馬鵬飛，王 軍

（1.中國科學(xué)院 電工研究所，北京 100190；2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

1 研究背景

沿江、沿湖和沿海地區(qū)泵站揚(yáng)程低，許多泵站需要具備雙向抽水功能以同時(shí)兼顧排澇和灌溉。實(shí)現(xiàn)雙向抽水的主要方式有葉輪直接反轉(zhuǎn)、動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)180°轉(zhuǎn)頭和特殊的流道布置等。直接反轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向抽水顯然具有更好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但如果將普通軸流泵用于反向抽水，葉片翼型將處于反拱狀態(tài)，使葉輪的能量和空化性能大幅下降，同時(shí)嚴(yán)重的葉片脫流還會(huì)引起激烈的震動(dòng)和噪聲［1-3］。如圖1所示，文中雙向泵采用低拱度圓弧骨線，對(duì)骨線進(jìn)行雙邊加厚，在正向性能有一定降低的情況下提高了反向性能。軸流泵一般采用后置彎導(dǎo)葉，但對(duì)雙向泵，采用彎導(dǎo)葉時(shí)反向運(yùn)行中會(huì)在葉片進(jìn)口前形成正預(yù)旋，使反向性能顯著下降，同時(shí)最優(yōu)工況點(diǎn)向小流量偏移，為此，可采用直導(dǎo)葉，此時(shí)正向性能會(huì)有所下降，但消除了反向運(yùn)行時(shí)的正預(yù)旋，可較大程度提高反向性能，保證最優(yōu)工況點(diǎn)不至偏移較大，且直導(dǎo)葉加工方便，更有利于實(shí)際應(yīng)用［4-5］。

圖1 雙向泵葉片翼型

目前國內(nèi)外關(guān)于雙向泵的研究還較少，主要為基于數(shù)值模擬的雙向泵內(nèi)流場分析及裝置性能實(shí)驗(yàn)，更多的研究是針對(duì)常規(guī)軸流泵及離心泵。如湯方平等［6］通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比了水泵直接掉頭和采用雙向葉輪兩種雙向抽水方案，發(fā)現(xiàn)兩種方案性能均優(yōu)于井筒式裝置；成立等［7］對(duì)具有正、背面對(duì)稱葉片的雙向泵開展了正、反向裝置性能實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，泵正反向性能相差較?。籇esheng Zhang等［8］通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了軸流泵葉尖渦的動(dòng)力特性和其軌跡線，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的葉尖渦軌跡線吻合較好；Can Kang等［9］基于重整化群k-ε湍流模型和實(shí)驗(yàn)方法研究了靜葉數(shù)對(duì)軸流泵性能和流場的影響，研究表明，較大的導(dǎo)葉數(shù)可使葉片和導(dǎo)葉出口邊軸面速度分布更均勻；David Tan等［10］通過實(shí)驗(yàn)研究了噴水推進(jìn)軸流泵的空化渦結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)葉尖渦和尾緣葉尖處吸力側(cè)的附著空化的相互作用是引起泵性能大幅下降的主要原因。文章基于SSTk-ω湍流模型分析了直導(dǎo)葉內(nèi)的流動(dòng)特性及直導(dǎo)葉幾何參數(shù)對(duì)泵性能和流場的影響，基于此討論了直導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)方法，研究結(jié)果同樣適用于普通軸流泵（風(fēng)機(jī)）采用直導(dǎo)葉時(shí)的情況。

2 模型

研究對(duì)象為一臺(tái)高比轉(zhuǎn)速雙向泵，名義比轉(zhuǎn)速為1 600，表1為泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和幾何參數(shù)。計(jì)算模型包括進(jìn)水段、葉輪區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)、彎管及出水段，同時(shí)布置前后直導(dǎo)葉時(shí)，前后直導(dǎo)葉完全相同且保持相同的軸向間距，直導(dǎo)葉采用Naca66-012對(duì)稱翼型，為保證數(shù)值計(jì)算中進(jìn)出口處流動(dòng)均勻，進(jìn)水段和彎管部分均延伸500 mm，計(jì)算模型如圖2。

表1 雙向泵設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 前后直導(dǎo)葉模型

3 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬中動(dòng)、靜耦合面位置的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，耦合面靠近葉片，計(jì)算模型更接近實(shí)際情況，但也造成網(wǎng)格質(zhì)量降低，加大耦合面和葉片之間的距離，則會(huì)降低計(jì)算精度。文章耦合面由葉片進(jìn)、出口邊回轉(zhuǎn)面沿軸向平移3 mm得到，保證耦合面貼近葉片。劃分全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)網(wǎng)格數(shù)無關(guān)性檢測(cè)后網(wǎng)格數(shù)取為約500萬。采用CFX軟件，SSTk-ω湍流模型。SSTk-ω模型將壁面附近的邊界層流動(dòng)和邊界層外充分發(fā)展的湍流流動(dòng)分開計(jì)算，可以更精確的模擬流動(dòng)分離，但對(duì)邊界層網(wǎng)格要求較高［11-13］。為此，如圖3，將葉片和導(dǎo)葉表面第1層網(wǎng)格高度調(diào)整為0.01 mm，葉頂間隙為0.3 mm，在間隙處布置10層網(wǎng)格［14-16］，速度場和壓力場基于全隱式同位網(wǎng)格耦合求解，不同計(jì)算域交接面采用GGI方法處理數(shù)據(jù)插值，旋轉(zhuǎn)域采用多參考系法計(jì)算，動(dòng)-靜交接面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型，進(jìn)、出口邊界條件分別為速度進(jìn)口和自由出流，固壁處采用無滑移邊界條件。

根據(jù)加后置彎導(dǎo)葉雙向泵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的適用性。由圖4可見，揚(yáng)程在小流量下實(shí)驗(yàn)結(jié)果高于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，大流量下則反之；正向運(yùn)行時(shí)數(shù)值模擬效率最高為66.85%，比實(shí)驗(yàn)結(jié)果高0.15%，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)工況點(diǎn)位置一致；大流量下數(shù)值模擬精度下降較快，這可能和葉片的加工和安裝有關(guān)。試驗(yàn)開展了樣機(jī)正反向0°、±2°、±4°等10個(gè)安放角下的性能測(cè)試，這就需要葉片可調(diào)安放角，因此在0°安放角下葉片和輪轂之間需保留一定的間隙。大流量運(yùn)行時(shí)，間隙中的過流量增大，從而使葉片實(shí)際的過流量小于測(cè)量得到的流量；另外，間隙處流速增大也加大了該處的流動(dòng)損失，使流動(dòng)更為復(fù)雜，這也降低了數(shù)值模擬的精度。整體而言，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，其結(jié)果可以定性的反映泵性能和流場的變化趨勢(shì)。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

圖4 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 直導(dǎo)葉內(nèi)流動(dòng)特性分析

采用直導(dǎo)葉時(shí)，葉片進(jìn)口流場幾乎和無前導(dǎo)葉時(shí)相同，但由于后導(dǎo)葉進(jìn)口沖角很大，壓力面前緣有較大的沖擊損失，吸力面產(chǎn)生嚴(yán)重的流動(dòng)分離。圖5為流道內(nèi)總壓沿流向的變化，總壓表征單位流體攜帶能量的大小，其變化可以反映流體運(yùn)動(dòng)中流動(dòng)損失的大小。定義R*=R/R0為徑向系數(shù)，C*=C/C0為流向系數(shù)，其中R0為葉輪半徑，C0為各計(jì)算域進(jìn)出口之間軸向距離。如圖5所示，葉片約前1/5區(qū)域總壓增加速度高于后部，反向時(shí)葉片翼型反拱，葉片區(qū)總壓上升較小，做功能力降低，揚(yáng)程較低；前導(dǎo)葉區(qū)總壓下降很小，常規(guī)導(dǎo)葉導(dǎo)葉區(qū)總壓下降1.45 kPa，直導(dǎo)葉正向運(yùn)行時(shí)后導(dǎo)葉區(qū)總壓下降增大至2.88 kPa，約為常規(guī)導(dǎo)葉2倍，反向時(shí)下降2.45 kPa，正反向后導(dǎo)葉區(qū)總壓下降量接近，流體經(jīng)過導(dǎo)葉后總壓變化較小，說明采用直導(dǎo)葉時(shí)在泵后直導(dǎo)葉區(qū)內(nèi)發(fā)生了較大的流動(dòng)損失。直導(dǎo)葉吸力面流動(dòng)分離主要由進(jìn)口沖角較大引起，圖6為流道不同位置液流角分布。如圖6所示，前導(dǎo)葉進(jìn)口邊液流角接近90°，前導(dǎo)葉頭部基本為無沖擊入流，流體經(jīng)過前導(dǎo)葉接近葉片時(shí)開始產(chǎn)生預(yù)旋，在靠近輪緣的位置由于葉片轉(zhuǎn)動(dòng)線速度較大，流動(dòng)角在距離葉片較遠(yuǎn)的位置已開始減小。在葉片進(jìn)口邊，流體已不再是法向入口；在葉片出口邊，液流角從輪轂到輪緣逐漸增加，流體離開葉輪后，在靜止域液流角開始增加；在后導(dǎo)葉出口邊，由于導(dǎo)葉區(qū)存在大尺度旋渦，液流角有較大波動(dòng)，中間葉高處液流角明顯高于兩邊，此處旋渦潰散較快，經(jīng)過后導(dǎo)葉后，旋渦潰散，流動(dòng)逐漸均勻；在導(dǎo)葉區(qū)出口，液流角已經(jīng)接近90°。

圖5 總壓沿流道變化

圖6 不同位置液流角分布

5 直導(dǎo)葉幾何參數(shù)對(duì)性能和流場的影響

實(shí)際應(yīng)用中雙向泵站正反向運(yùn)行時(shí)間一般相差較大，葉片、導(dǎo)葉葉型和流道布置形式根據(jù)運(yùn)行環(huán)境選擇，通常僅布置后導(dǎo)葉，但在少數(shù)特殊場合，由于強(qiáng)度原因軸流式葉片機(jī)械可能同時(shí)安裝前后導(dǎo)葉，而根據(jù)前文分析，前直導(dǎo)葉對(duì)流態(tài)和性能的影響較小，因此主要研究僅布置后直導(dǎo)葉的情況，最后分析了同時(shí)布置前后直導(dǎo)葉時(shí)弦長變化對(duì)性能的影響。直導(dǎo)葉主要設(shè)計(jì)參數(shù)有葉片數(shù)、弦長及軸向間距等，本文在保持其他參數(shù)不變的情況下分別研究單個(gè)參數(shù)對(duì)性能的影響規(guī)律。

5.1 弦長 保持其他參數(shù)不變，僅加后直導(dǎo)葉，軸向間距、葉片數(shù)和采用彎導(dǎo)葉時(shí)保持相同，對(duì)弦長進(jìn)行無量綱化處理，選用導(dǎo)葉輪轂處葉柵稠密度（l/t）表示弦長的變化，圖7為不同弦長下模型正反向性能變化，由圖可見，弦長增大時(shí)正反向揚(yáng)程、效率均下降，但下降幅度較小，l/t從0.95增大到1.59，正向揚(yáng)程相對(duì)下降3.73%，效率相對(duì)下降3.91%，反向揚(yáng)程相對(duì)下降5.76%，效率相對(duì)下降1.84%，前、后直導(dǎo)葉均會(huì)使揚(yáng)程下降，后直導(dǎo)葉對(duì)效率影響更大。圖8為不同弦長下導(dǎo)葉區(qū)總壓沿流動(dòng)方向變化，由圖可見，總壓在導(dǎo)葉處下降最快，弦長增大，總壓下降速度減小，下降范圍增大，且恢復(fù)較慢，弦長較小時(shí)，雖然在導(dǎo)葉處總壓下降速度快，但受上游流體的影響，速度較易恢復(fù)，流體經(jīng)過導(dǎo)葉后總壓回升。

圖7 不同弦長性能變化

圖8 不同弦長模型總壓沿流向分布

定義軸面速度Vm＜0的區(qū)域?yàn)榛亓鲄^(qū)，圖9、圖10分別為l/t=0.95、1.59時(shí)流道內(nèi)時(shí)均回流區(qū)。由圖可見，直導(dǎo)葉下雙向泵回流區(qū)主要為直導(dǎo)葉吸力面流動(dòng)分離區(qū)，此外在葉片進(jìn)出口邊附近及葉頂間隙處也有較小尺度回流區(qū)，回流區(qū)主要附著在導(dǎo)葉吸力面，因此弦長較大時(shí)，回流區(qū)尺度更大，l/t=1.59時(shí)，由于直導(dǎo)葉內(nèi)的旋渦使流體攜帶能量衰減，甚至在彎管和擴(kuò)散管連接處也形成了大尺度的回流區(qū)。

5.2 軸向間距 導(dǎo)葉和葉片的軸向間距S也是設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，一般取S/D0=（0.05～0.1），D0為葉輪外徑，軸向間距過小會(huì)加大葉片-導(dǎo)葉動(dòng)靜干涉，過大會(huì)增大葉片懸臂長度，影響強(qiáng)度。取相對(duì)軸向間距Sr=取S/D0，如圖11所示，從Sr=0.05到0.117取5個(gè)軸向間距進(jìn)行分析。由圖11可見，隨著軸向間距增大，正向揚(yáng)程增加了0.06 m，增幅很小，反向揚(yáng)程基本不變，正向效率增加了1.49%，反向效率變化很小。圖12為不同軸向間距下導(dǎo)葉區(qū)總壓沿流動(dòng)方向的變化，由圖可見，在葉片-導(dǎo)葉之間區(qū)域總壓開始下降，但下降速度較慢，在導(dǎo)葉位置，總壓開始快速下降，流體經(jīng)過導(dǎo)葉之后，總壓回升，增大軸向間距之后，葉片-導(dǎo)葉之間空間增大，但流體經(jīng)過導(dǎo)葉后總壓回升較快，揚(yáng)程反而有所增加。

圖9 l/t=0.95模型時(shí)均回流區(qū)

圖10 l/t=1.59模型時(shí)均回流區(qū)

圖11 不同軸向間距性能變化

圖12 不同軸向間距下總壓沿流向分布

圖13為不同軸向間距下導(dǎo)葉進(jìn)口截面液流角分布，由圖可見，導(dǎo)葉進(jìn)口截面液流角分布并不均勻，不同軸向間距下液流角分布規(guī)律相似，液流角從輪轂到輪緣沿徑向有增大趨勢(shì)，隨著軸向間距增加，導(dǎo)葉進(jìn)口液流角有一定增大，液流角增大，導(dǎo)葉進(jìn)口沖角減小，會(huì)一定程度上降低導(dǎo)葉吸力面流動(dòng)分離強(qiáng)度，提高性能。

5.3 葉片數(shù) 葉片數(shù)是導(dǎo)葉的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，為減小壓力脈動(dòng)，不宜使導(dǎo)葉數(shù)和葉片數(shù)相等或互為倍數(shù)，導(dǎo)葉葉片數(shù)過多又不符合實(shí)際情況，因此取不同弦長下葉片數(shù)為4、5兩種方案分析。由圖14可見，5葉片不同弦長下正向性能的變化趨勢(shì)和4葉片時(shí)相同，l/t從0.88增大至1.35，揚(yáng)程和效率分別下降了0.11 m和3.14%；反向時(shí)，5葉片模型揚(yáng)程基本保持不變，效率下降0.47%；同等弦長下，由于分離區(qū)的減小，4葉片模型性能優(yōu)于5葉片模型，但5葉片時(shí)可選擇更小的弦長，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核后選擇。圖15為不同模型總壓沿流向變化，其變化規(guī)律和4葉片時(shí)相似。

圖16為5葉片l/t=1.35時(shí)的回流區(qū)，由圖可見，其范圍要大于相同弦長下4葉片模型，回流區(qū)沿軸向延伸，附著在壁面上，相同弦長下，增加葉片數(shù)會(huì)擴(kuò)大分離區(qū)的范圍，增大流動(dòng)損失。

圖13 不同軸向間距下導(dǎo)葉進(jìn)口邊液流角分布

圖14 5葉片不同弦長性能變化

圖15 不同弦長模型總壓沿流向分布

圖16 5葉片l/t=1.35模型回流區(qū)

圖17 不同葉片數(shù)下正向效率隨葉柵稠密度變化

導(dǎo)葉的弦長和葉片數(shù)綜合表示了葉柵稠密度，為分析不同葉片數(shù)下l/t相同時(shí)性能的變化，圖17對(duì)比了4葉片和5葉片下泵正向效率隨l/t的變化。由圖17可見，葉片數(shù)不同時(shí)，l/t-η曲線斜率不同，葉片數(shù)越大，斜率越大，不同葉片數(shù)下l/t相同時(shí)模型的性能并不相同；l/t較小時(shí)，5葉片模型效率更高，l/t較大時(shí)則反之，說明直導(dǎo)葉葉片數(shù)較大時(shí)，弦長增加后性能下降更劇烈。

5.4 前后導(dǎo)葉設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中還可在葉片前后同時(shí)布置直導(dǎo)葉，此時(shí)可適當(dāng)減小導(dǎo)葉長度，但無論是正向還是反向都存在后導(dǎo)葉，因此正反向效率均較低。本文設(shè)計(jì)了不同弦長的直導(dǎo)葉模型。由圖18可見，加前后直導(dǎo)葉時(shí)泵正反向揚(yáng)程和效率均隨著弦長增大而減小，l/t從0.7增加至1.08，正向時(shí)揚(yáng)程和效率分別下降0.10 m和2.81%，反向時(shí)分別下降0.06 m和2.23%，和僅加后直導(dǎo)葉時(shí)變化規(guī)律相近。圖19為總壓沿流道的變化，由圖可見，不同弦長模型前導(dǎo)葉區(qū)總壓變化較小，趨勢(shì)相同，在后導(dǎo)葉區(qū)弦長較小時(shí)，吸力面流動(dòng)分離區(qū)尺度較小，效率更高。

根據(jù)以上分析，由于直導(dǎo)葉的固有結(jié)構(gòu)，流體進(jìn)入直導(dǎo)葉后極易發(fā)生流動(dòng)分離，弦長和葉片數(shù)增加使導(dǎo)葉整體尺寸加大，同時(shí)也增大了流動(dòng)分離尺度，形成了更大尺度的旋渦和回流，降低了水力性能；而軸向間距主要影響直導(dǎo)葉進(jìn)口沖角，流體經(jīng)過葉片后帶有較大的周向速度，在運(yùn)動(dòng)中周向速度逐漸減小，軸向間距減小時(shí)，導(dǎo)葉進(jìn)口處流體周向速度增大，沖角增加，加大了流動(dòng)分離強(qiáng)度。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)在保證強(qiáng)度的條件下盡可能減小直導(dǎo)葉的尺寸及葉片數(shù)，同時(shí)可適當(dāng)加大軸向間距，以改善葉表的流動(dòng)分離。

顯然，葉片的幾何形狀決定了直導(dǎo)葉進(jìn)口邊的來流狀態(tài)，不同設(shè)計(jì)參數(shù)下葉片的出口流場不同，這也導(dǎo)致直導(dǎo)葉進(jìn)口來流的速度大小、沖角不同，影響導(dǎo)葉內(nèi)流動(dòng)分離強(qiáng)度。一般而言，設(shè)計(jì)流量較大時(shí)，為增大過流能力，葉片安放角較大，導(dǎo)葉進(jìn)口沖角較小，分離強(qiáng)度有一定降低；設(shè)計(jì)揚(yáng)程較大時(shí)，為提高做功能力，葉片取較大沖角，同樣可一定程度減小導(dǎo)葉內(nèi)流動(dòng)分離強(qiáng)度，因此對(duì)于設(shè)計(jì)流量和揚(yáng)程較小的軸流泵，在采用直導(dǎo)葉時(shí)更應(yīng)注意其幾何參數(shù)的選取。

軸流泵通常僅布置后導(dǎo)葉，反向時(shí)，后導(dǎo)葉變?yōu)榍皩?dǎo)葉，前置直導(dǎo)葉不會(huì)使來流產(chǎn)生預(yù)旋，對(duì)泵性能影響較小，若同時(shí)布置前后直導(dǎo)葉，反向運(yùn)行時(shí)直導(dǎo)葉對(duì)流態(tài)的影響規(guī)律和正向時(shí)基本相同。反向時(shí)直導(dǎo)葉翼型頭部變?yōu)槲膊?，?huì)在后部形成一定的脫流尾跡，對(duì)葉片的進(jìn)口流態(tài)產(chǎn)生一定影響。

圖18 前后導(dǎo)葉不同弦長性能變化

圖19 前后導(dǎo)葉不同弦長模型總壓沿流向分布

6 結(jié)論

基于SSTk-ω湍流模型研究了采用直導(dǎo)葉時(shí)雙向軸流泵內(nèi)流動(dòng)損失增加的原因，以及不同布置方式和幾何尺寸下泵水力性能和內(nèi)流場的變化，主要結(jié)論如下：

（1）采用直導(dǎo)葉時(shí)，葉輪前直導(dǎo)葉基本為無沖擊入流，導(dǎo)葉內(nèi)流動(dòng)均勻，對(duì)泵性能影響很小，后導(dǎo)葉區(qū)內(nèi)由于導(dǎo)葉進(jìn)口大沖角入流導(dǎo)致吸力面發(fā)生嚴(yán)重流動(dòng)分離，形成較大尺度的旋渦和回流，使模型的水力性能有一定下降，直導(dǎo)葉內(nèi)總壓下降量約為采用常規(guī)彎導(dǎo)葉時(shí)的2倍。

（2）直導(dǎo)葉葉片數(shù)、弦長及軸向間距均會(huì)影響泵內(nèi)流場流態(tài)和其水力性能，葉片數(shù)和弦長增加會(huì)加大發(fā)生分離的區(qū)域，進(jìn)而影響流道內(nèi)旋渦尺度，而軸向間距則主要影響直導(dǎo)葉進(jìn)口沖角，增大軸向間距可降低沖角和分離強(qiáng)度。因此，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下適當(dāng)減小導(dǎo)葉尺寸并增加軸向間距，可在一定程度上抑制后置直導(dǎo)葉內(nèi)的流動(dòng)分離現(xiàn)象，提高效率。

（3）在葉片前后同時(shí)布置直導(dǎo)葉可以增加機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但由于正反向運(yùn)行時(shí)均存在后直導(dǎo)葉，雙向運(yùn)行效率均較低，在設(shè)計(jì)中可予以考慮。

參 考 文 獻(xiàn)：

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