石麗建¹劉新泉²湯方平¹ 姚悅鈴³謝榮盛¹張文鵬¹

1 揚州大學水利與能源動力工程學院　揚州 225100；

2 江蘇省水利勘測設計研究院有限公司　揚州 225100；

3 浙江同濟科技學院信息系　杭州 311231

摘要：為探求雙向豎井流道水力設計方法和完善雙向豎井流道優化型式，對雙向豎井流道進行內外型線及分叉段型式進行優化設計?；跇藴?/span>k-ε紊流模型和雷諾時均的N-S方程，結合龍山水力樞紐工程運用CFD軟件對雙向豎井貫流泵裝置進行優化設計。計算并比較了不同豎井出水流道方案的水力損失，揭示了不同方案豎井流道內部各段水力損失分布規律，比較分析了不同方案豎井出水流道內部流場及速度分布規律，最后結合模型試驗結果，證實了雙向豎井流道優化設計的可靠性。優化結果表明：豎井分叉段設計好壞直接決定豎井后半段水力損失，通過調整豎井內外輪廓線可以有效減小豎井出水流道的水力損失，提升貫流泵裝置外特性。優化后豎井貫流泵裝置反向運行最高效率達60.5％，較優化前提高3.7％；正向效率達到72.18％，較優化前提高1.67％。模型試驗反向運行最高效率57.56％，正向運行最高效率72.67％。

關鍵詞：雙向泵；豎井流道；優化設計；數值計算

Optimize Design and Experimental Analysis of Bidirectional Shaft Tubular Pump Device

Shi Lijian¹Liu Xinquan² Tang Fangping¹Yao Yuelin³Xie Rongsheng¹Zhang Wenpeng¹

(1.School of Hydraulic Energy and Power Engineering , Yangzhou University ,Yangzhou 225100, China 2. Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co. Ltd, Yangzhou 225100, China 3.Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology, Hangzhou 311231, China）

Abstract: To explore hydraulic design method and improve optimization type of the bidirectional shaft passage, this paper do the optimization design research of inside and outside line and bifurcation segment type of the bidirectional shaft passage. Based on the standard k-ε turbulence model and the reynolds averaged N-S equation, combined longsan hydraulic project using CFD software to optimize and design the bidirectional shaft tubular pump device. Calculate and compare the hydraulic loss and velocity distribution in different shaft outlet conduit schemes, reveals the different segments hydraulic loss distribution of different shaft outlet conduit schemes. Finally, combined with the model test results, confirmed the reliability of the optimization design of the bidirectional shaft flow passage. Optimization results show that the shaft bifurcated segment design directly determines the hydraulic loss of the latter part shaft passage. Through adjusting the shaft inner and outer contour lines can effectively reduce the hydraulic loss of the shaft outlet conduit, and enhance the tubular pump device hydraulic characteristics. The efficiency curve of the optimized scheme is higher, and the range of the high efficiency area is wider than that of the initial scheme, and the lift curve is also slightly higher than the initial scheme. After optimization, the maximum reverse operation efficiency of the shaft tubular pump system is up to 60.5％, which is increased by 3.7％ compared with the prior optimization, and the forward operation efficiency is 72.18％, which is improved by 1.67％. The highest efficiency of reverse operation and forward operation model test is 57.56％ and 72.67％. This paper will provide guidance for optimization design of low head bidirectionaltubular pump device.

Key words:bidirectional pump；shaft passage；optimization design；numerical calculation

0　引言

隨著南水北調東線工程的興建，以及對我國農業排澇、城市防洪的重視，近幾年來在沿河、沿江等地區已興建了一批揚程在0～2m的大型泵站。這種超低揚程泵站大多采用的是豎井貫流泵裝置^`1-4`。豎井貫流泵裝置電機安裝于豎井內，是介于燈泡貫流泵裝置和軸伸貫流泵裝置之間的一種新型特低揚程泵站結構型式，結構簡單、進出水流道順直、裝置效率相對較高，且開挖深度小、工程投資少，便于維護管理。

對于豎井貫流泵裝置的研究，國內外已有不少報道。謝偉東等^`5`、陳容新等^`6`比較分析了幾組泵裝置型式，得出對于低揚程泵站采用豎井貫流泵裝置型式具有諸多優點。陸林廣等^`7`指出泵裝置流道水力損失占比較大，應著重提高流道效率。成立等^`8`對雙向豎井貫流泵裝置進行了三維湍流數值模擬。張仁田^`9`通過對雙向泵裝置的CFD計算，得出進口速度均勻度與裝置最優效率點呈正相關。劉軍、劉君等^`10-11`比較了豎井前置和豎井后置對泵裝置水力性能的影響，并得出豎井前置優于豎井后置。徐磊等^`12`分析了豎井貫流泵裝置內部流態。此外還有一些學者對豎井貫流泵裝置進出水流道進行了優化分析^`13-20`，得出豎井作為出水流道時流態紊亂，豎井喉部流道水力損失較大，豎井貫流泵裝置應盡可能降低豎井流道水力損失，提高裝置效率。

對于揚程低于2m的特低揚程泵站中泵裝置的性能很大一部分取決于流道的水力損失。在前人研究的基礎上，本文結合龍山水力樞紐雙向貫流泵站，采用CFD數值模擬手段對豎井出水流道進行優化設計，對豎井喉部形狀進行比較分析，以及通過增加后導葉改善出水流態、提高泵站運行穩定性，最后通過物理模型試驗對數值模擬結果進行驗證。

1工程概況

龍山控制樞紐工程主要任務是防洪排澇、改善市區的水環境。龍山水利樞紐工程包括泵站和節制閘，節制閘共2孔，單孔凈寬12m，泵站為雙向泵站，正向排水、反向引水，設計總排水流量70m3/s。泵站采用5臺豎井貫流泵，單機正向排水流量14m3/s，反向引水單機流量12.5m³/s，節制閘與泵站采用集中緊湊型的“合建”布置方案。泵站采用平直管進出水流道，快速閘門斷流，主電機的供電電壓等級為10 kV，單機容量約500 kW，轉速118 r/min。龍山水利樞紐工程運行水位及凈揚程見表1。

表1 泵站運行水位及凈揚程

Tab.1Running level and head of pump station

運行工況		水位組合／m		凈揚程／m
		外河側	內河側
排水工況 （正向）	設計揚程	5.66	4.70	0.96
	最大揚程	6.65	4.70	1.95
	最小揚程			0
引水工況 （反向）	設計揚程	2.89	3.60	0.71
	最大揚程	2.70	3.90	1.20
	最小揚程			0

根據泵站初步設計要求，雙向泵流道門槽及攔污柵的水力損失為0.3m?？紤]流道門槽及攔污柵損失之后，得到豎井貫流泵裝置各特征揚程，如表2 所示。

表2 泵站運行特征揚程

Tab.2Special running head of pump station

類別	設計流量/ (m3·s-1)	設計揚程/m	最高揚程/m	最低揚程/m
雙向泵	14	1.26（正向）	2.25	0.3
	12.5	1.01（反向）	1.50	0.3

2 泵裝置數值模擬

2.1 計算模型及網格劃分

豎井貫流泵裝置數值模擬計算域包括進水流道、雙向泵葉輪、導葉、導水錐和出水流道。本文數值模擬計算以原型泵裝置為基礎，泵裝置總長32 m。正向運行時豎井為進水流道，導葉為后置導葉；反向運行時豎井為出水流道，導葉為前置導葉。雙向泵葉輪直徑D=2400 mm，額定轉速n=118 r/min，輪轂比為0.4，葉片數為4，葉頂間隙設置為1.6 mm，導葉葉片數為5。葉輪導葉直接采用Turbo-Grid 建模，其余通流部件均采用UG建模，原型泵裝置如圖1 所示。

圖1 豎井貫流泵裝置圖

Fig.1Compute model of bidirectional shaft tubular pump

雙向泵葉輪和導葉在Turbo-Grid中進行結構化網格劃分，經檢驗，網格質量較好，同時能夠滿足正交性要求。進出水流道和導水錐在ICEM 軟件中進行網格劃分，網格質量均在0.4 以上，質量較好，滿足計算要求。對泵裝置進行網格無關性分析，發現泵裝置網格增加至一定數量時，泵裝置效率值趨于穩定不再隨著網格數量的增加而增加。在滿足網格無關性要求時，取泵裝置雙向葉輪網格數48萬左右，導葉網格數40萬左右，豎井流道網格數為86.62萬，總網格數285萬左右。葉輪和導葉網格如圖2 所示。

（a）導葉（b）葉輪

圖2葉輪和導葉網格圖

Fig.2 Impeller and guide vane grid graph

2.2邊界條件

控制方程采用雷諾時均N-S方程，紊流模型采用標準k-ε模型，計算采用“stage”交界面模型處理葉輪與進水流道、導葉之間的動靜耦合參數傳遞，靜靜交界面采用None 交界面類型。因為以原型裝置進行數值計算，考慮進出水流道混凝土表面粗糙度2.5 mm。計算域進口邊界條件設置為總壓條件，總壓設置為1個標準大氣壓。計算域出口邊界設置為質量流量出口，葉輪設為旋轉域，其中葉輪輪緣壁面邊界設置為相對于葉輪反向同速旋轉，其余計算域均為靜止域。

2.3 豎井出水流道優化

豎井流道作為進水流道時，優化進水流道對泵裝置性能影響不大，故在豎井流道優化時以反向性能性能為主。在豎井出水流道優化過程中帶泵進行數值計算。

優化目標主要考慮豎井出水流道設計工況點水力損失最小、泵裝置效率最高，同時兼顧出水流道流場分布。流道水力損失計算公式為

式中△h —水力損失

P_out、P_in—豎井流道進、出口的總壓

ρ為水的密度

g 為重力加速度

初步設計方案記做方案 1（FA1），不斷改變豎井內外輪廓線以致水力損失最小記做方案2（FA2），在方案2 的基礎上改變豎井內側喉部圓弧過渡記做方案3（FA3），在方案2 的基礎上改變豎井內側喉部為尖頭記做方案4（FA4），在方案2的基礎上在豎井出水流道進口加5片直導葉記做方案5（FA5），各方案豎井流道如圖3 所示。

(a)FA1 (b)FA2 (c)FA3 (d)FA4 (e)FA5

圖3豎井出水流道圖

Fig.3Shaft outlet passage graph

2.4數值計算結果

豎井作為出水流道時，由 FA1 至FA2 改變豎井內外輪廓線，尤其是喉部線型，以流道斷面面積逐漸變大、水流速度逐漸減小為原則，通過數值模擬計算，出水流道水力損失最小確定最終的FA2。各方案設計工況下水力損失計算結果如表3所示。為了更方便地 比較分析豎井出水流道內水力損失分布，將各方案豎井內各段水力損失取出。其中出口為豎井流道的出口，進口為豎井流道的進口。如圖4所示。

表3 不同設計方案出水流道水力損失

Tab.3 Outlet passage hydraulic loss of different design schemes

設計方案	出口總壓/Pa	進口總壓/Pa	水力損失/cm
FA1	114248	120093	59.64
FA2	115005	120113	52.12
FA3	114683	120090	55.17
FA4	114555	120096	56.54
FA5	113627	119813	63.12

(a)計算斷面示意圖(b)分段水力損失

圖4數井出水流道分段計算結果

Fig.4Each section hydraulic loss of shaft passage

根據表3，由初始方案到方案2，通過不斷調整豎井流道內外輪廓線，水力損失降幅達到7.5cm，優化效果較為明顯。方案2總的水力損失最小，加入直導葉后帶來很大的流道損失。改變豎井流道內側分叉口形狀效果并不理想。根據圖4可知，從方案1至方案5主要水力損失都發生在豎井喉部分叉口位置，說明豎井喉部極為重要，也是豎井流道水力損失最為嚴重的區域，今后豎井貫流泵站豎井流道的優化應著重優化該區域的水力損失。通過方案2、方案3和方案4在豎井分叉段水力損失對比可知，豎井內側分叉位置改變形狀對環量回收和水力損失減小并無益處。根據第1段水力損失對比可知，方案5在豎井進口側加入5片直導葉會帶來很嚴重的水力損失，高達25cm，為其他方案該區域水力損失的5倍之多。根據分段水力損失圖還可以看出，在第6個斷面以后各段水力損失均比較小，其中方案5最小，方案2次之，說明葉輪出口環量主要靠豎井分叉和豎井通道回收，豎井分叉段設計越好，回收環量越多，豎井后半段水力損失就越小。將各設計方案流線圖取出如圖5所示。

(a)FA1(b)FA2(c)FA3(d)FA4(e)FA5

圖5 各工況流線圖

Fig.5Streamline chart of different flow condition

由圖5可知，初始方案流場非常紊亂，通過型線的改變流態較好，流速分布較為均勻。加入導葉后的方案5流態最好，且流線沒有呈螺旋狀，說明了直板導葉回收了絕大部分葉輪出口的速度環量。方案3豎井內側改成圓弧后，由于在豎井分叉段內側斷面面積增加，流速撞擊區域加大，產生了局部速度較大的區域，并且出現回流，導致該區域水力損失較大。方案4流場更為紊亂，流線呈螺旋狀，說明分叉段改成錐形回收環量能力降低，導致豎井流道水力損失增加。將方案2和方案1反向設計工況下豎井流道內部流速分布圖取出對比分析如圖6所示。

(a)FA1 (b)FA2

圖6豎井流道各斷面流速分布云圖

Fig.6Velocity distribution of shaft passage

根據圖6，分析比較初始方案和優化方案豎井出水流道內流速在3～4m/s的速度分布云圖可知，初始方案內外輪廓線設置不夠合理，從豎井進口到出口出現流速忽大忽小的情況，必然會帶來較大的流道損失，甚至會出現局部漩渦區，加大機組振動及泵站運行噪聲。優化方案流速分布較為合理，從葉輪進口開始在該速度范圍的區域越來越小。

選擇方案2和初始方案做進一步對比分析。分別計算初始方案和方案2在0.6Q、0.8Q、Q、1.1Q、1.3Q流量工況下水力特性，計算結果如圖7所示。Q為設計流量，正向設計流量為12.5m³/s，反向設計流量為14 m³/s。

（a）反向性能曲線 （b）正向性能曲線

圖7雙向泵裝置性能曲線

Fig.7Hydraulic curves of bidirectional pump device

根據圖7反向性能曲線可知，優化后的方案效率曲線整體較高，高效區范圍較初始方案寬，揚程曲線也略高于初始方案；反向性能曲線在設計工況點，效率最高，由初始方案的56.760.5％，效率提高3.8％，優化效果明顯。正向運行時，豎井流道作為進水流道，水力損失較小，優化前、后揚程曲線基本重合，優化后效率達到72.18％，較優化前提高1.67％。

３ 模型試驗分析

龍山泵站為雙向豎井貫流泵裝置，正向運行時進水采用雙向豎井流道進水，出水采用圓變方直管出水流道。葉輪為雙向泵水力模型，模型泵名義葉輪直徑D＝300mm，實際葉輪直徑D＝299.65mm，水泵裝置模型比例為1：8。模型葉輪輪轂比為0.4，葉片數為4，用黃銅材料經數控加工成型。模型導葉輪轂直徑為120mm，葉片數為5，用鋼質材料焊接成型。豎井流道采用鋼板焊接制作，模型泵葉輪室和豎井流道開有觀察窗，便于觀測葉片和豎井流道內的水流和汽蝕。將設計方案2的各通流部件加工成型，模型泵裝置如圖8所示。模型泵安裝檢查，導葉體與葉輪室定位面軸向跳動0.10mm，輪轂外表面徑向跳動0.08mm，葉頂間隙控制在0.20mm以內。模型泵葉輪直徑300mm，根據nD值相等的原則（n表示轉速），得到模型裝置試驗轉速944 r/min。試驗條件數值模擬計算保持一致。雙向豎井貫流泵裝置模型試驗在高精度實驗臺上進行，試驗方法按照《水泵模型及裝置模型驗收試驗規程》SL140-2006執行。

(a)葉輪 （b）導葉 （c）泵裝置圖

圖8 模型試驗裝置圖

Fig.8Model test pump device

將模型泵裝置試驗性能曲線根據相似公式換算成原型泵裝置曲線，公式為

式中，Q_p-原型泵流量，H_p-原型泵揚程，Q_m-模型泵流量，H_m-模型泵揚程，D_p-原型泵直徑，D_m-模型泵直徑，n_p-原型泵轉速，n_m-模型泵轉速將方案2雙向豎井模型泵裝置能量性能試驗數據通過上述式（2）和式（3）換算成原型泵裝置性能曲線，并與原型泵裝置數值模擬結果作對比分析，如圖9所示。

（a）反向運行裝置性能曲線（b）正向運行裝置性能曲線

圖9 雙向泵裝置性能曲線對比圖

Fig.9Hydraulic comparison of bidirectional pump device

根據圖9的泵裝置能量性能曲線可知，在該葉片角度下，反向試驗最高效率達到57.56％，數值模擬最高效率達到60.5％，誤差3％，滿足工程應用要求。正向最高效率達到72.67％，數值模擬最高效率點72.18％，誤差范圍較小。說明了數值模擬的可靠性，同時也證實了豎井流道的優化效果。泵站正向運行時，豎井前置作為進水流道運行，導葉后置可有效回收葉輪出口環量，因此正向泵裝置效率較高；反向運行時，豎井后置作為出水流道運行，豎井流道水力損失較大，占比較大，泵裝置效率較低。因此對于低揚程豎井泵站而言，降低豎井流道的水力損失，可有效提高泵裝置運行效率。

4結論

（1）對豎井出水流道進行優化設計，對比多個豎井設計方案，豎井流道分叉段內外輪廓線對流道水力損失影響較大，且直接影響豎井流道后半段水力損失。對于特低揚程雙向泵站而言，減小豎井出水流道水力損失對提高泵裝置效率有著重要意義。

（2）通過對豎井出水流道水力性能優化，優化后泵裝置反向效率達到60.5％，較優化前提高3.8％；正向效率達到72.18％，較優化前提高1.67％。通過對豎井的優化，降低了泵站運行成本，優化效果明顯。

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國家自然科學基金項目（51376155）、江蘇省自然科學基金項目（BK20150457）、十二五農村領域科技計劃項目（2012BAD08B03-2）、江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（PAPD）和江蘇省科研創新計劃項目（KYLX15_1365）

作者簡介：石麗建（1989-），男，博士生，主要從事流體功能曲面的多學科優化設計究，E-mail：yzdxslj@126.com

通信作者：湯方平(1964-)，男，教授、博士生導師，主要從事流體機械設計、復雜工程系統科學優化設計和泵站自動化研究。E-mail:tangfp@yzu.edu.cn

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