黃佳程，鄭源，闞闞*，許哲，黃從兵，周廣新，杜貽釗

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100； 2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3. 江蘇航天水力設(shè)備有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225600)

pressure fluctuation;numerical simulation

由于季節(jié)和環(huán)境等因素的變化，許多泵站需要在豐水季將大量洪水、余水排入下游.通過(guò)對(duì)水泵進(jìn)行反向發(fā)電，可以更合理地節(jié)約利用水資源，并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益[1].軸流泵裝置在南水北調(diào)東線泵站工程中應(yīng)用廣泛，有的泵站利用反向發(fā)電年發(fā)電時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)9個(gè)月.但是軸流泵裝置在反向發(fā)電時(shí)可能存在水力不穩(wěn)定性，并誘發(fā)機(jī)組的劇烈振動(dòng)，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行[2-3].因此對(duì)軸流泵裝置進(jìn)行反向發(fā)電的水力特性研究具有實(shí)際的工程借鑒意義.

目前，對(duì)泵反向發(fā)電的研究有很多.DAVID等[4]應(yīng)用URANS方法對(duì)某離心泵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明反向發(fā)電工況下最佳效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程和流量分別比泵工況下提高41%和27%.SANJAY等[5]進(jìn)行模型試驗(yàn)，研究了葉輪直徑和轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵反向發(fā)電的影響.MIAO等[6]就如何提高泵反向發(fā)電的效率展開(kāi)研究，提出了一種水泵葉輪子午面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.楊孫圣等[7]以不同蝸殼出口傾斜角度和葉片包角的混流泵進(jìn)行模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，探究蝸殼出口傾斜和葉片包角對(duì)混流泵反向發(fā)電性能的影響規(guī)律.柏宇星等[8]基于BladeGen方法設(shè)計(jì)了3種不同葉輪外徑的混流泵模型，分析葉輪外徑對(duì)泵反向發(fā)電的影響.李照[9]對(duì)混流泵進(jìn)行全流道三維數(shù)值模擬，并采用邊界元法對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行分析，并分析了混流泵反向發(fā)電工況時(shí)的壓力脈動(dòng)和流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲.

以往泵反向發(fā)電研究大多針對(duì)混流泵、離心泵等，而對(duì)軸流泵反向發(fā)電的相關(guān)研究較少，同時(shí)較多研究主要是對(duì)裝置抽水時(shí)的穩(wěn)定性和反向發(fā)電時(shí)外特性規(guī)律的總結(jié)，而鮮有對(duì)于壓力脈動(dòng)和內(nèi)流特性等方面的分析.因此，文中重點(diǎn)研究軸流泵裝置在反向發(fā)電工況時(shí)的內(nèi)流特性和外部參數(shù)變化規(guī)律，從而為泵裝置進(jìn)行反向發(fā)電提供一定的理論支持.

1 計(jì)算模型與邊界條件

1.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

所研究的軸流泵為某臥式軸流泵，其設(shè)計(jì)性能參數(shù)分別為水頭H=0.91 m，流量Qd=5 m3/s，轉(zhuǎn)速nr=170 r/min；幾何參數(shù)分別為葉輪直徑D=1 600 mm，葉輪葉片數(shù)Zb=4，葉片安放角α=-4°，導(dǎo)葉數(shù)Zg=5. 流場(chǎng)計(jì)算模型如圖1所示，主要包括進(jìn)水流道、葉輪、固定導(dǎo)葉、出水流道等過(guò)流部件.

圖1 計(jì)算模型

對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，因轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉部分較為復(fù)雜，故在ICEM軟件中采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)葉輪、導(dǎo)葉等過(guò)流部件表面進(jìn)行加密.圖2為對(duì)網(wǎng)格數(shù)N的無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，通過(guò)比較8種方案網(wǎng)格數(shù)對(duì)同一工況揚(yáng)程、效率的影響，最終選用網(wǎng)格數(shù)約為410萬(wàn)的方案進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，此時(shí)各過(guò)流部件的網(wǎng)格數(shù)分別為進(jìn)水流道766 384，葉輪1 197 923，固定導(dǎo)葉1 478 007，出水流道659 813.葉輪、固定導(dǎo)葉部分網(wǎng)格質(zhì)量保證在0.3以上，進(jìn)出水流道網(wǎng)格質(zhì)量保證在0.5以上.

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.2 湍流模型與邊界條件

應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent 17.2對(duì)軸流泵進(jìn)行全流場(chǎng)數(shù)值模擬，采用SSTk-ω湍流模型[10]，該模型能夠更為準(zhǔn)確地模擬轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉等區(qū)域的流動(dòng)情況.近壁區(qū)采用低雷諾數(shù)模型，可更好地捕捉流動(dòng)分離現(xiàn)象.轉(zhuǎn)輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)部件，其余部分均設(shè)置為靜止部件，動(dòng)靜交界面采用“interface”進(jìn)行信息傳遞.

進(jìn)行泵工況計(jì)算時(shí)，采用質(zhì)量流量進(jìn)口.通過(guò)改變進(jìn)口流量，監(jiān)測(cè)進(jìn)出口壓力，計(jì)算得到不同流量條件下的效率和揚(yáng)程.出口邊界條件采用壓力出口.進(jìn)行反向發(fā)電工況計(jì)算時(shí)，與泵工況的進(jìn)出口對(duì)調(diào)，采用質(zhì)量流量進(jìn)口和壓力出口邊界條件.進(jìn)水流道、出水流道、葉輪輪轂、外殼及導(dǎo)葉體均設(shè)為靜止壁面.采用無(wú)滑移邊界.動(dòng)靜交界面在定常計(jì)算時(shí)設(shè)為凍結(jié)轉(zhuǎn)子類型，在非定常計(jì)算時(shí)設(shè)為瞬態(tài)凍結(jié)轉(zhuǎn)子類型.

1.3 基本控制方程與瞬態(tài)計(jì)算設(shè)置

軸流泵裝置內(nèi)部是以水為介質(zhì)的不可壓縮黏性流體.采用連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均N-S方程作為數(shù)值計(jì)算的控制方程，即

(1)

(2)

式中：ui為在i方向流速的瞬時(shí)值；xi為坐標(biāo)；ρ為流體密度；p為流體壓力；Fi為質(zhì)量力；μ為運(yùn)動(dòng)黏度.

對(duì)軸流泵反向發(fā)電工況進(jìn)行非定常計(jì)算時(shí)，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為170 r/min，周期T=60/170 s.時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為2.941 176 47 ms，即T/120,每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)葉輪旋轉(zhuǎn)3°.共計(jì)算10個(gè)周期，前8個(gè)周期保證計(jì)算的穩(wěn)定，選取最后2個(gè)周期進(jìn)行分析.

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)軸流泵裝置在額定轉(zhuǎn)速下反向發(fā)電工況進(jìn)行模型試驗(yàn)，并對(duì)比數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的結(jié)果，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的正確性.

模型泵葉輪直徑D=300 mm，根據(jù)nD值相等原則確定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為906.67 r/min，通過(guò)相似定律可得原型裝置特征水頭與模型裝置水頭相同.同時(shí)模型試驗(yàn)中所測(cè)流量通過(guò)相似定律換算可以得到原型裝置流量.

圖3為河海大學(xué)水力機(jī)械多功能試驗(yàn)臺(tái).試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造依據(jù)SL140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》，綜合不確定度≤0.4%.

圖3 水泵裝置模型試驗(yàn)臺(tái)

圖4為數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的外特性曲線對(duì)比，以模型試驗(yàn)所得結(jié)果經(jīng)過(guò)相似換算，得到真機(jī)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果.

圖4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)外特性對(duì)比

由圖4可以看出：計(jì)算效率整體略高于試驗(yàn)效率，這是由于模型裝置結(jié)構(gòu)的壁面粗糙度相對(duì)較大，使模型試驗(yàn)過(guò)程中水力損失相對(duì)較大；整體上，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的外特性曲線基本吻合，偏差不超過(guò)3.0%，符合軸流泵反向發(fā)電工況外特性變化趨勢(shì)，這表明文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法是正確的.

3 反向發(fā)電特性

3.1 外特性分析

對(duì)軸流泵裝置在額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行泵工況和反向發(fā)電工況的定常數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖5所示.

圖5 泵工況與反向發(fā)電工況外特性對(duì)比

由圖5可以看出：在額定轉(zhuǎn)速下，反向發(fā)電工況與泵工況相比，水頭和流量分別高出43%和38%才能達(dá)到最優(yōu)工況，反向發(fā)電工況運(yùn)行下流量顯著增大；當(dāng)泵做反向發(fā)電時(shí)，水頭與流量呈正相關(guān)，因?yàn)樗^增大，意味著進(jìn)出水流道的壓力差增大，即能夠在單位時(shí)間內(nèi)輸入更大的流量；效率隨流量增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于流量增大，會(huì)顯著提高葉片進(jìn)水邊水流的絕對(duì)速度，根據(jù)速度三角形原理，與牽連速度合成的相對(duì)速度方向和大小會(huì)隨之變化，使水流相對(duì)速度的方向與葉片骨線方向先趨近后偏離；達(dá)到最優(yōu)工況后，效率下降較緩，這是由于絕對(duì)速度已經(jīng)足夠大，牽連速度不變，再繼續(xù)增大流量相對(duì)速度的方向和速度變化反而不如最優(yōu)工況前明顯；小流量工況時(shí)，流場(chǎng)內(nèi)旋渦損失更為嚴(yán)重，當(dāng)流量接近最優(yōu)工況時(shí)，會(huì)有較大的效率增大，這也是最優(yōu)工況前效率相對(duì)上升較快的原因.

由圖5還可以看出，泵裝置反向發(fā)電工況的最優(yōu)效率高于泵工況，這可能是由于所研究對(duì)象為一雙向貫流泵裝置，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了反向泵工況的流動(dòng)特點(diǎn)，葉片翼型設(shè)計(jì)為對(duì)稱“S”型.因此，為兼顧反向發(fā)電工況的流動(dòng)性能，使得正向泵工況水力效率并未達(dá)到正向最優(yōu)的水力設(shè)計(jì)方案.同時(shí)考慮泵裝置在反向發(fā)電的最優(yōu)工況時(shí)，水流在葉輪入口可能形成了較為適當(dāng)?shù)倪M(jìn)口入流角，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)具有較好的過(guò)流流態(tài)，使得反向發(fā)電效率較高.

在泵工況最大揚(yáng)程即反向發(fā)電工況水頭為1.8 m時(shí)，反向發(fā)電效率較高，接近于反向發(fā)電的最優(yōu)效率，以此進(jìn)一步研究不同轉(zhuǎn)速對(duì)軸流泵裝置反向發(fā)電效率的影響.

對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的泵裝置反向發(fā)電工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究轉(zhuǎn)速對(duì)效率變化趨勢(shì)的影響.分別以0.9nr，1.0nr，1.1nr，1.2nr，1.3nr轉(zhuǎn)速對(duì)軸流泵在不同工況下反向發(fā)電工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.

圖6為不同轉(zhuǎn)速下，泵在反向發(fā)電工況時(shí)的效率-流量曲線，可以看出：在不同轉(zhuǎn)速工況下，軸流泵反向發(fā)電效率隨流量增大均呈先增后減變化趨勢(shì)，效率隨流量增大而增大的階段，上升得較快，當(dāng)達(dá)到最高效率時(shí)，同樣幅度地增大流量，效率減小的趨勢(shì)相對(duì)小很多，存在著小范圍的高效區(qū).

圖6 不同轉(zhuǎn)速下反向發(fā)電工況的能量特性

由圖6還可以看出：在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，當(dāng)處于相對(duì)大流量時(shí)可保證較高效率；轉(zhuǎn)速越大，高效區(qū)越寬廣，這是由于轉(zhuǎn)速越大，水流的牽連速度越大，當(dāng)已達(dá)到最優(yōu)工況后，繼續(xù)增大流量使得絕對(duì)速度增大，根據(jù)速度三角形分析，按比例關(guān)系，則需要比低轉(zhuǎn)速條件下更大的絕對(duì)速度變化才能使相對(duì)速度方向顯著偏離葉片骨線方向，因此需要更多流量增加絕對(duì)速度；當(dāng)流量較小且水頭較低時(shí)，可采用降低轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速以保證較高的效率，這樣能夠充分地利用水能.

3.2 內(nèi)特性分析

在軸流泵反向發(fā)電的定常計(jì)算中得到額定轉(zhuǎn)速下最優(yōu)工況時(shí)對(duì)應(yīng)的流量為7.5 m3/s，由于在最優(yōu)工況前效率隨流量變化幅度很大，因此選擇3種相對(duì)小流量(6.4，6.8，7.4 m3/s)工況進(jìn)行非定常流動(dòng)計(jì)算.

3.2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

分別在導(dǎo)葉進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪出口截面上各設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[11]，在徑向方向由輪轂至輪緣分布，如圖7所示.

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2.2 壓力脈動(dòng)時(shí)域分析

取流動(dòng)穩(wěn)定后的2個(gè)周期數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力脈動(dòng)時(shí)域分析，定義量綱一的壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp[12]為

(3)

式中：pi為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)壓力；pave為平均壓力；ρ為流體密度；u為葉輪出口邊圓周速度.

為分析3個(gè)截面處徑向壓力脈動(dòng)分布規(guī)律，選取流量為6.4 m3/s工況時(shí)2個(gè)周期的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示，可以看出，3個(gè)截面處在每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)均出現(xiàn)4個(gè)波峰和波谷，呈現(xiàn)明顯的周期性波動(dòng).

圖8 6.4 m3/s工況時(shí)各截面壓力脈動(dòng)時(shí)域圖

在圖8a中，導(dǎo)葉進(jìn)口徑向分布的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1，A2，A3的壓力脈動(dòng)曲線基本一致，且Cp幅值在0.001 0左右，這個(gè)幅值相對(duì)很小，表明在導(dǎo)葉進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)規(guī)律并不明顯.這是由于相對(duì)平滑的水流由進(jìn)水流道進(jìn)入導(dǎo)葉，且導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪區(qū)域之間存在一定距離，使得在導(dǎo)葉進(jìn)口處水流受到轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的影響并不明顯.

在圖8b中，在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口有著相對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)口更大的Cp幅值，約為0.020 0，具有較明顯的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象.這是由于水流進(jìn)入旋轉(zhuǎn)部件，流速開(kāi)始有較明顯的變化，并且受固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪所產(chǎn)生的動(dòng)靜干涉影響.沿徑向分布的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1，B2和B3壓力脈動(dòng)曲線有所不同，由輪轂至輪緣壓力脈動(dòng)幅度逐漸增大[13]，這是由于點(diǎn)B1相對(duì)處于水流中心位置，受轉(zhuǎn)輪影響不大，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)B2和B3處于轉(zhuǎn)輪中部和邊緣處，水流沖擊轉(zhuǎn)輪葉片做功，使之旋轉(zhuǎn)，使得在這部分區(qū)域水流流態(tài)變化加劇.

在圖8c中，轉(zhuǎn)輪出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1，C2和C3壓力脈動(dòng)幅值沿徑向由輪轂向外逐漸增大，與導(dǎo)葉進(jìn)口和轉(zhuǎn)輪進(jìn)口相比有更大Cp幅值，約為0.040 0，約為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口脈動(dòng)幅值的2倍.這是由于隨著轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)輪出口處已經(jīng)最大限度地影響到水流流態(tài)，且在轉(zhuǎn)輪邊緣由于間隙的存在還可能產(chǎn)生旋渦等現(xiàn)象，使得該處壓力脈動(dòng)更明顯.

不同流量工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)趨勢(shì)大致相同.圖9展示了轉(zhuǎn)輪出口處在流量分別為6.8，7.4 m3/s時(shí)的壓力時(shí)域脈動(dòng)，可以看出，隨著流量增大，Cp幅值相對(duì)較大，在7.4 m3/s工況時(shí)Cp幅值已超過(guò)0.040 0.這是由于流量增大，水流流速增大且在轉(zhuǎn)輪出口處水流流態(tài)變化更加劇烈，加劇了轉(zhuǎn)輪所引起的動(dòng)靜干涉[14].

圖9 不同流量工況下轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)時(shí)域圖

3.2.3 壓力脈動(dòng)頻域分析

同樣以流量為6.4 m3/s 工況對(duì)壓力脈動(dòng)進(jìn)行頻域分析，結(jié)果如圖10所示，圖中橫坐標(biāo)中fn為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)頻率.

由圖10a可以看出：導(dǎo)葉進(jìn)口壓力脈動(dòng)主頻為4倍轉(zhuǎn)頻，因?yàn)槿~輪葉片數(shù)為4，即主頻為葉頻；在距離轉(zhuǎn)輪較遠(yuǎn)的導(dǎo)葉進(jìn)口，壓力脈動(dòng)仍受到轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的影響；主頻對(duì)應(yīng)的幅值沿徑向基本不變，壓力脈動(dòng)主頻幅值均小于0.001 2，可見(jiàn)脈動(dòng)幅值并不大，受轉(zhuǎn)輪影響的程度有限.

由圖10b可以看出：轉(zhuǎn)輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)主頻仍為葉頻，次頻為2倍葉頻；在整倍葉頻對(duì)應(yīng)的頻率也存在壓力脈動(dòng)幅值，并隨頻率增大幅值逐漸減小，Cp幅值接近0.020 0，遠(yuǎn)大于導(dǎo)葉進(jìn)口，這是由于水流經(jīng)導(dǎo)葉導(dǎo)流后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪，導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間產(chǎn)生動(dòng)靜干涉，在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流受到轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的影響較大；主頻壓力脈動(dòng)幅值沿徑向逐漸增大，這是由于水流對(duì)葉片中部及外緣做功，在轉(zhuǎn)輪邊緣區(qū)域速度變化明顯，具有更顯著的壓力脈動(dòng).

由圖10c可以看出：轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)主頻為葉頻，次頻為2倍葉頻；Cp幅值接近0.030 0，表明轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)大于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口，這說(shuō)明水流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪后流動(dòng)變化復(fù)雜；主頻壓力脈動(dòng)幅值沿徑向逐漸增大，受轉(zhuǎn)輪影響，越靠近轉(zhuǎn)輪邊緣水流的流態(tài)變化越嚴(yán)重.

圖10 6.4 m3/s工況各截面徑向頻域圖

圖11展示了轉(zhuǎn)輪出口處在流量分別為6.8，7.4 m3/s時(shí)的壓力頻域脈動(dòng).與圖10c相比較，在3種流量工況下，隨著流量增大，主頻所對(duì)應(yīng)的壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)增大，表明在主頻下壓力脈動(dòng)幅度更大，且都由輪轂至輪緣沿徑向逐漸增大，同時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)幅值差距逐漸減小.

圖11 不同流量工況轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)頻域圖

3.2.4 全局流場(chǎng)分析

圖12為3種流量工況下第10周期同一時(shí)間點(diǎn)的流道內(nèi)流線分布，由于研究軸流泵反向發(fā)電工況，則此時(shí)進(jìn)水流道即為泵工況的出水流道，出水流道為泵工況的進(jìn)水流道，水流方向相反，且葉輪旋轉(zhuǎn)方向與泵工況相反.

圖12 不同流量工況下流道內(nèi)流線分布

由圖12可以看出：3種流量工況均沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)工況，進(jìn)水流道處的水流經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉前速度增大，流線較平順，說(shuō)明水流流動(dòng)狀態(tài)良好；當(dāng)水流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪時(shí)速度顯著增大，這是由于過(guò)流截面減小且水流對(duì)轉(zhuǎn)輪做功使得圓周速度變大；流量為6.4 m3/s時(shí)，出水流道流線十分混亂，這是由于在小流量下水流流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，相對(duì)速度方向嚴(yán)重偏離葉片骨線方向，受到轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)影響較大，在出水流道形成橫流、旋渦等現(xiàn)象；隨著流量增大，流線趨于平順.

利用Q準(zhǔn)則[15]對(duì)出水流道進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化分析，level值均取為0.008.為保證計(jì)算過(guò)程中旋渦結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，選擇9T+2T/3時(shí)刻出水流道的旋渦形態(tài).圖13為3種流量工況下出水流道的旋渦結(jié)構(gòu)圖.

由圖13可以看出：旋渦的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向一致，出水流道的螺旋狀旋渦渦帶結(jié)構(gòu)明顯，并在尾部渦帶結(jié)構(gòu)斷裂，這是轉(zhuǎn)輪出口流體的圓周速度逐漸恢復(fù)形成的剪切力所造成的；流量越小，越偏離最優(yōu)工況時(shí)，尾流中復(fù)雜旋渦結(jié)構(gòu)越多，水流流態(tài)復(fù)雜，這與圖12a出水流道流線混亂的現(xiàn)象相吻合；隨著流量增大，當(dāng)流量為7.4 m3/s時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)已較為穩(wěn)定，出水流道渦帶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)變小，水流流動(dòng)狀態(tài)良好，這是由于隨著流量增大，水流流動(dòng)方向與葉輪進(jìn)口邊形成的入流進(jìn)口角與翼型角度更為匹配，水流以更好的流向?qū)θ~片做功.

圖13 不同流量工況9T+2T/3出水流道旋渦

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某泵站軸流泵裝置泵工況和反向發(fā)電工況的水力特性進(jìn)行全流道數(shù)值模擬以及試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論如下：

1) 與泵工況相比，額定轉(zhuǎn)速時(shí)，軸流泵裝置進(jìn)行反向發(fā)電的水頭和流量需分別高出43%和38%，才能達(dá)到其最優(yōu)工況.

2) 泵裝置處于反向發(fā)電工況時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，效率-流量曲線呈向大流量方向偏移的趨勢(shì)，高效區(qū)寬度也逐漸增大.

3) 在壓力脈動(dòng)時(shí)域方面，壓力脈動(dòng)呈周期性波動(dòng)，轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口壓力脈動(dòng)受轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)影響顯著，壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值沿徑向由輪轂至輪緣逐漸增大.在壓力脈動(dòng)頻域方面，壓力脈動(dòng)主頻為葉頻，在葉頻的倍頻處也存在明顯壓力脈動(dòng)幅值.在轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口主頻所對(duì)應(yīng)的壓力脈動(dòng)幅值沿徑向由輪轂至輪緣逐漸增大.在小流量工況下，流量越大，各截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值越大.

4) 在小流量工況下，隨著軸流泵反向發(fā)電運(yùn)行的流量減小，越偏離最優(yōu)工況時(shí)，出水流道流線越混亂，出水流道渦帶明顯，旋渦結(jié)構(gòu)復(fù)雜.流量越接近最優(yōu)工況流量時(shí)，水流流態(tài)越好，出水流道流線越平順，旋渦越少.