太浦河泵站斜15度轴伸泵水力动态力分析
摘要：太浦河泵站选用斜15°轴伸式轴流泵（以下简称斜15°轴伸泵），为特低扬程、大流量的水泵。它具有叶轮直径大、水泵装置流态复杂、水泵轴承受力大等特点。本文针对太浦河泵站斜15°轴伸泵，进行了水泵装置从吸入口至出口包括叶片、导叶、弯管段等在内的整体三维粘性流动分析，得到了流道内部不同工况下的流动特性如压力、速度分布及泵特性曲线，以及流道内部的旋涡分布和水力损失情况。同时进行了导叶和叶轮流动动静干涉引起的三维不稳定流动分析，得到了叶轮在不同工况下受到的轴向水推力及径向水推力在旋转过程中的变化规律，从而为轴承设计提供了比较准确的受力条件。该项研究对其它斜式泵的内部流态及受力分析也是一个很好的借鉴。
关键词：斜式轴流泵 三维不稳定流场 水力动态力
Abstract: Six 15°slantways axial-flow pumps are in use at the Taipuhe Pump Station, which provid with specially low head and larger discharge, resulting in the large impeller diameter, the complicated flow field and the more great unsteady hydraulic force on the bearing. This paper analyzes the whole three-dimensional viscous flow from the inlet to the outlet including the impeller, stay vane and the syphon, acquires the flowing properties such as pressure and velocity distribution and the property-curve of the pump, and the vortex distribution and hydraulic loss. In addition, the three-dimensional unsteady flow indeced by the rotor-stator interaction is analyzed. The values of axial thrust and radial thrust against the impeller at different operation conditions provides the bearing design a more exact force boundary condition. More, this study was useful for the inner flow field and force analysis of other slantwise pumps.
Key words: slandwise axial-flow pump; three-dimensional unsteady flow field; unsteady hydraulic force
1前言
太浦河泵站位于江苏省吴江市的东太湖边，是太湖流域治理中的一项重点工程。泵站由进水渠、进水池、泵房、出水池、出水渠等部分组成。水泵装置从进水池的流道进口至出水池处的流道出口，见图一。泵站基本参数见表一。
图一 太浦河泵站水泵装置图
表一 泵站基本参数
| 设计（m） | 最高（m） | 最低（m） | 设计流量（m3/s） | 传动 | |
运行水位 | 进水池 | 1.90 | / | 1.70 | 6×50 | 1600KW电动机 平行的两级传动减速齿轮箱 |
出水池 | 3.29 | 3.34 | 2.66 | |||
扬程 | 静扬程 | 1.39 | 1.64 | 0.76 | ||
考虑损失 | 1.69 | 1.94 | 1.16 | |||
2 斜轴伸泵的受力特点和水力动态力的必要性
由于斜轴伸泵呈斜式布置，受力状态较卧式和立式水泵要复杂，水泵轴承同时受水平分力和垂直分力。在静况须承受水泵转动部分的重量和浮力，在运行工况还须承受水力不平衡力、泵叶轮的静不平衡力和泵轴挠度引起的离心力等。泵叶轮的静不平衡和泵轴挠度引起的离心力由制造厂根据机械加工的技术要求考虑，而因水流引起的不平衡力以及压力脉动则比较复杂，以往因缺乏有力的计算工具，通常按经验进行估算，误差不易分析，也难以分析不平衡力的产生原因。
太浦河泵站斜15°轴伸泵叶轮直径为4.1m，远大于常规水泵的叶轮尺寸，根据国内现有的斜轴伸式水泵的运行经验，对水泵泵轴和轴承的各种受力须予以重视，充分考虑水泵受到的周期性水推力和径向力，以保证水泵安全运行。为此清华大学流体机械及工程研究所、上海院及其它单位一起对水泵装置进行比较全面的数模计算和水力动态力分析，第一，检验水泵装置的设计合理性，并对水泵叶片、导叶型线等过流部件的设计提出修改意见；第二，获得水泵装置完整的水力特性，为轴承、泵轴等受力部件设计提供。
3 太浦河泵站泵内部流道的数模计算
3.1 计算内容
本次计算和分析是对整个水泵装置的数模计算。进行了从进水池进口至出水池（包括叶轮和导叶）7个运行工况的三维稳定粘性流动分析，以及导叶、叶轮流动相互干涉引起的3个运行工况的内部三维不稳定粘性流动的计算机仿真试验。从而计算出流道内部的各运行工况下的流动特性及叶轮受到的水推力和经向力随时间的变化规律及其频谱特性，并提出了保证机组安全高效运行的建议。
由于数模计算能显示整个水泵流道装置任意断面任意点的压力场和流速场，所以计算中也可表示水泵转动部分的汽蚀和水流流态等情况。
3.2 三维粘性流动分析模型
本研究采取SIMPLEC方法，并用有限体法离散求解稳定流场内部流动基本方程（即N-S方程）。湍流模型采用了现实（
）的
模型。在各种计算中发现模型在最优工况附近和在偏离最优工况，都表现出稳定的收敛性和较高的计算精度。
本次研究专门建立了太浦河泵站水泵装置从进水池的进水口至出水池出水口（包括进出水支墩、叶轮、导叶体、出水支墩等，但不包括进出水流道的三道闸门门槽）整体流道的流动仿真试验台，如图二。
图二 整体流道流动仿真试验台
通过给定进口边速度条件及出水管出口静压条件，就可以进行多种工况组合（不同扬程和流量）的流动特性试验。在实际分析中，整体流道的流动分析显然可以获得许多完善的流动现象及高精度的计算结果。
4 太浦河泵站泵的内部流动仿真结果
4.1 太浦河泵站泵内部流道流动特性
 |
整体流道的流动特性，如图三。
水流从进水池进水口流到叶轮进口处，流道收缩，静压力降低，在水流进入叶轮后在叶片背面进口靠轮缘处及叶轮和叶轮室间隙处压力达到最低，该局部区域也是汽蚀的最易发生处。通过叶轮作功后，压力上升，水流有一定的冲角进入导叶，流道扩散，在导叶背面产生回流。水流继续转弯，流道继续扩散，水流减速，静压力提高，内部水流产生回流，流到出水池。在设计流量50m3/s下，水流从叶轮出口流至出水池的过程中，经碰撞、扩散、回流、转弯、摩擦等损失较大。而从进水池流入叶轮进口区域水力损失很小。
4.2 太浦河泵站泵内部流道流动仿真结果
在叶片的安放角为00时，不考虑三个闸门门槽的水力损失，泵站7个运行工况的三维稳定粘性流动分析结果如图表一。
图表一 泵站7个运行工况点的三维稳定粘性流动分析结果
扬程 | 流量 | 汽蚀否 | 轴向力 | 纵向径向力 | 横向径向力 | 径向力合力 |
m | m3/s | Pv=0.323 | N | N | N | N |
3.064 | 20 | 是 | 411063 | -4804.3 | 5892.47 | 7602.79 |
2.608 | 30 | 是 | 354851 | -4308.7 | 1808.60 | 4672.87 |
2.406 | 40 | 是 | 323765 | -6659.0 | -1056.7 | 6742.35 |
1.934 | 49.64 | 临界 | 280045 | -10346. | -10353 | 14636.4 |
1.596 | 55 | 否 | 247292 | -14828. | -10967. | 18443.1 |
1.254 | 60 | 否 | 210755 | -20217 | -10086 | 22593.3 |
0.408 | 70 | 否 | 114837 | -33703. | -10102 | 35183.9 |
4.3 太浦河泵站泵内部流道不稳定流动仿真结果
考虑叶轮和导叶的水流流动相互干涉，进行太浦河泵站叶轮进口至导叶出口流道（导叶、叶轮体、桨叶片等）的三维粘性RSI现象流动分析。其计算区域如图四。
图四 三维粘性不稳定流动计算区域
对此种情况共计算了叶片安装角为00时的3个运行工况（流量为40 m3/s、50 m3/s、70 m3/s）的不稳定流动，每个工况记录了以下数据，如图五。
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图五 仿真计算记录点布置图
记录数据点还包括叶轮水力矩、水推力和纵向径向力随叶轮旋转时间的变化过程。内部不稳定流动仿真计算结果如表二。
表二 太浦河泵站的内部不稳定流动仿真计算结果
工况 | 流量为40 m3/s | 流量为50 m3/s | 流量为70 m3/s | |||
特征量 （单位） | 最大值 | 最小值 | 最大值 | 最小值 | 最大值 | 最小值 |
cd-x (N) | -330097 | -339167 | -272744 | -277093 | -85883.4699 | -91946.4 |
cl-z (N) | 3647.435 | -5198.36 | -3186.51 | -8814 | -17322.8383 | -23017.7 |
cm-x ( | 231360.8 | 224396.7 | 194869.6 | 192151.8 | 81484.55 | 76737.73 |
p-bg2 (Pa) | -1724.8 | -3733 | -1876.5 | -3787.8 | -4460.3467 | -5182.22 |
p-bp1 (Pa) | -4672.2 | -9599.5 | -4344.9 | -10671 | -207.1349 | -8645.82 |
p-bp2 (Pa) | -9760.3 | -14063 | -6255.1 | -12186 | -2059.0879 | -10304.1 |
p-bp3 (Pa) | -38605 | -41871 | -34535 | -38934 | -2838.2014 | -11132.8 |
p-bpav (Pa) | 1504.2 | -6898.2 | 1501.6 | -7809.3 | -21139.945 | -25908.7 |
p-bs1 (Pa) | -4529.2 | -10426 | -700.24 | -8662.6 | 2246.0271 | -11337.2 |
p-bs2 (Pa) | -17950 | -26013 | -10131 | -16836 | 3463.6409 | -9382.09 |
p-bsav (Pa) | 5807.6 | 243.3895 | 3765.7 | -3942.8 | 226.02806 | -13827 |
p-g11 (Pa) | 16542 | 4255.6 | 11319 | 3328 | -1934.1693 | -6609.85 |
p-g12 (Pa) | 9837.4 | -1306.5 | 7345.2 | 498.7543 | -3064.803 | -7933.36 |
p-g13 (Pa) | 400.8523 | -8172 | -945.094 | -5261 | -4677.4502 | -8466.99 |
p-g21 (Pa) | -5063.6 | -14182 | -6251.5 | -22049 | -10193.401 | -17552 |
p-g22 (Pa) | -983.232 | -12397 | -11738 | -18579 | -14112.405 | -20928.8 |
)
5 太浦河泵站泵内部流道流动仿真研究结论
1） 太浦河泵站的水泵稍高于泵站的实际扬程。
2） 从整体流道的稳定和不稳定三维粘性流动分析结果看，流道内部水压力因RSI现象即导叶与转轮间流动的相互干扰（Roter Stator Interaction）现象表现出压力随时间的变化，并体现在机组工作的整体性能上如叶轮的水力矩和水推力、经向力等随叶轮旋转的变化。正常工况运行时，叶轮受到的最大纵向径向水压力约为2.3吨，其变幅约为0.8吨。考虑叶轮受到的横向的不稳定径向力，可以认为叶轮的最大径向水压力为2.3×1.414=3.253吨, 径向力压力变幅约为0.8×1.414=1.312吨。这个力的作用位置在叶轮上面，考虑水导轴承承受时该力还应进行换算，将会是超过4吨的力。
3） 力脉动的频域能量主要集中在转频、3倍转频（叶片数的影响）、5倍转频（导叶数的影响）上，高频的能量相对较小。
4） 从整体流道流动分析结果看，太浦河泵站泵的最高水力效率在流量为50m3/s左右的工况。流道水力损失主要为以下两部分：一为与流量成平方比的沿程阻力损失，流量越大，损失也越大。这部分损失相对较小；二为碰撞、回流、扩散为主的局部水力损失，流量越小，损失越大。通过优化分析导叶及出口流道型线可以减小这部分的损失。
5） 机组在出水池水位最低，扬程大于最高扬程时，易在叶片背面进口靠轮缘处及叶轮和叶轮室间隙处产生汽蚀，并有可能引起叶轮的不稳定工作，可作适当改进以提高机组的运行稳定性。
6） 虽然水泵动态力数值仅为整个水泵装置受力中的一部分，但周期性变化会产生振动，造成疲劳破坏等严重影响，必须予以注意和防止。水泵装置的数模仿真是一种新的课题，它从理论上分析和研究水泵装置的流态和受力情况，给水泵装置整体设计和部件设计提供一个理论依据，再结合水泵装置的模型试验，将理论计算和实际的水流情况作比较分析，会提高我国水泵装置的设计制造水平，开发新的水泵。
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［1］孔尚勇. 泵及其应用［M］.北京：煤炭出版社