双向竖井贯流泵装置优化设计与实验

石丽建¹刘新泉²汤方平¹ 姚悦铃³谢荣盛¹张文鹏¹

1 扬州大学水利与能源动力工程学院　扬州 225100；

2 江苏省水利勘测设计研究院有限公司　扬州 225100；

3 浙江同济科技学院信息系　杭州 311231

摘要：为探求双向竖井流道水力设计方法和完善双向竖井流道优化型式，对双向竖井流道进行内外型线及分叉段型式进行优化设计。基于标准k-ε紊流模型和雷诺时均的N-S方程，结合龙山水力枢纽工程运用CFD软件对双向竖井贯流泵装置进行优化设计。计算并比较了不同竖井出水流道方案的水力损失，揭示了不同方案竖井流道内部各段水力损失分布规律，比较分析了不同方案竖井出水流道内部流场及速度分布规律，最后结合模型试验结果，证实了双向竖井流道优化设计的可靠性。优化结果表明：竖井分叉段设计好坏直接决定竖井后半段水力损失，通过调整竖井内外轮廓线可以有效减小竖井出水流道的水力损失，提升贯流泵装置外特性。优化后竖井贯流泵装置反向运行最高效率达60.5％，较优化前提高3.7％；正向效率达到72.18％，较优化前提高1.67％。模型试验反向运行最高效率57.56％，正向运行最高效率72.67％。

关键词：双向泵；竖井流道；优化设计；数值计算

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

随着南水北调东线工程的兴建，以及对我国农业排涝、城市防洪的重视，近几年来在沿河、沿江等地区已兴建了一批扬程在0～2m的大型泵站。这种超低扬程泵站大多采用的是竖井贯流泵装置^`1-4`。竖井贯流泵装置电机安装于竖井内，是介于灯泡贯流泵装置和轴伸贯流泵装置之间的一种新型特低扬程泵站结构型式，结构简单、进出水流道顺直、装置效率相对较高，且开挖深度小、工程投资少，便于维护管理。

对于竖井贯流泵装置的研究，国内外已有不少报道。谢伟东等^`5`、陈容新等^`6`比较分析了几组泵装置型式，得出对于低扬程泵站采用竖井贯流泵装置型式具有诸多优点。陆林广等^`7`指出泵装置流道水力损失占比较大，应着重提高流道效率。成立等^`8`对双向竖井贯流泵装置进行了三维湍流数值模拟。张仁田^`9`通过对双向泵装置的CFD计算，得出进口速度均匀度与装置最优效率点呈正相关。刘军、刘君等^`10-11`比较了竖井前置和竖井后置对泵装置水力性能的影响，并得出竖井前置优于竖井后置。徐磊等^`12`分析了竖井贯流泵装置内部流态。此外还有一些学者对竖井贯流泵装置进出水流道进行了优化分析^`13-20`，得出竖井作为出水流道时流态紊乱，竖井喉部流道水力损失较大，竖井贯流泵装置应尽可能降低竖井流道水力损失，提高装置效率。

对于扬程低于2m的特低扬程泵站中泵装置的性能很大一部分取决于流道的水力损失。在前人研究的基础上，本文结合龙山水力枢纽双向贯流泵站，采用CFD数值模拟手段对竖井出水流道进行优化设计，对竖井喉部形状进行比较分析，以及通过增加后导叶改善出水流态、提高泵站运行稳定性，最后通过物理模型试验对数值模拟结果进行验证。

1工程概况

龙山控制枢纽工程主要任务是防洪排涝、改善市区的水环境。龙山水利枢纽工程包括泵站和节制闸，节制闸共2孔，单孔净宽12m，泵站为双向泵站，正向排水、反向引水，设计总排水流量70m³/s。泵站采用5台竖井贯流泵，单机正向排水流量14m³/s，反向引水单机流量12.5m³/s，节制闸与泵站采用集中紧凑型的“合建”布置方案。泵站采用平直管进出水流道，快速闸门断流，主电机的供电电压等级为10 kV，单机容量约500 kW，转速118 r/min。龙山水利枢纽工程运行水位及净扬程见表1。

表1 泵站运行水位及净扬程

Tab.1Running level and head of pump station

运行工况		水位组合／m		净扬程／m
		外河侧	内河侧
排水工况 （正向）	设计扬程	5.66	4.70	0.96
	最大扬程	6.65	4.70	1.95
	最小扬程			0
引水工况 （反向）	设计扬程	2.89	3.60	0.71
	最大扬程	2.70	3.90	1.20
	最小扬程			0

根据泵站初步设计要求，双向泵流道门槽及拦污栅的水力损失为0.3m。考虑流道门槽及拦污栅损失之后，得到竖井贯流泵装置各特征扬程，如表2 所示。

表2 泵站运行特征扬程

Tab.2Special running head of pump station

类别	设计流量/ (m3·s-1)	设计扬程/m	最高扬程/m	最低扬程/m
双向泵	14	1.26（正向）	2.25	0.3
	12.5	1.01（反向）	1.50	0.3

2 泵装置数值模拟

2.1 计算模型及网格划分

竖井贯流泵装置数值模拟计算域包括进水流道、双向泵叶轮、导叶、导水锥和出水流道。本文数值模拟计算以原型泵装置为基础，泵装置总长32 m。正向运行时竖井为进水流道，导叶为后置导叶；反向运行时竖井为出水流道，导叶为前置导叶。双向泵叶轮直径D=2400 mm，额定转速n=118 r/min，轮毂比为0.4，叶片数为4，叶顶间隙设置为1.6 mm，导叶叶片数为5。叶轮导叶直接采用Turbo-Grid 建模，其余通流部件均采用UG建模，原型泵装置如图1 所示。

图1 竖井贯流泵装置图

Fig.1Compute model of bidirectional shaft tubular pump

双向泵叶轮和导叶在Turbo-Grid中进行结构化网格划分，经检验，网格质量较好，同时能够满足正交性要求。进出水流道和导水锥在ICEM 软件中进行网格划分，网格质量均在0.4 以上，质量较好，满足计算要求。对泵装置进行网格无关性分析，发现泵装置网格增加至一定数量时，泵装置效率值趋于稳定不再随着网格数量的增加而增加。在满足网格无关性要求时，取泵装置双向叶轮网格数48万左右，导叶网格数40万左右，竖井流道网格数为86.62万，总网格数285万左右。叶轮和导叶网格如图2 所示。

（a）导叶（b）叶轮

图2叶轮和导叶网格图

Fig.2 Impeller and guide vane grid graph

2.2边界条件

控制方程采用雷诺时均N-S方程，紊流模型采用标准k-ε模型，计算采用“stage”交界面模型处理叶轮与进水流道、导叶之间的动静耦合参数传递，静静交界面采用None 交界面类型。因为以原型装置进行数值计算，考虑进出水流道混凝土表面粗糙度2.5 mm。计算域进口边界条件设置为总压条件，总压设置为1个标准大气压。计算域出口边界设置为质量流量出口，叶轮设为旋转域，其中叶轮轮缘壁面边界设置为相对于叶轮反向同速旋转，其余计算域均为静止域。

2.3 竖井出水流道优化

竖井流道作为进水流道时，优化进水流道对泵装置性能影响不大，故在竖井流道优化时以反向性能性能为主。在竖井出水流道优化过程中带泵进行数值计算。

优化目标主要考虑竖井出水流道设计工况点水力损失最小、泵装置效率最高，同时兼顾出水流道流场分布。流道水力损失计算公式为

式中△h —水力损失

P_out、P_in—竖井流道进、出口的总压

ρ为水的密度

g 为重力加速度

初步设计方案记做方案 1（FA1），不断改变竖井内外轮廓线以致水力损失最小记做方案2（FA2），在方案2 的基础上改变竖井内侧喉部圆弧过渡记做方案3（FA3），在方案2 的基础上改变竖井内侧喉部为尖头记做方案4（FA4），在方案2的基础上在竖井出水流道进口加5片直导叶记做方案5（FA5），各方案竖井流道如图3 所示。

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

图3竖井出水流道图

Fig.3Shaft outlet passage graph

2.4数值计算结果

竖井作为出水流道时，由 FA1 至FA2 改变竖井内外轮廓线，尤其是喉部线型，以流道断面面积逐渐变大、水流速度逐渐减小为原则，通过数值模拟计算，出水流道水力损失最小确定最终的FA2。各方案设计工况下水力损失计算结果如表3所示。为了更方便地 比较分析竖井出水流道内水力损失分布，将各方案竖井内各段水力损失取出。其中出口为竖井流道的出口，进口为竖井流道的进口。如图4所示。

表3 不同设计方案出水流道水力损失

Tab.3 Outlet passage hydraulic loss of different design schemes

设计方案	出口总压/Pa	进口总压/Pa	水力损失/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)计算断面示意图(b)分段水力损失

图4数井出水流道分段计算结果

Fig.4Each section hydraulic loss of shaft passage

根据表3，由初始方案到方案2，通过不断调整竖井流道内外轮廓线，水力损失降幅达到7.5cm，优化效果较为明显。方案2总的水力损失最小，加入直导叶后带来很大的流道损失。改变竖井流道内侧分叉口形状效果并不理想。根据图4可知，从方案1至方案5主要水力损失都发生在竖井喉部分叉口位置，说明竖井喉部极为重要，也是竖井流道水力损失最为严重的区域，今后竖井贯流泵站竖井流道的优化应着重优化该区域的水力损失。通过方案2、方案3和方案4在竖井分叉段水力损失对比可知，竖井内侧分叉位置改变形状对环量回收和水力损失减小并无益处。根据第1段水力损失对比可知，方案5在竖井进口侧加入5片直导叶会带来很严重的水力损失，高达25cm，为其他方案该区域水力损失的5倍之多。根据分段水力损失图还可以看出，在第6个断面以后各段水力损失均比较小，其中方案5最小，方案2次之，说明叶轮出口环量主要靠竖井分叉和竖井通道回收，竖井分叉段设计越好，回收环量越多，竖井后半段水力损失就越小。将各设计方案流线图取出如图5所示。

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

图5 各工况流线图

Fig.5Streamline chart of different flow condition

由图5可知，初始方案流场非常紊乱，通过型线的改变流态较好，流速分布较为均匀。加入导叶后的方案5流态最好，且流线没有呈螺旋状，说明了直板导叶回收了绝大部分叶轮出口的速度环量。方案3竖井内侧改成圆弧后，由于在竖井分叉段内侧断面面积增加，流速撞击区域加大，产生了局部速度较大的区域，并且出现回流，导致该区域水力损失较大。方案4流场更为紊乱，流线呈螺旋状，说明分叉段改成锥形回收环量能力降低，导致竖井流道水力损失增加。将方案2和方案1反向设计工况下竖井流道内部流速分布图取出对比分析如图6所示。

(a)FA1 (b)FA2

图6竖井流道各断面流速分布云图

Fig.6Velocity distribution of shaft passage

根据图6，分析比较初始方案和优化方案竖井出水流道内流速在3～4m/s的速度分布云图可知，初始方案内外轮廓线设置不够合理，从竖井进口到出口出现流速忽大忽小的情况，必然会带来较大的流道损失，甚至会出现局部漩涡区，加大机组振动及泵站运行噪声。优化方案流速分布较为合理，从叶轮进口开始在该速度范围的区域越来越小。

选择方案2和初始方案做进一步对比分析。分别计算初始方案和方案2在0.6Q、0.8Q、Q、1.1Q、1.3Q流量工况下水力特性，计算结果如图7所示。Q为设计流量，正向设计流量为12.5m³/s，反向设计流量为14 m³/s。

（a）反向性能曲线 （b）正向性能曲线

图7双向泵装置性能曲线

Fig.7Hydraulic curves of bidirectional pump device

根据图7反向性能曲线可知，优化后的方案效率曲线整体较高，高效区范围较初始方案宽，扬程曲线也略高于初始方案；反向性能曲线在设计工况点，效率最高，由初始方案的56.760.5％，效率提高3.8％，优化效果明显。正向运行时，竖井流道作为进水流道，水力损失较小，优化前、后扬程曲线基本重合，优化后效率达到72.18％，较优化前提高1.67％。

３ 模型试验分析

龙山泵站为双向竖井贯流泵装置，正向运行时进水采用双向竖井流道进水，出水采用圆变方直管出水流道。叶轮为双向泵水力模型，模型泵名义叶轮直径D＝300mm，实际叶轮直径D＝299.65mm，水泵装置模型比例为1：8。模型叶轮轮毂比为0.4，叶片数为4，用黄铜材料经数控加工成型。模型导叶轮毂直径为120mm，叶片数为5，用钢质材料焊接成型。竖井流道采用钢板焊接制作，模型泵叶轮室和竖井流道开有观察窗，便于观测叶片和竖井流道内的水流和汽蚀。将设计方案2的各通流部件加工成型，模型泵装置如图8所示。模型泵安装检查，导叶体与叶轮室定位面轴向跳动0.10mm，轮毂外表面径向跳动0.08mm，叶顶间隙控制在0.20mm以内。模型泵叶轮直径300mm，根据nD值相等的原则（n表示转速），得到模型装置试验转速944 r/min。试验条件数值模拟计算保持一致。双向竖井贯流泵装置模型试验在高精度实验台上进行，试验方法按照《水泵模型及装置模型验收试验规程》SL140-2006执行。

(a)叶轮 （b）导叶 （c）泵装置图

图8 模型试验装置图

Fig.8Model test pump device

将模型泵装置试验性能曲线根据相似公式换算成原型泵装置曲线，公式为

式中，Q_p-原型泵流量，H_p-原型泵扬程，Q_m-模型泵流量，H_m-模型泵扬程，D_p-原型泵直径，D_m-模型泵直径，n_p-原型泵转速，n_m-模型泵转速将方案2双向竖井模型泵装置能量性能试验数据通过上述式（2）和式（3）换算成原型泵装置性能曲线，并与原型泵装置数值模拟结果作对比分析，如图9所示。

（a）反向运行装置性能曲线（b）正向运行装置性能曲线

图9 双向泵装置性能曲线对比图

Fig.9Hydraulic comparison of bidirectional pump device

根据图9的泵装置能量性能曲线可知，在该叶片角度下，反向试验最高效率达到57.56％，数值模拟最高效率达到60.5％，误差3％，满足工程应用要求。正向最高效率达到72.67％，数值模拟最高效率点72.18％，误差范围较小。说明了数值模拟的可靠性，同时也证实了竖井流道的优化效果。泵站正向运行时，竖井前置作为进水流道运行，导叶后置可有效回收叶轮出口环量，因此正向泵装置效率较高；反向运行时，竖井后置作为出水流道运行，竖井流道水力损失较大，占比较大，泵装置效率较低。因此对于低扬程竖井泵站而言，降低竖井流道的水力损失，可有效提高泵装置运行效率。

4结论

（1）对竖井出水流道进行优化设计，对比多个竖井设计方案，竖井流道分叉段内外轮廓线对流道水力损失影响较大，且直接影响竖井流道后半段水力损失。对于特低扬程双向泵站而言，减小竖井出水流道水力损失对提高泵装置效率有着重要意义。

（2）通过对竖井出水流道水力性能优化，优化后泵装置反向效率达到60.5％，较优化前提高3.8％；正向效率达到72.18％，较优化前提高1.67％。通过对竖井的优化，降低了泵站运行成本，优化效果明显。

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国家自然科学基金项目（51376155）、江苏省自然科学基金项目（BK20150457）、十二五农村领域科技计划项目（2012BAD08B03-2）、江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）和江苏省科研创新计划项目（KYLX15_1365）

作者简介：石丽建（1989-），男，博士生，主要从事流体功能曲面的多学科优化设计究，E-mail：yzdxslj@126.com

通信作者：汤方平(1964-)，男，教授、博士生导师，主要从事流体机械设计、复杂工程系统科学优化设计和泵站自动化研究。E-mail:tangfp@yzu.edu.cn

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