基于CFD计算的轴流泵改型设计和效果

轴流泵改型设计

第31卷 第4期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.4

2015年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2015 97

基于CFD计算的轴流泵改型设计和效果

石丽建1，汤方平1※，谢荣盛1，齐立龙1，杨正东2

（1. 扬州大学水利与能源动力工程学院，扬州 225100； 2. 江苏省淮安抽水二站管理所，淮安 223200）

摘 要：为了解决南水北调淮安二站改造工程中，水泵水力模型TJ05-ZL-02与现场土建结构存在的轮毂比不对应的问题，该文基于CFD数值计算针对淮安二站主水泵进行改型分析研究。将轮毂比为0.4的TJ05-ZL-02水力模型改成轮毂比为0.4667的新模型，确保改型之后的水泵模型跟TJ05-ZL-02水力模型性能相似，能够满足淮安二站调水、排涝的工程要求，同时应适当减小流量系数，适当降低高效区扬程。在改型设计时，研究主要设计参数对轴流泵性能的影响，控制叶片性能变化的方向，采用CFD数值计算的方法，对设计参数改变后的轴流泵水力性能进行验证，确定最终的改型设计方案。通过数值模拟对TJ05-ZL-02和改型的最终设计方案进行泵装置性能研究。最后将改型方案的模型泵装置试验结果与数值模拟结果对比，近一步对改型方案的可行性进行论证分析。研究结果表明：改型后轴流泵性能高效区扬程和流量，完全能够满足淮安二站运行要求；改型后轴流泵装置效率超过了70%，而原先淮安二站运行效率仅有54%，效率提高近20%，提高了调水性能，节约了运行成本；同时研究成果对今后的轴流泵改型设计具有重要的指导意义。 关键词：泵；设计；数值计算；轴流泵；叶片；轮毂比 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2015.04.014

中图分类号：TH312 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-04-0097-06

石丽建，汤方平，谢荣盛，等. 基于CFD计算的轴流泵改型设计和效果[J]. 农业工程学报，2015，31(4)：97－102. Shi Lijian, Tang Fangping, Xie Rongsheng, et al. Design of axial flow pump modification and its effect based on CFD calculation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 97－102. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

淮安二站原有的立式轴流泵，设计扬程7 m，叶轮直径4.5 m，额定转速100 r/min，单机流量60 m3/s。根据该泵站三十多年的实际运行数据，运行净扬程在 4 m左右，大部分时间在低扬程运行，效率较低，叶片正面靠进口边汽蚀严重，已经多次修补。孙洪滨等[1]对淮安二站改造必要性做了详细的分析研究，根据淮安二站安全检测结果，针对存在的问题进行分析，提出了更新改造措施。

根据江苏省水利勘察设计研究院《南水北调东线第一期工程淮安二站改造工程可行性研究报告》，泵站设计流量为120 m3/s，泵站设计净扬程为4.89 m，平均净扬程为3.82 m，最小净扬程为2.0 m，最大净扬程为5.06 m。

改造要求对2台套立式液压全调节轴流泵进行更新，泵的叶轮直径4.5 m，单机流量60 m3/s，配套5 000 kW立式同步电动机，电动机和水泵直连，电动机额定电压6 kV，额定转速93.8 r/min。冯俊等[2]对淮安二站改造进行了详细的水力模型比选确定，并最终确定选取天津同收稿日期：2014-12-25 修订日期：2015-01-21

基金项目：国家自然科学基金项目（51376155）；十二五农村领域科技计划项目（2012BAD08B03-2）；江苏省高校自然科学研究重大项目（11KJA570001）； 江苏省普通高校研究生科研资助项目（CXLX13_904） 作者简介：石丽建，男，江苏如皋人，博士生。主要研究方向：流体机械功能曲面多学科设计优化研究。扬州 扬州大学水利与能源动力工程学院，225100。Email：yzdxslj@

※通信作者：汤方平，教授，男，浙江金华人，教授，博士生导师。研究方向：流体机械设计，复杂工程系统科学优化设计,泵站自动化等。扬州 扬州大学水利与能源动力工程学院，225100。Email:yzdx_tfp@

台对比的TJ05-ZL-02水力模型，对于该水力模型给了详

细而充分的选择依据。该模型叶片的水力性能较好，能满足最高排涝扬程和最低扬程运行的要求。并且模型泵的叶片较厚，在设计大泵后，叶片强度会好很多，不容易产生振动和断裂现象。中标单位上海凯泉泵业(集团)公司在具体改造实施过程中发现，现场土建结构与新水力模型的轮毂比0.4产生矛盾，土建结构只适应轮毂比0.4667的水力模型。

分析了王玉心[3]在淮安二站泵设计改进探讨一文中，

轮毂比不一样带来的一些问题。如果将现成的模型按相似换算去设计，就会产生与原来的导流锥衔接不上或在进水锥管处产生突然收缩的问题，这样对机组的装置效率就会产生严重的影响甚至模型泵装置试验失败。如果改造土建结构，工程量大且存在安全隐患。经各方协商，决定对主泵水力模型通过数值模拟[4-6]的手段进行改型设计[7-8]，以达到以下2个主要目的：

1）改型设计的水泵性能（轮毂比为0.4667）和选型的TJ05-ZL-02优秀水力模型性能（轮毂比为0.4）相似，能够满足淮安二站的工程要求；2）鉴于TJ05-ZL-02水力模型流量系数大，远高于改型要求，水泵改进时，应适当减小流量系数，同时适当降低高效区扬程。

1 主水泵改型研究

本文在改型设计研究时对改型后的轴流泵叶片采用数值计算的分析方法。利用数值计算软件CFX对不同设计参数下的轴流泵叶轮内部流场进行了全三维的紊流数值模拟。通过对数值模拟结果的分析和比较，最终得出

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改型设计的设计方案。 1.1 参数设计

1.1.1 轮毂比(d/D)

轮毂用来固定叶片，在结构和强度上应保证安装叶片和调节叶片的要求。轮毂比除受结构强度限制外，对叶轮内的流动状态有重要影响，是一个很重要的几何参数。

本文改型研究在轮毂比方面已经限定，不可更改，即将同台测试的优秀水力模型轮毂比0.4改为0.4667。由于轮毂比由小变大，流速增加，水力损失增大，过流断面减小，抗汽蚀性能变差，效率降低。因此必须通过改变其他设计参数，以保证改型后的水泵水力性能相似。本文主要采取了修改叶栅稠密度(l/t)和翼型安放角β 2项参数。 1.1.2 叶栅稠密度(l/t)

叶栅稠密度[7]是轴流泵叶轮的重要几何参数，它直接影响泵的效率，也是决定水泵汽蚀性能的重要参数。叶栅稠密度是根据在叶栅中能量损失最小以及具有较好汽蚀性能的条件确定。叶栅稠密度减小，水泵叶片总面积减小，叶片工作面和背面的压差增加，汽蚀性能变差。但是叶片总面积减小，相应的减小了水力摩擦损失，叶片效率可以提高。

本文在改型设计时，保持叶根叶栅稠密度倍数不变，在叶尖叶栅稠密度的可变范围内，适当降低叶尖叶栅稠密度，增加叶根叶栅稠密度，以减小内外翼型的长度差，均衡叶片出口扬程，扩大高效区范围，提高效率，提升运行稳定性。

1.1.3 翼型安放角β

叶片的翼型安放角对轴流泵的性能同样具有重要的影响。通常轴流泵叶轮叶片的外缘翼型很薄，而且近乎于平直，并且叶片的冲角很小，可见做功能力不强。反之，轮毂侧的翼型较厚，拱度较大，且冲角较大，导致叶片扭曲严重。因此，改型设计时应适当减小轮毂处翼型安 …… 此处隐藏：3071字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……