导叶进口安放角工况下,压力脉动幅值和变化趋势接近,未出现明显的差异。

图8 反向运行时压力脉动时域图

4 结论

为研究双向轴流泵的导叶设计参数对其双向运行性能的影响,本文基于有限元软件,建立了双向轴流泵数值仿真模型,设置了5 个不同导叶出口安放角,对比了各工况下双向轴流泵的外特性、水力损失和压力脉动情况。得出主要结论如下：

（1）双向轴流泵性能受导叶出口的安放角影响较为明显。正向运行且流量较大时,可以选择增大导叶出口安放角来提高轴流泵的扬程和效率,最佳流量为0.9Qd,在轴流泵正向运营时高效区偏向于小流量工况。

（2）与正向运行相比,同一流量下,反向运行扬程更高,但在流量较小时运营效率不如正向运行。反向运行时最佳流量为1.2Qd。考虑到轴流泵双向运行,因此建议导叶出口安放角取80°较为合理。

（3）正向运行时,水力损失随着流量的增加呈现出先减小后增加的趋势,最小值出现在0.9Qd附近,不同流量下水力损失差异较大。反向运行时,轴流泵工作时的水力损失随着流量的增加而单调下降,流量较小时,水力损失与导叶出口安放角呈现负相关关系,导叶出口安放角越大,水力损失越小,而在流量较大时,接近于一致。

（4）导叶出口安放角对轴流泵反向运行时的压力脉动影响程度较小。增大导叶出口安放角,可以有效降低正向运行时压力脉动幅值。