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軸伸貫流泵全過流系統(tǒng)斷電飛逸過渡過程研究

2021-08-31 00:44何中偉高成昊舒崚峰
流體機(jī)械 2021年7期
關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)輪靜壓斷電

何中偉,鮑 華,高成昊,舒崚峰

(1.中國電建華東勘測設(shè)計(jì)研究院,杭州 311122;2.浙江華東工程建設(shè)管理有限公司,杭州 311122)

0 引言

大型軸伸貫流泵裝置具有大流量、高效率的特點(diǎn),由于機(jī)組在過渡過程中壓力脈動(dòng)復(fù)雜多變,因此研究內(nèi)容豐富,研究人員眾多。周大慶等[1]通過一維方法證明帶有小拍門的閘門可以降低軸流泵啟動(dòng)所需負(fù)荷。但由于軸伸貫流泵在過渡過程中三維非定常特征明顯,而一維特征線方法難以模擬三維重力場[2-4]對機(jī)組過渡過程中水力性能的影響,因此采用CFD 方法對軸伸貫流泵全過流進(jìn)行三維數(shù)值模擬是近年來的趨勢。

夏林生等[5]通過三維方法對燈泡式水輪機(jī)進(jìn)行飛逸過渡過程模擬,并將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比,驗(yàn)證三維仿真的準(zhǔn)確性。王秀禮等[6]則對斷電停機(jī)過程中泵內(nèi)氣液兩相流變化進(jìn)行研究,得出在泵斷電停機(jī)過程中,葉輪背面會(huì)產(chǎn)生漩渦并導(dǎo)致氣體體積分?jǐn)?shù)增加。LIU 等[7]對水泵水輪機(jī)在甩負(fù)荷過程中壓力脈動(dòng)及尾流的變化進(jìn)行了研究分析。上述研究雖然盡量模擬真實(shí)情況,但是對流道上下水池以及壓力沿水深變化沒有考慮[8-9]。本文針對軸伸貫流泵,設(shè)置上、下水池為壓力進(jìn)出口邊界,通過udf 程序控制模擬水深沿壓力變化特征,對機(jī)組斷電飛逸過程進(jìn)行數(shù)值模擬,闡述該過程流量、壓力脈動(dòng)等各參數(shù)變化規(guī)律。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 模型參數(shù)

本文所用計(jì)算模型為國內(nèi)某軸伸貫流泵全過流系統(tǒng),包括進(jìn)出水池、進(jìn)出水流道、前后導(dǎo)葉以及轉(zhuǎn)輪,具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該泵為1700ZWSQ10-2.5 型臥式雙向全調(diào)節(jié)軸伸貫流泵,設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.5 m,設(shè)計(jì)流量為10 m3/s,轉(zhuǎn)速為250 r/min,轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為320 kg·m2;葉輪直徑為1.7 m,葉片可在-2°~+4°之間調(diào)節(jié)。泵段部分分別由5 葉片前導(dǎo)葉、4 葉片轉(zhuǎn)輪和7 葉片后導(dǎo)葉組成。

圖1 三維結(jié)構(gòu)Fig.1 Three-dimensional structure diagram

泵段結(jié)構(gòu)部件如圖2 所示,共設(shè)置4 個(gè)監(jiān)視面,分別為前導(dǎo)的前端、轉(zhuǎn)輪前、后端以及后導(dǎo)的后端。考慮重力場及壓力沿水深變化,監(jiān)視點(diǎn)設(shè)置在每個(gè)截面同一半徑處的上中下3 個(gè)位置處。

圖2 泵段監(jiān)視點(diǎn)Fig.2 Monitoring point diagram of pump section

1.2 網(wǎng)格

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分計(jì)算模型全流道,圖3示出泵部分網(wǎng)格。在近壁區(qū)域應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(Standard Wall Function)方法,引入k-e 湍流模型配合處理近壁區(qū)域的數(shù)值模擬計(jì)算。引入?yún)?shù)y+衡量邊界層值:

圖3 泵段網(wǎng)格Fig.3 Grid diagram of pump section

軸伸貫流泵葉輪與導(dǎo)葉處模型扭曲較大,網(wǎng)格劃分復(fù)雜[10]。參考文獻(xiàn)[11]要求近壁面網(wǎng)格的第一個(gè)結(jié)點(diǎn)y+<11.63。對導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪進(jìn)行網(wǎng)格加密,滿足要求。

對轉(zhuǎn)輪、前后導(dǎo)葉進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對比4 種劃分方案下軸伸貫流泵穩(wěn)態(tài)下效率。網(wǎng)格劃分方案及驗(yàn)證結(jié)果見表1 和圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Grid independence verification results

表1 網(wǎng)格劃分方案Tab.1 Meshing scheme

通過圖4 可知,方案3 時(shí)網(wǎng)格數(shù)量最佳,因此過渡過程全流道模型選取導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)量110 萬、前導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)量40 萬、后導(dǎo)葉60 萬網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2 軸伸貫流泵斷電飛逸過程計(jì)算方法

2.1 控制方程

水泵斷電飛逸過渡過程中,水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)矩方程為[12]:

2.2 湍流模型及離散格式

因?yàn)镽ealizable k-ε模型耦合了新的湍流黏度公式,所以對雷諾應(yīng)力的約束條件滿足得更好,與真實(shí)湍流更接近。其已被有效地用于各種不同類型的流動(dòng)模擬,其中包括有射流和混合流的自由流動(dòng)、旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、帶有分離的流動(dòng)、和管道流動(dòng)等流動(dòng)[17-25]。本文軸伸貫流泵關(guān)機(jī)飛逸過程中流態(tài)復(fù)雜多變,選用Realizable k-ε湍流模型封閉控制方程組。

本次仿真采用有限體積法對上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散,壓力-速度耦合采用PISO 算法,壓力項(xiàng)和動(dòng)量項(xiàng)采用二階格式,湍動(dòng)能和對流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式。時(shí)間步長0.001 s,初始時(shí)間為0。

2.3 斷電飛逸過程三維仿真過程

通過編寫udf 程序?qū)LUENT 進(jìn)行二次開發(fā),模擬軸伸貫流泵斷電飛逸全過程,其數(shù)值模擬算法思路如圖5 所示。設(shè)置進(jìn)水池三面進(jìn)水,進(jìn)口壓力沿水深變化,上表面為moving wall。利用滑移網(wǎng)格技術(shù),通過編寫udf 程序控制轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速,初始轉(zhuǎn)速為26.166 7 rad/s。

3 實(shí)例分析

通過對軸伸貫流泵進(jìn)行三維數(shù)值模擬仿真,機(jī)組先穩(wěn)定運(yùn)行4 s,然后開始斷電飛逸。經(jīng)過11.44 s 水泵方向流量降為0,經(jīng)過12.42 s 機(jī)組轉(zhuǎn)速降為0,轉(zhuǎn)輪開始倒轉(zhuǎn)進(jìn)入飛逸工況直至達(dá)到飛逸轉(zhuǎn)速,整個(gè)過程歷時(shí)36.9 s。飛逸轉(zhuǎn)速為30.97 rad/s,是額定轉(zhuǎn)速1.18 倍,飛逸工況下流量為13.9 m3/s,是額定工況下1.22 倍。水對轉(zhuǎn)輪扭矩逐漸由額定工況扭矩降為0。該泵站經(jīng)模型試驗(yàn)換算實(shí)際飛逸轉(zhuǎn)速為30.4 rad/s,數(shù)值模擬結(jié)果與其對比,誤差1.87%,誤差在合理范圍內(nèi)。

圖6 示出了軸伸貫流泵在斷電飛逸過程中轉(zhuǎn)速及扭矩隨時(shí)間變化情況,為方便分析,定義相對轉(zhuǎn)速n=N/N0,相對扭矩m=M/M0,相對流量q=Q/Q0(N0,M0,Q0為額定工況下轉(zhuǎn)速、扭矩和流量)。從圖6 中可知,當(dāng)機(jī)組開始飛逸后,葉片受到水流的扭矩迅速降低,轉(zhuǎn)速和流量也隨之近勻速降低。流量先降為0,轉(zhuǎn)速下降滯后于流量下降,因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速逐步下降過程中,水泵實(shí)際所能揚(yáng)起的高程越來越小。在11.44 s 時(shí)水泵轉(zhuǎn)速為1.70 rad/s,該轉(zhuǎn)速可揚(yáng)起極限高程為2.5 m,即上下水池高度,此時(shí)流量剛好為0。當(dāng)流量降為0 后,扭矩有一小段上升趨勢再逐漸降為0。該部分由于軸伸貫流泵由水泵工況向飛逸工況切換,轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速在降為0 反轉(zhuǎn)過程中存在反轉(zhuǎn)啟動(dòng)扭矩,因此扭矩在該段時(shí)間會(huì)有上升趨勢。

圖6 斷電飛逸過程中相對轉(zhuǎn)速、扭矩、流量隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.6 The changing law of relative speed, torque,and flow with time in the process of power-off runaway

本實(shí)例考慮重力項(xiàng),并通過udf 將模型泵進(jìn)出口設(shè)置成壓力沿水深變化,以此更真實(shí)地模擬進(jìn)出口邊界條件,進(jìn)出口面壓力如圖7 所示。

圖7 進(jìn)出口面壓力云圖Fig.7 Pressure nephogram of inlet and outlet face

基于進(jìn)出口壓力隨水深變化,考慮重力項(xiàng),對軸伸貫流泵進(jìn)行斷電飛逸過渡過程三維仿真,得出不同測點(diǎn)靜壓變化。圖8 示出了截面1,2,3,4的3 個(gè)測點(diǎn)靜壓曲線。對于同一截面的3 個(gè)測點(diǎn),由于進(jìn)出口壓力沿水深變化和重力項(xiàng)的影響,雖然3 個(gè)測點(diǎn)壓力變化趨勢相當(dāng),但幅值的大小隨水深變化存在明顯梯度。同時(shí)可以看出,距離轉(zhuǎn)輪區(qū)越近,靜壓幅值波動(dòng)范圍越大,主要因?yàn)檗D(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速變化明顯,轉(zhuǎn)輪區(qū)流態(tài)紊亂,水流波動(dòng)劇烈,存在強(qiáng)烈的水擊現(xiàn)象。從圖8(a)(b)可以看出,在轉(zhuǎn)輪后方的截面1 和截面2,斷電后所有測點(diǎn)壓力會(huì)瞬間降低,然后快速上升直至流量為0 水開始反向流動(dòng),此時(shí)會(huì)出現(xiàn)較小波動(dòng)直至葉片轉(zhuǎn)速為0 并開始倒轉(zhuǎn)進(jìn)入反水泵工況,此時(shí)不同測點(diǎn)靜壓開始逐漸降低并趨近平穩(wěn)。但是,對于8(c)(d),在轉(zhuǎn)輪前方的截面3 和截面4,斷電后測點(diǎn)壓力并未出現(xiàn)突然降低現(xiàn)象,其余變化規(guī)律與截面1,2 相似。因?yàn)樵陂_始斷電后,轉(zhuǎn)輪突然失去電機(jī)的附加扭矩,水流加速度方向與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相反,水流推動(dòng)轉(zhuǎn)輪減速轉(zhuǎn)動(dòng),因此各測點(diǎn)靜壓逐漸增大直至流量為0 時(shí)刻;在流量為0 到轉(zhuǎn)速為0 階段,由于存在工況切換,流態(tài)復(fù)雜,水擊現(xiàn)象明顯,因此存在明顯波動(dòng);當(dāng)轉(zhuǎn)輪開始倒轉(zhuǎn)進(jìn)入反水泵工況,水流加速度方向與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向一致,水流推動(dòng)轉(zhuǎn)輪加速轉(zhuǎn)動(dòng),因此靜壓逐漸減小直至達(dá)到飛逸轉(zhuǎn)速時(shí),靜壓趨向穩(wěn)定。

圖8 不同測點(diǎn)靜壓曲線Fig.8 Static pressure curves of different points

從圖9 可以看出,在機(jī)組開始斷電直至轉(zhuǎn)速為0 時(shí),出水流道截面處壓力云圖變化較小,而當(dāng)機(jī)組達(dá)到最大飛逸轉(zhuǎn)速后,出水流道同一截面處壓力值明顯降低,且存在低壓偏心區(qū)。

圖9 不同時(shí)刻出水流道截面壓力云圖Fig.9 The cross-sectional pressure nephogram of the outlet flow channel at different times

在斷電飛逸過程中,流態(tài)的變化是非常重要的一點(diǎn)。圖10 示出了飛逸初始時(shí)刻、流量為0 時(shí)刻、轉(zhuǎn)速為0 時(shí)刻和完全飛逸時(shí)刻4 個(gè)工況點(diǎn)時(shí)流道水平方向截面的流線。

圖10 不同時(shí)刻流道水平截面速度流線Fig.10 The velocity streamline diagram of the horizontal cross-section of the flow channel at different times

圖10 中可以明顯看出,機(jī)組在飛逸初始時(shí)流態(tài)正常,在出水流道出口處有少許漩渦存在。開始飛逸后,前、后流道流線逐漸紊亂,出現(xiàn)漩渦、回流等現(xiàn)象并逐漸發(fā)展,直至轉(zhuǎn)速為0 時(shí)刻,此時(shí)已有較多漩渦和回流。機(jī)組進(jìn)入反水泵工況,流態(tài)逐漸恢復(fù)穩(wěn)定,達(dá)到飛逸轉(zhuǎn)速時(shí),流道內(nèi)部水完全倒流,基本無不良流態(tài)。

4 真機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的真實(shí)有效性,對該泵站進(jìn)行真機(jī)試驗(yàn)。

4.1 測試工況及儀表設(shè)備

受自然環(huán)境以及工作環(huán)境的制約,真機(jī)測試選擇轉(zhuǎn)速為250 r/min 時(shí)進(jìn)行測試。臥式軸流泵的主要性能參數(shù)測量和運(yùn)行控制主要依靠PLC 完成,PLC 控制器負(fù)責(zé)接收測量儀表模擬信號(hào),并對模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,獲得其實(shí)際物理值,并顯示在觸摸屏上,亦可將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī),上位機(jī)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),用于后期人工處理。

信號(hào)采集采用昆山某公司HPT3000 信號(hào)采集儀器以及配套分析系統(tǒng)。信號(hào)采集方式為非細(xì)化方式。

4.2 壓力傳感器及測點(diǎn)布置

壓力的測量由壓力傳感器完成,采用昆山雙橋傳感器測控技術(shù)有限公司提供的CYG1102壓力變送器,輸出信號(hào)為1~5 V,測試電壓為24V DC,量程為-50~+50 kPa。由于真機(jī)測試不能隨意在機(jī)組部位開孔,因此結(jié)合機(jī)組自身機(jī)構(gòu)特性,在前導(dǎo)葉前后部位開孔,進(jìn)行壓力脈動(dòng)測試。測試過程中保證壓力傳感器的感應(yīng)部位末端與管路的內(nèi)壁平齊。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在秦淮新河臥式軸流泵穩(wěn)定運(yùn)行條件下,對前導(dǎo)葉前方和轉(zhuǎn)輪前方所測得的實(shí)測壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行才處理和分析,如圖11,12 所示。

圖11 前導(dǎo)葉前段壓力脈動(dòng)時(shí)頻域Fig.11 Time-frequency domain of pressure pulsation in the front part of the leading vane

由圖11 可知,臥式軸流泵前導(dǎo)葉前段壓力脈動(dòng)主頻為20.8 Hz,即為導(dǎo)葉通過頻率,同時(shí)在5~20 Hz 之間都有不同程度的次頻產(chǎn)生,其中在16.5 Hz 周圍的次頻最為明顯,與葉片通過頻率相同。由此可見,臥式軸流泵前導(dǎo)葉前段部位的壓力脈動(dòng)主要受到轉(zhuǎn)頻,葉輪通過頻率以及導(dǎo)葉通過頻率這3 個(gè)特征頻率的影響。由圖12 可知,臥式軸流泵轉(zhuǎn)輪前段壓力脈動(dòng)主頻為16.67 Hz,即為葉片通過頻率,同時(shí)在主頻后雖然沒有明顯次頻產(chǎn)生,但是擾動(dòng)比較明顯,結(jié)合試驗(yàn)情況,由于在做額外應(yīng)力試驗(yàn)時(shí),在轉(zhuǎn)輪的輪轂上安裝應(yīng)力測試儀器,因此產(chǎn)生了紊亂流態(tài)。

圖12 轉(zhuǎn)輪前段壓力脈動(dòng)時(shí)頻域Fig.12 Time-frequency domain of pressure pulsation in front part of runner

將該試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行對比,誤差在1.87%以內(nèi)(見表2),可說明上述數(shù)值模擬結(jié)果可信。

表2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)模對比Tab.2 Comparison of test results and digital simulation

5 結(jié)論

(1)對大型軸伸貫流泵進(jìn)行全流道三維過渡過程仿真計(jì)算,分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速變化滯后于流量變化,流量先降為0 開始倒灌,經(jīng)過0.98 s 后轉(zhuǎn)速降為0 并開始倒轉(zhuǎn)進(jìn)入反水泵工況;同時(shí)進(jìn)行真機(jī)試驗(yàn),數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測量值誤差1.87%,證明數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

(2)通過udf 編程,使進(jìn)出口水面壓力沿水深變化,同時(shí)考慮重力項(xiàng),分析4 個(gè)截面中不同測點(diǎn)靜壓變化。開始飛逸后測點(diǎn)靜壓都有上升段,且上升到流量為0 時(shí)刻開始出現(xiàn)波動(dòng),直到轉(zhuǎn)輪反轉(zhuǎn)進(jìn)入反水泵工況,然后靜壓開始逐漸降低達(dá)到穩(wěn)定。

(3)當(dāng)機(jī)組達(dá)到最大飛逸轉(zhuǎn)速后,出水流道同一截面處壓力值明顯降低,且存在低壓偏心區(qū)。

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