双向流道立轴潜水泵系统流动特性研究
刘超 周庆连 钱均 金燕 谢传流
（1.扬州大学水利与能源动力工程学院，扬州  225009；2.  连云港市水利规划设计院有限公司，连云港  222006；3.  秦淮河水利工程管理处，南京  210001）

 摘要：为探索将潜水电泵和双向流道泵装置结合在一起的新双向流道潜水电泵系统，通过 CFX 软件对该系统进行全流道数值模拟，获得了系统内的流动特性，并预测了泵装置的水力性能。对进水流道内加设不同导流措施的水流特性进行分析，进水流道出口流速分布均匀度显示加设椭圆线导流锥的效果最好，能够防止有害旋涡，保证水泵运行的进水条件。应用特别设计的、单边 18°的大扩散角出水室，有效地抑制了脱流和水力损失，确保水泵系统整体效率水平。在高精度水力机械试验台进行了模型试验。试验结果表明，泵装置扬程为 3.11m，流量为 256L/s，泵装置效率达到 71.9%，正反向分别高于可逆式双向潜水泵装置 7和 13 个百分点。说明双向流道配立轴潜水泵装置具有良好的工程应用价值。模型试验结果和性能预测结果在高效区范围内吻合，数值计算得到较好的验证。

关键词：泵系统；双向流道；潜水泵；数值模拟

引言

双向流道泵系统是满足引排水需要，最大程度减少土地资源使用的泵系统形式。而双向流道泵系统效率低和机组振动一直是工程和学术界面临的难题[2]。通常的双向流道泵系统效率一般在 65%左右，比单向流道泵系统低 13~18 个百分点。双向进水流道内的涡带所引发的机组振动则较为普遍，振动的危害可以直接导致机组部件的损坏而无法运行。此后，双向泵系统转向采用双向可逆式水平轴泵系统。可逆式泵系统通过水泵正反向运转来改变进出水方向，从而实现双向抽水[3-4]。这种泵系统的流道与单向流道相同，流道内没有旋涡问题，但是正反向运行效率比较低。正向运行装置效率为 65%左右，反向运行装置效率仅为 58%左右。直到 20 世纪 90 年代，曲线扩散出水结构的采用提高了泵系统效率 8-10 个百分点，导流锥和防涡栅的设置有效地消除了机组的振动[5-6]。这种泵系统的形式已经被列入有关的规范中，也在较多的工程中应用。近年来，潜水轴流泵系统在工程中应用愈来愈多，从尺寸较小的泵型，发展到 2.5m 口径的大型轴流泵系统[14]。潜水泵实质是潜水电泵，潜水电机和泵叶轮、导叶联成整体，具有整体性好、安装便捷、维修标准化、管理效能高等优点。现有的潜水泵用于双向泵站通常均为可逆式泵，其系统的效率较低，不能满足用户要求。若将潜水电泵和双向流道泵系统结合在一起形成新双向流道潜水电泵系统，既能提高运行效率又能保证运行安全。应用潜水泵可以简化系统结构，但潜水电机不可避免地改变了出水结构，使轴流泵的出水导叶扩散角增大，容易产生脱流，增加水流阻力。本文应用 CFX 软件对该泵装置进行整体数值模拟分析和水力设计优化，在此基础上制作双向流道潜水泵装置模型进行模型试验，获得泵装置综合性能，为双向泵站工程提供新的的装置形式。

1 双向流道潜水泵系统内流特性

1.1 泵系统数值模拟的数学模型

泵装置内水流的流动为不可压缩紊流，用于描述流体流动状态的基本方程包括连续性方程和动量方程（N-S 方程），本文动量方程采用 RANG 雷诺平均方程，公式分别为：

式中：ρ-流体的密度 u_i、u_j-流体在 i、j 方向的速度分量；t-时间；F_i-i 方向的体积力分量；P-压强；μ-动力粘性系数；xi、x_j-坐标分量。紊流模型采用标准 k-ε 模型。

1.2  泵系统几何建模

已建成的双向流道立式轴流泵泵站中，进水流道内喇叭管下方容易产生旋涡，引发机组的振动，降低泵装置效率，严重时影响水泵机组的安全运行。因此，有必要在进水流道内采取防涡消涡的措施。分别在进水流道内加设曲线型导流锥和消涡栅进行对比。在工程实际当中，双向流道的下层进水流道常用作自流引水通道，在喇叭管正下方增加具有一定高度、顺水流方向平行排列、引水阻力较小的一组消涡栅，以比较不同方案情况下对泵装置性能的影响。

双向流道轴潜水泵系统三维模型由进水流道、出水流道、叶轮、导叶等几部分组成，计算区域为泵装置的全部，如图 1~5 所示。泵直径为 300mm。为便于潜水泵电机的安装，采用独特的大扩散角（单边扩散角度为 18°）的扩散导叶及曲线扩散出水室。导叶扩散角为常规导叶扩散角的 2 倍左右，扩散导叶的叶片数为7片。共3个计算方案：

方案 1（进水无导流措施）、方案 2（进水设导流锥）和方案 3（进水设消涡栅）。 

图 1  双向流道潜水轴流泵系统
Fig. 1 Two-way flow submersible axial flow pump system
1.  进水流道 2.出水流道 3.泵叶轮导叶 4.  曲线扩散出水室 5.
喇叭管 6.  导流锥 7.  导流消涡栅

图 2  泵叶轮和导叶（大扩散角）
Fig. 2 Pump impeller and guide blade
1.  叶轮  2.导叶 

图 3  曲线扩散出水室 

 Fig. 3 Curved diffusion chamber

 1  出水喇叭管，2  出水室内壁 

图 4  进水导流锥细部
Fig. 4 Detail of diversion pier

 1 进水喇叭管  2 导流锥 

图 5  进水消涡栅细部结构
Fig. 5 Detail structure of anti-vortex grid
1 进水喇叭管  2 导流消涡栅