后置燈泡式貫流泵裝置模型的優(yōu)化與試驗(yàn)研究

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1、水利學(xué)報(bào)2010年10月SHUILIXUEBAO第41卷第10期文章編號(hào)：0559-9350（2010）10-1248-07后置燈泡式貫流泵裝置模型的優(yōu)化與試驗(yàn)研究施衛(wèi)東，張德勝，關(guān)醒凡，曹衛(wèi)東（江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江212013）摘要：結(jié)合南水北調(diào)東線工程金湖泵站低揚(yáng)程大流量工況要求，研制了貫流泵裝置水力模型。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和SIMPLEC算法，對(duì)該模型進(jìn)行了全流場(chǎng)數(shù)值模擬，并對(duì)葉片出口和導(dǎo)葉之間的距離進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)葉片出口和導(dǎo)葉之間距離為0.11倍葉輪外徑時(shí)，內(nèi)部流動(dòng)較穩(wěn)定，裝置效率高；當(dāng)該

2、距離為0.03和0.33倍葉輪外徑時(shí)，導(dǎo)葉出口分別形成了脫流區(qū)和旋渦區(qū)。流線運(yùn)動(dòng)軌跡表明導(dǎo)葉出口存在一定的剩余環(huán)量，呈螺旋流態(tài)進(jìn)入出水流道，沒(méi)有出現(xiàn)局部旋渦。優(yōu)化后的裝置模型經(jīng)過(guò)3個(gè)不同試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)，結(jié)果基本相符。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模型流量大，效率高，在-4°葉片角下，最高效率達(dá)到79.40%；在2.92m揚(yáng)程下，流量為329L/s，汽蝕比轉(zhuǎn)速為1267，效率達(dá)到79.15%，該模型可供南水北調(diào)工程及其他工程選用。關(guān)鍵詞：南水北調(diào)工程；貫流泵；水力模型；裝置試驗(yàn)；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：TH311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1研究背景在南水北調(diào)東

3、線一期工程所規(guī)劃的21座泵站中，有9座泵站擬采用貫流泵，所占比例為42%。［1-5］我國(guó)對(duì)普通軸流泵的水力模型和裝置進(jìn)行過(guò)廣泛而深入的研究。2004年，來(lái)自全國(guó)的27個(gè)模型參加了在天津進(jìn)行的南水北調(diào)工程水泵模型同臺(tái)測(cè)試，這些模型現(xiàn)正優(yōu)先在南水北調(diào)等工程中使用。貫流泵燈泡體和普通的軸流泵有較大的差別，不能直接套用普通軸流泵的成果。近幾年來(lái)，陸林廣［6-7］［8］等基于FLUENT軟件對(duì)燈泡貫流泵裝置進(jìn)行了流態(tài)分析和水力優(yōu)化，李龍等對(duì)軸伸式貫流泵裝［9］置進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬，嚴(yán)繼松等對(duì)某貫流泵站進(jìn)行了能量特性研究。由于在我國(guó)此類泵裝置設(shè)

4、計(jì)應(yīng)用較少，研究成果還遠(yuǎn)不能滿足工程設(shè)計(jì)和建設(shè)的需要，因此南水北調(diào)東線工程曾引進(jìn)國(guó)外貫流泵技術(shù)。藺家壩站采用了日本日立公司的技術(shù)，準(zhǔn)陰三站采用了荷蘭艾荷公司的技術(shù)。為了在后續(xù)的泵站建設(shè)中能夠盡量多地使用國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的貫流泵技術(shù)，由江蘇省南水北調(diào)水源公司、江蘇大學(xué)、江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院共同組成課題組，結(jié)合金湖泵站，通過(guò)三維湍流計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)貫流泵裝置水力模型進(jìn)行研究，并取得了階段性的成果。2裝置模型金湖泵站要求貫流泵裝置模型的最優(yōu)工況點(diǎn)揚(yáng)程為2.0~3.0m，效率大于73.5%，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)大于1100，運(yùn)行揚(yáng)程范圍1.0~6.0

5、m，比轉(zhuǎn)數(shù)在1100~1300之間。江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院對(duì)金湖泵站用的貫流泵裝置進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，單線圖如圖1所示。［10］在此基礎(chǔ)上，本課題組對(duì)貫流泵裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，裝置流道模型見(jiàn)圖2。裝置的主要尺寸參數(shù)收稿日期：2009-03-31基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”資助項(xiàng)目（2007AA05Z207）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2008BAF34B10）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51079063）作者簡(jiǎn)介：施衛(wèi)東（1964-），男，江蘇南通人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事流體機(jī)械及工程研究。E_mail:wdshi@ujs.edu—1248—

6、如下：模型泵葉輪直徑D2=300mm，燈泡體直徑D1=282mm，燈泡比為0.94，流道部長(zhǎng)度L=2174mm，流道進(jìn)口尺寸為745.5mm×509.1mm，流道出口尺寸為600mm×689.8mm?；诒菊n題組系列高效軸流泵葉輪的環(huán)量統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在葉片出口輪緣處增大環(huán)量，輪轂處減小環(huán)量，主流區(qū)等環(huán)量分布。設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要原則如下：（1）考慮軸流泵進(jìn)口預(yù)旋，輪轂、輪緣等邊界條件對(duì)軸流泵環(huán)量分布和性能的影響；（2）通過(guò)減小輪轂側(cè)的葉片角和增大外緣側(cè)的葉片角，減小葉片扭曲度，擴(kuò)大高效范圍；（3）葉片出口采用非線性環(huán)量分布。新設(shè)計(jì)的軸流葉輪直徑

7、D2=300mm，輪轂比為0.326，葉片數(shù)為3枚，導(dǎo)葉葉片數(shù)為5枚。模型如圖3所示。?153011402500500460014330035005600▽0.83000?50003600?46004800??▽-1.08009008004000500250030704150110008000200012500圖1金湖泵站貫流泵單線圖（單位：mm）過(guò)流面積變化示意圖1-12-2121L513141R100R100.1R120.1.1509282590458?1213141600.6.636351745.5628.216316370921

8、61103355394723-34-45-512151R2503141R125R.5.1150.1600520600.9745??407356?313.6.641510.8393.6630.62131511